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土木建筑材料

constructionmaterial

土木工程所用材料及制品的統(tǒng)稱，簡(jiǎn)稱建筑材料。

發(fā)展史土木建筑材料的發(fā)展與土木工程的發(fā)展，是互相推動(dòng)，密切相關(guān)的。新的材料常常帶來工程的新變革，工程變革的需要又促進(jìn)新材料的誕生（見土木工程發(fā)展簡(jiǎn)史）。

遠(yuǎn)在新石器時(shí)代以前，人類就利用天然材料，如土、石、草、樹干、樹皮、樹葉等營(yíng)造住所。此后隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，各種人造建筑材料相繼出現(xiàn)。西安半坡等先民遺址的發(fā)掘，證明在公元前5000年中國(guó)人的祖先就開始對(duì)天然材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工，用燒白土、草筋泥等涂抹墻面和地坪；用碎陶、礫石與泥土拌和夯實(shí)作為柱的基礎(chǔ)，實(shí)際上這已是人造建筑材料煅燒和復(fù)合工藝的開端。以后，又用夯土和土坯筑墻，并進(jìn)而制作石灰、磚、瓦、琉璃以及其他燒土制品。“秦磚漢瓦”早已聞名于世，足見中國(guó)使用人造建筑材料的歷史之悠久。在國(guó)外，古埃及的燒石膏；古希臘、古羅馬的石灰和摻火山灰的石灰；拉丁美洲印加帝國(guó)建筑的高度石工技巧，均在建筑材料的發(fā)展史上占據(jù)重要地位。正是基于對(duì)土、石、木等天然材料的加工技術(shù)和上述人造材料的開發(fā)應(yīng)用，出現(xiàn)了諸如中國(guó)的長(zhǎng)城、都江堰水利工程；埃及的金字塔；羅馬帝國(guó)的引水道、萬神殿等偉大建筑。工業(yè)革命以后，鋼材開始被用作建筑材料，大跨建筑和高聳建筑逐漸發(fā)展。19世紀(jì)初，波特蘭水泥問世，不久即出現(xiàn)了混凝土和鋼筋混凝土。20世紀(jì)30年代以來，又發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土；玻璃和陶瓷制品也大量用于土木建筑。這樣就使土木工程的面貌更加日新月異。以橋梁為例，在采用鋼材以前，跨度很少達(dá)到100米，有了軋制鋼材，才出現(xiàn)了跨度500米以上的桁架梁橋和拱橋，以至1400米以上的懸索橋，而預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展更使現(xiàn)代橋梁技術(shù)在荷載、跨度、經(jīng)濟(jì)、耐久以及適應(yīng)性等方面，都達(dá)到了很高的水平。所以，如果說土木工程的發(fā)展標(biāo)志著人類文明水平的不斷提高，那末不斷發(fā)展的建筑材料則是人類文明建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

分類建筑材料種類繁多，可按其性質(zhì)和用途的不同進(jìn)行分類。

按性質(zhì)分類可區(qū)分為建筑用非金屬材料、建筑用金屬材料、有機(jī)材料，以及由兩種以上材料復(fù)合而成的復(fù)合材料等。

①建筑用非金屬材料。主要有天然的粘土、砂礫、石材和人造的磚、瓦、陶瓷、琉璃等燒土制品；水泥、石灰、石膏等膠凝材料；以水泥為基礎(chǔ)的各種混凝土及其制品；各種玻璃及其制品；以及無機(jī)涂料、石棉、礦棉、纖維制品和熔巖制品（如鑄石）等。

②建筑用金屬材料。有以鋼鐵、有色金屬及其合金制造的型材、管材、板材和金屬制品等。

③有機(jī)材料。有木材、竹材、建筑塑料、有機(jī)涂料和膠粘劑等。

④復(fù)合材料。狹義地指有纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)和層壓材料；廣義地則是指兩種或兩種以上材料復(fù)合組成的材料，可包括很多人造建筑材料的品種，例如各種水泥砂漿和混凝土也被稱作水泥基復(fù)合材料，同樣還有瀝青復(fù)合材料、鈣塑制品等。

按用途分類可區(qū)分為絕熱材料、吸聲材料、防水材料、灌漿材料，以及愈來愈受到重視的、正在迅速發(fā)展的各種裝飾、裝修材料等。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步將為土木工程提供更多的建筑材料新品種，因此材料的分類也將更為精細(xì)。

重要性建筑材料以其用量大、用途廣的特點(diǎn)，決定了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要位置。建筑材料一直是大宗材料，其需要量還在不斷增加，水泥、混凝土、鋼材、塑料以至土、石、木材等天然材料的用量無不十分龐大。在土木建筑的總造價(jià)中，材料費(fèi)所占比重也很大。生產(chǎn)這樣大量的建筑材料，需要消耗大量的能源與資源。近幾年來，中國(guó)建筑材料工業(yè)已成為第四個(gè)耗能多的行業(yè)。因此，節(jié)約與合理使用材料，降低生產(chǎn)中的能耗與料耗，重視建筑物長(zhǎng)期使用中的節(jié)能，對(duì)于降低工程造價(jià)、節(jié)省能源與資源，都能收到巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑材料不僅在產(chǎn)量上有著大幅度的增加，還出現(xiàn)了很多高效能的新品種，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善起著明顯的作用。例如，高強(qiáng)鋼材比普通碳素鋼可提高強(qiáng)度達(dá)1.5～6倍，冷彎型鋼比相同截面的熱軋型鋼可節(jié)約鋼料30～50％；摻加少量的高效外加劑能顯著地提高混凝土的某些重要性能，并節(jié)約水泥10～30％；新品種建筑玻璃如中空、吸熱、熱反射、選擇吸收玻璃等，以及各種復(fù)合墻體材料，能夠有效地改善建筑功能，降低使用能耗50％以上；用空心混凝土砌塊和大空隙率的粘土空心磚代替實(shí)心小磚，能夠節(jié)約大量煤炭和粘土資源，少毀良田，這在當(dāng)前中國(guó)具有十分重大和緊迫的意義。近30年來出現(xiàn)的品種繁多的裝修、裝飾材料，尤其是各種建筑塑料和有機(jī)涂料、無機(jī)涂料，使建筑藝術(shù)大為增色，改變了城鄉(xiāng)建筑的面貌，豐富了廣大人民的生活。

開發(fā)和技術(shù)進(jìn)步為了適應(yīng)土木工程發(fā)展對(duì)材料的需要，滿足建筑功能以及堅(jiān)固、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀等的要求，除繼續(xù)發(fā)展新的材料品種，并不斷開拓新的應(yīng)用范圍，滿足某些特殊性能和特殊使用條件，如海上、地下、寒冷、干熱、低溫、高溫、腐蝕等環(huán)境的要求以外，還應(yīng)在改善材料性能，改進(jìn)制作工藝，利用和開發(fā)資源等三個(gè)方面進(jìn)行大量的工作。

改善材料性能包括強(qiáng)度、形變、重量以及耐久、防水、隔熱等重要性能。在建筑材料的各種性能中，耐久性對(duì)于建筑物的安全、適用、經(jīng)濟(jì)起著決定性作用，應(yīng)給予極大的重視。不少古代建筑物歷時(shí)千載仍然完好。在近代的建筑材料中，水泥混凝土具有良好的耐久性，被稱為“人造石材”，只要使用得當(dāng)，充分發(fā)揮其潛力，就能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下持久使用。

改進(jìn)制作工藝可在保證或提高性能的前提下，增加產(chǎn)量、降低成本、節(jié)約能源和資源。例如水泥生產(chǎn)采用帶窯外分解爐的干法新工藝，與原來的濕法工藝相比，不僅產(chǎn)量大幅度增加，熟料單位熱耗也能降低約三分之一。又如玻璃的浮法工藝、衛(wèi)生陶瓷的低溫快燒工藝，無不具有優(yōu)質(zhì)、低耗、高效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。近年迅速發(fā)展的復(fù)合、組合工藝，能夠充分利用幾種組成材料的共同作用，發(fā)揮各種組分的特長(zhǎng)，互相補(bǔ)充，使材料具有某些重要的獨(dú)特性能或多種功能，從而取得顯著的節(jié)約效果，如預(yù)應(yīng)力混凝土充分利用高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和高強(qiáng)鋼材的抗拉強(qiáng)度，用作大跨度橋梁和大容積儲(chǔ)罐，比同類的鋼結(jié)構(gòu)可降低能耗達(dá)50％。

因地制宜、就地取材是不斷開發(fā)建筑材料新資源的一條重要途徑。例如就近采用火山渣、浮石等天然輕集料代替陶粒等人造集料；采用天然火山灰質(zhì)材料作為水泥混合材料，以節(jié)約一部分熟料，都能降低材料成本和能耗（包括運(yùn)輸力）。此外，大量利用工礦業(yè)的廢渣、尾礦作為建筑材料及其原料，對(duì)于保護(hù)環(huán)境也十分有利。中國(guó)十幾年來已利用全部水淬高爐礦渣制造水泥，還利用了大量電廠粉煤灰制造內(nèi)燃粘土磚和混凝土摻合料。數(shù)量極大的煤矸石，也將逐步作為建筑材料的原料而加以利用。

發(fā)展前景自從20世紀(jì)60年代以來，材料科學(xué)作為新興學(xué)科被廣泛用于各種材料的研究開發(fā)工作中，成效卓著。通過深入研究材料的組成和結(jié)構(gòu)，掌握組成的變化規(guī)律及其與材料性能、行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，就有可能按照預(yù)定要求進(jìn)行材料性能的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)符合某些性能要求的材料的生產(chǎn)，并為新型材料的創(chuàng)制指出途徑。材料科學(xué)在有機(jī)材料、鋼鐵及合金材料、某些復(fù)合材料以及特種陶瓷等的研究中，已顯示出巨大作用，但在大多數(shù)建筑材料，如水泥、混凝土、玻璃、燒土制品等的研制和生產(chǎn)中還用得很少。目前，這些用量最多的建筑材料，由于產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，加上本身存在的不均勻性，以及荷載、使用條件、齡期等因素造成的性能上的不穩(wěn)定，既妨礙它們?cè)谕聊竟こ讨械挠行Ю茫膊焕谕聊竟こ碳夹g(shù)水平的提高。現(xiàn)在已出現(xiàn)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與落后的建筑材料之間的矛盾。因此，就要求應(yīng)用材料科學(xué)和微電子學(xué)的新成就來促進(jìn)大宗建筑材料的變革。

材料性能測(cè)試技術(shù)是發(fā)展材料科學(xué)的主要支柱。為了保證材料性能在建筑物中得到充分發(fā)揮，以及進(jìn)一步提高性能，材料性能測(cè)試技術(shù)，特別是新技術(shù)，包括對(duì)材料的微觀、亞微觀、宏觀的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和行為的測(cè)試技術(shù)，是十分重要的。非破損測(cè)試技術(shù)正在不斷更新，它在生產(chǎn)控制和快速試驗(yàn)等方面，具有突出的優(yōu)點(diǎn)。因此必須及早采用。此外，對(duì)于材料標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作也應(yīng)給予足夠的重視。