緒論

各種土建工程皆由材料構成，這些構成材料的性質決定了工程的使用性能。為使土建工程獲得結構安全可靠、使用狀態良好及美觀、經濟的性能，就必須合理選擇與正確使用材料。作為土木工程領域的工程技術人員，無論從事研究、生產、設計、施工還是管理工作，學習與掌握材料的有關知識，對于從事建筑工程建設、保證工程質量、促進技術進步和降低工程成本等都至關重要。

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、形態各異，而且加工、結構、性質、用途等各方面均有顯著差別。為了研究、應用和敘述的方便，常從不同的角度對其進行分類。

（1）按主要組成成分分類

可分為無機材料、有機材料、復合材料三大類，如圖0.1所示。其中復合材料指兩種或兩種以上的物質復合在一起形成的材料，它能夠克服單一材料的弱點，發揮各材料的優點，目前已成為應用最多的土木工程材料。

（2）按使用功能分類

根據土木工程材料在建筑物中的部位或使用性能，大體可分為建筑結構材料、墻體材料、建筑功能材料三大類。建筑結構材料主要指建筑物中在梁、板、柱、基礎、框架及其他受力構件和結構中所用的材料，主要技術性能要求的是力學性能和耐久性；墻體材料指用于建筑物內、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，前者有力學性能要求，后者起圍護作用并滿足部分建筑功能要求；建筑功能材料則主要指擔負某些建筑功能、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。

（3）按材料來源分類

根據材料來源，可分為天然材料與人造材料。而人造材料又可按冶金、窯業（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適當組合后對材料種類進行劃分，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基礎。建造的建筑物或構筑物本質上都是所用土木工程材料的一種“排列組合”。它用量巨大，目前在我國的土木建筑工程總造價中，土木工程材料的費用一般約占50％～60％。所以，選用的材料是否經濟適用，直接影響到工程造價和建設投資。

第二，土木工程材料與建筑、結構和施工之間存在著相互依存、相互促進的密切關系。各種建筑物與構筑物皆是由各種土木工程材料經合理設計、精心施工而成。土木工程材料的品種、規格及質量都直接關系到建筑物的形式、建筑施工的質量和建筑物的適用性、藝術性及耐久性。建筑工程中許多技術問題的突破，往往依賴于土木工程材料問題的解決。新材料的出現，將促進建筑形式的變化、結構設計及施工技術的革新；而新的建筑形式、工程設計方法和施工工藝又對土木工程材料的品種和質量提出了更高和多樣化的要求。

第三，建筑物和構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成了建筑物和構筑物的整體性能。房屋建筑要求堅固耐用，而水利工程、鐵道、橋梁、港口等更是要求能長期安全使用，滿足這些要求的途徑，除了正確設計和合理施工外，關鍵環節是要提高土木工程材料的耐久性。因此，強度設計理論開始向耐久性設計理論轉變。

第四，土建工程的質量，主要取決于材料的質量控制。在材料的選擇、生產、儲運、使用和檢驗評定過程中，任何環節的失誤，都可能導致土木建筑工程的質量事故。事實上，國內外土木建筑工程中的質量事故，絕大部分都與材料的質量缺損相關。

最后，建筑物和構筑物的可靠度評價，相當程度地依存于材料的可靠度評價。材料信息參數是構成構件和結構性能的基礎，在一定意義上“材料-構件-結構”組成了宏觀上的“本構關系”。

三、土木工程材料的發展趨勢

隨著現代化建筑向高層、大跨度、節能、美觀、舒適的方向發展和人民生活水平、國民經濟實力的提高，研究開發和應用新型土木工程材料已成為必然。遵循可持續發展戰略，土木工程材料的發展趨勢表現為：

（1）高性能化。產品要求綜合性能優良，如結構材料輕質、高強、高抗震性。

（2）高耐久性。材料有高的預期壽命，且綜合單價低（含運營期維護費）。

（3）多功能化。如承重材料同時還具有良好的保溫、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。建材產品應不僅對人畜無害，而且能凈化空氣、抗菌、防靜電、防電磁波等。

（4）綠色環保。生產所用的原材料要求充分利用工業廢料、能耗低、可循環利用，不破壞生態環境，有效保護天然資源；生產和使用過程不產生環境污染，即廢水、廢氣、廢渣、噪聲等零排放；做到產品可再生循環和回收利用。

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

另外，主產品和配套產品應同步發展，并解決好利益平衡關系。同時，為滿足現代土木工程結構性能和施工技術的要求，材料的應用應向著工業化方向發展。如水泥混凝土等結構材料向著預制化和商品化方向發展，材料向著成品或半成品的方向延伸，材料的加工、儲運、使用及其他施工操作的機械化、自動化水平不斷提高，勞動強度逐漸下降。這不僅改變著材料在使用過程中的性能表現，也在逐漸改變著人們對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方法及標準化

材料的質量是影響土木工程質量和結構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量對于保證工程質量具有非常重要的作用。材料質量的控制通常按照標準要求采用一定的檢驗方法進行。

技術標準是材料質量保障的依據。不論是生產企業還是使用部門，都應嚴格按照技術標準來控制質量，這樣土木工程結構物的質量和耐久性才有保證。

（1）土木工程材料的質量檢驗方法

土木工程材料性能的檢驗，必須通過適當的測試儀器和正確的檢驗方法來進行。通常可采用實驗室內原材料性能檢驗、實驗室內模擬結構鑒定及現場鑒定等方法。本課程主要介紹實驗室內材料性能的檢驗，包括下列內容：

①物理性能檢驗。測定材料的物理常數，不僅可以從材料的物理常數了解材料內部的組成結構，間接推斷材料的力學性能，還可以得到配合比設計時需用的基礎資料。

②力學性能檢驗。現階段土木工程材料的力學性質主要是通過各種試驗機測定其抗壓、抗剪、抗拉等靜態力學性能。

③材料與水有關的性能檢驗。水對結構物的強度和耐久性有重要影響。主要檢測的項目有抗滲性和抗凍性等。

（2）土木工程材料的標準化

標準是指對重復事物和概念所作的統一規定，它以科學技術和實踐經驗的綜合成果為基礎，經有關方面協商一致，由主管機構批準，以特定形式發布，作為共同遵守的準則和依據。簡而言之，標準就是對某項技術或產品的各項技術指標的要求所實行的統一規定。任何技術或產品必須符合相關標準才能生產和使用。標準涵蓋到各行各業。標準化為生產技術和科學發展建立了最佳秩序，并帶來了社會效益。

土木工程材料涉及的標準主要包括兩類：一是產品標準。為了加強土木工程材料工業的現代化生產和科學管理、保證產品的質量和適用性，必須從生產設備到產品的所有環節實行標準化，對材料產品的各項技術要求制定統一的執行標準，其內容主要包括：產品規格、分類、技術要求、檢驗方法、驗收規則、應用技術規程等。二是工程建設標準。它是對基本建設中各類勘察、規劃、設計、施工、安裝、驗收等需要協調統一的事項所制定的標準。

土木工程材料的標準，是檢驗企業生產的產品質量是否合格的技術文件，也是供需雙方對產品質量進行驗收的依據。沒有標準化，則工程的設計、產品的生產及質量的檢驗就失去了共同的依據和準則。通過產品標準化，就能按標準合理地選用材料，從而使設計、施工相應標準化，同時可加快施工進度，降低造價。

目前，我國常用的標準按適用領域和有效范圍分為四級：

①國家標準。是由國家技術監督局發布的全國性技術指導性文件，分強制性標準（代號為GB）和推薦性標準（代號GB/T）。強制性標準是全國必須執行的技術指導文件，任何技術（或產品）的指標均不得低于標準中規定的要求；推薦性標準則在執行時也可采用其他相關標準的規定。

②行業標準。是各行業為規范本行業的產品質量而制定的技術標準，也分強制性標準和推薦性標準，仍屬于全國性技術指導文件，但由主管生產部門（或總局）發布。某些行業標準代號見表0.1。

③地方標準。為地方主管部門發布的地方性技術指導文件（代號DB），適于在該地區使用。

④企業標準。是由企業制定發布的指導本企業生產的技術文件（代號QB），僅適用于本企業。凡沒有制定國家標準、行業標準的產品，均應制定企業標準。

有關工程建設方面的技術標準的代號，應在部門代號后加J。地方標準或企業標準所制定的技術要求應高于類似（或相關）產品的國家標準。

標準一般由標準名稱、部門代號（以漢語拼音字母表示）、標準編號和頒發年份等來表示。例如，2013年制定的建材行業推薦性479號建筑生石灰的標準為：《建筑生石灰》（JC/T479-2013）。

隨著我國對外開放和加入世界貿易組織（WTO），還常涉及一些與土木工程材料關系密切的國際標準和外國標準。ISO國際標準是由國際標準化組織（ISO，International Standard Organization）負責組織制定的，在世界范圍里統一使用。外國的標準主要分為兩類：一類是國際上有影響的團體標準和公司標準，如美國材料與試驗協會標準ASTM（American Society for Testing and Materials）等；另一類是區域性標準，也可以說是工業先進國家的標準，如美國國家標準ANS（American National Standard）、德國“DIN（Deutsche Industric Normen）”標準、英國“BS（British Standard）”標準、日本“JIS（Japanese Industrial Standard）”標準、法國“NF（Normes Francaises）”標準等。

五、課程學習的目的和要求

（1）課程學習的目的與主要內容

土木工程材料課程是針對土木工程、工程管理、水利電力等專業開設的專業技術基礎課。它是從工程使用的角度去研究材料的生產、成分、結構和構造、環境條件等對材料性能的影響以及其相互關系的一門應用學科。通過學習，使學生掌握材料的基本理論和基礎知識，為后續專業課程的學習及以后從事土木工程正確選用材料打下良好的基礎。

雖然土木工程材料種類、品種、規格繁多，但常用的品種有限，通過對常用的、有代表性的材料的學習，就可以對其他土木工程材料進行了解和運用。因此，本教材重點介紹當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，并簡要介紹建筑功能材料。對于各類材料，除重點介紹了技術性質外，對材料的生產、組成、結構與構造、技術標準也做了簡要介紹，另外還簡要介紹了檢測這些技術性能指標的試驗方法。

（2）課程的理論課學習任務

學習時，可把相關內容分成三個層次：第一層次是土木工程材料基礎理論知識。所謂基礎理論知識是指每類材料的生產工藝，材料的組成、結構、構造，該部分要重點領會其對材料性能的影響。第二層次是土木工程材料的基本性質。這一層次要求學生重點掌握，在了解基本概念的基礎上，要能運用已有的理論知識對基本性質的改善進行分析，并能夠結合工程實際，正確選用材料。對于現場制作的材料，要能根據材料性能要求設計計算材料配比。第三層次為土木工程材料質量檢驗的內容，需要結合試驗理解基本技術性質要求的意義。

（3）課程的實驗課學習任務

本課程實踐性很強，實驗是課程的重要教學環節。通過實驗可驗證所學的基礎理論，增加感性認識，加深對理論知識的理解，熟悉試驗鑒定、檢驗和評定材料質量的方法，掌握一定的試驗技能，這對培養學生分析與判斷問題的能力、試驗工作能力以及嚴謹的科學態度十分有益，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研究奠定基礎。