沥青钢材石材木材和粘土.docx
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沥青钢材石材木材和粘土
第十四讲沥青、钢材、石材、木材和粘土
一、内容提要：
本讲主要是讲解沥青的组成与分类，建筑钢材的分类及钢材的技术性质，木材的性质、强度及其影响因素，石材的分类及其技术性能，粘土的组成和分类。
二、本讲的重点及难点是：
建筑钢材的分类，钢材的技术性质，以及建筑钢材的标准及选用问题。
三、 内容讲解：
1、 沥青：
沥青：
是一种褐色或黑褐色的有机胶凝材料，是由天然出产或各种有机物经热加工后得到的产品，它是由多种化学成分极其复杂烃类所组成。
在常温下可为液态、半固态或固态。
沥青的分类如下图所示：
1. 1 石油沥青：
石油沥青的组成：
由多种极其复杂的碳氢化合物和一些碳氢化合物的非金属衍生物组成的混合物。
它的化学组成元素主要是碳和氢，其次是氧、硫、氮（一般含量为<3%），另外还含有很少量金属元素如镍、铁、锰等。
化学组分分析：
就是利用沥青在不同有机溶剂中选择性溶解或在不同吸附剂上的选择性吸附，而将沥青分离为几个化学性质有一定联系的组，这些组称为沥青的组分。
组分：
油分、树脂、地沥青质。
石油沥青的胶体结构：
溶胶结构、凝胶结构、溶—凝胶结构
石油沥青的技术性质：
（1） 石油沥青的物理特征常数：
相对密度：
沥青在规定温度条件下的质量与同体积蒸馏水在规定温度条件下的质量之比值。
热力学参数：
包括热胀系数，导热系数和比热。
热胀系数：
沥青单位长度或单位体积，在温度上升10C时的长度或体积变化分别称为线胀系数或体胀系数，统称为热胀系数。
导热系数：
单位厚度内温差为10C时，在1h通过1m2面积的热量
比热：
每克沥青升高10C所需的热量。
（2）石油沥青的粘结性：
是沥青材料软硬、稀稠程度的反映，通常用粘度来表示。
分为绝对粘度和相对粘度。
相对粘度的测定方法：
对于半固体或固体的石油沥青用针入度来表示其粘度大小，液体石沥青则用粘滞度来表示。
（3） 塑性：
石油沥青的塑性是指在外力作用下产生变形而不破坏，除去后，仍能保持变形后的形状的性质。
石油沥青的塑性用延度来表示。
延度越大，塑性越小。
（4） 温度敏感性：
温度敏感性简称感温性，是决定沥青使用时工作性的重要指标。
评价石油沥青感温性的方法，通常是采用“粘度”随“温度”而变化的行为来表达。
工程上常以软化点指标来表征石油沥青的温度敏感性。
（5） 石油沥青的耐久性：
耐久性是指石油沥青抵抗各种自然因素和交通荷载的能力。
石油沥青的耐久性主要取决于其自身的化学组成和化学结构。
石油沥青的应用：
在工程建设中常用的石油沥青有道路沥青、建筑石油沥青、防水、防潮石油沥青和普通石油沥青四种，在选用石油沥材料时，应根据工程性质、当地气候条件以及所处工程部位来选用不同品种和牌号的沥青。
1. 2煤沥青：
煤沥青定义：
烟煤在干馏过程中的挥发物质，经冷凝而成黑色粘性液体称为煤焦油。
煤焦油经分馏加工以后，所得残渣即煤沥青。
与石油沥青相比，煤沥青具有以下特点：
（1） 煤沥青的温度稳定性较低；
（2） 煤沥青的耐气候性较差；
（3） 煤沥青与矿质集料粘附性好。
另外，煤沥青的防水性不及石油沥青。
2、 建筑用钢材
2.1概述：
钢材特点：
与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性、韧性好，可以焊接和铆接等优异性能。
钢材的主要缺点是易锈蚀、维护费用大，耐火性差，生产能耗大。
钢与铁的区别：
钢是由生铁冶炼而成。
生铁是由铁矿石、焦炭和石灰石等经高温熔炼，从铁矿石中还原生铁而得。
钢和铁的主要成分均是铁和碳。
含碳量大于2％的为生铁，含碳量小于2％的为钢。
含碳量对钢材性能的影响：
碳是影响钢材性能的主要元素之一，随着含碳量的增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低。
当含碳量大于0.3％时，钢的可焊性显著降低；当含碳量大于1％时，脆性增大，硬度增加，强度下降。
此外，含碳量增加，钢的冷脆性和时效敏感性增大，耐锈蚀性降低。
钢材的化学成分：
碳、硅、锰、磷、硫。
其中钢中的有害成分为磷和硫。
2.2钢的分类：
（一）按化学成分分类
（1）碳素钢。
碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。
此外，还含
有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。
碳素钢按含碳量又可以分为：
低碳钢：
含碳量小于0.25％
中碳钢：
含碳量为0.25％～0.6％
高碳钢：
含碳量大于0.6％
（2）合金钢。
合金钢是指在炼钢过程中，有针对性地加入一种或多种能改善钢材性能
的合金元素而制得的钢种。
常用合金元素有硅、锰、钛、钡、铌、铬等。
按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：
低合金钢：
合金元素总含量小于5％
中合金钢：
合金元素总含量为（5～10）％
高合金钢：
合金元素总含量大于10％
（二）按钢中有害杂质含量分类
1．普通钢：
磷含量不大于0.045％硫含量不大于0.050％
2．优质钢：
磷含量不大于0.035％硫含量不大于0.035％
3．高级优质钢：
磷含量不大于0.025％硫含量不大于0.025％
4．特级优质钢：
磷含量不大于0.025％硫含量不大于0.015％
（三）按用途分类
根据用途的不同，钢可以分为：
1．结构钢：
主要用于工程结构构件等。
2．工具钢：
主要用于各种刀具、量具及模具等。
3．特殊性能钢：
主要是具有特殊的物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐磨钢、
耐酸钢等。
2.3钢材的技术性质：
钢材的技术性质主要包括：
力学性能（抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等）和工艺性能（冷弯和焊接）两个方面。
（1） 抗拉性能：
低碳钢受拉时应力应变曲线如下图所示：
弹性阶段（OA段）
在OA段内，应变随着应力的增加成比例增大，如果卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点对应的应力为弹性极限，用σp表示。
此阶段的应力与应变成正比，其值为常数，称为弹性模量，用E表示，
，其中σ为弹性阶段某点的应力，ε为其对应的应变值。
屈服阶段（AB段）
在AB段内，当荷载增大，试件应力超过σp时，应变增加的速率大于应力增长速率，应力与应变不再成正比例关系，开始产生塑性变形。
图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。
由于B下点比较稳定易测，故一般以B下点对应的应力作为屈服点，用σs表示。
强化阶段（BC段）
当荷载超过屈服点以后，由于钢材内部组织结构发生变化，抵抗变形的能力又重新提高，故称为强化阶段。
对应于最高点C的应力，称为抗拉强度，用σb表示。
抗拉强度在工程中不能直接利用，但屈服应力与抗拉强度的比值（即屈强比σs／σb）却能反映钢材的安全可靠程度和利用率。
屈强比较小，表明钢材在受力超过屈服点后，继续工作时的可靠度越大，结构越安全。
但是如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。
颈缩阶段（CD段）
CD段为颈缩阶段。
当钢材强化达到最高点C点以后，在试件薄弱处的截面将显著缩
小，产生“颈缩现象”。
由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也随之下降，最后发生断裂。
将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断裂后的标距L1，标距的伸长值（L1-L0）与原始标距（L0）的比值称为伸长率δ，即
伸长率是反映钢材塑性的重要技术指标，伸长率越大，表明钢材的塑性越好。
通常钢材拉伸试件取L0=5d0或L0=10d0，其伸长率分别以δ5或δ10表示，对于同一钢材，δ5大于δ10。
（1）冷弯性能：
冷弯性能是以试验时的弯曲角度和弯心直径来表示。
冷弯是指将钢材弯曲到规定的角度，检查弯曲处有无裂纹、起层现象以及断裂，如果没有，则认为冷弯性能合格。
钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示其冷弯性能越好。
（3）焊接性能
钢材本身的可焊性，直接影响着焊接质量。
在磷、硫含量均小于0.05％情况下，钢材的可焊性主要决定于其含碳量，含碳量小于0.25％的碳素钢具有良好的可焊性，含碳量超过0.3％时，钢材的可焊性变差；硫、磷及气体杂质也会导致钢材的可焊性降低；过量合金元素的加入，同样会影响钢材的可焊性。
建筑钢材的主要焊接方法有两种：
电弧焊：
电弧焊是将金属焊条高温熔化在焊件上，使两部分钢材熔合连成一体。
接触对焊：
接触对焊是利用电流通过两个焊件的接触面所产生的高温，熔化接触面金
属，再对接加压熔合为一体。
2.4钢材的冷加工强化与时效处理
在常温下，对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧等机械加工，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。
冷加工强化的目的：
是提高钢材的强度和节约钢材。
钢筋冷拉：
是指常温下将钢筋张拉至应力超过屈服应力、但远小于抗拉强度时再卸荷的加工方法。
冷拔：
是将φ6～φ8mm的光圆钢筋进行强力拉拔，使其通过截面小于钢筋截面积的拔丝模孔，径向挤压缩小而纵向伸长。
冷轧：
是将圆钢在轧钢机上轧成断面按一定规律变化的钢筋，可提高其强度以及与混凝土间的握裹力。
钢材经冷加工后，随着时间的延长，钢筋强度进一步提高，这个过程称为时效处理。
时效处理包括自然时效和人工时效。
2.5建筑钢材的标准与选用
建筑工程用钢有钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类，二者所用的原料钢钢种均多为碳素钢和低合金钢。
（一）建筑钢材的主要钢种
（1）碳素结构钢
碳素结构钢的牌号及其表示方法：
根据国家标准《碳素结构钢》（GB700—88）规定，我国碳素结构钢分为五个牌号，
即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。
各牌号钢又按硫、磷含量的大小分为A、B、C、D四个质量等级。
碳素结构钢的牌号表示方法为：
按照顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（N／mm2）、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）等四部分组成。
比如Q235一A、F，它表示；屈服点为235N／mm2的平炉或氧气转炉冶炼的A级沸腾碳素结构钢。
（2）低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢的牌号及其表示方法：
根据国家标准《低合金高强度结构钢》》（GBl591—94）规定，低合金高强度结构钢共有五个牌号。
低合金高强度结构钢的牌号按顺序是由代表屈服点的字母、屈服点数值和质量等级符号三个部分组成。
例如Q345A，其中Q表示钢材屈服点，345为钢、材屈服点数值（N／mm2），A为质量等级代号。
（二）钢筋混凝土结构用钢
（1）热轧钢筋：
分类：
根据其表面特征分为：
光圆钢筋和带肋钢筋，带肋钢筋又分为：
月牙肋和等高肋两种。
按照机械性能分成四个等级。
热轧光圆钢筋为I级，强度等级代号为R235。
热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。
（2）冷拉钢筋：
为了提高钢筋的强度及节约钢筋，常对热轧钢筋进行冷拉，冷拉钢筋分为I、II、III、IV四个级别。
（3）冷拔低碳钢丝：
将直径为6.5~8mm的Q235热轧盘条钢筋经过冷拔加工而制成冷拔低碳钢丝。
分为：
甲、乙两级。
（4）预应力混凝土用钢丝及钢绞线：
预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条经酸洗、冷拉等工艺制成。
钢胶线是用7根直径为2.5~7.0mm的高强度钢丝，铰捻后经一定热处理工艺后，清除内应力而制成。
钢绞线主要用于大跨度、大负荷的后张法预应力桥梁等结构的预应力筋。
1. 6建筑钢材的防护：
锈蚀：
建筑钢材在使用中，与周围环境介质接触，由于环境介质的作用，其中的铁与介质可能发生化学反应，逐步被破坏，导致钢材腐蚀，称为锈蚀。
分类：
化学锈蚀和电化学锈蚀
防护：
钢结构的防锈采用表面刷漆的方法。
混凝土配筋的防锈则是根据结构的性质和所处环境条件等，主要是提高混凝土的密实度、保证足够厚度的混凝土保护层，以及限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。
3、 木材
3.1概述：
（1） 木材的特性：
轻质、高强；弹性和韧性好；导热系数小；装饰性好；耐久性好；材质较软等优点。
缺点是：
各向异性，胀缩变形大、易腐、易燃等。
（2） 木材的性质：
主要包括含水率、湿胀干缩、强度等性能。
含水率：
木材中的水分主要有三种，即自由水、吸附水和结合水。
当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时，这时的木材含水率称为纤维饱和点。
纤维饱和点是木材性质发生变化的转折点。
木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而改变的。
当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材中的含水量最后会达到与周围环境相平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率。
湿胀与干缩变形：
当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀。
当木材的含水率在纤维饱和点以上，只有自由水增减变化时，木材的体积不发生变化。
木材的强度：
木材常用的强度有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。
木材的强度有顺纹强度和横纹强度之分。
木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多，在工程上均充分利用木材的顺纹强度。
理论上，木材强度以顺纹抗拉强度为最大，其次是抗弯强度和顺纹抗拉强度。
木材强度的主要影响因素：
含水量、负荷时间、温度和疵病。
（3） 木材的等级与防护
根据木材的缺陷情况，木材通常分为一、二、三、四等。
结构和装饰用木材一般选用等级较高的木材。
按照承重结构的受力要求对木材进行分级，分为I、II、III三级。
一般I级材用于受拉或受弯构件；II级材用于受弯或受压的构件；III级材用于受压构件及次要受弯构件。
木材的防腐：
一是破坏真菌的生存条件，二是应用化学防腐剂。
化学防腐剂分为水溶性防腐剂、油质防腐剂、膏状防腐剂三类。
木材的防火：
主要有表面涂敷法和溶液浸注法两种。
4、 石材：
建筑工程用石材分为天然石材和人造石材两种，我们重点说一下天然石材。
定义：
凡是从天然岩石中开采出来，经加工或未加工的石材，统称为天然石材。
岩石的分类：
按形成条件分为：
火成岩，沉积岩，变质岩。
火成岩又称岩浆岩，又可分为：
深成岩，喷出岩，火山岩。
建筑中常用的火成岩有：
花岗岩、玄武岩等。
沉积岩：
建筑工程中常用的沉积岩有石灰岩，砂岩等。
变质岩：
建筑中常用的变质岩有大理岩、石英岩等。
建筑石材的技术性能：
密度、抗压强度、抗冻性、耐水性
建筑石材的选用原则：
应考虑其装饰性、耐久性、经济性。
装饰性是指用于建筑物饰面的天然石材，必须考虑其色彩及天然纹理与建筑物周围的环境的协调性，充分体现建筑物的艺术美。
耐久性是指应根据建筑物的特点，选择合适的石材，以保证建筑物的耐久性。
经济性是指在石材具有良好的装饰性及耐久性的前提下，应当遵循经济性原则。
5、 粘土：
5.1粘土的组成：
化学组成：
粘土是含水铝硅酸盐的混合体，所以主要成分是二氧化硅，氧化铝和结晶水。
矿物组成：
主要由高岭石类、蒙脱石类和单热水白云母组成，并含有云母、铁盐和氧化铁等有害杂质。
5.2粘土的性质：
主要包括可塑性与结合性、收缩、粘土的稀释性能、粘土原料的烧结性能、耐火度，
可塑性与结合性：
粘土的可塑性常用塑限、液限、可塑性指数、可塑性指标和相应含水率来反应可塑性的大小。
塑限是粘土由固态进入塑性状态时的含水量。
液限是粘土由流动状态进入塑性状态时的含水量。
可塑性指数则为液限与塑限之差。
从粘土与水相互关系来看，塑限表示粘土被水湿润后，形成水化膜，使粘土粒子能相对滑动而产生可塑性的含水量。
液限反映粘土粒子与水分子亲和力的大小。
可塑性指数表示粘土能形成可塑泥团的水分变化范围。
可塑性指标是指在工作水分下，粘土受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积。
在采用这一参数时还应测出与之相应的含水率。
可塑性指标表征粘土的成型性能。
与可塑性相似的另一个性质是粘土的结合性。
粘土能将非可塑性原料粘合，使之成为可以成型的泥团，并在干燥后具有一定强度，这种性能称为结合性。
粘土的可塑性愈强，其结合力也愈大。
可以根据可塑指数或可塑性指标将粘土按可塑性能分类：
强塑性粘土：
指数大于15或指标大于3.6；
中等塑性粘土：
指数为7～15，指标为2.5～3.0；
弱塑性粘土：
指数为1～7，指标小于2.4；
非塑性粘土：
指数小于1
例题：
（1） 针入度是表示沥青的（）
A、粘结性
B、塑性
C、温度敏感性
D、耐久性
答案：
A
（2） 关于低碳钢受拉时应力—应变曲线的四个阶段的说法，（ ）是不正确的
A、 OA段为弹性阶段，在OA段内，应变随着应力的增加成比例增大。
B、 AB段为屈服阶段，在AB段内，当荷载增大，应力应变不再成正比例关系。
C、 在AB段，B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，即平时我们所说的屈服点
D、 BC段为强化阶段。
对应于最高点C的应力称为抗拉强度。
答案：
C
（3） 碳素结构钢的牌号表示方法顺序正确的是：
（ ）
A、 代表屈服点的字母—屈服点数值—质量等级符号—脱氧程度符号
B、 代表屈服点的字母—质量等级符号—屈服点数值—脱氧程度符号
C、 质量等级符号—代表屈服点的字母—屈服点数值—脱氧程度符号
D、 质量等级符号—屈服点数值—代表屈服点的字母—脱氧程度符号
答案：
A
（4） 理论上，木材的强度中（）最大
A、顺纹抗拉强度
B、顺纹抗压强度
C、抗弯强度
D、横纹抗拉强度
答案：
A
（5） 承重木结构板材的选用不正确的是（）
A、 I级材用于受拉或受弯构件
B、 II级材用于受拉或受弯构件
C、 II级材用于受弯或受压弯的构件
D、 III级材用于受压构件及次要受弯构件
答案：
B
（6） 下列不属于火成岩的是（）
A、深成岩
B、喷出岩
C、火山岩
D、石灰岩
答案：
D
（7） 关于木材的性质，下列说法中不正确的是（）
A、 木材的纤维饱和点是指当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时的含水率。
B、 木材的平稳含水率是指木材中的含水量与周围环境湿度相平衡时的含水率。
C、 当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀
D、 当木材的含水率在纤维饱和点以上，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀
答案：
D
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