2.3　建筑材料

2.3.1　建筑材料的类型及标识

建筑材料是指建造各种工程时所应用的材料及制品，是一切建筑工程的物质基础。建筑材料的分类方法很多，常按材料的物理化学性质、来源、功能用途进行分类。

2.3.1.1　按物理化学性质分类

建筑材料按其物理化学性质可分为无机材料、有机材料、复合材料三大类。

1.无机材料

（1）无机非金属材料。又常称为矿物质材料，包括无机胶凝材料、天然石料、烧土与熔融制品。

1）无机胶凝材料。是自身或与其他物质混合后一起经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或块片状材料胶结成整体的物质。按硬化条件不同，分为气硬性和水硬性两类。

a.气硬性胶凝材料。该材料只能在空气中硬化，并保持或继续提高其强度，属于这类材料的有石灰、石膏与水玻璃等。其只能用于地面上干燥环境的建筑物。

b.水硬性胶凝材料。该材料不仅能在空气中而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度，属于这类材料的有水泥等。其既可用于地上也可用于地下或水中的建筑物。

2）天然石料。按形成条件不同分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）、变质岩三大类；按颗粒大小分为土料、砂、石三类；按其开采加工程度的不同分为毛石、块石、粗料石、建筑板材等。

3）烧土与熔融制品，如烧结砖、陶瓷、玻璃等。

（2）金属材料。包括黑色金属材料和有色金属材料两类。

1）黑色金属材料。是指以铁元素为主要成分的金属及其合金材料，是钢和生铁的总称。

2）有色金属材料。是指黑色金属材料以外的金属及其合金材料。在水工建筑中常用的有色金属是铜和铜的合金及铝的合金。紫铜片是水工建筑中常用的止水材料。

2.有机材料

有机材料包括沥青材料、植物材料和合成高分子材料等三类。

（1）沥青材料。是一种有机胶凝材料，是由许多高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物。它能溶于汽油、二氧化碳等有机溶剂中，但几乎不溶于水，属憎水材料。常温下呈固体、半固体或黏稠性液体状态，颜色为黑色或黑褐色。它与矿物材料有较强的黏结力，具有良好的防水、抗渗、耐化学侵蚀性、抗冲击性。沥青材料是含沥青质材料的总称，常分为地沥青和焦油沥青。

1）地沥青。按产源可分为天然沥青和石油沥青。石油沥青按生产方法不同，分为直馏沥青、溶剂沥青、氧化沥青、裂化沥青、调和沥青、乳化沥青、改性沥青等七种；按外观形态不同分为液体沥青、固体沥青、半固体沥青三种；按用途不同分为道路沥青、建筑沥青、防水防潮沥青、以用途或功能命名的各种专用沥青等。

2）焦油沥青。按其加工的有机物不同分为煤沥青、木沥青、页岩沥青等三类；煤沥青按软化点不同分为低温煤沥青、中温煤沥青、高温煤沥青三种。

（2）植物材料。主要有木材、竹材、植物纤维及其制品等。其中，使用较广泛的是木材，分为软木材和硬木材。

1）软木材。即针叶树材，材质轻软，易于加工，密度和胀缩变形较小，且有较高的强度。是建筑上常用的主要承重结构的木材，如松、杉、柏等。

2）硬木材。即阔叶树材，材质坚硬，加工较难，一般较重，且胀缩、翘曲、裂缝等都较针叶树显著，如榆、槐、栎等。

（3）合成高分子材料。是以高分子化合物为基础人工合成的材料和制品，按材料特性分为合成树脂及塑料、合成橡胶、合成纤维、土工合成材料等。

1）合成树脂。按其形成时的反应不同，分为聚合树脂和缩聚树脂两种。按在热作用下所表现的性质不同，又分为热塑性树脂和热固性树脂。

2）塑料。是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入其他添加剂制得。根据加热后的反应情况分为热塑性和热固性两种。水工建筑中常用的塑料多是聚乙烯和聚氯乙烯制品。

3）合成橡胶。多是以两种以上的单体缩聚而成的具有高度弹性的材料。橡胶止水带是钢筋混凝土地下建筑物、水坝、储水池等永久缝的止水材料。

4）合成纤维。是以天然或合成高分子为原料，经纺织或后处理制得。可制作纤维塑料、纤维混凝土、纤维绳等。

5）土工合成材料。是以人工合成的聚合物（如塑料、纤维、合成橡胶等）为原料制成各种类型的产品。根据《土工合成材料应用技术规范》（GB50290—98）规定，土工合成材料包括土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特殊材料四大类。

3.复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料、非金属与有机材料复合材料、金属与有机材料复合材料；按其结构特点分为纤维复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料、混杂复合材料。

2.3.1.2　按材料来源分类

建筑材料按材料来源可分为天然建筑材料和人工材料两类。

（1）天然建筑材料，如常用的土料、砂石料、石棉、木材等及其简单采制加工的成品（如建筑石材等）。

（2）人工材料，如石灰、水泥、沥青、金属材料、土工合成材料、高分子聚合物等。

2.3.1.3　按功能分类

建筑材料按其功能分类为结构材料、防水材料、胶凝材料、装饰材料、防护材料、隔热保温材料等。

（1）结构材料，如混凝土、型钢、木材等。

（2）防水材料，如防水砂浆、防水混凝土、镀锌薄钢板、紫铜止水片、膨胀水泥防水混凝土、遇水膨胀橡胶嵌缝条等。

（3）胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃、水泥、混凝土等。

（4）装饰材料，如天然石材、建筑陶瓷制品、装饰玻璃制品、装饰砂浆、装饰水泥、塑料制品等。

（5）防护材料，如钢材覆面、码头护木等。

（6）隔热保温材料，如石棉纸、石棉板、矿渣棉、泡沫混凝土、泡沫玻璃、纤维板等。

2.3.2　建筑材料的应用

2.3.2.1　筑坝用土石料

筑坝用土石料主要包括土坝（体）壳用土石料、防渗体用土石料、排水设施和砌石护坡用石料。

1.土坝（体）壳用土石料

常用于均质土坝的土料是砂质黏土和壤土，要求其应具有一定的抗渗性和强度，其渗透系数不宜大于1×10－4cm／s；粘料含量一般为10%～30%；有机质含量（按重量计）不大于5%，易溶盐含量小于5%。

心墙坝和斜墙坝多用粒径级配较好的中砂、粗砂、砾石、卵石及其他透水性较高、抗剪强度参数较大的混合料。

2.防渗体用土石料

一般采用黏土、砂壤土、壤土、黏质土等材料。

3.排水设施和砌石护坡用石料

可采用块石，其饱和抗压强度不小于40～50MPa，岩石孔隙率不大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，重度应大于22kN／m3。也可采用碎石、卵石，不宜使用风化岩石。

2.3.2.2　建筑石材

水工建筑物对石料的要求是有较好的耐水性、抗冻性、耐久性。

1.火成岩

（1）花岗岩。具有较高的抗冻性，凿平、磨光性也较好。质地均匀、坚固，颜色美观，是良好的建筑装饰材料。

（2）闪长岩。吸水低，韧性高，抗风化能力强，是良好的水工建筑材料。

（3）辉长岩。具有很高强度及抗风化性，是良好的水工建筑石料。

（4）辉绿岩。硬度中等，磨光性较好，多用于桥墩、基础、路面及石灰、粉刷材料、原料等。

（5）玄武岩。强度、耐久性高，脆性大不易成大块，主要用作筑路材料、堤岸的护坡材料等。

2.水成岩

（1）石灰岩。致密的石灰岩加工成板状，可用来砌墙、堤坝护坡，碎石可用来作混凝土骨料等。但由于它易溶于含有游离CO2较多的水中，因此当用于水工建筑物时，应考虑它的溶解性及抗冻性。

（2）砂岩。多用于基础、衬面和人行道等，但黏土砂岩遇水软化，不能用于水中建筑物。

3.变质岩

（1）片麻岩。用途与花岗岩基本相同，但因呈片状而受到限制，可作成板材，用于渠道和堤岸衬砌等。

（2）大理岩。用于地面、墙面、柱面、栏杆及电气绝缘板等。

（3）石英岩。均匀致密，耐久性很高，硬度大，开采加工很困难。

2.3.2.3　土工合成材料

土工合成材料在水利水电工程中的应用包括以下几个方面。

1.防渗

利用土工膜或复合土工膜防渗性强的特点，进行土坝、堤防、池塘等工程的防渗。

2.反滤、排水

利用土工布透水性好、孔隙小的特点，作为土石坝、水闸、堤防、挡土墙等工程的排水和反滤体。

3.护岸护底工程

利用土工布做成软体排铺设在防冲的边坡上，防止水流冲刷渠道和海岸等土岸坡。

4.防汛抢险方面

利用填满土石料的土工编织袋，快速加高加固堤坝，在迎水面上利用土工布制成的软体卷材快速铺设，及时堵住渗漏通道，有效控制管涌、流土，防止渗透破坏。

2.3.2.4　胶凝材料

能够通过自身的物理化学作用，从浆体（液态和半固态）变成坚硬的固体，并能把散粒材料（如砂、石）或块状材料（如砖和石块）胶结成为整体材料的物质称为胶凝材料。

胶凝材料根据其化学组成可分为有机胶凝材料和无机胶凝材料；无机胶凝材料按硬化条件差异又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持或发展强度，适用于干燥环境，如石灰、水玻璃等；水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，而且能更好地在潮湿环境或水中硬化、保持并继续发展其强度，如水泥。沥青属于有机胶凝材料。

1.水泥

（1）水泥的品种及主要性能。水泥是水硬性胶凝材料。水泥按其矿物成分组成可分为硅酸盐系列、铝酸盐系列、硫铝酸盐系列、铁铝酸盐系列、氟铝酸盐系列等；按其用途和特性可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。通用水泥是指GB175—2007中规定的六种硅酸盐水泥；专用水泥是指有专门用途的水泥，如中、低热水泥，大坝水泥，道路水泥等；特性水泥是指具有较为特殊性能的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥等。通用硅酸盐水泥密度一般为3100～3200kg／m3，初凝时间不得早于45min，终凝时间硅酸盐水泥不得迟于6.5h，其他水泥不得迟于10h。

（2）水泥的适用范围。水位变化区域的外部混凝土、溢流面受水流冲刷部位的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，避免采用火山灰质硅酸盐水泥。

有抗冻要求的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，并掺用引气剂或塑化剂，以提高混凝土的抗冻性。当环境水兼硫酸盐侵蚀时，应优先选用抗硫酸盐硅酸盐水泥。

大体积建筑物内部的混凝土，应优先选用矿渣硅酸盐大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等，以适应低热性的要求。

位于水中和地下部位的混凝土，宜采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。

（3）水泥检验的要求。水泥应有生产厂家的出厂质量证明书（包括厂名、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性等代表该产品质量的内容）以及28d强度证明书。

有下列情况之一者，应复试并按复试结果使用：用于承重结构工程的水泥，无出厂证明者；存储超过3个月（快硬水泥超过1个月）；对水泥的厂名、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性不明或对质量有怀疑者；进口水泥。

2.石灰

（1）石灰的原料及生产。石灰是工程中常用的胶凝材料之一，其原料石灰岩主要成分是碳酸钙（CaCO3），石灰岩经高温煅烧分解产生以CaO为主要成分（少量MgO）的生石灰。

（2）石灰的熟化。石灰的熟化又称消解，是指生石灰与水（H2O）发生反应，生成Ca（OH）2的过程。生石灰的熟化过程伴随着剧烈的放热与体积膨胀现象（1.5～3.5倍）。

石灰一般不宜单独使用，通常掺入一定量的骨料（砂）或纤维材料（纸筋、麻刀等）或水泥以提高抗拉强度，抵抗收缩引起的开裂。

3.水玻璃

水玻璃是一种碱金属硅酸盐水溶液，俗称“泡花碱”。根据碱金属氧化物的不同，分为硅酸钠水玻璃和硅酸钾水玻璃等。常用的是硅酸钠（Na2O－nSiO2）水玻璃的水溶液，硅酸钠中氧化硅与氧化钠的分子比“n”称为水玻璃模数。

水玻璃常用于灌浆材料加固地基，水玻璃和氯化钙溶液交替灌入地基中，两种溶液发生化学反应，析出硅酸胶体，起到胶结和填充土壤空隙的作用，增加了土的密实度和强度。

4.石油沥青

工程中常用的沥青材料主要是石油沥青和煤沥青，石油沥青的技术性质优于煤沥青。

石油沥青按原油的成分分为石蜡基沥青、沥青基沥青和混合基沥青；按加工方法不同分为直馏沥青、氧化沥青、裂化沥青等；按沥青用途不同分为道路石油沥青、建筑石油沥青、专用石油沥青和普通石油沥青。

2.3.2.5　水泥混凝土

反映水泥混凝土质量的主要技术指标有：和易性、强度及耐久性。

1.和易性

和易性是指在一定施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、密实的混凝土性能。水泥混凝土拌合物的和易性包括流动性、黏聚性、保水性三个方面。影响和易性的因素有水泥浆的用量、水泥浆的稠度、砂率、水泥的品种、水泥细度、外加剂的掺入、时间和温度等。坍落度的大小反映了混凝土拌合物的和易性。

坍落度的测试方法是，用一个上口为100mm，下口为200mm，高为300mm的喇叭状的坍落度筒，灌入混凝土后捣实，然后拔起筒，混凝土因自重产生坍落现象。用筒高（300mm）减去坍落后混凝土最高点的高度，其差值称为坍落度，如差值为10mm，则坍落度为10。

2.强度

混凝土的强度有抗压、抗拉、抗弯及抗剪强度等，以抗压强度最大，结构中主要是利用混凝土的抗压强度。

（1）混凝土的抗压强度。混凝土抗压强度是把混凝土拌合物做成边长为15cm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度20℃±2℃，相对湿度95%以上）下，养护到28d龄期，按照标准的测定方法测定的混凝土立方体试件抗压强度（以MPa计）。根据抗压强度的大小将混凝土分成14个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。影响混凝土强度的因素有：施工方法及施工质量、水泥强度及水灰比、骨料种类及级配、养护条件及龄期等。

（2）混凝土的抗拉强度。混凝土的抗拉强度，一般约为相应抗压强度的10%左右。有抗裂要求的结构，除需对混凝土提出抗压强度要求外，还需对抗拉强度提出要求。抗拉强度的测定方法有劈裂抗拉试验法及轴心抗拉试验法两种。

3.耐久性

混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗冲磨性、抗侵蚀性、抗碳化性等。

（1）抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透作用的能力。抗渗等级分为：W2、W4、W6、W8、W10、W12等，即表示混凝土能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压力而不渗水。影响混凝土抗渗性的因素有水灰比、骨料最大粒径、养护方法、水泥品种、外加剂、掺合料和龄期。

（2）抗冻性是指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环作用而不严重降低强度（抗压强度下降不超过25%，质量损失不超过5%）的性能。抗冻等级分为：F50、Fl00、F150、F200、F250及F300等。决定混凝土抗冻性的重要因素有混凝土的密实度、孔隙构造和数量、孔隙的充水程度。

（3）抗冲磨性是指混凝土抵抗高速含沙水流冲刷破坏的能力。

（4）抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境水侵蚀的能力。

（5）抗碳化性是指混凝土抵抗环境大气中二氧化碳的碳化能力。

4.水工建筑物不同部位混凝土的要求

（1）上、下游最高水位以上坝体表层混凝土。主要考虑抗冻因素，在寒冷地区多采用厚2～3m的抗冻混凝土。

（2）上、下游水位变化区的坝体表层混凝土。主要考虑抗冻、抗裂因素，多采用厚3～5m的抗渗、抗冻并具有抗侵蚀性的混凝土。

（3）上、下游最低水位以下坝体表层混凝土。主要考虑强度、抗渗、抗裂因素，多采用厚2～3m的抗渗混凝土。

（4）坝体内部混凝土。主要考虑低热、抗裂因素。

（5）溢流坝、泄水孔、导墙和闸墩等抗冲刷部位的混凝土。主要考虑强度、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀因素。

5.混凝土的配合比

混凝土配合比是指混凝土中水泥、水、砂及石子材料用量之间的比例关系。常采用的方法有以下两种。

（1）单位用量表示法：以每立方米混凝土中各项材料的重量来表示。

（2）相对用量表示法：以各项材料间的重量比来表示。

混凝土配合比的设计，实质上就是确定四种材料用量之间的三个对比关系：水灰比、砂率、浆骨比。水灰比表示水泥与水用量之间的对比关系；砂率表示砂与石子用量之间的对比关系；浆骨比是用单位体积混凝土用水量表示，是表示水泥浆与骨料用量之间的对比关系。

6.骨料

骨料必须坚硬、致密、耐久、无裂隙。

（1）混凝土的细骨料。粒径在0.16～5mm之间的骨料。按形成条件分为天然砂、人工砂；按细度模数F·M分为粗砂（F·M＝3.1～3.7）、中砂（F·M＝2.3～3.0）、细砂（F·M＝1.6～2.2）、特细砂（F·M＝0.7～1.5）。骨料中杂质含量不超过《水工混凝土施工规范》（DL／T5144—2001）的规定，见表2.6。

（2）混凝土的粗骨料。粒径大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。水工混凝土所用的粗骨料一般分为特大石（150～80mm或120～80mm），大石（80～40mm）、中石（40～20mm）、小石（20～5mm）四级。粗骨料中杂质含量不得超过表2.7的规定。

（3）砂、石料的检验。应按产地或料场、品种、规格、批量取样进行检验。

7.混凝土的外加剂

为了提高混凝土的性能、节约水泥、加快施工进度、降低工程造价，常在混凝土内加入少量的外加剂。根据《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119—2003），外加剂按其主要功能可分为四类。

（1）改善混凝土和易性的外加剂，包括减水剂、引气剂、泵送剂等。

（2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括速凝剂、早强剂、缓凝剂。

（3）改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂、阻锈剂、养护剂等。

（4）改善混凝土其他性能的外加剂，包括膨胀剂、防冻剂、防水剂和泵送剂等。

8.粉煤灰

根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596—2005）的规定，粉煤灰按煤种分为F类和C类，F类是由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰；C类是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10%。拌制混凝土和砂浆用粉煤灰分为三个等级：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。拌制混凝土和砂浆用粉煤灰必须满足表2.8的技术要求。

根据《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL／T5055—2007）的规定，F类粉煤灰最大掺量见表2.9，C类粉煤灰掺量应通过试验确定。

2.3.2.6　水泥砂浆

新拌砂浆的和易性是指其是否便于施工并保证质量的综合性质。具体技术指标包括流动性和保水性两个方面。

1.流动性

流动性常用沉入度表示。沉入度即标准圆锥体在砂浆中沉入的深度。沉入度大的砂浆，流动性好。

2.保水性

保水性即保有水分的能力。保水性可用泌水率表示，即砂浆中泌出水分的质量占拌和水总量的百分率。但工程上采用较多的是分层度这一指标。所谓分层度通常用上下层砂浆沉入度的差值来表示。分层度大于2cm的砂浆易泌水，不宜使用，分层度接近于0的砂浆，虽保水性好，但因胶凝材料用量太多，容易发生干缩裂缝。故砂浆的分层度以1～2cm为宜。

2.3.2.7　建筑钢材

建筑钢材分为钢结构用钢材和钢筋混凝土用钢筋及钢丝。水工钢结构主要有钢闸门及压力钢管等。工程所用的钢筋有热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋及热处理钢筋四种。钢丝主要有不同规格的预应力混凝土用钢丝及钢绞线。

钢材在建筑结构中主要是承受拉力、压力、弯曲、冲击等外力作用。施工中经常对钢材进行冷弯或焊接等工艺加工。钢材的力学性能主要有抗拉性能（抗拉屈服强度、抗拉极限强度、伸长率）、硬度和冲击韧性等；工艺性能有焊接性能及冷弯性能。

（1）抗拉屈服强度。指钢材在外力作用下开始产生塑性变形时的应力。

（2）抗拉极限强度。指试件破坏前，应力－应变图上的最大应力值。

（3）伸长率。指钢材拉断后，标距长度的伸长量与原标距长的比值。

（4）硬度。指材料抵抗另一更硬物体压入其表面的能力。常用压痕的深度或压痕单位表面积上所受的压力作为衡量指标。

（5）冲击韧性。指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。用冲断试件时每单位截面积上所消耗的功来表示。

（6）焊接性能。是用焊接的手段使焊头能牢固可靠且硬脆性小的性能。

（7）冷弯性能。指钢材在常温下承受静力弯曲时所容许的变形能力。