土木工程材料课程教案解析.docx

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土木工程材料课程教案解析

第2讲

授课时间

第4周四第2节

课次

1

授课方式

理论课▇　讨论课□　实验课□　习题课□　其他□

课时

安排

1

授课题目（教学章、节或主题）：

第二章、土木工程材料

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

通过本章的学习，使学生掌握土木工程材料的分类，土的粒组划分，粘性土、砂性土、粉性土的性质，集料的粒径和类型；熟悉水泥混凝土、沥青混凝土、钢材的类型；了解预应力的概念。

教学重点及难点：

重点：

土木工程材料的分类，土的粒组划分，粘性土、砂性土、粉性土的性质，集料的粒径和类型，混凝土的类型，沥青混凝土的类型，钢材的类型。

难点：

对大学一年级的学生，由于没有先修材料力学等课程，对应力是较难理解的。

预应力混凝土在第三章建筑工程也会涉及。

采用臂力器的弯曲图，图中受拉区弹簧拉开，而受压区弹簧靠拢，这样使梁受拉区与受压区形象化，便于学生理解应力的影响和预应力的必要性。

教学基本内容

教学方法、教学手段及时间设计

1.土木工程材料概述

（1）土木工程材料的发展

建筑结构的三次飞跃分别是砖瓦的出现、混凝土的兴起、钢材的大量应用。

（2）土木工程材料的性质

2.土木工程材料的分类

3.传统的土木工程材料

土

砖

瓦

石（砂、集料）

木

4.近代土木工程材料

（1）钢材

钢结构用钢

钢筋混凝土用钢—钢筋

（2）水泥

（3）混凝土

定义

混凝土的种类与特性

（4）砂浆

5.现代土木工程材料

（1）特种混凝土

（2）特殊沥青混凝土

（3）防水材料

（4）绝热保温材料

（5）吸声隔声材料

6.作业

1.土木工程结构的发展历程，就是以材料为主要标志的。

远古时代，人类的住、行采用的是石块和树木

公元前12-4世纪先后创制了瓦和砖等人造材料来修建住房

17世纪出现了生铁和熟铁，并于18世纪运用于铁路修建

19世纪后期出现了钢材并诞生了第一幢11层高的高层建筑

1824年有了波特兰水泥，使钢筋混凝土工程得到蓬勃发展。

混凝土中砂、石骨料可以就地取材，混凝土构件易于成型，这是混凝土能广泛应用于结构物的得天独厚的条件。

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，更是弥补了钢筋混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力差的缺点，因而用途更为广阔。

20世纪中期以来，出现了高分子有机材料并广泛运用

（2）土木工程材料的性质

物理性质

如密度、含水率、吸水性、透水性和材料的导热性、耐火性及收缩膨胀等

力学性质

强度（抵抗破坏的能力）

变形（承受形状改变的能力）

弹性（外力除去后其变形完全消失）

塑性（外力除去后不能恢复其原有形状）

韧性（受冲击断裂时所吸收的机械能多少）

耐久性质：

指经受环境和各种条件的作用，仍保持其使用性能的能力

日光曝晒

昼夜温差变化

大气、水和化学介质侵蚀

干湿循环、冻融循环

外荷载重复作用

以上内容讲10分钟。

2.按照材料化学成分进行分类：

无机材料、有机材料、复合材料。

按照材料的用途进行分类：

绝热材料、防火材料、吸声材料、防水材料、灌浆材料、装饰装修材料等。

按照材料在土木工程中的部位或使用性能，分为结构构件材料（如钢筋混凝土、预应力混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土、墙体材料、路面基层及底基层材料）和功能材料（如防火材料、吸声材料、防水材料）。

结构构件主要指建筑物的墙、板、梁、柱、基础、路面各层等。

以上内容讲10分钟。

3.依次介绍传统土木工程材料的用途和性质。

土：

类型众多，性质各异，适当的含水量与密实度使土体具有良好的力学性质。

筑墙、制砖（干燥或加草筋）、烧制砖瓦、筑坝、筑堤、填路基、筑灶、筑炕等

砖：

传统多为实心砖，现代有空心砖、蒸压养护砖，用于砌墙、柱、基础等

瓦：

主要用于屋面

石：

类型多，既用于承重构件如梁、柱，又用作功能材料，如沸石、蛭石。

砂：

根据形成分为天然砂和机制砂。

根据产地分为山砂、河砂和海砂，山砂与水泥的粘结性好但流动性差，河砂和海砂与水泥的粘结性较差，但流动性较好。

集料：

通常指松散的材料，在沥青混凝土或水泥混凝土中起骨架和填充作用的粒料。

木：

有一定的强度和弹性变形能力，强度与纹理方向相关。

一般不耐水、不耐日晒。

用于承重构件如梁、柱，用于模板、装饰工程等，经过处理后又用作铁路轨枕、室内外地板。

有人工板材。

以上内容讲10分钟。

4.钢材、水泥、混凝土、砂浆是近代出现和使用的土木工程材料

（1）钢材

按材质分:

普通碳素结构钢、低合金结构钢

按用于不同的工程结构分：

钢结构用钢：

各种型钢、钢板、钢管等

钢筋混凝土工程用钢：

各种钢筋和钢丝等

钢结构用钢

碳素结构钢：

一般结构钢及工程用热轧板、管、带、型、棒材。

低合金结构钢：

在普通碳素钢的基础上，少量添加若干合金元素而成，在诸如大跨度桥梁、大型柱网构架、电视塔、大型厅馆中成为主体结构材料。

钢筋混凝土用钢—钢筋

按生产工艺性能和用途分：

热轧钢筋：

热轧成型，并自然冷却。

钢筋混凝土结构，对热轧钢筋的要求是机械强度较高，具有一定的塑性、韧性、冷弯性和可焊性。

冷加工钢筋：

冷拉、冷拔、冷轧扭。

冷拔低碳钢丝由于经过反复拉拔强化，强度大为提高，但塑性显著降低，脆性随之增加，已属硬钢类钢筋。

热处理钢筋：

用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理而成的，主要用于预应力混凝土。

碳素钢丝是预应力混凝土专用钢丝，其特点是强度高、

刻痕钢丝安全可靠、便于施工

钢绞线

淬火：

加热到基本组织转变温度（一般900℃）以上，保温使组织完全转变后放入水和油等冷却介质中快速冷却。

目的是获得高强度、高硬度不稳定组织，为在随后的回火时获得较高的综合力学性能。

淬火后钢材的塑性和韧性显著降低。

回火：

将淬火处理后的钢材随即进行加热回火处理，加热温度在转变温度以下（一般150~650℃）保温后在空气中冷却至室温。

目的是消除淬火产生的温度应力，降低脆性，改善机械性能等。

以上内容讲10分钟。

（2）水泥

粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在空气和水中凝结硬化，可将其它材料胶结成整体。

按用途及性能分：

通用水泥：

硅酸盐水泥

专用水泥：

道路水泥，大坝水泥

特性水泥：

快硬水泥，耐热耐酸水泥，膨胀水泥

按主要水硬性物质名称分：

硅酸盐水泥

铝酸盐水泥：

早强，耐高温，耐腐蚀

磷酸盐水泥：

早强，修补材料

硫铝酸盐水泥：

早强，高强，抢修用，抗冻，抗渗，适用

海洋环境

氟铝酸盐水泥：

早强，高强，抢修用

以火山灰性或潜在水硬性材料，以及其他活性材料为主要

成分的水泥

（3）混凝土（简写砼）

普通混凝土：

由胶结材料（水泥）、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌合，经养护而硬化形成的一种人造石材。

砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。

水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。

混凝土的强度等级一般为C30，C40，C50，C60，C80等

国内混凝土的抗压设计强度常为30-40Mpa，发达国家80-100Mpa；抗拉设计强度约为1.1-1.7MPa

按胶凝材料不同：

水泥混凝土

沥青混凝土

石膏混凝土

聚合物混凝土

按表观密度不同：

重混凝土

普通混凝土

轻混凝土

按使用功能不同：

结构用混凝土

道路混凝土

水工混凝土

耐热混凝土

耐酸混凝土

防辐射混凝土

按施工工艺不同：

碾压混凝土

喷射混凝土

泵送混凝土

振动灌浆混凝土等

按空隙率不同：

普通混凝土、多孔隙混凝土等；

钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土

为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，将混凝土与其他材料复合。

优点：

可模性、耐久性、耐火性、整体性都好，能与钢筋粘结做成满足各种强度要求的钢筋混凝土构件或板体；缺点：

自重较大、施工复杂、工序多、工期长、易产生裂缝。

预应力技术：

是对混凝土受拉区内的钢筋进行张拉，利用钢筋的回缩使混凝土预先受压，限制混凝土的变形开裂。

与普通混凝土相比，除能提高结构构件的抗裂度和刚度外，还可以提高构件的耐久性、节约材料、减小构件截面、减轻结构自重，但施工较为复杂。

沥青混凝土

按结合料类型分：

普通沥青混凝土、改性沥青混凝土

按粒径分：

细粒式沥青混凝土

中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

按空隙率分：

密实级配沥青混合料

半开级配沥青混合料

开级配沥青混合料

按拌和温度分：

热拌沥青混凝土：

拌和温度约160

温拌沥青混凝土：

拌和温度约120

冷拌沥青混凝土：

使用液体沥青

（4）砂浆

由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成。

按胶凝材料不同

水泥砂浆

石灰砂浆

混合砂浆

按用途不同

砌筑砂浆

抹面砂浆

防水砂浆

其它特种砂浆

5.现代土木工程材料

（1）特种混凝土

轻骨料混凝土高层建筑和大跨度桥梁自重较大

纤维增强混凝土（简称FRC）

聚合物混凝土：

快硬、高强、抗渗

碾压混凝土：

水泥和水用量较少

自密实混凝土：

无需振捣，流动性、粘聚性良好，浇

筑前后不离析、不泌水，使用高性能减

水剂和超细掺合料。

播放不超过2分钟

的自密实混凝土的视频

透明混凝土：

掺加玻璃纤维

清水混凝土：

成型后表面颜色、气泡、裂缝、平整度、

光洁度、耐久性有严格要求

（2）特殊沥青混凝土

吸声沥青混凝土：

多孔吸声

彩色沥青混凝土：

彩色沥青、彩色集料

反光沥青混凝土：

掺加玻璃渣、荧光材料

低吸热沥青混凝土：

掺低吸热集料、多孔散热

透水沥青混凝土：

多孔

（3）防水材料

沥青材料及其制品是土木工程结构中最常用的防水材料，可分为地沥青（包括天然沥青和石油沥青）和焦油沥青（煤沥青、木沥青、页岩沥青等）。

通常，石油加工厂制备的沥青不能满足：

在低温下具有必要的弹性和塑性；在加工和使用条件下具有抗老化能力；与各种矿料和结构表面之间有较强的粘结力；对构件变形的适应性和耐疲劳性。

从而使沥青防水层渗漏严重，使用寿命缩短。

为此，通过掺加橡胶、树脂、矿物填料等改性后，使沥青性能得以大幅提高。

（4）绝热保温材料

传统的保温材料是以提高气相空隙率，降低导热系数和热导率为主。

现代保温材料具有导热系数低、热反射率高、层厚薄等特点。

主要用于建筑物的墙壁、屋面保温，热力设备及管道的保温，制冷工程的隔热等，以及用于沥青路面的隔热、隧道内沥青路面的阻燃。

（5）吸声隔声材料

吸声材料的基本特征是多孔、疏松和透气。

吸声着眼于使声源一侧反射声能要小，由空气分子的摩擦阻滞，把声能转变为热能；隔声则使入射声源一侧的透射声能要小，一般隔声材料面密度越大越好。

随着现代城市的发展，噪声已成为一种严重的环境污染，需要选用适当的材料对建筑物、城市道路路面进行吸声和隔声处理。

小结：

特殊混凝土、特殊沥青混凝土和防水、隔音隔热等功能性材料的使用，使得现代土木工程具有更好的功能或性能，能够适应更加多样的自然气候条件。

以上内容讲15分钟。

和学生一起做，10分钟。

作业、习题、思考题、辅导等：

1.名词解释：

土的粒径、粘性土、砂性土、粉性土、集料、混凝土、沥青混凝土、土工合成材料、预应力

2.我国公路用土依据土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中有机质的存在情况分为、、细粒土和特殊土。

3.公路路基填料的优良次序是、和粉性土，腐殖土和盐渍土是不良填料。

4.集料的分界粒径是mm，路面工程对集料的、、、等指标有要求。

5.混凝土按结合料类型不同分为、、、。

6.混凝土的力学特点是？

7.沥青的类型有哪些？

8.沥青混凝土按粒径分为？

按拌合温度分为？

课后小结：

大量运用联想法、类比法。

借助视频、图片、板书等手段，将理论概念形象地表达出来。

例如，对混凝土水化或使用过程产生的裂缝，通过成都某立交桥板底裂缝修补的新闻图片、丹江口大坝改建过程中发现的内部裂缝及处理过程，使学生理解在有必要采用新的混凝土的配合比设计技术，或采用新型混凝土。

预应力：

人的应变能力，以外部环境条件变化为前提，构件中的应变以外力的施加为前提；预应力钢筋是为了改善混凝土构件--梁的抗弯拉能力，故布置在受拉区，同时为了减小混凝土的拉应变，对钢筋预先进行张拉锚固，这样在梁受力后混凝土的弯拉应变出现得更晚，更好地发挥钢筋的作用。

如果不对钢筋进行预先张拉，只有在梁的底部出现了一定的应变后，钢筋才产生应变，钢筋才受力并发挥作用。

利用先张法预应力技术的图片，讲解预应力混凝土构件的制作过程，帮助学生理解。

根据学生的反应，把握讲解速度和方式，力求通俗易懂。

采用类比法，如讲授钢筋热处理工艺“淬火、回火”时，为便于学生理解，询问学生是否见铁匠打铁的情形，见过的学生一般会回想起来将烧的通红的铁条放入凉水中，然后再烧热锻打，从而帮助学生理解该工艺。

板书设计：

第二章、土木工程材料

一、土木工程材料概述

1.发展历程

2.对土木工程材料的性质要求

二、传统土木工程材料

土、石、砖、瓦、木

三、近代土木工程材料

钢材、水泥、混凝土、砂浆

四、现代土木工程材料

特殊混凝土、特殊沥青混凝土、防水材料、绝热保温材料、吸声隔声材料

参考教材和文献资料

1.付宏渊，刘建华，等主编.现代土木工程，2006，人民交通出版社

2.叶列平主编.土木工程前沿，2006，中国建筑工业出版社

3.申爱琴.道路建筑材料，人民交通出版社

4.李建峰.现代土木工程施工技术（第二版），中国电力出版社