緒論

各種土建工程皆由材料構(gòu)成，這些構(gòu)成材料的性質(zhì)決定了工程的使用性能。為使土建工程獲得結(jié)構(gòu)安全可靠、使用狀態(tài)良好及美觀、經(jīng)濟(jì)的性能，就必須合理選擇與正確使用材料。作為土木工程領(lǐng)域的工程技術(shù)人員，無論從事研究、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工還是管理工作，學(xué)習(xí)與掌握材料的有關(guān)知識(shí)，對(duì)于從事建筑工程建設(shè)、保證工程質(zhì)量、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和降低工程成本等都至關(guān)重要。

一、土木工程材料及其分類

廣義上的土木工程材料是人類建造建筑物時(shí)所用一切材料和制品的總稱，種類極為繁多。其不僅外觀、形態(tài)各異，而且加工、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途等各方面均有顯著差別。為了研究、應(yīng)用和敘述的方便，常從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分類。

（1）按主要組成成分分類

可分為無機(jī)材料、有機(jī)材料、復(fù)合材料三大類，如圖0.1所示。其中復(fù)合材料指兩種或兩種以上的物質(zhì)復(fù)合在一起形成的材料，它能夠克服單一材料的弱點(diǎn)，發(fā)揮各材料的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為應(yīng)用最多的土木工程材料。

（2）按使用功能分類

根據(jù)土木工程材料在建筑物中的部位或使用性能，大體可分為建筑結(jié)構(gòu)材料、墻體材料、建筑功能材料三大類。建筑結(jié)構(gòu)材料主要指建筑物中在梁、板、柱、基礎(chǔ)、框架及其他受力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中所用的材料，主要技術(shù)性能要求的是力學(xué)性能和耐久性；墻體材料指用于建筑物內(nèi)、外及分隔墻體所用的材料，分為承重墻材和非承重墻材兩類，前者有力學(xué)性能要求，后者起圍護(hù)作用并滿足部分建筑功能要求；建筑功能材料則主要指擔(dān)負(fù)某些建筑功能、非承重用的材料，它們賦予建筑物防水、防火、保溫、隔熱、采光、隔聲、裝飾等功能，決定著建筑物的使用功能和建筑品質(zhì)。

（3）按材料來源分類

根據(jù)材料來源，可分為天然材料與人造材料。而人造材料又可按冶金、窯業(yè)（水泥、玻璃、陶瓷等）、石油化工等材料制造部門來分類。

一般把各種分類方法經(jīng)適當(dāng)組合后對(duì)材料種類進(jìn)行劃分，如裝飾砂漿、瀝青防水材料等。

二、土木工程材料在土建工程中的地位

土木工程材料在土木建筑工程中有著舉足輕重的地位。

首先，土木工程材料是一切土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。建造的建筑物或構(gòu)筑物本質(zhì)上都是所用土木工程材料的一種“排列組合”。它用量巨大，目前在我國(guó)的土木建筑工程總造價(jià)中，土木工程材料的費(fèi)用一般約占50％～60％。所以，選用的材料是否經(jīng)濟(jì)適用，直接影響到工程造價(jià)和建設(shè)投資。

第二，土木工程材料與建筑、結(jié)構(gòu)和施工之間存在著相互依存、相互促進(jìn)的密切關(guān)系。各種建筑物與構(gòu)筑物皆是由各種土木工程材料經(jīng)合理設(shè)計(jì)、精心施工而成。土木工程材料的品種、規(guī)格及質(zhì)量都直接關(guān)系到建筑物的形式、建筑施工的質(zhì)量和建筑物的適用性、藝術(shù)性及耐久性。建筑工程中許多技術(shù)問題的突破，往往依賴于土木工程材料問題的解決。新材料的出現(xiàn)，將促進(jìn)建筑形式的變化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)的革新；而新的建筑形式、工程設(shè)計(jì)方法和施工工藝又對(duì)土木工程材料的品種和質(zhì)量提出了更高和多樣化的要求。

第三，建筑物和構(gòu)筑物的功能和使用壽命在很大程度上由土木工程材料的性能決定。如裝飾材料的裝飾效果、鋼材的銹蝕、混凝土的劣化、防水材料的老化問題等，無一不是材料的問題，也正是這些材料特性構(gòu)成了建筑物和構(gòu)筑物的整體性能。房屋建筑要求堅(jiān)固耐用，而水利工程、鐵道、橋梁、港口等更是要求能長(zhǎng)期安全使用，滿足這些要求的途徑，除了正確設(shè)計(jì)和合理施工外，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要提高土木工程材料的耐久性。因此，強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論開始向耐久性設(shè)計(jì)理論轉(zhuǎn)變。

第四，土建工程的質(zhì)量，主要取決于材料的質(zhì)量控制。在材料的選擇、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、使用和檢驗(yàn)評(píng)定過程中，任何環(huán)節(jié)的失誤，都可能導(dǎo)致土木建筑工程的質(zhì)量事故。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外土木建筑工程中的質(zhì)量事故，絕大部分都與材料的質(zhì)量缺損相關(guān)。

最后，建筑物和構(gòu)筑物的可靠度評(píng)價(jià)，相當(dāng)程度地依存于材料的可靠度評(píng)價(jià)。材料信息參數(shù)是構(gòu)成構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)，在一定意義上“材料-構(gòu)件-結(jié)構(gòu)”組成了宏觀上的“本構(gòu)關(guān)系”。

三、土木工程材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代化建筑向高層、大跨度、節(jié)能、美觀、舒適的方向發(fā)展和人民生活水平、國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，研究開發(fā)和應(yīng)用新型土木工程材料已成為必然。遵循可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，土木工程材料的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為：

（1）高性能化。產(chǎn)品要求綜合性能優(yōu)良，如結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、高抗震性。

（2）高耐久性。材料有高的預(yù)期壽命，且綜合單價(jià)低（含運(yùn)營(yíng)期維護(hù)費(fèi)）。

（3）多功能化。如承重材料同時(shí)還具有良好的保溫、隔熱、隔聲等功能；多功能玻璃墻可起到裝飾、隔聲、吸熱、防輻射、單面透光等作用。建材產(chǎn)品應(yīng)不僅對(duì)人畜無害，而且能凈化空氣、抗菌、防靜電、防電磁波等。

（4）綠色環(huán)保。生產(chǎn)所用的原材料要求充分利用工業(yè)廢料、能耗低、可循環(huán)利用，不破壞生態(tài)環(huán)境，有效保護(hù)天然資源；生產(chǎn)和使用過程不產(chǎn)生環(huán)境污染，即廢水、廢氣、廢渣、噪聲等零排放；做到產(chǎn)品可再生循環(huán)和回收利用。

（5）智能化。某些土木工程重要部位的材料在發(fā)生破壞前能產(chǎn)生自救功能，或發(fā)出警示信號(hào)等。

另外，主產(chǎn)品和配套產(chǎn)品應(yīng)同步發(fā)展，并解決好利益平衡關(guān)系。同時(shí)，為滿足現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)的要求，材料的應(yīng)用應(yīng)向著工業(yè)化方向發(fā)展。如水泥混凝土等結(jié)構(gòu)材料向著預(yù)制化和商品化方向發(fā)展，材料向著成品或半成品的方向延伸，材料的加工、儲(chǔ)運(yùn)、使用及其他施工操作的機(jī)械化、自動(dòng)化水平不斷提高，勞動(dòng)強(qiáng)度逐漸下降。這不僅改變著材料在使用過程中的性能表現(xiàn)，也在逐漸改變著人們對(duì)于土木工程材料使用的手段和觀念。

四、土木工程材料的檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)化

材料的質(zhì)量是影響土木工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)物使用功能最直接和最重要的因素之一，掌握和控制好材料的質(zhì)量對(duì)于保證工程質(zhì)量具有非常重要的作用。材料質(zhì)量的控制通常按照標(biāo)準(zhǔn)要求采用一定的檢驗(yàn)方法進(jìn)行。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是材料質(zhì)量保障的依據(jù)。不論是生產(chǎn)企業(yè)還是使用部門，都應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來控制質(zhì)量，這樣土木工程結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和耐久性才有保證。

（1）土木工程材料的質(zhì)量檢驗(yàn)方法

土木工程材料性能的檢驗(yàn)，必須通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)試儀器和正確的檢驗(yàn)方法來進(jìn)行。通常可采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原材料性能檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬結(jié)構(gòu)鑒定及現(xiàn)場(chǎng)鑒定等方法。本課程主要介紹實(shí)驗(yàn)室內(nèi)材料性能的檢驗(yàn)，包括下列內(nèi)容：

①物理性能檢驗(yàn)。測(cè)定材料的物理常數(shù)，不僅可以從材料的物理常數(shù)了解材料內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)，間接推斷材料的力學(xué)性能，還可以得到配合比設(shè)計(jì)時(shí)需用的基礎(chǔ)資料。

②力學(xué)性能檢驗(yàn)?，F(xiàn)階段土木工程材料的力學(xué)性質(zhì)主要是通過各種試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其抗壓、抗剪、抗拉等靜態(tài)力學(xué)性能。

③材料與水有關(guān)的性能檢驗(yàn)。水對(duì)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度和耐久性有重要影響。主要檢測(cè)的項(xiàng)目有抗?jié)B性和抗凍性等。

（2）土木工程材料的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)重復(fù)事物和概念所作的統(tǒng)一規(guī)定，它以科學(xué)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合成果為基礎(chǔ)，經(jīng)有關(guān)方面協(xié)商一致，由主管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，以特定形式發(fā)布，作為共同遵守的準(zhǔn)則和依據(jù)。簡(jiǎn)而言之，標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)某項(xiàng)技術(shù)或產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求所實(shí)行的統(tǒng)一規(guī)定。任何技術(shù)或產(chǎn)品必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能生產(chǎn)和使用。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋到各行各業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)化為生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)發(fā)展建立了最佳秩序，并帶來了社會(huì)效益。

土木工程材料涉及的標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩類：一是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。為了加強(qiáng)土木工程材料工業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)管理、保證產(chǎn)品的質(zhì)量和適用性，必須從生產(chǎn)設(shè)備到產(chǎn)品的所有環(huán)節(jié)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)材料產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)要求制定統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容主要包括：產(chǎn)品規(guī)格、分類、技術(shù)要求、檢驗(yàn)方法、驗(yàn)收規(guī)則、應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等。二是工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。它是對(duì)基本建設(shè)中各類勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、安裝、驗(yàn)收等需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的事項(xiàng)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。

土木工程材料的標(biāo)準(zhǔn)，是檢驗(yàn)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量是否合格的技術(shù)文件，也是供需雙方對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收的依據(jù)。沒有標(biāo)準(zhǔn)化，則工程的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的生產(chǎn)及質(zhì)量的檢驗(yàn)就失去了共同的依據(jù)和準(zhǔn)則。通過產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，就能按標(biāo)準(zhǔn)合理地選用材料，從而使設(shè)計(jì)、施工相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)可加快施工進(jìn)度，降低造價(jià)。

目前，我國(guó)常用的標(biāo)準(zhǔn)按適用領(lǐng)域和有效范圍分為四級(jí)：

①國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。是由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的全國(guó)性技術(shù)指導(dǎo)性文件，分強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)（代號(hào)為GB）和推薦性標(biāo)準(zhǔn)（代號(hào)GB/T）。強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是全國(guó)必須執(zhí)行的技術(shù)指導(dǎo)文件，任何技術(shù)（或產(chǎn)品）的指標(biāo)均不得低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求；推薦性標(biāo)準(zhǔn)則在執(zhí)行時(shí)也可采用其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

②行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。是各行業(yè)為規(guī)范本行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量而制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也分強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和推薦性標(biāo)準(zhǔn)，仍屬于全國(guó)性技術(shù)指導(dǎo)文件，但由主管生產(chǎn)部門（或總局）發(fā)布。某些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)見表0.1。

③地方標(biāo)準(zhǔn)。為地方主管部門發(fā)布的地方性技術(shù)指導(dǎo)文件（代號(hào)DB），適于在該地區(qū)使用。

④企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。是由企業(yè)制定發(fā)布的指導(dǎo)本企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)文件（代號(hào)QB），僅適用于本企業(yè)。凡沒有制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，均應(yīng)制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)工程建設(shè)方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代號(hào)，應(yīng)在部門代號(hào)后加J。地方標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所制定的技術(shù)要求應(yīng)高于類似（或相關(guān)）產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)一般由標(biāo)準(zhǔn)名稱、部門代號(hào)（以漢語拼音字母表示）、標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)和頒發(fā)年份等來表示。例如，2013年制定的建材行業(yè)推薦性479號(hào)建筑生石灰的標(biāo)準(zhǔn)為：《建筑生石灰》（JC/T479-2013）。

隨著我國(guó)對(duì)外開放和加入世界貿(mào)易組織（WTO），還常涉及一些與土木工程材料關(guān)系密切的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO，International Standard Organization）負(fù)責(zé)組織制定的，在世界范圍里統(tǒng)一使用。外國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩類：一類是國(guó)際上有影響的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和公司標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM（American Society for Testing and Materials）等；另一類是區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)，也可以說是工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANS（American National Standard）、德國(guó)“DIN（Deutsche Industric Normen）”標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)“BS（British Standard）”標(biāo)準(zhǔn)、日本“JIS（Japanese Industrial Standard）”標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)“NF（Normes Francaises）”標(biāo)準(zhǔn)等。

五、課程學(xué)習(xí)的目的和要求

（1）課程學(xué)習(xí)的目的與主要內(nèi)容

土木工程材料課程是針對(duì)土木工程、工程管理、水利電力等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。它是從工程使用的角度去研究材料的生產(chǎn)、成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、環(huán)境條件等對(duì)材料性能的影響以及其相互關(guān)系的一門應(yīng)用學(xué)科。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及以后從事土木工程正確選用材料打下良好的基礎(chǔ)。

雖然土木工程材料種類、品種、規(guī)格繁多，但常用的品種有限，通過對(duì)常用的、有代表性的材料的學(xué)習(xí)，就可以對(duì)其他土木工程材料進(jìn)行了解和運(yùn)用。因此，本教材重點(diǎn)介紹當(dāng)前土木工程常用的材料，如水泥、石灰、混凝土、鋼材、瀝青材料等，并簡(jiǎn)要介紹建筑功能材料。對(duì)于各類材料，除重點(diǎn)介紹了技術(shù)性質(zhì)外，對(duì)材料的生產(chǎn)、組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也做了簡(jiǎn)要介紹，另外還簡(jiǎn)要介紹了檢測(cè)這些技術(shù)性能指標(biāo)的試驗(yàn)方法。

（2）課程的理論課學(xué)習(xí)任務(wù)

學(xué)習(xí)時(shí)，可把相關(guān)內(nèi)容分成三個(gè)層次：第一層次是土木工程材料基礎(chǔ)理論知識(shí)。所謂基礎(chǔ)理論知識(shí)是指每類材料的生產(chǎn)工藝，材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，該部分要重點(diǎn)領(lǐng)會(huì)其對(duì)材料性能的影響。第二層次是土木工程材料的基本性質(zhì)。這一層次要求學(xué)生重點(diǎn)掌握，在了解基本概念的基礎(chǔ)上，要能運(yùn)用已有的理論知識(shí)對(duì)基本性質(zhì)的改善進(jìn)行分析，并能夠結(jié)合工程實(shí)際，正確選用材料。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制作的材料，要能根據(jù)材料性能要求設(shè)計(jì)計(jì)算材料配比。第三層次為土木工程材料質(zhì)量檢驗(yàn)的內(nèi)容，需要結(jié)合試驗(yàn)理解基本技術(shù)性質(zhì)要求的意義。

（3）課程的實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)任務(wù)

本課程實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)是課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證所學(xué)的基礎(chǔ)理論，增加感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，熟悉試驗(yàn)鑒定、檢驗(yàn)和評(píng)定材料質(zhì)量的方法，掌握一定的試驗(yàn)技能，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析與判斷問題的能力、試驗(yàn)工作能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度十分有益，也為今后從事既有材料的改性、新材料的研制以及材料方面的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。