3．2　4种主要工程材料简介

在所有材料中，最为主要和最为大宗的是钢材、混凝土、木材和砌体。下面就这4种材料作简要介绍。

（1）钢材［Steel，图3．1（a）］

土木工程所用钢材的主要成分是铁（Fe，约占99%）和少量的碳（C，通常不超过0．22%），称低碳钢；若还含少量锰（Mn）、硅（Si）、钒（V）等元素，称低合金钢。最常用的类型有型材（如角钢、槽钢、工字钢、H形钢）、板材（如薄板、厚板、压型钢板）、管材（如无缝钢管、有缝钢管）和线材（如钢筋、钢丝、钢绞线）。型材、板材、管材可通过焊接、铆接、螺栓连接的方式，组合成各种形状的截面，做成所需要的各种钢结构。线材可浇筑在混凝土内做成所需要的各种钢筋混凝土结构。

低碳钢在结构设计中抗拉和抗压设计强度约为215N／mm²，低合金钢的抗拉和抗压设计强度可达310～380N／mm^2①。

钢材的优点是材质均匀、强度高（因而做成的结构相对质量较轻）、塑性好，便于加工安装；但耐火性差、易于锈蚀、维护费用较高。

（2）混凝土［Concrete，图3．1（b）］

土木工程所用的混凝土，是由水泥作胶凝材料，以砂、石子作骨料与水（经常还有各种外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而成的水泥混凝土。此外还有保温用的由轻质骨料做成的轻混凝土，铺路面地面用的由沥青和骨料做成的沥青混凝土等。

结构用水泥混凝土的强度等级一般为C20～C40，甚至可达C60～C80（指将混凝土做成边长150mm立方体试块的极限压应力分别为20N／mm²、40N／mm²、60N／mm²、80N／mm²）。C20～C40混凝土在实际受压构件中的抗压设计强度为10～20N／mm²，抗拉设计强度为1．1～1．7N／mm²。由于混凝土的抗拉强度很低，混凝土结构多是由混凝土和钢筋粘结组成的钢筋混凝土结构。

混凝土的优点是可模性、耐久性、耐火性、整体性都较好，易于就地取材，价格较低，强度比砖、木材高，能和钢筋粘结做成各种强度高的钢筋混凝土结构；但其自重较大，施工比较复杂，工序多，工期长，易产生裂缝。

（3）木材［Wood，图3．1（c）］

土木工程用的木材主要取自树木的树干。常用的树种是针叶树如松木、杉木等；常用的木材有原木（除去树皮、树枝和树梢的树干，一般直径120mm以上）、方木（直角锯切且宽厚比小于3，截面为方形或矩形的锯材）、条木（宽度不大于厚度的2倍）、板材（宽度为厚度3倍或3倍以上的锯材）等。还可以木材、木质碎料、木质纤维为原料，加胶粘剂制成木质人造板和胶合木。

由于木材在生长过程中形成纹理，是各向异性的材料，其顺纹与横纹方向的性能不一。松木顺纹抗拉设计强度为8～10N／mm²，顺纹抗压设计强度为10～16N／mm²（在承重结构中不允许木材横纹受拉）。

木材有结构自重轻，制作容易，架设简便，工期快，造价便宜等优点；但也有易燃、易腐朽和结构变形大等缺点。

（4）砌体［Masonry，图3．1（d）］

土木工程用的砌体，是由石材、黏土、块、砖、混凝土、工业废料等材料做成的块材，和水泥、石灰膏等胶凝材料与砂、水混合做成的砂浆，叠合粘结而成的复合材料。它的品种很多，有各种石砌体、实（空）心砖砌体、

图3．1　各种结构材料和不同材料组合的结构

（a）各种型钢和钢筋；（b）混凝土组成和确定混凝土强度的立方体试块；（c）木材切面和成材；（d）砌体材料：实心砖砌体、多孔砖、混凝土砌块；（e）钢筋混凝土梁、压型钢板和混凝土组合板、型钢和混凝土组合柱；（f）组合砖柱、砖砌体和混凝土组合墙梁；（g）钢木组合屋架中小混凝土块砌体、硅酸盐块砌体等。它们的强度都很低。以常用砖砌体为例，抗压强度只有1．5～3．5 N／mm²，抗拉强度仅有0．1～0．2N／mm²。

砌体的优点是易于就地取材，价格低廉，施工简便，隔热保温性以及耐火耐久性好；但因其强度很低导致结构笨重，而且黏土砖与农田争地，应限制使用；此外，砌体结构当前主要是用手工在现场砌筑而成的，施工时劳动量大，工程中质量问题偏多。

这4种主要材料的历史发展简况可参见图3．2。就我国国情来看，它们在土木工程中应用得最为广泛的是钢筋混凝土。钢筋混凝土（Reinforced　Concrete）是广义的材料，它的混凝土可以就地取材（主要是砂石骨料和水），它的钢筋可以因受力需要按需布置，可谓集混凝土和钢材两种材料的优点于一身，所以能适应各种土木工程设施的多种功能需要。钢材的优越性高，故多用于高层、大跨、重型建筑物，大跨度桥梁，铁路工程和大直径管道工程中，今后肯定是土木工程用材的发展方向。木材在古建筑中广泛应用于寺庙、宫殿和民居中，但由于资源匮乏，目前在我国应用范围不广（林区除外），主要用于木屋盖、木模板、枕木、门窗、家具和建筑装修。砌体虽强度低，但可用地方性材料（砖、石、砂、混凝土等），且品种众多、价格低廉、施工简便，可普遍用于中小型房屋和桥梁，以及涵洞、挡土墙等构筑物中。(www.daowen.com)

近年来，采用两种材料的优点，将它们组合在一起，做成的组合结构得到很大发展。例如，混凝土和型钢组合做成的压型钢板混凝土楼板、混凝土和各种型钢做成的组合柱［图3．1（e）］或组合大梁；砖砌体和钢筋混凝土组合做成的组合砖柱和墙梁［图3．1（f）］；钢材和木材组合做成的钢木组合屋架等［图3．1（g）］。

图3．2　4种主要材料的历史发展（1600’指17世纪；1930’指20世纪30年代）

复习思考题

3．1　试述土木工程中材料的重要性。

3．2　为什么说土木工程的发展与材料的发展密切相关？

3．3　土木工程要求所采用的材料有哪些主要性质？为什么材料必须具有这些性质，才能成为土木工程材料？

3．4　试述材料应有力学性质的内涵；材料应有耐久性质的内涵；耐久性在土木工程中为什么这么重要？

3．5　为什么钢材、混凝土、木材、砌体是土木工程中4种最重要和最大宗的材料？

3．6　试对上述4种材料在使用范围、物理性质、力学性质、耐久性质、经济价值、优缺点等方面作分析比较。

3．7　试列数你所住的房屋、所在的教室楼、所知道的体育场所、所走的道路桥梁都是用哪些材料做成的。可围绕下列几方面陈述：

（1）楼板、梁、墙、屋架、楼梯；

（2）地面、墙面、顶棚、门窗、屋面、隔断；

（3）路面、桥梁、飞机跑道、码头。

3．8　你能不能从4种主要材料的发展简况看出土木工程发展的趋势，以及今后材料的发展方向？

3．9　试解释为什么说“土木工程要解决的问题是充分发挥材料的作用”？怎样才能充分发挥材料的作用？为什么说在土木工程建设中必须十分注意节约材料？

3．10　在你生活的圈子中经常接触到的有哪些与土木工程有关的材料？

【注释】

[1]关于设计强度的概念参见本书第4章。