课题六　其他材料

主要介绍土木工程中经常用到的其他两种原材料——钢材和沥青。

一、钢材

建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢（如角钢、工字钢、槽钢、钢管等）和钢板，以及用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝和钢绞线等。

（一）钢材的主要性能

钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。

塑性破坏的主要特征是：破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后钢材才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不致产生严重后果。钢材塑性破坏前有较大的塑性变形能力。

脆性破坏的主要特征是：破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，可突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。

钢材存在的两种破坏形式，和钢材的内在组织构造以及外部的工作条件有关。

1．钢材在单向一次拉伸下的工作性能

钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；按规定的速度增加荷载，直到试件破坏。环境温度为20℃左右。钢材的单调拉伸应力-应变曲线如图2-12所示。由低碳钢的试验曲线看出，在比例极限以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入弹塑性阶段；达到了屈服点后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓强化阶段，直至产生颈缩而破坏。

钢材的一次拉伸应力-应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度、伸长率和屈服点。抗拉强度是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标。屈服点是结构设计中应力允许达到的最大限值，因为构件中的应力达到屈服点后，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。

2．冷弯性能

钢材的冷弯性能由冷弯试验确定。试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180°。以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。

3．冲击韧度

由单调拉伸试验获得的塑性没有考虑应力集中和动荷载作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的塑性好坏。冲击韧度也称缺口韧性，是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的性能，通常用带V形缺口的标准试件做冲击试验。以击断试件所消耗的冲击吸收功大小来衡量钢材抵抗在冲击荷载下发生脆性破坏的能力。

试验结果表明，钢材的冲击韧度值随温度降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。

4．钢材的焊接性能

受碳含量与合金元素含量的影响。当碳含量在0.12％～0.20％范围内时，碳素钢的焊接性能最好；碳含量超过上述范围时，焊缝发热影响区容易变脆。钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳含量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。目前，国内外都采用实验的方法来检验钢材的焊接性能。

（二）建筑钢材的应用

建筑钢材可分为钢结构用型钢和钢筋混凝土结构用钢筋。各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及其加工方式。

1．钢结构用钢材

钢结构用钢主要包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。

（1）碳素结构钢

现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）具体规定了它的牌号表示方法、代号和符号、技术要求、试验方法、检验规则等。

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（单位为MPa）、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。碳素结构钢按屈服强度的数值分为195，215，235，275（MPa）4种；按硫、磷杂质含量由多到少分为A，B，C，D四个质量等级；按照脱氧方法不同分别用“F”表示沸腾钢，“b”表示半镇静钢， “Z” 表示镇静钢和“TZ”表示特种镇静钢。在具体标注时“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服点为235MPa的B级镇静钢。

（2）低合金高强度结构钢

根据国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2008）规定，共有8个牌号。其牌号表示方法由屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（分为A，B，C，D，E五级）3部分组成，屈服强度数值分345，390，420，460，500，550，620，690（MPa）共8种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A，B，C，D，E五级。

在钢结构中常采用低合金高强度结构钢轧制的型钢、钢板来建筑桥梁、高层及大跨度建筑。在重要的钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构中，主要应用低合金钢加工成的热轧带肋钢筋。

（3）钢结构用型钢

钢结构构件一般应直接选用各种型钢。构件之间可直接连接或附接钢板进行连接。连接方式有铆接、螺栓连接和焊接。所用母材主要是碳素结构钢及低合金高强度结构钢。型钢有热轧和冷轧成型两种。钢板也有热轧和冷轧两种。

1）钢板

钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用作大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用来焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等。钢板截面的表示方法为在符号“—”后加“宽度×厚度”，如—200×20等。钢板的供应规格如下：

厚钢板：厚度4.5～6.0mm，宽度600～3 000mm，长度4～12m。

薄钢板：厚度0.35～4mm，宽度500～1 500mm，长度0.5～4m。

扁钢：厚度4～60mm，宽度12～200mm，长度3～9m。

2）热轧型钢

常用的有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、L型钢等，如图2-13所示。

3）冷弯薄壁型钢

通常用2～6mm的厚薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢，主要用于轻型钢结构中，如图2-13所示。

我国建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235-A钢，其强度适中，塑性及可焊性较好，成本低，适合建筑工程使用。在钢结构设计规范中，推荐使用的低合金钢主要有：Q345（16 Mn）及Q390（15 MnV）两种，用于大跨度、承受动荷载的钢结构中。

2．钢筋混凝土结构用钢材

钢筋混凝土结构用的钢筋、钢丝和钢绞线，主要由碳素结构钢或低合金结构钢轧制而成。其主要品种有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。钢筋通常按直条交货，直径不大于12mm的钢筋也可按盘卷（也称盘条）供货。直条钢筋长度一般为6m或9m。

3．钢材选用原则和建议

钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理，必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征（动载或静载）、连接方法（焊接、螺栓连接、铆接）、工作环境（常温或负温）、应力状态（拉、压、剪）和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。

一般而言，对于直接承受动力荷载的构件或结构、重要的构件或结构、采用焊接连接的结构以及处于低温下工作的结构，应采用质量较高的钢材。

承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。重要的承重结构采用的钢材，还应具有冷弯试验的合格保证。受动荷载作用时，应具有冲击韧度的合格保证。

二、沥青

沥青是一种褐色或黑褐色的有机胶凝材料，在建筑、公路、桥梁等工程中有着广泛的应用，其主要用途是生产防水材料和铺筑沥青路面等。

沥青按产源可分为地沥青（天然地沥青和石油地沥青）和焦油沥青（煤沥青、木沥青和页岩沥青）两大类。

1．石油沥青

（1）石油沥青的基本组成与结构

是由石油经蒸馏、吹氧、调和等工艺加工时得到的残留物，是石油中相对分子质量最大、组成及结构最为复杂的混合物。

石油沥青的组分：①油分，起到赋予沥青流动性的作用；②树脂（沥青脂胶），其中绝大部分属于中性树脂；③地沥青质（沥青质），是决定石油沥青温度敏感性、黏性的重要组成部分。

（2）石油沥青的胶体结构

是以地沥青质为核心，和油分、树脂共同形成胶体结构。胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶凝胶型三种类型。大部分优质道路沥青均为溶凝胶型结构。

（3）石油沥青的主要性质

1）防水性：石油沥青是憎水性材料，本身构造致密，所以石油沥青有良好的防水性，广泛用作建筑工程的防潮、防水材料。

2）黏滞性：是指在外力作用下沥青粒子产生相互位移抵抗变形的能力。它是沥青材料的重要性质。

3）塑性：指沥青材料在外力作用下产生变形，去除外力后，仍保持变形后形状的性质。它是沥青性质的重要指标。

4）延性：是指当其受到外力作用时，所能承受的最大塑性变形，是沥青的内聚力大小的衡量标志。

5）温度敏感性：是指沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能，是沥青性质的重要指标。

6）大气稳定性：是指沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。

（4）石油沥青的技术要求

1）石油沥青的技术标准：在工程建设中常用的石油沥青可分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。

2）石油沥青的应用：道路石油沥青牌号较多，一般拌制成沥青混凝土、沥青拌合料或沥青砂浆等使用。建筑石油沥青黏性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。用于屋面防水工程，应注意温度敏感性，防止过分软化，产生流淌。普通石油沥青含蜡较多，温度敏感性大，故在工程中不直接单独使用，只能与其他种类石油沥青掺配使用。

2．改性石油沥青

是在沥青中掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青的性能得以改善。工程上常用的有：

（1）矿物填料改性沥青

在沥青中加入一定数量的矿物填充料，可以提高沥青的粘性和耐热性，减小沥青的温度敏感性，主要用于生产沥青胶。

（2）树脂改性沥青

用树脂改性石油沥青，可以改善沥青的耐寒性、耐热性、粘结性和不透气性。如氯丁橡胶改性沥青、丁基橡胶改性沥青、热塑性丁苯橡胶（SBS）改性沥青、再生橡胶改性沥青等。

3．沥青混合料

沥青混合料是将石子、砂和矿粉经人工合理选择级配组成的矿质混合料与适量的沥青材料经拌和所组成的混合物。沥青混合料的技术性质在工程上主要有以下几点要求：①高温稳定性；②低温抗裂性；③耐久性；④抗滑性；⑤施工和易性。