課題六　其他材料

主要介紹土木工程中經常用到的其他兩種原材料——鋼材和瀝青。

一、鋼材

建筑鋼材是指用于鋼結構的各種型鋼（如角鋼、工字鋼、槽鋼、鋼管等）和鋼板，以及用于鋼筋混凝土結構中的各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線等。

（一）鋼材的主要性能

鋼材有兩種完全不同的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。鋼材在正常使用條件下，雖然有較高的塑性和韌性，但在某些條件下，仍然存在發生脆性破壞的可能性。

塑性破壞的主要特征是：破壞前具有較大的塑性變形，常在鋼材表面出現明顯的相互垂直交錯的銹跡剝落線。只有當構件中的應力達到抗拉強度后鋼材才會發生破壞，破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發暗。由于塑性破壞前總有較大的塑性變形發生，且變形持續時間較長，容易被發現和搶修加固，因此不致產生嚴重后果。鋼材塑性破壞前有較大的塑性變形能力。

脆性破壞的主要特征是：破壞前塑性變形很小，或根本沒有塑性變形，可突然迅速斷裂。破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或有人字紋。由于破壞前沒有任何預兆，破壞速度又極快，無法察覺和補救，而且一旦發生常引發整個結構的破壞，后果非常嚴重，因此在結構的設計、施工和使用過程中，要特別注意防止這種破壞的發生。

鋼材存在的兩種破壞形式，和鋼材的內在組織構造以及外部的工作條件有關。

1．鋼材在單向一次拉伸下的工作性能

鋼材的多項性能指標可通過單向一次（也稱單調）拉伸試驗獲得。試驗一般都是在標準條件下進行的，即：試件的尺寸符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷；按規定的速度增加荷載，直到試件破壞。環境溫度為20℃左右。鋼材的單調拉伸應力-應變曲線如圖2-12所示。由低碳鋼的試驗曲線看出，在比例極限以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進入彈塑性階段；達到了屈服點后，出現了一段純塑性變形，也稱為塑性平臺；此后強度又有所提高，出現所謂強化階段，直至產生頸縮而破壞。

鋼材的一次拉伸應力-應變曲線提供了三個重要的力學性能指標：抗拉強度、伸長率和屈服點。抗拉強度是鋼材一項重要的強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力。伸長率是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標。屈服點是結構設計中應力允許達到的最大限值，因為構件中的應力達到屈服點后，結構會因過度的塑性變形而不適于繼續承載。承重結構的鋼材應滿足相應國家標準對上述三項力學性能指標的要求。

2．冷彎性能

鋼材的冷彎性能由冷彎試驗確定。試驗時，根據鋼材的牌號和不同的板厚，按國家相關標準規定的彎心直徑，在試驗機上把試件彎曲180°。以試件表面和側面不出現裂紋和分層為合格。冷彎試驗不僅能檢驗材料承受規定的彎曲變形能力的大小，還能顯示其內部的冶金缺陷，因此是判斷鋼材塑性變形能力和冶金質量的綜合指標。

3．沖擊韌度

由單調拉伸試驗獲得的塑性沒有考慮應力集中和動荷載作用的影響，只能用來比較不同鋼材在正常情況下的塑性好壞。沖擊韌度也稱缺口韌性，是評定帶有缺口的鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的性能，通常用帶V形缺口的標準試件做沖擊試驗。以擊斷試件所消耗的沖擊吸收功大小來衡量鋼材抵抗在沖擊荷載下發生脆性破壞的能力。

試驗結果表明，鋼材的沖擊韌度值隨溫度降低而降低，但不同牌號和質量等級鋼材的降低規律又有很大的不同。

4．鋼材的焊接性能

受碳含量與合金元素含量的影響。當碳含量在0.12％～0.20％范圍內時，碳素鋼的焊接性能最好；碳含量超過上述范圍時，焊縫發熱影響區容易變脆。鋼材焊接性能的優劣除了與鋼材的碳含量有直接關系之外，還與母材厚度、焊接方法、焊接工藝參數以及結構形式等條件有關。目前，國內外都采用實驗的方法來檢驗鋼材的焊接性能。

（二）建筑鋼材的應用

建筑鋼材可分為鋼結構用型鋼和鋼筋混凝土結構用鋼筋。各種型鋼和鋼筋的性能主要取決于所用鋼種及其加工方式。

1．鋼結構用鋼材

鋼結構用鋼主要包括碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。

（1）碳素結構鋼

現行國家標準《碳素結構鋼》（GB/T 700—2006）具體規定了它的牌號表示方法、代號和符號、技術要求、試驗方法、檢驗規則等。

碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點數值（單位為MPa）、質量等級符號、脫氧方法符號等四個部分組成。碳素結構鋼按屈服強度的數值分為195，215，235，275（MPa）4種；按硫、磷雜質含量由多到少分為A，B，C，D四個質量等級；按照脫氧方法不同分別用“F”表示沸騰鋼，“b”表示半鎮靜鋼， “Z” 表示鎮靜鋼和“TZ”表示特種鎮靜鋼。在具體標注時“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服點為235MPa的B級鎮靜鋼。

（2）低合金高強度結構鋼

根據國家標準《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2008）規定，共有8個牌號。其牌號表示方法由屈服強度字母Q、屈服強度數值、質量等級（分為A，B，C，D，E五級）3部分組成，屈服強度數值分345，390，420，460，500，550，620，690（MPa）共8種，質量等級按照硫、磷等雜質含量由多到少分為A，B，C，D，E五級。

在鋼結構中常采用低合金高強度結構鋼軋制的型鋼、鋼板來建筑橋梁、高層及大跨度建筑。在重要的鋼筋混凝土結構或預應力鋼筋混凝土結構中，主要應用低合金鋼加工成的熱軋帶肋鋼筋。

（3）鋼結構用型鋼

鋼結構構件一般應直接選用各種型鋼。構件之間可直接連接或附接鋼板進行連接。連接方式有鉚接、螺栓連接和焊接。所用母材主要是碳素結構鋼及低合金高強度結構鋼。型鋼有熱軋和冷軋成型兩種。鋼板也有熱軋和冷軋兩種。

1）鋼板

鋼板有厚鋼板、薄鋼板、扁鋼（或帶鋼）之分。厚鋼板常用作大型梁、柱等實腹式構件的翼緣和腹板，以及節點板等；薄鋼板主要用來制造冷彎薄壁型鋼；扁鋼可用來焊接組合梁、柱的翼緣板、各種連接板、加勁肋等。鋼板截面的表示方法為在符號“—”后加“寬度×厚度”，如—200×20等。鋼板的供應規格如下：

厚鋼板：厚度4.5～6.0mm，寬度600～3 000mm，長度4～12m。

薄鋼板：厚度0.35～4mm，寬度500～1 500mm，長度0.5～4m。

扁鋼：厚度4～60mm，寬度12～200mm，長度3～9m。

2）熱軋型鋼

常用的有角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼、L型鋼等，如圖2-13所示。

3）冷彎薄壁型鋼

通常用2～6mm的厚薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼，主要用于輕型鋼結構中，如圖2-13所示。

我國建筑用熱軋型鋼主要采用碳素結構鋼Q235-A鋼，其強度適中，塑性及可焊性較好，成本低，適合建筑工程使用。在鋼結構設計規范中，推薦使用的低合金鋼主要有：Q345（16 Mn）及Q390（15 MnV）兩種，用于大跨度、承受動荷載的鋼結構中。

2．鋼筋混凝土結構用鋼材

鋼筋混凝土結構用的鋼筋、鋼絲和鋼絞線，主要由碳素結構鋼或低合金結構鋼軋制而成。其主要品種有熱軋鋼筋、冷加工鋼筋、熱處理鋼筋、預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線。鋼筋通常按直條交貨，直徑不大于12mm的鋼筋也可按盤卷（也稱盤條）供貨。直條鋼筋長度一般為6m或9m。

3．鋼材選用原則和建議

鋼材的選用既要確保結構物的安全可靠，又要經濟合理，必須慎重對待。為了保證承重結構的承載能力，防止在一定條件下出現脆性破壞，應根據結構的重要性、荷載特征（動載或靜載）、連接方法（焊接、螺栓連接、鉚接）、工作環境（常溫或負溫）、應力狀態（拉、壓、剪）和鋼材厚度等因素綜合考慮，選用合適牌號和質量等級的鋼材。

一般而言，對于直接承受動力荷載的構件或結構、重要的構件或結構、采用焊接連接的結構以及處于低溫下工作的結構，應采用質量較高的鋼材。

承重結構采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。重要的承重結構采用的鋼材，還應具有冷彎試驗的合格保證。受動荷載作用時，應具有沖擊韌度的合格保證。

二、瀝青

瀝青是一種褐色或黑褐色的有機膠凝材料，在建筑、公路、橋梁等工程中有著廣泛的應用，其主要用途是生產防水材料和鋪筑瀝青路面等。

瀝青按產源可分為地瀝青（天然地瀝青和石油地瀝青）和焦油瀝青（煤瀝青、木瀝青和頁巖瀝青）兩大類。

1．石油瀝青

（1）石油瀝青的基本組成與結構

是由石油經蒸餾、吹氧、調和等工藝加工時得到的殘留物，是石油中相對分子質量最大、組成及結構最為復雜的混合物。

石油瀝青的組分：①油分，起到賦予瀝青流動性的作用；②樹脂（瀝青脂膠），其中絕大部分屬于中性樹脂；③地瀝青質（瀝青質），是決定石油瀝青溫度敏感性、黏性的重要組成部分。

（2）石油瀝青的膠體結構

是以地瀝青質為核心，和油分、樹脂共同形成膠體結構。膠體結構可分為溶膠型、凝膠型和溶凝膠型三種類型。大部分優質道路瀝青均為溶凝膠型結構。

（3）石油瀝青的主要性質

1）防水性：石油瀝青是憎水性材料，本身構造致密，所以石油瀝青有良好的防水性，廣泛用作建筑工程的防潮、防水材料。

2）黏滯性：是指在外力作用下瀝青粒子產生相互位移抵抗變形的能力。它是瀝青材料的重要性質。

3）塑性：指瀝青材料在外力作用下產生變形，去除外力后，仍保持變形后形狀的性質。它是瀝青性質的重要指標。

4）延性：是指當其受到外力作用時，所能承受的最大塑性變形，是瀝青的內聚力大小的衡量標志。

5）溫度敏感性：是指瀝青的粘滯性和塑性隨溫度升降而變化的性能，是瀝青性質的重要指標。

6）大氣穩定性：是指瀝青在熱、陽光、氧氣和潮濕等因素長期綜合作用下抵抗老化的性能。

（4）石油瀝青的技術要求

1）石油瀝青的技術標準：在工程建設中常用的石油瀝青可分為道路石油瀝青、建筑石油瀝青和普通石油瀝青。

2）石油瀝青的應用：道路石油瀝青牌號較多，一般拌制成瀝青混凝土、瀝青拌合料或瀝青砂漿等使用。建筑石油瀝青黏性較大，耐熱性較好，但塑性較小，主要用作制造油氈、油紙、防水涂料和瀝青膠。用于屋面防水工程，應注意溫度敏感性，防止過分軟化，產生流淌。普通石油瀝青含蠟較多，溫度敏感性大，故在工程中不直接單獨使用，只能與其他種類石油瀝青摻配使用。

2．改性石油瀝青

是在瀝青中摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細的橡膠粉或其他填料等外摻劑（改性劑），或采取對瀝青輕度氧化加工等措施，使瀝青的性能得以改善。工程上常用的有：

（1）礦物填料改性瀝青

在瀝青中加入一定數量的礦物填充料，可以提高瀝青的粘性和耐熱性，減小瀝青的溫度敏感性，主要用于生產瀝青膠。

（2）樹脂改性瀝青

用樹脂改性石油瀝青，可以改善瀝青的耐寒性、耐熱性、粘結性和不透氣性。如氯丁橡膠改性瀝青、丁基橡膠改性瀝青、熱塑性丁苯橡膠（SBS）改性瀝青、再生橡膠改性瀝青等。

3．瀝青混合料

瀝青混合料是將石子、砂和礦粉經人工合理選擇級配組成的礦質混合料與適量的瀝青材料經拌和所組成的混合物。瀝青混合料的技術性質在工程上主要有以下幾點要求：①高溫穩定性；②低溫抗裂性；③耐久性；④抗滑性；⑤施工和易性。