0、山言

        本章节的主要内容是关于土木工程材料的概述，共有四部分内容：土木工程材料概述；天然土木工程材料；人造土木工程材料；未来土木工程材料。

        从“秦砖汉瓦”到“智能材料”——赵亚丁教授（哈尔滨工业大学）——23:29。

1、土木工程材料概述

（1）土木工程材料与土木工程的关系

        狭义的土木工程材料是指直接构成土木工程的物质基础；而在广义的土木工程材料范畴当中，还包括为土木工程服务的周边所使用的材料。 

        在土木工程中，材料性能将影响或决定结构的形式、造型、特性以及功能。而材料技术的突破和发展也将直接带动土木工程的发展。

（2）土木工程材料的发展

          ①天然土木工程材料，解决人类遮风避雨的需要。结构性能——强度、刚度等。

          ②人造土木工程材料，高度、跨度实现飞跃。综合性能——保温、隔声等。

          ③未来土木工程材料，智能生态工程，挑战海洋、太空等工程环境，智能化、生态化。

2、天然土木工程材料

        天然土木工程材料是大自然赋予人类的恩赐（馈赠）。

（1）土

        优点——粘结力好，夯实后，具有承载力，且可塑性好。

        缺点——取土毁田、易干裂、不耐水、已逐渐退出，继而向砖瓦发展。

        应用——土墙体、雕塑、土洞穴、夯土墙。例如，非洲马里杰内大清真寺（土塑）。

（2）石

        优点——强度高、坚固耐久、装饰性好。

        缺点——资源紧张，自重大，开采、加工、施工困难。

        应用——石材的功能从结构性构件到装饰性功能过渡，并且目前常用人造石材弥补资源紧张的问题。

（3）木

        优点——质轻高强，保温隔热，抗震柔韧，易加工，装饰效果丰富。

        缺点——资源紧张，易燃易变现。

        应用——木材使用时，需进行阻燃防潮处理，现在正向人造化、复合化发展以弥补资源紧张的问题。

3、人造土木工程材料

        人造土木工程材料是人对自然改造的结果。

（1）烧结砖瓦——即秦砖汉瓦，由黏土高温烧结而成。

        优点——强度高、隔热保温性好、生产施工简单。

        缺点——取土毁田，能耗大，自重大，体积小，施工效率低。

        应用——现在开发出废料取代黏土，以及低能耗或免烧结的技术。

（2）水泥及混凝土

        ①水泥

      1824年英国人发明波特兰水泥（磷酸盐水泥）。其最大的优点是可设计性，即，工程所需的强度、耐腐蚀性、温度适应性等性能均能设计。

        ②混凝土

        胶凝材料＋散粒材料（骨料、集料）=混凝土。

        胶粒材料——水泥、黏土、糯米汁、石灰、沥青、聚合物……

        散粒材料——天然砂石、人造骨料、再生骨料…… 

        优点——混凝土的性质、形状、尺寸具有可设计性，可浇筑性。且综合强度高，抗震耐火功能性强，经久耐用。使高层、大跨度建筑成为现实。

        ③混凝土概念辨析

        混凝土的片面的概念——水泥、水、砂石、外加剂组成的复合材料。

        混凝土的全面的概念——用胶凝材料将散粒材料粘为整体，做成人造石材。水泥发明之前就已有混凝土了，只不过早期混凝土使用的胶凝材料是糯米汁、石灰等。

      【山言】普通混凝土是由水泥、砂石和水按一定配合比拌合，经凝固硬化后做成的人工石材。很多人对混凝土的概念的理解有所片面，因此印象中是先有水泥，后有混凝土。但其实混凝土的历史很早。我们印象中的近现代水泥制混凝土是普通混凝土。因此记载中，有水泥的发明者，有钢筋混凝土的发明者。但没有混凝土的发明者，因为太早了，并无记录。概念理解全面了，思路也就扩展了。

        ④混凝土的发展及应用

        混凝土的三次飞跃——a、素混凝土→钢筋混凝土；b、钢筋混凝土→预应力混凝土；c、预应力混凝土→聚合物混凝土，以及外加剂的使用。

        混凝土的发展趋势——a、使抗弯、抗拉、冲击性能得到改善；b、轻质化，致密化；c、柔韧性、装饰性能改善；d、无机混凝土有了有机的特征。

        应用——古罗马竞技场，滨海湾金沙酒店，青函海底隧道，米洛高架桥，多伦多电视塔

（3）钢材

        钢材包括——型钢、钢板、钢管、钢筋（丝）等。

        优点——材质均匀、性能可靠、综合强度高；且塑性、韧性优异、抗冲击性能力强；可焊、可铆、便于装配。

        应用——目前钢-混凝土结合有较为普遍的使用。例如，世博会文体中心、悉尼大桥、鸟巢、埃菲尔铁塔等。

（4）玻璃

        优点——透光、透视且可调节控制。其中透光、透视可用于装饰。并且玻璃可以调节光热，又具有隔音、节能、耐久等优点。

        应用——玻璃砖墙体、幕墙、玻璃栈道、楼梯、屋顶（海底餐厅）等。例如，国家大剧院、汉诺威火车站、美国大峡谷U型走廊等。

（5）聚合物基复合材料

        聚合物基复合材料是由高分子聚合物构成的复合材料。

        优点——轻质、柔韧、隔热、保温、易成型、易清洁、耐磨、绝缘、防水、装饰性强。

        缺点——易燃烧、会老化、产生毒性。有板、膜、纤维等结构形式。

        应用——聚合物最近开始飞速发展。例如，水立方、汉诺威世界博览会（碗状循环建筑、膜充气材料）。

4、土木工程材料的发展未来

（1）智能化

        智能材料，能使结构具有自感知、自适应、自修复功能的材料系统。可以用来监测结构健康、掌握承载力形态变化、从而提高安全性。

        相变恢复、形变记忆——例如相变蓄能复合板，形状记忆合金。

        自我愈合修复——例如混凝土中含有玻璃纤维愈合管，管中注入液态胶，混凝土产生裂缝，管破裂，胶流出填充修复。

（2）生态化

        如果说智能化是被动适应环境，那生态化则是主动适应并改变环境。生态材料具有环境协调性，能够适应环境，做到废料利用，并循环利用。

        普通材料——①生产，消耗原材料；②运输，消耗能量，产生污染（包括噪音粉尘等）；③使用，损耗能量（保温、隔热、防水），并产生光声热污染，以及释放有害物质。

        生态化途径——①少消耗天然资源，多利用废弃物；②生产工艺简洁，少消耗能源；③使用过程无毒害、无污染、无放射性；④达到寿命周期后，可循环再利用。 

        土木工程材料的发展趋势——生态化、高性能化、多功能复合化、智能化。

        土木工程材料是土木工程的物质基础；是人类社会发展进步的重要标志；是土木工程管理与技术人员必备的专业基础知识；是开启认识、改造土木工程世界大门的钥匙。我们将由此进入探索土木工程奥秘的真正旅程！