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工程材料

2020-04-09 21:01

土建、水利工程中所用的材料。工程材料通常分为两大类:非金属材料和金属材料。非金属材料包括各种矿物质材料(如水泥、石灰、石料等)和有机高分子材料(如木材、竹材、石油产品及高分子合成材料等)。金属材料包括黑色金属(如铁、锰、铬及其合金)和有色金属(如铜、铝、锡、铅及其合金)。水利工程中所用的基本材料主要有:矿物质材料、有机质材料、金属材料和复合材料

矿物质材料

以矿物为主要成分的材料。主要包括石料、无机胶凝材料(石灰、水泥、粉煤灰、硅粉、磨细矿渣与天然矿石粉等)。天然石料资源丰富,且分布很广,便于就地取材。新鲜石料的抗压强度较高,坚固耐久。块状石料多用于堆石或砌石工程,散粒的或按一定级配轧制的石料用作混凝土的骨料。石灰与水泥为富含钙质的无机胶凝材料,其中石灰为气硬性胶凝材料,水泥则为水硬性胶凝材料。粉煤灰、硅粉、磨细矿渣等工业废料为现代混凝土的重要辅助胶凝材料。以水泥及其辅助胶凝材料配制的砂浆、混凝土和钢筋混凝土在工程中应用极为广泛。

有机质材料

含有机物质的材料。包括木材、沥青及高分子合成材料等。在工程中,虽已大量采用钢材及钢筋混凝土等代替木材,但木材具有质轻、强度高,能承受冲击和振动,易于加工,在适宜环境下经久耐用,产地分布较广,易于就地取材等优点,在水利、桥梁以及矿山等工程中木材仍是常用材料。沥青主要用作防水、防腐材料及路面(尤其是高速公路路面)材料等。在水利工程中,沥青及其改性沥青材料可用于渠道、蓄水池防渗、大坝的防渗墙、灌注伸缩缝、止水井以及灌浆材料。高分子合成材料主要包括合成树脂、塑料、涂料、胶黏剂、合成橡胶、合成纤维及合成化学外加剂等。这类材料在工程中主要用作黏结剂、防水、止水、护面、装修、改性材料以及加固与修补材料等。高分子合成材料发展迅速,其品种时有更新,性能不断改善。

金属材料

由金属元素组成的单质与合金材料。黑色金属材料用途广泛,如用于钢结构中的型钢(圆钢、角钢、槽钢、工字钢等),板材和管材;用于钢筋混凝土结构中的钢筋和钢丝等。水力发电工程中的电厂设备、送变电设备,施工机械及钢闸门、钢模板等都需大量钢材和有色金属材料。

复合材料

两种或两种以上的材料复合组成的材料。一般常以不同的非金属(或金属)材料相复合或非金属材料与金属材料相复合。复合材料能发挥组成材料各自的优点,克服单一材料的缺点,其综合性能往往是单一材料无法相比的。工程复合材料一般由高强度、高弹性模量的增强材料(如玻璃纤维、钢纤维、合成纤维、碳纤维、金属材料等)和基体(如塑料、树脂、橡胶、水泥砂浆、混凝土等)组成。

工程材料是工程建设的重要物质基础。材料费用通常在工程总造价中占较大的比重。因此,选用既符合工程设计要求(如强度、耐久性等),又经济、实用、符合可持续发展的材料非常重要。许多国家对常用工程材料制定了相应的品质标准及质量检验方法,以确保材料性能和工程质量。

工程材料的发展常会引起工程结构的重大变革。人类最早采用木、竹、草、土、石等天然材料建造简单的住所;后来,土坯、烧白土、草筋泥、石灰、三合土、砖瓦等人造建筑材料相继出现,使宫殿、寺庙、堰坝、城墙、桥梁、佛塔、陵墓等各类建筑得以发展。工业革命以后,随着钢材和水泥的问世,推动了近代土木工程建设的迅速发展。20世纪以来,高强度钢材、高性能混凝土以及高分子复合材料的出现,更是高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程结构等现代工程发展的重要基础。同时,材料科学也发展成为一门独立的新兴学科。材料科学深入研究材料的组成、结构、性能及其机理,使有可能按照预定要求研制新型品种,进行材料性能的设计。

工程材料正在向着高性能、多功能的方向发展。由于工程材料具有用量大的特点,其中水泥、砖瓦、钢材等生产需耗费大量能源和土地资源,且污染环境。研究超耐久、低能耗、节省土地资源的材料,大量利用工业废料以及低(无)毒、无污染、可降解、可再生利用的材料等,是工程材料的主要发展趋势。

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