土木建築材料

遠在新石器時代以前，人類就利用天然材料，如土、石、草、樹幹、樹皮、樹葉等營造住所。此後隨着生產力的發展，各種人造建築材料相繼出現。西安半坡等先民遺址的發掘，證明在公元前5000年中國人的祖先就開始對天然材料進行簡單的加工，用燒白土、草筋泥等塗抹牆面和地坪；用碎陶、礫石與泥土拌和夯實作為柱的基礎，實際上這已是人造建築材料煅燒和複合工藝的開端。以後，又用夯土和土坯築牆，並進而製作石灰、磚、瓦、琉璃以及其他燒土製品。“秦磚漢瓦”早已聞名於世，足見中國使用人造建築材料的歷史之悠久。在國外，古埃及的燒石膏；古希臘、古羅馬的石灰和摻火山灰的石灰；拉丁美洲印加帝國建築的高度石工技巧，均在建築材料的發展史上佔據重要地位。 正是基於對土、 石、木等天然材料的加工技術和上述人造材料的開發應用，出現了諸如中國的長城、都江堰水利工程；埃及的金字塔；羅馬帝國的引水道、萬神殿等偉大建築。工業革命以後，鋼材開始被用作建築材料，大跨建築和高聳建築逐漸發展。19世紀初，波特蘭水泥問世，不久即出現了混凝土和鋼筋混凝土。20世紀30年代以來，又發明了預應力混凝土；玻璃和陶瓷製品也大量用於土木建築。這樣就使土木工程的面貌更加日新月異。以橋樑為例，在採用鋼材以前，跨度很少達到100米，有了軋製鋼材,才出現了跨度500米以上的桁架樑橋和拱橋,以至1400米以上的懸索橋，而預應力混凝土的發展更使現代橋樑技術在荷載、跨度、經濟、耐久以及適應性等方面，都達到了很高的水平。所以，如果説土木工程的發展標誌着人類文明水平的不斷提高，那末不斷髮展的建築材料則是人類文明建設的重要物質基礎。

分類建築材料種類繁多，可按其性質和用途的不同進行分類。

按性質分類可區分為建築用非金屬材料、建築用金屬材料、有機材料，以及由兩種以上材料複合而成的複合材料等。

① 建築用非金屬材料。 主要有天然的粘土、砂礫、石材和人造的磚、 瓦、陶瓷、 琉璃等燒土製品；水泥、石灰、石膏等膠凝材料；以水泥為基礎的各種混凝土及其製品；各種玻璃及其製品；以及無機塗料、石棉、礦棉、纖維製品和熔岩製品（如鑄石）等。

② 建築用金屬材料。 有以鋼鐵、有色金屬及其合金製造的型材、管材、板材和金屬製品等。

③ 有機材料。 有木材、竹材、建築塑料、有機塗料和膠粘劑等。

④ 複合材料。 狹義地指有纖維增強塑料(玻璃鋼)和層壓材料；廣義地則是指兩種或兩種以上材料複合組成的材料，可包括很多人造建築材料的品種，例如各種水泥砂漿和混凝土也被稱作水泥基複合材料，同樣還有瀝青複合材料、鈣塑製品等。

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

科學技術的進步將為土木工程提供更多的建築材料新品種，因此材料的分類也將更為精細。

重要性建築材料以其用量大、用途廣的特點，決定了它在國民經濟中的重要位置。建築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。在土木建築的總造價中，材料費所佔比重也很大。生產這樣大量的建築材料，需要消耗大量的能源與資源。近幾年來，中國建築材料工業已成為第四個耗能多的行業。因此，節約與合理使用材料，降低生產中的能耗與料耗，重視建築物長期使用中的節能，對於降低工程造價、節省能源與資源，都能收到巨大的經濟效益。

隨着科學技術的進步和建築業的蓬勃發展，建築材料不僅在產量上有着大幅度的增加，還出現了很多高效能的新品種，對世界經濟的發展和人民生活的改善起着明顯的作用。例如，高強鋼材比普通碳素鋼可提高強度達1.5～6倍，冷彎型鋼比相同截面的熱軋型鋼可節約鋼料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，並節約水泥10～30%；新品種建築玻璃如中空、吸熱、熱反射、選擇吸收玻璃等，以及各種複合牆體材料，能夠有效地改善建築功能，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心小磚，能夠節約大量煤炭和粘土資源，少毀良田，這在當前中國具有十分重大和緊迫的意義。近30年來出現的品種繁多的裝修、裝飾材料，尤其是各種建築塑料和有機塗料、無機塗料，使建築藝術大為增色，改變了城鄉建築的面貌，豐富了廣大人民的生活。

開發和技術進步為了適應土木工程發展對材料的需要，滿足建築功能以及堅固、耐久、經濟、美觀等的要求，除繼續發展新的材料品種，並不斷開拓新的應用範圍，滿足某些特殊性能和特殊使用條件，如海上、地下、寒冷、乾熱、低温、高温、腐蝕等環境的要求以外，還應在改善材料性能，改進製作工藝，利用和開發資源等三個方面進行大量的工作。

改善材料性能包括強度、 形變、 重量以及耐久、防水、隔熱等重要性能。在建築材料的各種性能中，耐久性對於建築物的安全、 適用、 經濟起着決定性作用，應給予極大的重視。不少古代建築物歷時千載仍然完好。在近代的建築材料中,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,充分發揮其潛力,就能夠在嚴酷的環境條件下持久使用。

改進製作工藝可在保證或提高性能的前提下，增加產量、降低成本、節約能源和資源。例如水泥生產採用帶窯外分解爐的幹法新工藝，與原來的濕法工藝相比，不僅產量大幅度增加，熟料單位熱耗也能降低約三分之一。又如玻璃的浮法工藝、衞生陶瓷的低温快燒工藝，無不具有優質、低耗、高效的技術經濟效益。近年迅速發展的複合、組合工藝，能夠充分利用幾種組成材料的共同作用，發揮各種組分的特長，互相補充，使材料具有某些重要的獨特性能或多種功能，從而取得顯著的節約效果，如預應力混凝土充分利用高強混凝土的抗壓強度和高強鋼材的抗拉強度，用作大跨度橋樑和大容積儲罐，比同類的鋼結構可降低能耗達50%。

因地制宜、就地取材是不斷開發建築材料新資源的一條重要途徑。例如就近採用火山渣、浮石等天然輕集料代替陶粒等人造集料；採用天然火山灰質材料作為水泥混合材料，以節約一部分熟料，都能降低材料成本和能耗（包括運輸力）。此外，大量利用工礦業的廢渣、尾礦作為建築材料及其原料，對於保護環境也十分有利。中國十幾年來已利用全部水淬高爐礦渣製造水泥，還利用了大量電廠粉煤灰製造內燃粘土磚和混凝土摻合料。數量極大的煤矸石，也將逐步作為建築材料的原料而加以利用。

發展前景自從20世紀60年代以來，材料科學作為新興學科被廣泛用於各種材料的研究開發工作中，成效卓著。通過深入研究材料的組成和結構，掌握組成的變化規律及其與材料性能、行為之間的內在聯繫，就有可能按照預定要求進行材料性能的設計，指導符合某些性能要求的材料的生產，併為新型材料的創制指出途徑。材料科學在有機材料、鋼鐵及合金材料、某些複合材料以及特種陶瓷等的研究中，已顯示出巨大作用，但在大多數建築材料，如水泥、混凝土、玻璃、燒土製品等的研製和生產中還用得很少。這些用量最多的建築材料，由於產品質量的波動，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定，既妨礙它們在土木工程中的有效利用，也不利於土木工程技術水平的提高。現在已出現先進的結構設計與落後的建築材料之間的矛盾。因此，就要求應用材料科學和微電子學的新成就來促進大宗建築材料的變革。

材料性能測試技術是發展材料科學的主要支柱。為了保證材料性能在建築物中得到充分發揮，以及進一步提高性能，材料性能測試技術，特別是新技術，包括對材料的微觀、亞微觀、宏觀的物理、化學、力學性能和行為的測試技術，是十分重要的。非破損測試技術正在不斷更新，它在生產控制和快速試驗等方面，具有突出的優點。因此必須及早採用。此外，對於材料標準的制訂工作也應給予足夠的重視。