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《现代土木工程材料》 内容简介 《现代土木工程材料》旨在系统介绍当前土木工程领域广泛应用且极具发展前景的新型工程材料，以及传统材料在性能、生产工艺、应用方式上的革新与发展。本书面向高等院校土木工程专业本科生及研究生，同时也为从事土木工程设计、施工、科研工作的工程师提供一本详实的参考读物。本书力求在理论深度与实际应用之间取得平衡，突出材料的科学基础、性能表征、生产制造、设计应用及发展趋势，为培养具备创新能力和国际视野的土木工程人才奠定坚实的材料科学基础。 第一章 绪论 本章首先回顾土木工程材料的发展历程，从古代的泥土、石材、木材，到近代的钢材、混凝土，再到当今的高性能复合材料，强调了材料在土木工程技术进步中的核心驱动作用。接着，阐述了土木工程材料的分类方法，包括按材料组分、性能特点、应用领域等进行划分。重点介绍了几类重要的土木工程材料，如水泥基材料、钢材、木材、高分子材料、复合材料等，并简要概述了它们各自的特点和在工程中的应用概况。最后，展望了现代土木工程材料的发展趋势，如绿色化、高性能化、智能化、功能化等，并强调了材料科学与土木工程交叉融合的重要性。 第二章 水泥基材料（一）：水泥 本章详细介绍水泥的基本概念、组成、性能及其在土木工程中的重要作用。首先，从化学和矿物学角度深入分析水泥熟料的矿物组成（硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等）及其对水泥性能的影响。然后，系统阐述水泥的生产工艺，包括原材料的准备、烧成、粉磨等关键环节，并介绍各种水泥品种（如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等）的特性、适用范围和性能指标。重点讲解水泥的凝结硬化机理，包括水化反应过程、水化产物的种类及其形态。此外，还深入探讨了影响水泥性能的各种因素，如水灰比、养护条件、外加剂的使用等，以及水泥的常用检测方法。 第三章 水泥基材料（二）：混凝土 本章系统论述混凝土的组成、性能、配合比设计、施工与养护，以及现代混凝土技术的发展。首先，详细介绍混凝土的组成材料，包括水泥、骨料（粗骨料和细骨料）的性质、选择原则及质量要求。着重讲解水在混凝土中的作用，以及水灰比对混凝土强度、耐久性等性能的影响。深入探讨了混凝土的拌合物性能（和易性、流动性）和硬化后性能（强度、变形、耐久性），以及这些性能的测试方法。详细介绍混凝土配合比设计的理论依据和常用方法，包括目标强度法、相对稠度法等。阐述了混凝土的搅拌、运输、浇筑、振捣、收面、养护等施工工艺要点，强调了施工过程对混凝土质量的关键影响。最后，介绍现代混凝土技术，如高性能混凝土（HPC）、超高性能混凝土（UHPC）、纤维增强混凝土（FRC）、自密实混凝土（SCC）、绿色混凝土等，并探讨其在特殊工程中的应用。 第四章 钢材 本章专注于土木工程中常用的钢材，包括其冶金原理、种类、性能、加工及应用。首先，介绍钢的化学成分、显微组织及其与性能的关系，重点讲解碳含量、合金元素对钢的强度、塑性、韧性、硬度和耐腐蚀性的影响。详细介绍土木工程中常用的钢材种类，包括建筑结构用钢（如Q235、Q345、Q390等）、桥梁用钢、高强度钢筋、不锈钢等，并阐述它们各自的性能特点、国家标准和应用领域。深入探讨了钢材的加工工艺，包括轧制、焊接、冷弯等，以及这些工艺对钢材性能的影响。详细介绍钢材的连接方式，如焊接连接、螺栓连接等，并分析不同连接方式的优缺点。最后，探讨了钢材的防腐蚀措施，如涂装、镀层、不锈钢应用等，以及钢结构在工程中的应用实例。 第五章 复合材料 本章介绍土木工程中日益重要的复合材料，特别是纤维增强聚合物（FRP）复合材料。首先，解释复合材料的基本概念，即两种或两种以上不同材料通过物理或化学方式组合，形成性能优异的新材料。重点介绍FRP复合材料的组成，包括增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）和基体材料（如环氧树脂、聚酯树脂）。深入分析不同纤维和基体的性能特点及其对FRP整体性能的影响。详细阐述FRP复合材料的力学性能，如高强度、高比模量、良好的抗疲劳性和耐腐蚀性。介绍FRP复合材料的生产工艺，如拉挤成型、缠绕成型、真空辅助树脂转移成型（VARTM）等。重点讲解FRP复合材料在土木工程中的应用，包括结构加固、新建构件（如桥梁、管线、膜结构）、轻质高强构件等，并分析其设计、施工和长期耐久性方面的考虑。 第六章 功能性材料与绿色建材 本章聚焦于具有特殊功能的新型建材以及推动土木工程可持续发展的绿色建材。首先，介绍具有传感、调控、自修复等功能的智能材料，如形状记忆合金、压电材料、光敏材料、自修复混凝土等，并探讨其在结构健康监测、主动减震、耐久性提升等方面的应用潜力。其次，详细介绍绿色建材的概念、原则和分类，强调其环境友好性、资源节约性和可再生性。深入介绍多种典型的绿色建材，包括：再生骨料混凝土（RMC）、粉煤灰、矿渣等工业废弃物在建材中的应用、竹材、木材等可再生材料、透水性路面材料、保温隔热材料（如气凝胶、真空绝热板）、节能门窗等。讨论了绿色建材的性能评价、生产标准、应用技术及推广面临的挑战。 第七章 新型粘结材料与密封材料 本章系统介绍用于结构连接、防水密封等关键工程环节的新型粘结材料和密封材料。首先，对各类粘结材料进行分类，包括聚合物砂浆、环氧树脂粘结剂、水泥基粘结剂等，并详细阐述其基本原理、性能特点（如粘结强度、耐久性、耐腐蚀性）和应用范围。重点介绍聚合物改性砂浆在结构加固（如粘贴钢板、粘贴FRP）、预制构件连接等方面的应用，以及环氧树脂在粘结、灌注、涂层等方面的优势。其次，介绍高性能密封材料，包括硅酮密封胶、聚氨酯密封胶、聚硫密封胶等，分析其弹性和耐久性等关键性能，并阐述其在接缝防水、幕墙密封、结构伸缩缝处理等方面的作用。探讨了不同粘结材料和密封材料在特定工程环境下的选择原则和施工注意事项。 第八章 隔振与减震材料 本章重点介绍用于降低结构振动、提升工程安全性的隔振与减震材料。首先，阐述振动与隔振、减震的基本原理，分析材料在隔振减震中的作用机理。详细介绍常见的隔振材料，如橡胶垫、弹簧隔振器、隔振板等，分析其隔振性能（如隔振率、固有频率）和应用场景（如设备基础隔振、楼板隔振）。其次，介绍减震材料，包括阻尼材料（如沥青基阻尼材料、聚合物阻尼材料）、粘弹性材料等，阐述其通过耗散能量来减小结构振动的原理。介绍减震器（如金属阻尼器、流体阻尼器）的设计与应用。重点讲解这些材料在桥梁、高层建筑、轨道交通等工程中的应用案例，以及材料选择和安装的关键技术。 第九章 土木工程材料的耐久性与防护 本章聚焦于土木工程材料的长期服役性能，即耐久性，以及提高材料耐久性的防护技术。首先，定义材料耐久性，并分析影响其耐久性的主要因素，如物理侵蚀（冻融循环、磨损）、化学侵蚀（碳化、氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀）、生物侵蚀等。详细阐述混凝土的钢筋锈蚀机理、钢结构的腐蚀机理及其对结构安全的影响。接着，系统介绍各种防护技术，包括：混凝土的表面处理（涂层、浸渍）、阴极保护、钢结构的防腐蚀涂装体系、耐腐蚀材料的选择与应用。介绍材料的耐久性试验方法和性能评估标准。探讨了提高材料耐久性在工程设计、施工、维护中的重要性，以及绿色耐久性材料的发展方向。 第十章 新型检测与评价技术 本章介绍土木工程材料的最新检测与评价技术，以确保材料的质量和结构的安全性。首先，回顾传统的材料检测方法，并指出其局限性。重点介绍无损检测技术（NDT），如超声波检测、声发射技术、X射线成像、红外热成像等，阐述这些技术的工作原理、应用范围及在混凝土、钢结构、砖石结构等材料检测中的优势。介绍现场快速检测技术，如便携式光谱仪、化学传感器等。深入探讨了材料的长期性能监测技术，如结构健康监测（SHM）系统，包括传感器的种类、布置、数据采集与分析。介绍基于大数据和人工智能的材料性能预测与损伤诊断技术。强调了先进检测技术在材料质量控制、工程安全评估、寿命预测以及预防性维护中的关键作用。 第十一章 未来发展趋势与展望 本章对土木工程材料的未来发展进行展望，并提出相关建议。首先，总结当前土木工程材料领域面临的挑战，如资源短缺、环境污染、性能提升需求、智能化集成等。接着，深入探讨了几大发展趋势： 绿色化与可持续化： 强调循环经济理念，推广再生材料、生物基材料、低碳材料的应用，发展节能环保的生产工艺。 高性能化与智能化： 追求更高强度、更高耐久性、更优异的物理化学性能，并发展能够感知、诊断、自修复、自适应的智能材料。 功能化与集成化： 将材料与能源、信息、环境等功能集成，实现多功能一体化的材料体系，如集发电、储能、承载于一体的结构材料。 数字化与模拟化： 利用计算机模拟、大数据分析、人工智能等手段，实现材料设计、性能预测、工艺优化等环节的数字化和智能化。 新材料的涌现： 关注纳米材料、生物材料、仿生材料等在土木工程领域的潜在应用。 最后，本书呼吁科研人员、工程师以及教育工作者加强合作，共同推动土木工程材料科学与技术的进步，为建设更安全、更舒适、更可持续的未来城市做出贡献。
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