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1、建筑材料建筑材料 习题课习题课(四）四）金属材料金属材料例8-1 钢材如何按化学成分分类？土木工程中常用什么钢材？解：钢材按化学成分可以分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢可以分为：低碳钢（含碳量小于0.25）中碳钢（合碳量 0.250.60）高碳钢（合碳量大于0.60）合金钢可以分为：合金钢可以分为：低合金钢（合金元素总含量小于低合金钢（合金元素总含量小于5.05.0）中合金钢（合金元素总含量中合金钢（合金元素总含量 5.0%5.0%10.0%10.0%）高合金钢（合金元素总含量大于高合金钢（合金元素总含量大于10.0%10.0%）土土木木工工程程中中常常用用的的钢钢材材主主要要是是普普通通碳碳
2、素素钢钢中中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。的低碳钢和合金钢中的低合金钢。评注评注 碳素钢在冶炼时不特意掺加合金，碳素钢在冶炼时不特意掺加合金，故又称非合金钢。故又称非合金钢。例8-2 为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？解：屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值；屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中的安全可靠程度；伸长率（）表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变
3、形使应力重分布，而避免结构物的破坏。评注 常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑性（伸长率）。但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中发生超过允许的变形值。例8-3 什么是钢材的冷弯性能？它的表示方法及实际意义是什么？解：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能，常用弯曲的角度、弯心直径与试件直径（或厚度a）的比值来表示。弯曲角度愈大，愈小，说明试件受弯程度愈高。当按规定的弯曲角度和值对试件进行冷弯时试件受弯处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不破坏的能力。其实质反映了钢材内部组织状态、含有内应力及杂质等缺陷的程度。因此，
4、可以利用冷弯的方法，使焊口处受到不均匀变形，来检验建筑钢材各种焊接接头的焊接质量。评注 钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映。但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力。它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。例8-4 低温冷脆性、脆性转变温度、时效和时效敏感性的概念及其实际意义是什么？解：钢材的冲击韧性随环境温度降低而下降，当达到某一温度时，其冲击韧性值显著降低的现象称为钢材的低温冷脆性。出现低温冷脆性时的温度（范围），称为脆性转变温度（范围）。随时间的推移，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。因时效作
5、用导致钢材性能改变的程度称为钢材的时效敏感性。承受动荷载的结构，选用钢材时，必须按规范要求测定其冲击韧性值。处于低温条件下的钢结构要选用脆性临界温度低于环境最低温度的钢材。若在严寒地区，露天焊接钢结构，受振动荷载作用时，要选用脆性临界温度低和时效敏感性小的钢材。评注 冲击韧性是指在冲击振动荷载作用下，钢材吸收能量、抵抗破坏的能力。冲击韧性以冲断试件时单位面积所消耗的功，称为冲击功（值）来表示。例8-5碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235AF和Q235号钢在性能上有何区别？解：碳素结构钢的牌号按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号
6、(F、B、Z、TZ)等四部分组成。Q235AF和Q235D均为235碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。按硫、磷含量多少来衡量，Q235D磷、硫含量均少于Q235AF,质量较好，按脱氧程度衡量Q235D为震静钢，质量最好，Q235AF 为沸腾钢。Q235AF钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结构。而Q235D可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。评注 碳素结构钢分五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。例8-6钢筋混凝土用热轧钢筋按力学性能分为几级？各级钢筋性质差别及
7、主要用途如何？解：我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为IIV级。由I级到IV级，钢筋的机械强度不断提高，而塑性、韧性降低，可焊性亦相应降低。级钢筋是由235碳素结构钢热轧的光圆钢筋，适合做非预应力混凝土用钢筋。II、III、IV级钢筋由普通低合金结构钢轧制的热轧带肋钢筋,可用于非预应力也可以用于预应力混凝构件中。评注 II、III、IV级由普通低合金结构钢轧制的热轧带肋钢筋,其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成，分别为：HRB335、HRB400、HRB500。、分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。例8-7 何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何
8、变化？解:在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放1520天，或者加热到100200，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。评注 在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机
9、械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。例8-8 从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12，标距为60，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？查表7-2知s1、s2 均大于335 N/mm2,b1、b2 均大于490 N/mm2,、均大于16%故该钢筋为II级钢。2.该钢筋的屈强比为：s/b=385/555=0.69该II级钢筋的屈强比在0.650.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。沥
10、青例10-1试述石油沥青的三大组分及其特性。石油沥青的组分与其性质有何关系？解:石油沥青的三大组分及其特性如下：（1）油分。油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，密度介于0.71.0cm3之间。在170较长时间加热，油分可以挥发。油分能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氧化碳和丙酮等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分的多少决定了沥青的流动性。()树脂（沥青脂胶）。沥青脂胶为黄色至黑褐色粘稠状物质（半固体），分子量比油分大（6001000），密度为1.01.1gcm3。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂含量增加，石油沥青的延度和粘结力等品质愈好。（）地沥青质（
11、沥青质）。地沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质（固体粉末），分子量比树脂更大（1000以上），密度大于1 gcm3，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、粘性的重要组成部分。石油沥青的组分与其性质的关系为：油分赋予沥青以流动性。沥青脂胶使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。地沥青质含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，即愈硬脆。例10-2 石油沥青的主要技术性质是什么？各用什么指标表示？解石油沥青的主要技术性质有：（1）粘滞性 石油沥青的粘滞性又称粘性。粘滞性应以绝对粘度表示，但因其测定方法较复杂，故工程中常用相对粘
12、度（条件粘度）来表示粘滞性，对使用粘稠（半固体或固体）的石油沥青用针入度表示，对液体石油沥青则用粘滞度表示。（）塑性塑性指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。石油沥青的塑性用延度表示。延度愈大，塑性愈好。（）温度敏感性 温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。由于沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，故没有一定的熔点。温度敏感性以软化点指标表示。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定以其中某一状态作为从固态转变到粘流态的起点，相应的温度则称为沥青的软化点。另外，沥青的脆点是反映温度敏感性的另一个指标，它是指沥青从高弹态转到玻璃
13、态过程中的某一规定状态的相应温度，该指标主要反映沥青的低温变形能力。（）大气稳定性石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，称为大气稳定性，也是沥青材料的耐久性。石油沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热前后针入度比来评定。例例10-3 10-3 怎样划分石油沥青的牌号？牌号大小怎样划分石油沥青的牌号？牌号大小与沥青主要技术性质之间的关系怎样？与沥青主要技术性质之间的关系怎样？解 :石油沥青按针入度指标来划分牌号，牌号数字约为针入度的平均值。常用的建筑石油沥青和道路石油沥青的牌号与主要性质之间的关系是：牌号愈高，其粘性愈小（针入度越大），塑性愈大（即延度越大）
14、，温度稳定性愈低（即软化点愈低）。评注严格地讲，石油沥青的牌号是按沥青的针入度、延度和软化点指标来划分的。例10-4 石油沥青的老化与组分有何关系？沥青老化过程中性质发生哪些变化？沥青老化对工程有何影响？解:在石油沥青的老化过程中，在温度、空气、阳光和水的综合作用下，沥青中各组分会发生不断递变，低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而沥青质逐渐增多。在石油沥青的老化过程中，随着时间的进展，由于树脂向地沥青质转变的速度更快，使低分子量组成减少，地沥青质微粒表面膜层减薄，沥青的流动性和塑性将逐渐减小，硬脆性逐渐增大，直至脆裂，致使沥青防水层开裂破坏，或造成路面使用品质下降，产生
15、龟裂破坏，对工程产生不良影响。评注 沥青经若干年后，性质变得脆硬、易于开裂的现象称为“老化”。沥青抗老化能力称为大气稳定性。例例10-5 10-5 某工地运来两种外观相似的沥青，已知某工地运来两种外观相似的沥青，已知其中有一种是煤沥青，为了不造成错用，请用其中有一种是煤沥青，为了不造成错用，请用两种以上方法进行鉴别？两种以上方法进行鉴别？解:煤沥青与石油沥青可用以下方法进行鉴别：（）测定密度。大于1.1者为煤沥青；（）燃烧试验。烟气呈黄色，并有刺激性嗅味者为煤沥青；（）敲击块状沥青，呈脆性（韧性差）、音清脆者为煤沥青。有弹性、音哑者为石油沥青；（）用汽油或煤油溶解沥青，将溶液滴于滤纸（）用汽油
16、或煤油溶解沥青，将溶液滴于滤纸上，呈内黑外棕色明显两圈斑点者为煤沥青，呈上，呈内黑外棕色明显两圈斑点者为煤沥青，呈棕色均匀散开斑点者为石油沥青。棕色均匀散开斑点者为石油沥青。评注评注 与石油沥青比较，煤沥青的塑性差、温度与石油沥青比较，煤沥青的塑性差、温度敏感性大、大气稳定性差，但其粘性大，煤沥青敏感性大、大气稳定性差，但其粘性大，煤沥青有嗅味，挥发物有毒，施工时要注意。有嗅味，挥发物有毒，施工时要注意。例10-6试述采用矿物填充料对沥青进行改性的机理。解:由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青与矿粉发生交互作用，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层扩散溶剂化膜，在此膜
17、厚度以内的沥青称为“结构沥青”。如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结，这样促成沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜的接触面积，因而使沥青可以获得更大的粘聚力。例例10-7 10-7 乳化沥青和冷底子油的不同点是什么？乳化沥青和冷底子油的不同点是什么？解:乳化沥青是沥青以微粒（粒径m左右）分散在有乳化剂的水中而成的乳胶体。配制时，首先在水中加入少量乳化剂，再将沥青热熔后缓缓倒入，同时高速搅拌，使沥青分散成微小颗粒，均匀分布在溶有乳化剂的水中。由于乳化剂分子一端强烈吸附在沥青微小颗粒表面，另一端则与水分子很好地结合，产生有益的桥梁作用，使乳液获得稳定。冷底子油是用汽油、煤油、柴油、工业苯等有
18、机溶剂与沥青材料溶合制得的沥青溶液。评注 沥青溶液虽然塑性良好，施工方便，但因使用很多的有机溶剂，使用后又完全挥发，因而不大经济。例例10-8 沥青胶是如何配制的？论述其特性和用沥青胶是如何配制的？论述其特性和用途。途。解:沥青胶是在熔（溶）化的沥青中加入粉状或纤维状的填充料经均匀混合而成。填充料粉状的如滑石粉、石灰石粉、白云石粉等，纤维状的如石棉屑、木纤维等。沥青胶的常用配合比为沥青70%90%，矿粉1030。沥青胶有热用和冷用的两种，一般工地施工是热用。配制热用沥青胶时，先将矿粉加热到100110，然后慢慢地加入已熔化的沥青中，继续加热并搅拌均匀即成。沥青胶的特性主要有：（1）耐热度：用毫
19、米厚的沥青胶粘合两张沥青油纸，于不低于规定温度条件下，在（或度角）的坡度上停放小时，沥青胶不应流淌，油纸不应滑动。（2）柔韧性：涂在沥青油纸上的毫米厚的沥青胶层，在18士 时，围绕规定直径的圆棒，以秒钟的均衡速度弯曲成半周，沥青胶不应有裂纹粘结力：将两张用沥青胶粘贴在一起的沥青油纸揭开时，若被撕开的面积超过粘贴面积的时，则认为粘结力不合格，否则即为合格。热用沥青胶用于粘结和涂抹石油沥青油毡。冷用时需加入稀释剂将其稀释后于常温下施工应用，它可以涂刷成均匀的薄层。例10-9 何谓沥青混合料？试述沥青混合料的强度理论。解:沥青混合料是将沥青、石子、砂和矿粉按照一定的比例拌和所组成的混合物。有两种不同
20、的沥青混合料强度理论：表面理论认为，沥青混合料是由粗、细集料和矿粉，大小不同粒径组成密实矿质混合料的骨架，利用沥青胶结料的粘聚力，在加热状态下施工，使沥青包裹在矿料的表面，经过压实固结后，将松散的矿质颗粒胶结成具有一定强度的整体。胶浆理论认为，沥青混合料是一种具有空间网络状结构的多级分散体系。它是以粗集料为分散相，沥青砂浆为分散介质的粗分散系；沥青砂浆又以细浆料为分散相，沥青胶结物为分散介质的细分散系；而沥青胶结物又以矿粉为分散相，沥青为分散介质的微分散系。评注 两种理论的主要区别是，表面理论重点突出矿质骨料的骨架作用，产生强度的关键首先是矿质骨料的强度和密实度；而胶浆理论则突出沥青胶结构在混
21、合料中的作用，以及沥青与填充料之间的关系，这对沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性的影响尤为重要。例10-10 简述沥青混凝土的技术性质。解：沥青混凝土的技术性质主要有：（1）高温稳定性 沥青混合料的高温稳定性是指在夏季高温条件下，沥青混合料承受多次重复荷载作用而不发生过大的累积塑性变形的能力。沥青混合料路面在车轮作用下受到垂直力和水平力的综合作用，能抵抗高温而不产生车辙和波浪等破坏现象的为高温稳定性符合要求。(2)低温抗裂性沥青混合料为弹性一粘性一塑性材料，其物理性质随温度而有很大变化。沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力，称为低温抗裂性能。（3）耐久性沥青混合料的耐久性是指其在修筑成路面后，
22、在车辆荷载和大气因素（如阳光、空气和雨水等）的长期作用下，仍能基本保持原有性能的能力。（4）抗滑性沥青混凝土路面的抗滑能力与沥青混合料的粗糙度、级配组成、沥青用量和矿质集料的微表面性质等因素有关。面层集料应选用质地坚硬具有棱角的碎石，通常采用玄武岩。采取适当增大集料粒径，适当减少一些沥青用量及严格控制沥青的含蜡量等措施，均可提高路面的抗滑性。（5）施工和易性影响沥青混合料施工和易性的因素很多，如当地气温、施工条件以及混合料性质等。单纯从混合料材料性质而言，影响施工难易性的因素有混合料的级配、沥青用量的多少，矿粉用量等。评注 沥青混合料在路面中，承受汽车荷载的反复作用，同时还受到各种自然因素的影响，为保证安全、舒适、快速、耐久等要求，沥青混合料需满足一定的技术要求。