土木工程概论(姜晨光)第11章土木工程的专业基础

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1、第11章土木工程的专业基础11.1土木工程材料11.1.1土木工程材料的发展历程材料、信息、能源是现代文明的三大支柱，因此，材料是现代科学的基础，对建筑结构的发展起关键作用的要属作为工程物质基础的土木工程材料（或称“建筑材料”）。土木工程材料是土木工程结构的物质基础，关系到工程的使用功能和耐久年限。每当出现新的优良的土木工程材料时，建筑结构就会有飞跃式的发展。原始社会，我们祖先在与猛兽和大自然的斗争中，极需一个安全的栖身之所，但当时没有工具，他们只能住在穴洞里，仅仅采集树枝树叶作遮盖。旧石器时代，有了简单的工具，人们伐木搭建草棚，居住条件得到一定改善。但此时人们仍处于“穴居巢处”的落

2、后时代。远在距今4000～10000年的新石器时代，由于石器工具的进步，劳动生产力提高，人们以土、木和石头、等天然材料为主建设自己的家园。这时人们主要使用黏土来抹砌简易的建筑物，有时还掺入稻草、稻壳等植物纤维加筋增强，有的甚至经过烧烤处理。在我国和古埃及一些古代建筑物上发现，当时将砖块样的土坯放在太阳中晒干而不用火烧，每一砖层上铺一层泥浆，这层泥浆干燥后就可以加固砖坯墙身。火的使用使烧土制品（比如砖、瓦和石灰等）成为可能。于是，建筑材料由单纯的天然材料进入了人工生产阶段。砖、瓦和石灰的出现被认为是建筑结构的第一次飞跃，人们在早期只能依靠泥土、木料、石料等天然材料从事营造活动。在公元前

3、11世纪的西周初期，我国劳动人民就能制造出砖和瓦，随后作为胶凝结材料的石灰也应运而生。随着砖、瓦和石灰这些人工建筑材料的出现，人类第—次冲破了天然建筑材料的束缚。与土相比，砖、瓦和石灰具有更优越的力学性能，其用于房屋的建造，牢固性大大增强，且可以隔绝潮气。砖和瓦可就地取材，加工和烧制又比较容易。从此，人们开始大量、广泛地修建房屋、水利和防御工程。所以说，砖、瓦和石灰的出现是人类建筑结构史上的一个里程碑。在长达三千多年的时间里，砖、瓦和石灰一直是土木工程领域的重要建筑材料，为人类文明作出了伟大的贡献。混凝土的大量应用是建筑结构的第二次飞跃。19世纪20年代，波特兰水泥（即我国所称的“硅

4、酸盐水泥”）制成后，混凝土开始大量应用于建筑结构。混凝土中砂、石骨料可就地取材，混凝土构件易于成型，这是混凝土能广泛应用于土木工程结构的得天独厚的条件。混凝土承受压力的能力虽较好，但承受拉力的能力却很小，使其用途受到很大限制。19世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力、混凝土承担压力，发挥了各自的优点。从此，钢筋混凝土广泛地应用于建筑结构。20世纪30年代，预应力混凝土的出现，极大地提高了钢筋混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，因而用途也更为广阔。钢材的大规模应用是建筑结构的第三次飞跃。人们在17世纪90年代开始使用生铁，19世纪初

5、开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是现代意义上钢结构出现的前奏。到了19世纪中叶，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出了高强度钢丝、钢索。于是，钢结构得到蓬勃发展。刚开始，钢材只应用于梁、拱结构，后来，钢材也逐渐应用于新兴的桁架、框架、网架和悬索结构，出现了土木工程结构形式“百花争艳”的局面。建筑物跨径随之从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是，在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，大江、大河及海峡上架起大桥，甚至在地面下铺设铁路，创造出了史无前例的奇迹。从建筑结构经历的三次大飞跃可以看出建筑材料

6、的技术水平决定着建筑结构的发展。如今，各种混凝土外加剂的生产和应用，使得高强混凝土、自密实混凝土、高性能混凝土的配制和施工应用易如反掌，加之钢材与混凝土组合形式的多样化，土木工程材料的内涵不断丰富，极大地促进了土木工程技术的发展。11.1.2土木工程材料的分类土木工程材料按材料来源可分为天然材料、人造材料、等；按使用部位可分为结构材料、屋面材料、墙体材料、地面材料、等；按功能可分为防水材料、装饰材料、承重材料、绝热材料、等。最常见的分类方法是按基本组成分类，见表11-1-1。金属材料的特点是不透明、密度大、导电导热、变形大（金属键），有机材料的特点是透明或半透明、密度小、绝缘、导热性

7、差、变形大、耐热性差（共价键），无机非金属材料的特点是硬、脆、是热和电的绝缘体、耐热、耐化学侵蚀（离子键）。表11-1-1常用土木工程材料的分类11.1.3土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质包括基本物理性能、力学性能、材料与水有关的性能、材料的热工性质、材料的耐久性、等。基本物理性质包括密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率、等。力学性质包括强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、耐磨性、等。材料与水有关的性质包括亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、耐