土木工程常用材料
2.2.1 天然材料
在原始社會,由于生產力低下,人們只會使用一些簡單的工具,那時的建筑大多就地取材,從最開始遠離水源的山洞穴居,到后來可以逐水而居的茅屋,以及結構更加堅固的木屋、石屋,這些建筑的材料都是直接取材于天然,所以叫作天然材料。
(1)木材
木材歷史悠久,是人類歷史上最早使用的建筑材料之一。山西省五臺縣境內、距離五臺山風景區核心約100km處,有個名為南禪寺的寺廟,它是五臺山整個佛教寺院中最小的一座,但它卻是目前世界上現存最古老的木結構建筑。五臺山南禪寺最初創建年代不詳,而據《中國古代建筑史·第二卷》記載,南禪寺大殿至少在公元782年(唐建中三年)經過一次重修,這比五臺山佛光寺東大殿還要早75年,保存至今已達千年之久,是中國珍貴的物質文化遺產,被建筑學家稱為國寶。而舉世聞名的北京故宮也是典型的木結構建筑,故宮是現存世界最大、最完整的木結構古建筑群,是元與倫比的古建筑杰作。
1)木材的特性
隨著時間的推移,木材用于現代建筑結構的數量相應減少,但木材具有許多其他材料元法替代的優良特性,如木材特有的美麗、天然的花紋,給人一種古樸、典雅、親切的美感,以及木材具有調節室內溫度、空氣濕度的能力,因此仍被廣泛用于裝飾裝修行業。木材以它特有的功用和價值,創造了千姿百態的裝飾新領域,雖然其他種類的新材料不斷出現,但木材仍然是家具和建筑領域不可缺少的材料,其優點可以歸結如下:
①不可替代的天然性。木材是天然的,有獨特的質地與構造,其紋理、年輪和色澤等能夠給人們一種回歸自然、返瑛歸真的感覺,深受人們喜愛。
②典型的綠色材料。木材本身不存在污染源,其散發的清香和純真的視覺感受有益于人們的身體健康。與塑料、鋼鐵等材料相比,木材是可循環利用和永續利用的材料。
③優良的物理力學性能。木材是質輕而高比強度的材料,具有良好的絕熱、吸聲、吸濕和絕緣性能。同時,木材與鋼鐵、水泥和石材相比具有一定的彈性,可以緩和沖擊力,提高人們居住和行走的安全性。
④良好的加工性。木材可以方便地進行鋸、刨、鏡、釘、剪等機械加工以及貼、站、涂、畫、烙、雕等裝飾加工。
但是,與此同時,木材也有一些缺點:
①于縮濕脹,各向異性。木材含水率在纖維飽和點以下變動時,其尺寸也隨之變化。由于各向異性,木材在各個方向的干縮濕脹都存在著差異,可能導致木材發生開裂、翹曲等缺陷。
②木材容易腐朽和蟲蛙。
③木材易燃燒。
④木材存在天然缺陷,如節疤、蟲眼等。
2)木材的種類
土木工程中使用的木材是由天然樹木加工而成,樹木的種類不同,木材的性質及應用也不同,因此必須了解木材的種類,才能合理地選用木材。樹木通常分為針葉樹和闊葉樹兩大類(見圖2-1)。
①針葉樹(軟木材).如杉木、紅松、自松、黃花松等,樹葉細長,大部分為常綠樹。其樹干直而高大,紋理順直,木質較軟,易加工,故又稱軟木材。其表觀密度小,強度較高,脹縮變形小,是建筑工程中的主要用材,廣泛用于制作承重構件、模板和門窗等。
②闊葉樹(硬木材).如樺、揄、水曲柳等,樹葉寬大呈片狀,大多數為落葉樹。樹干通直,部分較短,木材較硬,加工比較困難,故又稱為硬(雜)木材。其表現密度較大,易脹縮、翹由、開裂,常用作室內裝飾、次要承重構件、膠合板等。
(2)天然石材
天然石材是最古老的建筑材料之一,世界上許多著名的建筑物都是由天然石材建造而成的。近幾十年來,鋼筋棍凝土雖然在很大程度上代替了天然石材作結構材料,但從石材的開采量和應用范圍來看,天然石材在建筑上仍獲得了廣泛的應用。
天然石材在地球表面蘊含豐富,分布廣泛,便于就地取材。在性能上,天然石材具有抗壓強度高、耐久、耐磨等特點。在建筑物立面上使用天然石材,具有堅實、穩重的質感,可以取得凝重莊嚴、雄偉的藝術效果,但是,天然石材開采、加工困難,表現密度大。
根據巖石的成因,按地質分類法,天然巖石可分為巖漿巖(火成巖)、沉積巖和變質巖蘭大類見(圖2-2)。