浅析土木工程施工中钢结构的使用
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浅析土木工程施工中钢结构的使用
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　　【导读】土木工程方面的结构，通常是材料的两种选择，一是钢筋混凝土结构，二是钢。两种土木工程结构不同的项目是合适的，主要的结构被认为是使用的效果，但也考虑施工和实际结果的使用成本。因此，钢结构在土木工程中的使用是非常重要的，钢结构有一个很大的因素，施工企业要高度重视。
　　1、在土木工程中钢结构的主要特点在土工工程中，钢结构的使用是非常的多的，这主要是因为钢结构的特点决定的。
　　1.1钢结构的强度在施工的工程中，选择哪种施工的结构构件，是由构件的强度决定的。材料的强度主要是由材料的承受能力和材料的使用效果决定的。土木工程中使用钢结构是由于钢结构的构件的性能决定的。钢结构的性能是由国家的标准决定的，土木工程中使用的钢结构一定是符合国家的相关标准决定的。土木工程选择钢结构而不是钢筋混凝土，主要是因为使用钢结构可以减少物料方面的消耗，使得施工的企业可以在一定程度上获得更高的经济利益。
　　1.2钢结构的刚度结构在使用后会不会出现振动和变形的情况主要是由于构件的刚度决定的，构件的刚度又是同构件与连接件的分布决定的。在土木工程中，钢结构的刚度是比钢筋混凝土的结构有很明显的差别的，钢筋混凝土的刚度比钢结构的刚度小很多，所以土木工程选用钢结构更加能保证工程的施工质量。
　　1. 3钢结构的延性材料的延性是指材料在拉伸的过程中会不会出现变形的情况，在一般的结构中，延性的设计主要在抗震的设计中比较常见，因此，延性也是地震设计中一项重要的参考依据。在地震中，幸存的建筑物的设计结构的延性都是非常的好的。钢结构目前是使用非常广泛的，而且是延性很好的施T材料。在土木T程的施工中，一般都会出现很多钢结构的建筑，这也是钢结构可以大量使用的前提。
　　1.4钢结构的韧性建筑材料的韧性通常表现为材料在制造、安装和使用的过程中可以承受的多大的变形力的作用，钢结构在安装的过程中可以承受非常大的力的作用，这也是钢结构可以大量使用的一个前提条件。钢结构在安装的时候通常会进行必要的弯曲、打孔和剪切，在钢结构受到这些力的作用的时候，通常是很少会发生变形的韧性也会受到温度的影响，所以，生产企业一定要选择好材料进行钢结构的生产。
　　2、土木工程中钢结构的缺点虽然钢结构具有很多的有点，但是事物都不是完美的，有优点就一定会有缺点存在，钢结构在应用和施工的时候会出现一下几方面的缺点。
　　2.1钢结构材料方面的缺点虽然在一定程度上，钢结构的刚度是大于钢筋混凝土的，但是在某一个特定的条件下，钢结构的刚度是要小于钢筋混凝土的刚度的，之所以会出现这种情况，是由于钢结构的构件的尺寸影响的，所以，钢结构的生产企业一定要重视构件尺寸的问题。
　　2.2钢结构设计方面的缺点在进行钢结构的设计的时候，一定要根据实际要进行的工程进行参考，要使的钢结构的功能要求符合正在进行工程的建筑的结构的要求，设计的人员在设计的时候一定要从实际的情况出发，不能根据自己的想象去进行不和实际的结构的设计，这样设计出来的钢结构在使用以后，也不会到达预想的使用效果，可能有些钢结构根本就无法进行施工。所以，设计的人员在设计钢结构的时候，一定要进行综合的考虑，设计出来最好的产品。
　　2. 3钢结构的使用年限方面的缺陷混凝土结构号称永不损坏，但是钢结构一般的使用寿命只有五十年，如果钢结构用在住宅建筑中，那么人们想到自己花费终身积蓄而购买的房子只能住五十年，会让很多人丧失购买的欲望。不过随着保险业的发展，住宅寿命问题应该相对容易解决。
　　3、土木工程中钢结构施工的要点
　　3.1选择和连接钢通常分为板材，型材，金属产品和管状四类。天汇民用建筑钢中常用的普通低合金钢，优质碳素结构钢和普通碳钢，碳钢，塑性较低，但强度相对较高的硬度。在钢柱箱形截面，一般多为宽凸缘部分或&工作&
　　的形状，除了&十&形的横截面，等;电子束焊接或轧制的大都是&H&型钢梁，如果你能满足特殊条款的要求，在焊接接头在焊接试验，主要??安装，设置网格材料和焊接参数。梁与梁之间，横梁与立柱之间的连接，你可以把高强螺栓连接或焊接，注意高强度螺栓连接孔的精度。
　　3.2层叠钢的成分和机械定位装置的选择往往是土地面积的情况下安装结构应大于??结构面积。遵循水的安装顺序从运输到院子里支撑钢结构的现场可用于装卸机械的配置一个回转半径内的机械安装。如果运输造成的构件变形，并在施工现场将校正。
　　钢是用塔式起重机的安装，吊杆长度有足够的覆盖率，并对相应的起吊能力足以满足提升成员的不同部分的不同要求。钢丝绳起吊能力必须能够满足高要求;起升速度有足够的等级以满足安装要求。在多机操作的情况下，俯仰臂足以避免碰撞时的安全，确保操作安全。
　　3.3钢结构涂装工艺流程首先，金属表面清理干净，然后做防锈。手工加工先用钢丝刷反复，然后细砂布打磨，使其表面光滑有光泽，然后用棉花或纱布打磨铁锈粉及浮灰清理。绘画使金属表面干燥之前，如果有水，要立即擦干。在绘画中，当刷薄，刷过的地方，并没有注意到油漆的涂刷铆钉孔。直到干燥后的锈蚀，使用腻子和涂料配套部件表面缺陷的胶凝。您可以添加适量的腻子红丹粉或膏体涂料，从而增加其干硬。干燥后的腻子打磨光滑和清洁。刷油漆刷的时候很多原因，油流不落，充分均匀，明亮的颜色一致，刷完后应检查，避免漏刷。
　　4、结论
　　土木工程方面的结构，通常是材料的两种选择，一是钢筋混凝土结构，二是钢。两种土木工程结构不同的项目是合适的，主要的结构被认为是使用的效果，但也考虑施工和实际结果的使用成本。因此，钢结构在土木工程中的使用是非常重要的，钢结构有一个很大的因素，施工企业是非常重要的。在土木工程建筑钢结构是目前的优势和劣势，施工企业必须克服钢的缺点，在土木工程中发挥到最大的钢结构的优点。
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浅析土木工程施工中钢结构的使用相关推荐土木工程材料的基本性质
1.介绍了的材料的热物理性质、耐久性和安全性；
2．阐叙了材料的物理性质、力学性质、与水有关的性质；
3．介绍了主要材料的组成、结构及构造特点。
土木工程材料的性质多指其对环境作用的抵抗能力或在环境条件作用下的表现。材料在工程中所表现的性质有很多，根据不同的使用环境或要求，对其性质的要求会有所不同。因此，在材料选择与使用中应考虑的性质也不尽相同。土木工程材料的基本性质是指处于不同使用条件或使用环境的土木工程中，通常必须考虑的最基本的，共有的性质。只有掌握材料的基本性质，才能正确选择、合理使用土木工程材料。
2.1材料的组成、结构及构造
材料是由原子、分子或分子团以不同结合形式构成的物质。材科的组成或构成方式不同，其性质可能有很大的差别：组成或构成方式相近的材料，一般其性质多具有相近之处，但其组成不同的材料，其各自分别具有不同的特性。此外，即使属于相同类别的材料，由于其中原子或分子之间的结合方式及缺陷状态不同，其性质也可能有显著的差别。
所以，材料的组成、结构及构造决定着材料的各种性质。只有了解材料的组成、结构及构造，才能更好地掌握材料的基本性质。
2.1.1材料的组成
1．化学组成
化学组成是指材料的化学成分。无机非金属材料的化学成分常用各氧化物的含量来反映，如石灰的化学成分是CaO。金属材料则常以化学元素的含量来表示。如碳素钢以碳元素含量来划分。合成高分子材料常以其链节表示，如聚乙烯的链节是C2H4等。土木工程材料的的诸多性质都与其化学成分有关。如耐火性、力学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等。
2．物相组成
物相是具有相同物理、化学性质，一定化学成分和结构特征的物质。对于无机非金属材料，通常用矿物成分表示；对于金属材料，通常用金相组织来表示。许多材料单从化学组成还不能判断其性质，还必须了解其物相组成。例如，水泥中熟料矿物的组成比例发生变化时，水泥的性质会随之改变。钢材的金相组织发生变化时，钢材的性质也会发生变化。
因此，材料的组成对材料性质的影响十分复杂，需结合具体材料的特性进行研究和分析。
2.1.2材料的结构和构造
材料的性质除与材料组成有关外，还与其结构和构造有密切关系。材料的结构和构造是泛指材料各组成部分之间的结合方式及其在空间排列分布的规律。目前，材料不同层次的结构和构造的名称和划分，在不同学科间尚未统一。通常，按材料的结构和构造的尺度范围，可分为微观结构、介观结构和宏观结构。
1．微观结构
材料的微观结构是指原子或分子层次的结构。材料按微观结构可分为晶体和玻璃体。
1）、晶体结构
晶体是质点（原子、分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，具有一定的几何形状和物理性质。晶体质点间键能的大小以及结合键的特性决定晶体材料的特性。
①原子晶体&
由中性原子直接构成的晶体。原子晶体组成的材料，其质点(原子)之间主要依靠原子间的共价键相互结合为整体。这类材料通常具有较高的强度和硬度．在一般使用环境条件下的稳定性较好。土木工程中常用的原子晶体类材料有石英及某些碳化物等。
②金属晶体&
金属原子团依靠自由电子的库仑引力所构成的晶体。在金属晶体材料中，不同的晶格或晶格间不同的组合方式，可构成不同的晶体结构，从而使其性质也有所差别。金属晶体类材料也具有较高的强度和硬度，有些还具有较好的韧性与可加工性；但在某些使用环境条件下的稳定性不及原子晶体材料，如耐高温性、耐腐蚀性等较差。土木工程中常用的金属晶体类材料有生铁、钢材、铝材、铜材等。
&&③离子晶体&
离子晶体正、负离子间依靠离子键的结合引力构成的晶体。离子晶体中质点(离子)间不同的离子键特性决定了离子晶体材料的性质。土木工程中许多无机非金属材料多是以离子晶体为主构成的材料，如石膏、石灰、某些天然石材及人工材料等。
&&④分子晶&
分子晶体分子或分子团间依非对称的电子极化引力而形成的晶体。分予晶体结构材料中质点问的结合键(也称为范德华分子键)较弱，只能在某些环境条条件下才具有较可靠的物理力学性能，一般环境中其强度、硬度较低，温度敏感性强，密度较小。土木工程中常用的水及水性乳液、石蜡等具有分子晶体类材料的典型特征。
2）、玻璃体
玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。玻璃体结构的材料没有固定的熔点和几何形状，且各向同性。由于内部质点未达到能量最低位置，大量化学能储存在材料结构中，因此，其化学稳定性差，易与其它物质发生化学反应或产生重新结晶，这一性质也称为材料的潜在化学活性。如某些活性混合材料的活性特点，正是这种玻璃体结构材料的表现。
2．介观结构
&&材料的介观结构（又称亚微观结构）是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜能观察到的质点所构成的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在10-3m～10-9m。材料的介观结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-3m～10-7m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺寸等。对于木材，通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有显著的影响。例如，钢材的晶粒尺寸越小，钢材的强度越高。又如混凝土中毛细孔的数量减少、孔径减小，将使混凝土的强度和抗渗性等提高。因此，对于土木工程材料而言，从显微结构层次上研究并改善材料的性能十分重要。
材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。其尺度范围在10-7m～10-9m。材料的纳米结构是20世纪80年代末期引起人们广泛关注的一个尺度。其基本结构单元有团簇、纳米微粒、人造原子等。由于纳米微粒和纳米固体有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理和化学性能，因而得到了迅速发展，在土木工程中也得到了应用，例如，磁性液体、纳米涂料等。通常胶体中的颗粒直径为1～100nm，其结构是典型的纳米结构。
3．宏观结构
材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上。按宏观结构的特征，材料有致密、多孔、粒状、层状等结构，宏观结构不同的材料具有不同的特性。例如，玻璃与泡沫玻璃的组成相同，但宏观结构不同，前者为致密结构，后者为多孔结构，其性质截然不同，玻璃用作采光材料，泡沫玻璃用作绝热材料。
材料宏观结构和构造的分类及特征见表2-1
表2-1& 材料的宏观结构和构造及特征
2.2材料的物理性质
密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度
密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算式：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-1)
ρ—& 密度 ，g/cm3；
干燥材料的质量, g；
v—材料在绝对密实状态下的体积, cm3。
材料在绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙的体积。在土木工程材料中除钢材、玻璃等少数材料外，大多数材料内部均存在孔隙。
为测定有孔材料的绝对密实体积，常把材料磨细，干燥后用李氏瓶测定其体积，材料磨得越细，测得的数值越接近材料的真实体积。
材料的密度与40C纯水密度之比称为相对密度。其中，上述质量是指材料所舍物质的多少，通常以重量的大小来近似衡量材料的质量。但，重量是指材料所受重力的大小，它与质量的概念有本质的区别。
2.表观密度
表观密度是材料在包含闭口孔隙条件下单位体积的质量。按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
& 式中:&&&
——表观密度，㎏/m3；
&&m—材料的质量，㎏；
材料在包含闭口孔隙条件下的体积，m3。
通常，材料在包含闭口孔隙条件下的体积是采用排液置换法或水中称重法测量。对于某些密实材料（如天然砂、石等），表观密度与密度十分接近，因此，也称为视密度，又称近似密度。由于表观体积中包含了材料内部孔隙的体积，因此其值通常小于密度值。
材料的表观密度一般指材料在干燥状态下单位体积（含闭口孔隙）的质量，称为干表观密度。当材料含水时所得表观密度，称为湿表观密度。由于材料含水状态的不同，如绝干（烘干至恒重）、风干（气干）、饱和面干、含水等，可分别称为干表观密度、气干表观密度、饱和面干表观密度、湿表观密度等。
3.毛体积密度（容重）
&毛体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-3)
&&ρ0—毛体积密度，㎏/m3；
&m—材料的质量，㎏；
材料在自然状态下体积，m3。
材料在自然状态下的体积是指包括内部孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）在内的体积。
对于规则形状材料的体积，可用量具测得，对于不规则形状材料的体积，可采用排液法或封蜡排液法或用体积仪测得。
与材料的表观密度一样，材料的毛体积密度按含水状态的不同，有干毛体积密度、气干毛体积密度、饱和面干毛体积密度、湿毛体积密度等。对于大多数无机非金属材料，干毛体积密度和气干毛体积密度的数值较接近，这些材料吸湿或吸水后体积变化较小，一般可忽略不计。对于木材等轻质材料，由于吸湿和吸水性强，体积变化大，不同含水状态的毛体积密度差别较大，应精确测定。
4.堆积密度
堆积密度是指散粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
ρ’0—堆积密度，㎏/m3；
m—材料的质量，㎏；
材料堆积体积，m3。
材料的堆积体积包括固体体积、孔隙体积和空隙体积。因此，堆积密度与材料堆积的紧密程度有关。根据材料堆积的紧密程度，堆积密度有松堆密度和紧堆密度。松堆密度是指自然堆积状态下单位体积的质量。紧堆密度是指振实或捣实的紧密堆积状态下单位体积的质量。
散粒材料的颗粒内部或多或少存在孔隙，颗粒与颗粒间又存在间隙，所以对散粒材料而言，有密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度四个物理量，应从其概念及实验过程加以区别。
2.2.2密实度与孔隙率
材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度，称为材料的密实度D，按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
密实度D反映材料的密实程度，D越大，材料越密实，含有孔隙的材料，密实度均小于1。
2.孔隙率&&&&&&&&&&&&&&&&&&
孔隙率是指材料孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率，分为总孔隙率（简称孔隙率）、开口孔隙率和闭口孔隙率。&&&&&&&&&&&&
1）、孔隙率
材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率（P）。按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&(2-6)
2）、开口孔隙率
材料开口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的开口孔隙率。&&&&&&&&&&
由于水可进入开口孔隙，工程中常将材料在吸水饱和状态下所吸水的体积，视为开口孔隙的体积（Vk），开口孔隙率（Pk）按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-7)
3）、闭口孔隙率
材料闭口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的闭口孔隙率。闭口孔隙率（Pb）按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-8)
填充率、空隙率和间隙率
散粒材料在堆积状态下颗粒填充的体积占堆积体积的百分率，称为材料的填充率。材料的填充率D’按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
散粒材料在堆积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，称为材料的空隙率。材料的空隙率（P’）按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-10)
&&空隙率的大小反映了散粒状材料的颗粒之间互相填充的致密程度和骨料开口孔隙的多少。空隙率反映了堆积材料中颗粒间空隙的多少，它对于研究堆积材料的结构稳定性、填充程度及颗粒间相互接触连接的状态具有实际意义。
散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的间隙率。材料的间隙率（P0’）按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
& 间隙率的大小反映了散粒状材料的颗粒之间互相填充的致密程度。
2.3材料的力学性质
力学性质是指材料抵抗外力的能力及其在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下所表现的强度或变形特性来表示。
2.3.1强度与比强度
强度指材料抵抗外力破坏的能力。当材料受外力作用时，内部将产生应力，外力逐渐增加，应力也相应增大，直到材料内部质点间的作用力不再能承受时，材料即破坏。此时的极限应力值就是材料的强度。
根据外力施加方式的不同，材料的强度可分为静力强度和动力强度。静力强度是在外力逐渐增加的条件下所测得的强度，通常用于承受静荷载作用的结构计算。动力强度是在单位时间内外力增量很大的条件下所测得的强度，在承受动荷载的结构或构件设计中，应考虑材料的动力强度，如抗疲劳强度、抗冲击强度等。
依外力引起内应力的不同，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度等。
材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度可按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-12)
式中 :&&&&
f—材料的极限强度，Mpa；
Fmax—材料破坏时的最大荷载，N；
A—试件受力截面面积。
材料的抗弯强度与试验方法有关，一般是采用简支的梁形试件进行试验，当采用集中荷载时，抗弯强度的按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&(2-13)
当采用在两支点间的三分点作用对称荷载时，抗弯强度的按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
fm —材料的抗弯极限强度，Mpa；&&
弯曲破坏时的最大荷载，N；
L—两支点的间距，mm；
b、h—分别为受弯试件截面的宽和高，mm。
材料的强度主要取决于材料的组成和结构，不同种类的材料，强度差别甚大；同类材料，受力形式或受力方向不同，强度也不相同。例如，砖、砂浆、混凝土等的抗压强度较高，而抗拉和抗弯强度较低。木材和玻璃纤维增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度。钢材的抗拉强度和抗压强度都很高。因此，应根据材料的特点选择和使用土木工程材料。
为便于生产和使用，结构材料均按强度值划分等级。例如，普通水泥按抗压强度和抗折强度分为32.5、42.5、52..5、62.5等四个强度等级；普通混凝土按抗压强度分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等10个强度等级；钢筋按机械性能（屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等）划分等级。结构材料的强度等级，是掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计、精心组织施工和控制工程质量的基础，因此强度等级是材料的重要性质。
材料的强度是在一定条件下测试得到的，试验条件对测试所得的数据影响很大，如取样方法，试件的形状、尺寸、表面状况，加荷速度、环境的温度和湿度等，均不同程度地影响测试结果。所以，对于各种土木工程材料，必须严格遵照有关标准规定的试验方法进行检验。
比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，或材料的强度与其表观密度之比，它是衡量材料轻质高强特性的参数。
结构材料在土木工程中的主要作用就是承受结构荷载。对多数结构物来说，相当一部分的承载能力用于抵抗本身或其上部结构材料的自重荷载，只有剩余部分的承载能力才能用于抵抗外荷载。为此，提高材料承受外荷载的能力，不仅应提高其强度，还应减轻其自重，材料必须具有较高的比强度值，才能满足高层建筑及大跨度结构工程的要求。
2.3.2变形性能
在土木工程中，外力作用下材料的断裂就意味着工程结构的破坏，此时材料的极限强度就是确定工程结构承载能力的依据。但是，有些工程中即使材料本身并未断开，但在外力作用下质点间的相对位移或滑动过大也可能使工程结构丧失承载能力或正常使用状态，这种质点间相对位移或滑动的宏观表现就是材料的变形。
微观或介观结构类型不同的材料在外力作用下所产生的变形特性不同，相同材料在承受外力的大小不同时所表现出的变形也可能不同。弹性变形和塑性变形是材料两种最基本的力学变形，此外还有粘性流动变形和徐变变形等。
1.弹性变形与塑性变形
材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，能够完全恢复原来形状的性能称为弹性。这种能完全恢复的变形称为弹性变形。
弹性变形的大小与其所受外力的大小成正比，其比例系数对某些弹性材料来说在一定范围内为一常数，这个常数被称为该材料的弹性模量，并以符号“E”表示。按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-15)
σ——材料所承受的应力，MPa；
&&&&&&&&ε——材料在应力一作用下的应变。
弹性模量(E)是反映材料抵抗变形能力的指标，其值愈大，表明材料抵抗变形的能力愈强，相同外力作用下的变形就愈小。材料的弹性模量是土木工程结构设计和变形验算所依据的主要参数之一。
材料在外力作用下产生显著变形，但不断裂破坏，外力取消后，仍保持变形后的形状的性质称为塑性。这种不可恢复的残余变形称为塑性变形。
在土木工程材料中，几乎没有完全的弹性材料或塑性材料。有的材料在受力不大时，呈弹性性质；当应力超过某一数值后，则呈塑性性质，如低碳钢。有的材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时发生，当外荷载除去后，弹性变形恢复，而塑性变形则残留下来，成为残余变形，如混凝土。
许多材料的塑性往往受温度的影响较明显，通常较高温度下更容易产生塑性变形。有时，工程实际中也可利用材料的这一特性来获得某种塑性变形。例如，在土木工程材料的加工或施工过程中，经常利用塑性变形而使材料获得所需要的形状或使用性能。
材料在恒定外力作用下，随时间缓慢增长的不可恢复的变形称为徐变变形，简称徐变。它属于塑性&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
变形。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
材料的徐变与应力成正比，即作用的外力越大，则徐变越大。徐变过大将使材料趋于破坏。当应力不大时，材料在受力初期的徐变速度较快，后期逐步减慢，直至趋于稳定。晶体材料(如某些岩石）的徐变很小，而非晶体材料及合成高分子材料（如木材、塑料等）的徐变较大。
2.3.3 脆性与韧性
脆性是材料在外力作用下，在破坏前无明显的塑性变形而突然破坏的性质。脆性材料的特点是塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大（5～50倍），无机非金属材料多属于脆性材料。例如，天然石材、普通混凝土、砂浆、普通砖、玻璃及陶瓷等。
韧性是指材料在外力的作用下，能够吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不致破坏的性能。而材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大能量，产生一定的变形而不致破坏的性质称为冲击韧性。材料的韧性与外力的施加速度有关，一般而言，外力的施加速度越快，材料的韧性越低。在土木工程中，材料的韧性一般以冲击韧性评价。材料的冲击韧性一般用带缺口的试件，在一次次冲击作用下至冲断破坏时，断口处单位面积所吸收的功来表示。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&αk —材料的冲击韧性 ，J/mm2 ；&
Ak &&—试件破坏所消耗的功，J ；
A— 试件冲击破坏面的净截面积，
韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度与抗压强度接近，木材、建筑钢材、橡胶等属于韧性材料。
在土木工程中，对于承受冲击荷载和有抗震设计要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等，在选材时需要考虑材料的韧性。
2.3.4硬度和耐磨性
硬度是材料抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力，它与材料的强度等性能有一定的关系。土木工程中为保持建筑物的使用性能或外观，常要求材料具有一定的硬度，如部分装饰材料、预应力钢筋馄凝土锚具等。不同种类的材料的硬度测量方法不同，通常有刻划法、回弹法和压入法。
刻划法用于矿物材料的测定，以滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉和金刚石10种矿物由软到硬依次分为十个硬度等级，这种硬度称为莫氏硬度。
回弹法用于测定混凝土表面硬度，并可间接推算混凝土的强度，也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶等的表面硬度和间接推算其强度。
压入法用于测定金属材料、塑料、橡胶等的硬度。是以一定的压力将一定规格的钢球或金刚石制成的尖端压入试样表面，根据压痕的面积或深度来测定其硬度值。常用的方法有布氏法、洛氏法和维氏法，相应的硬度值称为布氏硬度（HB，它是以压痕直径计算求得的硬度值）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC，它是以金刚石圆锥或圆球的压痕深度计算求得的硬度值）和维氏硬度（HV，以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV））。
一般来说，硬度大的材料，耐磨性较强，但不易加工。在工程中，常利用材料硬度与强度间的关系，间接推算材料的强度。
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率或磨耗率表示，按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&N—材料的磨损率或磨耗率，g/cm2；&&&&&&&
m1 —试件磨损前的质量，g；&
m2—试件磨损后的质量 ，g；&&&&&&
试件受磨面积，cm2。
材料的耐磨性与材料组成结构以及强度和硬度有关。在土木工程中，对于道路路面、桥面、工业地面等受磨损的部位，选择材料时，应适当考虑硬度和耐磨性。
2.4 材料与水有关的性质
2.4.1材料的亲水性与憎水性
当材料与水接触时，如果水可以在材料表面铺展开，即材料表面可以被水所润湿，则称材料具有亲水性；这种材料称为亲水性材料。若水不能在材料的表面铺展开，即材料表面不能被水所润湿，则称材料具有憎水性。此种材料称为憎水性材料。
材料的亲水（或憎水）程度可用润湿角来θ表示。如图2-1与图2-2所示。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图2-1 亲水材料的润湿与毛细现象& 图2-2憎水材料的润湿与毛细现象
润湿角 θ≤900时，材料表现为亲水性；润湿角 θ&900时，材料表现为憎水性。润湿角越小，亲水性越强，憎水性越弱。含有毛细孔的材料，当孔壁表面具有亲水性时，由于毛细作用，会自动将水吸入孔隙内，如图2-1。当孔壁表面为憎水性时，则需施加一定压力才能使水进入孔隙内，如图2-2。因此，憎水性材料具有较好的防水性、防潮性，常用作防水材料，也可用于对亲水性材料进行表面处理，以降低吸水率，提高抗渗性。大多数建筑材料属于亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等；大部分有机材料属于憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料有机硅等。
2.4.2材料的吸水性与吸湿性
材料在水中吸收水分的能力称为材料的吸水性。常用吸水率表示，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。
1）质量吸水率&&
材料的质量吸水率是材料吸收的水分与材料在干燥状态下的质量之比，按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
W—材料的质量吸水率，%；
m2—材料在干燥状态下的质量，g；
m1—材料在浸水饱和状态下的质量，g。
2）体积吸水率&
材料的体积吸水率是材料吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比，按下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&(2-19)
W0—材料的体积吸水率，% ；
V0—材料在自然状态下的体积 ；
－水的密度(g／cm。)，常温下取
=1.0g／crn3。
因此，材料的质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-20)
式中：& ρ0 —材料的毛体积密度，g/cm3。
材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料不但能在水中吸水，也能在空气中吸收水汽。通常，材料的吸湿作用是可逆的，材料既可吸收空气中的水分，也可向空气中释放水分,前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程(此性质也称为材料的还湿性)。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度而变化的。当材料吸收的水分与释放的水分达到平衡时的含水率称为平衡含水率，材料的吸湿性用含水率表示，含水率是材料所含水的质量与材料在干燥状态的质量之比，按下式计算：
&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&(2-21)
Wh—材料的含水率，%；
m2—材料干燥状态下的质量 ，g；
0—材料含湿状态下的质量，g。&
材料吸水或吸湿后，可削弱材料内部质点间的结合力或吸引力，引起强度下降，同时也使材料的容重和导热性增加，几何尺寸略有增加，而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧，由此可见，含水使材料的绝大多数性质下降或变差。
材料长期在水的作用下保持原有性质（不发生破坏，强度也不显著降低）的能力称为材料的耐水性。
对于结构材料，耐水性主要指强度变化,，对于装饰材料则主要指颜色的变化、是否起泡、起层等，因此，不同材料的耐水性表示方法也不同。结构材料的耐水性用软化系数来表示，定义式如下：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-22)
&Kp——材料的软化系数；
fw—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，Mpa；
&&&&&&&&&&&&
fd —材料在绝干状态下的抗压强度 ，MPa。
一般来说，材料吸水后，材料内部的结合力会有削弱，造成强度不同程度的降低。此外，当材料内含有可溶性物质时(石膏、石灰等)，吸收的水还可能使其内部的部分物质被溶解，造成内部结构的解体及强度的严重降低。
不同材料的耐水性差别很大，钢的软化系数为1，粘土的软化系数为0，土木工程材料的软化系数在0～1之间波动。对于经常受到潮湿或水作用的结构，软化系数是选材的一项重要指标。用于长期处于水中或潮湿环境的重要结构的材料，软化系数应大于0.85；用于受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数应大于0.75。
耐水性与材料的亲水性、可溶性、孔隙率、孔特征等均有关，工程中常从这几个方面改善材料的耐水性。
抗渗性是指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质。抗渗性可用渗透系数表示，计算式如下：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-23)
式中 ： &K—渗透系数，cm/h；
d—试件厚度，cm；
Q—渗水量，cm3；
A—渗水面积，cm2；
t—渗水时间，h；
H—水头（水压力），cm。
渗透系数K越小，材料的抗渗性越好。
材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表“示，如P
2、、P 4、、P6、、P8等，分别表示可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水压力而不渗透。
材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。工程中一般采用降低孔隙率、改善孔特征(减少开口孔和连通孔)、减少裂缝及其他缺陷的方法，或对材料进行憎水处理等方法增强其抗渗性。
地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有很好的抗渗性。
材料的抗渗性与材料的耐久性（抗冻性、耐腐蚀性等）有着非常密切的关系，一般而言，材料的抗渗性越高，水及各种腐蚀性液体或气体越不容易进入材料内部，则材料的耐久性越高。
材料在吸水后，如果在负温下受冻，水在材料毛细孔内结冰，体积膨胀约9%，冰的冻胀压力将造成材料的内应力，使材料遭到局部破坏，随着冻结和溶解的循环进行，冰冻对材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是材料在吸水饱和状态下，经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，所能经受的最大冻融循环次数，用“Fn”表示，如F25 、 F50、、F 100、、
F150等分别表示在经受25、50、100、150次的冻融循环后，材料仍可满足使用要求。
抗冻等级要根据结构物的种类、使用条件及气候条件来决定，轻混凝土、砖、面砖等墙体材料一般要求抗冻等级为F15、F25、F35。用在桥梁和道路的混凝土抗冻等级应为F50、F100、F200，而水工混凝土的抗冻等级要求高达F500。
抗冻性良好的材料，抵抗大气温度变化、干湿交替等凤化作用的能力也较强。所以，抗冻性是土木工程材料耐久性的一项重要指标。对于受大气和水的风化作用的结构物，材料的耐久性往往决定于它的抗冻性。
就材料本身来说，材料的抗冻性主要与其孔隙率、孔隙特征、吸水性、抵抗胀裂的强度以及内部
对局部变形的缓冲能力等有关，工程中常从这些方面改善材料的抗冻性。
2.5 材料的热物理性质
2.5.1导热性
材料传导热量的能力称为导热性。当固体材料两侧表面存在温度差时，热量会从高温的一面传向低温的一面。根据热量传导的付里叶定律，传热量的大小如下：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-24)
式中： &&Q—传热量，W；
&&&&&&&&&&&&
λ—导热系数，W/m·K；
d—材料的厚度，m；
T1－T2—材料两侧面的温度差，K；
A—材料传热面的面积，m2；
t—传热的时间，h。
导热系数（λ）是表征材料导热能力的热物理参数，在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料，两面温差为1K时，在单位时间（1h）内通过单位面积(1m2)的热量。导热系数越小，则材料的绝热保温性越好。大多数土木工程材料的导热系数介于0.029～3.49W/m·K之间。土木工程中，一般把导热系数小于0.23W/(m·K)的材料叫做绝热材料。
热量传递有三种方式：导热、对流和热辐射。除了密实材料的传热是靠导热外，多孔材料的传热是导热、对流和热辐射三种方式同时存在，因此，其导热系数是一种名义导热系数。大多数土木工程材料是多孔材料，影响多孔材料导热系数的主要因素有：
1、材料的组成与结构&
通常金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。
2、材料的孔隙率&
由于空气的导热系数很小，所以，导热系数随孔隙率增大而减小；孔隙的大小和连通程度对导热系数也有影响，细小孔隙、封闭孔隙与粗大孔隙、开口孔隙相比，减少和降低了对流传热，因此，含细小、封闭孔隙的材料的导热系数较低。
3、含水率&
材料中含水或冰时，因为水和冰的导热系数分别为0.58W/m·K和2.3W/m·K，是空气的25倍和100倍，导热系数会急剧增加，因此，绝热保温材料在施工和使用过程中，应注意防水、防潮。
材料的导热系数随温度的升高而增大。
2.5.2热容量
材料的热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力，以下式表示：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&Q＝MC(tl一t2)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中 ：&&&
&Q—材料的热容量，kJ；
&&&&&&&&&&&&&&&
M—材料的质量，kg；
&&&&&&&&&&&&&&
(tl一t2)—材料受热或冷却前后的温度差，K；
&&&&&&&&&&&&&&&
C—材料的比热，kJ／(kg·K)。
其中，比热(C)值是真正反映不同材料间热容性差别的参数，比热的计算式如下：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2-26)
C —材料的比热，J/g·K；
Q —材料吸收或放出的热量，J；
&m —材料质量，g；
（t1－t2）—材料受热或冷却前后的温差，K。
C值的物理意义是指质量为lkg的材料，在温度改变1K时所吸收或放出热量的大小。
材料的比热值大小与其组成和结构有关，比热值大的材料对缓冲建(构)筑物的温度变化有利，工程中多优先选择热容量大的材料。因为水的比热值最大，当材料含水率高时，比热值则变大。通常所说材料的比热值是指其干燥状态下的比热值。
2.5.3材料的热变形特性
材料的温度变形是指温度升高或降低时材料体积变化的特性。除个别材料(如277K以下的水)以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的表征参数为线膨胀系数(α)。材料温度变化时的单向线膨胀量或线收缩量可用下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
△L＝(t2一t1)αL &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(2－27)
式中 ：&& △L—线膨胀或线收缩量，mm或cm；
(t2一t1)——材料升(降)温前后的温度差，K；
α—材料在常温下的平均线膨胀系数，I／K；
L—材料原来的长度，mm或cm。
2.6材料的耐久性
材料在使用过程中，抵抗各种内在或外部破坏因素的作用，保持其原有性能，不变质、不破坏的性质称为耐久性。材料的耐久性是一项综合性质。各种材料耐久性的具体内容，因材料的组成结构、用途和破坏作用的不同而异。
土木工程材料在使用过程中，除材料内在原因使其组成结构或性能发生变化以外，还受到使用环境中各种因素的破坏作用。这些因素的作用可概括为物理作用、机械作用、化学作用和生物作用。物理作用包括光、热、电、温度变化、干湿变化、冻融循环等作用，可使材料的结构发生变化。如内部产生微裂纹或孔隙率增加。机械作用包括各种持续荷载的作用，各种交变荷载引起的疲劳、冲击、磨耗和磨损等。化学作用包括各种酸、碱、盐及其水溶液、各种腐蚀性气体的作用，对材料具有化学腐蚀或氧化作用。生物作用包括菌类、昆虫等的侵害作用，可使材料产生腐朽、虫蛀等而破坏。
实际工程中，材料受到的破坏作用往往是多种因素同时作用，例如，金属材料常因化学和电化学作用引起腐蚀和破坏；无机非金属材料常因溶解、冻融、风蚀、摩擦等因素的作用而引起破坏；有机材料常因生物作用、溶解、化学腐蚀、光、热等作用而引起破坏。对材料耐久性最可靠的判断是在使用条件下，进行长期观测，但是，需要很长的时间。通常，人们是根据使用条件与要求，在实验室进行快速试验，对材料的耐久性进行判断。
从上述导致材料耐久性不良的作用来看，影响材料耐久性的因素主要有外因、内因两个方面。影响材料耐久性的内在因素主要有：材料的组成与结构、强度、孔隙率、孔特征、表面状态等。当材料的组成和结构特点不能适应环境要求时便容易过早地产生破坏。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
工程中改善材料耐久性的主要措施有：根据使用环境选择材料的品种；采取各种方法控制材料的孔隙率&&&
与孔特征；改善材料的表面状态，增强抵抗环境作用的能力。
提高材料的耐久性，对保证工程长期处于正常使用的状态，减少维护费用，延长使用年限，节约材料，具有十分重要的意义。&&&&&
2.7 材料的安全性
材料的安全性是指材料在生产和使用过程中是否对人类或环境造成危害的性能。土木工程材料的安全性可划分成灾害安全性、卫生安全性和环境安全性。
材料的灾害安全性是指在发生灾害时，材料是否对人或结构造成危害的性能。例如，材料的防火性、抗爆性、抗冲击性等。
材料的卫生安全性是指材料在生产和使用的过程中，是否对人的健康造成危害的性能。例如，材料的放射性、材料的挥发或溶出物对人健康的危害性、材料的致癌性等。
材料的环境安全性是指材料在生产和使用过程中，是否对环境造成危害的性能。例如，材料的可再生性、材料的对环境的污染性和环境友好性等。
随着社会的进步和人民生活水平的提高，人类对生存、从事生产、进行各种社会活动所在的环境即人居环境的要求越来越高。材料的性能和质量直接影响人居环境，因此，在土木工程材料的选择和使用中，不但要考虑材料使用性能方面的技术要求，还应考虑材料的安全性，以保证人居环境的质量。例如，室内装饰材料的选择，不但要考虑材料的颜色、质感、花纹图案和形状尺寸等装饰性能，还应考虑材料的防火性、材料的放射性、有害气体的挥发性等安全性。又如，住宅建筑的砌筑材料中，烧结普通砖是应用历史较长，各项技术性能较好的材料，但是，烧结普通砖的生产要毁掉大量农田，并消耗大量能源，对于人均耕地面积很少的我国来说，环境安全性差，因此，我国政府在部分大中城市禁止使用烧结普通砖。
本章主要介绍了土木工程材料的基本性质，重点阐述了土木工程材料的物理性质、力学性质及与水有关的性质，同时介绍了主要材料的组成、结构及构造特点，并简述了材料的热物理性质、耐久性和安全性。要求学生掌握材料的基本性质，并能正确选择、合理使用土木工程材料。
1、什么是材料的密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度？如何根据这些参数计算材料的孔隙率和散粒状材料的孔隙率和间隙率？
2、某石灰岩的密度为2.68g/cm3，孔隙率为1.5%。今将该石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1512kg/m3。求此碎石的毛体积密度和间隙率。
3、500g河砂烘干至恒重时的质量为483g，求此河砂的含水率。
4、什么是亲水性材料和憎水性材料？如何改变材料的亲水性？
5、隔热保温材料为什么要防止受潮？
6、什么叫材料的耐久性和安全性？在实际工程中应如何考虑材料的耐久性和安全性？
参考文献：
1 黄政宇.土木工程材料.北京：高等教育出版社，2002
&2 赵方冉.土木工程材料.上海：同济大学出版社，2004
&3 严家伋.道路建筑材料.北京：人民交通出版社，1996
张超 郑南翔 王建设.路基路面试验检测技术.北京：人民交通出版社，2004
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