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建筑材料
建筑材料
建筑材料必须具有对结构有用的某些物理性质。
首先,建筑材料必须能够承担荷载或是重量,而不会永久改变其原有的形状。
当荷载施加到结构单元上时,材料将会发生变形,也就是说,线材将伸长或弯曲。
然而卸载后,线材和梁将会恢复原状。
材料的这种性质我们称为弹性。
如果某种材料是非弹性的,在卸载后结构将残留变形,重复加载或卸载,结构的变形将持续增加,甚至最后导致结构失败。
用于建筑结构的所有材料,诸如砖石、木材、钢材、铝材、钢筋混凝土和塑料等,在一定范围内的荷载作用下均表现为弹性。
如果荷载增加超过了这个规定范围,材料将表现为两种性质:
是脆性或弹性。
若为前者,材料将会发生突然断裂;若为后者,材料会在达到某一荷载开始塑性流动,最后破坏。
例如,钢材表现出塑性,石材则是脆性的。
材料的最终强度用材料破坏时的极限应力来表示
建筑材料第二个重要性质则是刚度。
这一性质用弹性模量来表示,弹性模量是应力和应变的比值。
因而弹性模量是衡量材料在弹性荷载作用下抵抗变形能力的指标。
对于相同荷载作用下相同面积的两种材料,弹性模量越高者变形就越小。
结构钢材,其弹性模量为铝材刚度的3倍、是混凝土的10倍、木材刚度的15倍。
砌体砌体包含天然材料,如石材、人造产品如砖石和混凝土砌块。
砌体出现在远古时期。
在古巴比伦城市,泥土砖用于建筑非宗教性建筑物,而石材则被广泛用于尼罗河流域那雄伟的寺庙。
高及481ft的埃及金字塔是最为壮观的石工建筑。
最初,砌块的叠砌是不用胶黏剂的,但是所有现代圬工建筑都使用水泥浆做胶结材料。
这一类现代建筑材料包括石材、烧结土砖或页岩砖以及混凝土砌块。
砌体材料基本上是属于受压材料,不能承受张力,亦即是拉力。
砌体的极限抗压强度取决于块体和砂浆。
极限强度是在1000和4000lb/in之间变化,其值取决于所用砌体和砂浆的具体结合。
木材木材是一种最古老的建筑材料,是少数具有极好抗拉性能的天然材料之一。
全世界已经发现的木材种类就有数百种,每一类都表现出不同的物理特性。
只有少数木材在建筑中被用于结构构件。
例如,在美国,600多种木材仅有20种被用于结构。
这些木材通常是一些针叶树或软木材,主要是因为这两类木材资源丰富以及易于成型。
在美国建筑中较为普遍使用的木材树种是花旗松、南方松、云杉、红木。
这些木材的极限抗拉强度变化范围为50000~80000lb/in2。
硬木材主要是用于细木加工或用于铺地板之类的室内装修。
由于木材本身是有细胞状构造,其顺纹强度是要大于其横纹强度,木材顺纹抗拉强度和抗压强度尤其高,并且具有很好的抗弯强度。
这些性质使得木材成为建筑结构中柱和梁的理想材料。
但是,由于在桁架杆件中抗拉强度取决于各杆件间的连接,所以木材不能有效的在桁架中用作受拉构件。
尽管为了利用木材的抗拉强度制造出许多金属节点,但是很难设计出与顺纹剪切强度或抗裂强度关系不大的接头。
钢材钢材是一种优异的结构材料。
与其他材料相比,钢材具有高强度质量比,即在相同体积条件下其质量是木材的10倍以上。
钢材具有较高的弹性模量,这就使得钢材在荷载作用下变形较小。
钢材可以被铸造成复杂形状,如工字型梁、钢板和压型钢板,还能被铸成复杂形状,也可以用以生产出钢丝和钢绞线,用作悬索桥和悬索屋面的钢缆,电梯升运机,是用作预应力混凝土的钢丝绞线。
钢制构件可以用多种方法进行连接,如螺栓连接、铆接、或是焊接。
碳素钢容易遭氧化导致腐蚀,必须防止碳素钢与大气的接触,可采用在碳素钢上刷防锈漆或将其埋人混凝土的办法。
当温度高于700f时,钢材将迅速丧失其强度,因而必须在其外包裹上防火材料对其加以保护。
合金元素如硅或锰的加入使钢材强度变得更高,其抗拉强度可达到250000lb/in。
当结构构件的尺寸变得重要时,如摩天大楼的柱子,就要使用这类金刚。
铝材当轻质、强度和防腐蚀能力成为建筑考虑的重要因素时,铝材作为一种建筑材料就显得特别有用。
因为是纯铝极软,易延展,必须在其中加入锰、硅、锌、铜这些元素,使其获得结构上所要求的强度。
建筑用铝合金表现出弹性,铝合金弹性模量是钢材的1/3,因而在相同荷载作用下,其变形为钢材的3倍。
铝合金的密度为钢材的1/3,因而在相似强度条件下,铝合金构件比钢材构件轻。
铝合金的极限抗拉强度范围是在20000~60000lb/in。
铝材可以被加工成各种形状,可以被挤压成工字型梁,拨成线材和杆件,压成铝箔和板材。
铝构件可以像钢材一样采用铆接、螺钉连接以及焊接等方式来进行连接。
铝合金除了用作建筑和预制房屋的框架构件以外,还被广泛地用作窗框,以及幕墙建筑物的幕墙材料。
混凝土混凝土是水、砂、石子和勃兰特水泥的混合物。
碎石、人造轻骨料、贝壳经常被用于代替天然石料。
勃兰特水泥,是将由钙质材料和粘土质材料形成的混合物在窖中进行煅烧然后进行粉磨而形成的。
混凝土强度即源于磨细的水泥与水混合时经水化而硬化的过程。
在理想的混合状态下,混凝土由占其体积大约3/4的砂、石子和占混凝土体积1/4的水泥浆组成。
混凝土的物理特性对其组成成分变化是极其敏感的,所以为了获得混凝土在强度和收缩等方面特定的效果,必须对这些组成材料的配料进行特定的设计。
当往模具或模板中浇筑时,混凝土中含有大量并非用于水化而是要蒸发掉的水分。
在混凝土硬化时,经过一段时间将蒸发掉多余的水而是要蒸发掉的水。
当混凝土硬化时,经过一段时间将蒸发掉多余的水而收缩,这种收缩通常将会导致细裂缝的发展。
为了将这些裂缝减至最少,混凝土硬化时必须保持潮湿状态至少是在5天以上。
因为混凝土的水化过程能够持续进行许多年,所以其强度能够持续增长。
在事实上,常把28天的强度视为标准强度。
混凝土在荷载作用下会发生弹性变形。
尽管混凝土的弹性模量是钢材的1/10,但由于其强度也大约是钢材的1/10,所以它们具有相似的变形。
混凝土主要用作是抗压材料,其抗拉强度可以不予考虑。
钢筋混凝土钢筋混凝土中配有钢筋,用以承受混凝土构件的拉力。
这些钢筋的直径范围在0.25~2.25in,其表面具有带肋,用以保证与混凝土的粘结。
尽管钢筋混凝土在很多国家得到发展,但其发现一般归功于约瑟夫.蒙约,一位法国园丁,他在1868年曾使用钢筋网片来加强混凝土管,因为温度变化时,钢材与混凝土胀缩系数相同,所以这种做法是可行的,如若不然,钢材与混凝土的粘结会因为温度的变化导致两者变形不一致而破坏。
钢筋混凝土可以浇筑成各种形状,如梁、柱、板和拱,因而适用于特殊形态下的建筑物。
钢筋混凝土的极限抗拉强度可能会超过10000lb/in,尽管生产的大部分商品混凝土的强度低于6000lb/in。
塑料塑料因其多样性、强度、耐久性和轻质而迅速成为一种重要的建筑材料。
塑料是一种合成材料或树脂,能按要求塑造成各种形状,采用有机物做胶粘剂。
有机塑料分为两大类:
热固性塑料和热塑性塑料。
热固性塑料受热时发生化学变化而变硬,一旦成型,这类塑料不能再塑成型。
热塑性塑料在高温时仍保持柔软,冷却后才变硬,这类材料不能用作建筑材料。
大多数塑料的极限强度在7000~12000lb/inf范围内,而尼龙的强度可高达60900lb/in。
陶瓷陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。
它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。
可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料。
陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上。
陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差。
陶瓷材料一般具有高的熔点,且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料。
同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性。
陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。
陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等。
磁性陶瓷在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。
玻璃高度透明性。
有机玻璃是目前最优良的高分子透明材料,透光率达到92%,比玻璃的透光度高。
称为人造小太阳的太阳灯的灯管是石英做的,这是因为石英能完全透过紫外线。
普通玻璃只能透过0.6%的紫外线,但有机玻璃却能透过73%。
机械强度高。
有机玻璃的相对分子质量大约为200万,是长链的高分子化合物,而且形成分子的链很柔软,因此,有机玻璃的强度比较高,抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7~18倍。
有一种经过加热和拉伸处理过的有机玻璃,其中的分子链段排列得非常有次序,使材料的韧性有显著提高。
用钉子钉进这种有机玻璃,即使钉子穿透了,有机玻璃上也不产生裂纹。
这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。
因此,拉伸处理的有机玻璃可用作防弹玻璃,也用作军用飞机上的座舱盖。
重量轻.有机玻璃的密度为1.18kg/dm3,同样大小的材料,其重量只有普通玻璃的一半,金属铝(属于轻金属)的43%。
易于加工。
有机玻璃不但能用车床进行切削,钻床进行钻孔,而且能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具,也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工成大到飞机座舱盖,小到假牙和牙托等形形色色的制品。
随着我国科学技术的飞速发展,可持续发展战略思想深入人心,建筑节能技术发展空间广阔,对新的节能材料的开发与应用势必成为今后研究的焦点,通过建筑节能新材料应用研究最终达到节省消耗,节约能源的目的。
BuildingMaterials
Materialsforbuildingmusthavecertainphysicalpropertiestobestructurallyuseful.Primarily,theymustbeabletocarryaload,orweight,withoutchangingshapepermanently.Whenaloadisappliedtoastructuremember,itwilldeform;thatis,awhitewillstretchorabeamwillbend.However,whentheloadisremoved,thewireandthebeamcomebacktotheoriginalpositions.Thismaterialpropertyiscalledelasticity.Ifamaterialwerenotelasticandadeformationwerepresentinthestructureafterremovaloftheload,repeatedloadingandunloadingeventuallywouldincreasethedeformationtothepointwherethestructurewouldbecomeuseless.Allmaterialsusedinarchitecturalstuctures,suchasstoneandbrick,wood,steel,aluminum,reinforcedconcrete,andplastics,behaveelasticallywithinacertaindefinedrangeofloading.Iftheloadingisincreasedabovetherange,twotypeofbehaviorcanoccur:
brittleandplastic.Intheformer,thematerialwillbreaksuddenly.Inthelatter,thematerialbeginstoflowatacertainloadultimatelyleadingtofracture.Asexamples,steelexhibitsplasticbehavior,andstoneisbrittle.Theultimatestrengthofamaterialismeasuredbythestressatwhichfailureoccurs.
Asecondimportantpropertyofabuildingmaterialisitsstiffness.Thispropertyisdefinedbytheelasticmodulus,whichistheratioofthestress,tothestrain.Theelasticmodulus,therefore,isameasureoftheresistanceofamaterialtodeformationunderload.Fortwomaterialsofequalarealunderthesameload,theonewiththehigherelasticmodulushasthesmallerderformation.Structualsteel,whichhasanelasticmodulusof30millionpoundspersquareinch,or2100000kilogramspersquarecentimeter,is3timesasstiffasaluminum,10timesstiffasconcrete,and15timesasstiffaswood.
MasonryMasonryconsistsofnaturalmaterials,suchasstone,ormanufacturedproducts,suchasbrickandconcreteblocks.Masonryhasusedsinceancienttimes;mudbrickswereusedinthecityofBabylonfor
Secularbuildings,andstonewasusedforthegreattemplesoftheNileValley.TheGreatPyramidinEgypt,standing481feethigh,isthemostspectacularmasonryconstruction.Masonryunitsoriginallywerestackedwithoutusinganybondingagent,butallmodernmasonryconstructionusesacementmortorasabondingmaterial.Modernstructuralmaterialincludestone,brickofburntclayorslate,andconcreteblocks.
Masonryisessentiallyacompressivematerial;itcannotwithstandatensileforce,thatis,apull,Theultimatecompressivestrengthofbondedmasonrydependsonthestrengthofthemasonryunitandthemortar.Theultimatestrengthwillvaryfrom1000to4000psi,dependingontheparticularcombinationofmasonryunitandmortarused.
TimberTimberisoneoftheearliestmaterialsandoneofthefewnaturalmaterialswithgoodtensileproperties.Hundredsofdifferentspeciesofwoodarefoundthroughouttheworld,andeachspeciesexhibitsdifferentphysicalcharacteristics.Onlyafewspeciesareusedstructurallyasframingmembersinbuildingconstruction.IntheUnitedStates,forinstance,outofmorethan600speciesofwood,only20speciesareusedstructurally.Thesearegenerallytheconifers,orsoftwoods,bothbecauseoftheirabundanceandbecauseoftheeasewithwhichtheirwoodcanbeshaped.ThespeciesoftimbermorecommonlyusedintheUnitedStatesforconstructionareDouglasfir,Southernpine,spruce,andredwood.Theultimatetensilestrengthofthesespeciesvariesfrom5000to8000psi.Hardwoodsareusedprimarilyforcadinetworkandforinteriorfinishessuchasfloors.
Becauseofthecellularnatureofwood,itisstrongeralongthegrainthanacrossthegrain.Woodisparticularlystrongintensionandcompressionparticularlystrongintensionandcompressionparalleltothegrain.Andithasgreatbendingstrength.Thesepropertiesmakeitideallysuitedforcolumnsandbeamsinstructures.WoodisnoteffectivelyusedasatensilememberInatruss,however,becausethetensilestrengthofatrussmemberdependsuponconnectionsbetweenmembers.Itisdifficulttodeviseconnectionswhichdonotdependontheshearortearingstrengthalongthegrain,althoughnumerousmetalconnectorshavebeenproducedtoutilizethetensilestrengthoftimbers.
SteelSteelisanoutstandingstructuralmaterial.Ithasahighstrengthonapound-for-poundbasiswhencomparedtoothermaterials,eventhoughitsvolume-for-volumeweightismorethantentimesthatofwood.Ithasahighelasticmodulus,whichresultinsmalldeformationsunderload.Itcanbeformedbyrollingintovariousstructuralshapessuchasl-beams,plates,andsheets;italsocanbecastintocomplexshapes;anditisalsoproducedintheformofwirestrandsandropesforascablesinsuspensionbridgesandsuspendedroofs,aselevatorropes,andaswireforprestressingconcrete.Steelelementscanbejoinedtogetherbyvariousmeans,suchasbolting,riveting,orwelding.Carborsteelaresubjecttocorrosionthroughoxidationandmustbeprotectedfromcontactwiththeatmospherebypaintingthemorembeddingtheminconcrete.Abovetemperaturesofabout700fsteelrapidlylosesitsstrength,andthereforeitmustbecoveredinajacketofafireproofmaterialtoincreaseitsfireresistance.
Theadditionofalloyingelements,suchassiliconormanganese,resultsinhigherstrengthsteelswithtensilestrengthsupto250000psi.Thesesteelsareusedwherethesizeofastructuralmemberbecomescritical,asinthecaseofcolumnsinaskyscraper.
AluminumAluminumisespeciallyusefulasabuildingmaterialwhenlightweight,strength,andcorrosionresistanceareallimportantfactors.Becausepurealuminumisextremelysoftandductile,alloyingelements,suchasmagnesium,silicon,zinc,andcopper,mustbeaddedtoittoimpartthestrengthrequiredforstructuraluse.Structuralaluminum
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