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建筑学基础基本建筑材料分析 一、混凝土 二、钢材 三、砂浆、木材 掌握以上几种建筑材料的基本性质 一、混凝土 定义：混凝土，简称为“砼（tng）”。 是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程 复合材料的统称。通常讲的混凝土一词是 指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与 水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比 例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥 混凝土 。 胶凝材料-通过物理、化学作用，能从浆体变成坚固的固体，并 能胶结其他物料，形成有一定机械强度的固体物质。 混凝土的分类 按表观密度分：重混凝土、普通混凝土、 轻混凝土。这三种混凝土不同之处就是骨 料的不同。 重混凝土：用特别密实和特别重的集料制 成的。如重晶石混凝土、钢屑混凝土等， 它们具有不透x射线和射线的性能。主要作 为核工程的屏蔽结构材料 ? 轻质混凝土可以分为三类： 1.轻集料混凝土，其表观密度在8001950Kg/m3，轻集料 包括浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、矿渣等。 2.多孔混凝土（泡沫混凝土、加气混凝土），其表观密度是 3001000Kg/m3。泡沫混凝土是由水泥浆或水泥砂浆与稳 定的泡沫制成的。加气混凝土是由水泥、水与发气剂制成的。 3.大孔混凝土（普通大孔混凝土、轻骨料大孔混凝土），其 组成中无细集料。普通大孔混凝土的表观密度范围为 15001900Kg/m3;，是用碎石、软石、重矿渣作集料配制 的。 主要用於工业与民用建筑的大型外墙板和小型空心砌块，少 量用於高层和桥梁建筑的承重结构和热工构筑物。 混凝土的分类 ? ? 按胶凝材料分： 水混凝土 石膏混凝土（提高孔隙率、减少水泥、减轻自重， 但耐水性较差） 聚合物混凝土（又称人造大理石，可做桌面、浴 缸等，用合成树脂代替水泥，具有耐腐蚀作用， 缺点耐久性差、树脂造价高）、水玻璃混凝土 （耐酸性强、耐高温、抗渗能力好，但硬化时间 慢，用于酸洗车间、电解车间。） 石膏（CaSo4） 技术性质：凝结硬化快；硬化时体积膨胀；硬化后孔隙率高；耐水性差。 ? ? 按施工工艺分类 离心混凝土-做法：通过离心机的高速转动，使得混凝土成 型密实的方法。用途：通常用于混凝土管道构件空心混凝土 管桩构件、混凝土电杆的制作。 碾压混凝土-做法：采用自动倾卸式混凝土罐车和改性沥青 摊铺机输送和铺设，经碾压后获得所要求的密实度。特征： 完工后的路面看起来有点粗糙，但与普通的混凝土相比，碾 压混凝土具有更高的强度。用途：由于其表面不象普通混凝 土那么光滑，因此，碾压混凝土主要用于工业区道路、停车 场或是低速行驶区域道路的面层。优缺点：施工快、价格低、 耐久性更好，很难产生裂纹。 挤压混凝土-做法：在盾构开挖隧道过程中，随着盾构机的 向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或 钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后即承受盾构千斤顶推力 的挤压作用，故称为挤压混凝土衬砌。 真空混凝土、灌浆混凝土、喷射混凝土 泵送混凝土 灌浆混凝土 混凝土的分类 按配筋方式分有：素(即无筋)混凝土、钢筋 混凝土、钢丝网水泥、纤维混凝土（用于 盖板、管件等）、预应力混凝土 混凝土的分类 ? 按使用功能分类 结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝 土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝 土、海工混凝土、道路混凝土、防辐射混 凝土等 混凝土的性能 混凝土一般由水、水泥、砂、石组成。在混 凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水 泥与水形成水泥浆，包裹在骨料的表面并填 充其空隙。在混凝土硬化前，水泥浆、外加 剂起润滑作用，赋予拌合物一定的流动性， 便于施工和成任何形状。水泥浆硬化后，将 砂、石骨料胶结成一个结实的整体。砂、石 一般不参与水泥与水的化学反应，其主要作 用是节约水泥、承担荷载和限制硬化水泥的 收缩。外加剂、掺和料除了起改善混凝土性 能作用外，还有节约水泥的作用。 混凝土的特点 ? ? 良好的塑性，可以浇筑任意形状； 取材丰富，价格低廉； 与钢筋有良好的黏结性，可以互补优劣。 组成混凝土的材料 ? 水泥 水泥强度等级一般为混凝土强度等级的 1.52.0倍为宜。用低强度的水泥拌合高强 度的混凝土，水泥你用量过大，不经济， 而且影响混凝土的其他技术性质。用高强 度等级水泥拌合低强度等级混凝土，使水 泥用量偏少，影响和易性和密实度，导致 混凝土耐久性差。 组成混凝土的材料 ? 细骨料（砂） 主要采用河砂，禁止采用未经处理的海砂。由于 海砂中含有氯离子成分，这个成分如果超标的话， 在经混凝土搅拌后用在工程建设中会对钢筋有严 重的腐蚀作用。 为此，在2004年8月份，国家建 设部就出台了一个关于严格建筑用海砂管理的 意见，意见中提到，海砂的开采、除盐处理、 混凝土拌制等过程都有严格的规定，而且建筑工 程中采用的海砂必须是经过专门的淡化处理 。 组成混凝土的材料 ? 粗骨料（碎石或碎卵石） 要注意颗粒级配，针、片状颗粒不宜过多，影响 和易性降低强度。 当骨料颗粒粒径增大时，其接触表面积减少，混 凝土的水泥用量也减少，所以在满足技术要求的 前提下，粗骨料的粒径尽量大。 粗骨料的最大直径不能超过结构截面尺寸的1/4， 不能大于钢筋间距的3/4。 组成混凝土的材料 ? 水 多数采用自来水，禁止采用未经处理的海 水。由于海水中氯离子含量高，会腐蚀钢 筋，禁止使用。但在无法获取水源的情况 下，海水可用于素混凝土。 组成混凝土的材料 ? ? 外加剂 外加剂是在混凝土拌合前或拌合时掺入， 掺量不超过水泥质量的5%，并能按要求改 善混凝土性能的物质。 如减水剂（改善和易性） 快强剂（硬化时间） ? ? 外加剂的功能 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 改善和易性 提高混凝土强度 节约水泥 加上混凝土早期强度发展 调节混凝土或者砂浆硬化速度 调节砂浆的含气量 降低水泥初期水化热 改善拌合物的泌水性 提高混凝土耐腐蚀性 减弱碱骨料的化学反应 改善混凝土毛细孔结构 改善混凝土泵送性 提高钢筋抗腐蚀性 提高骨料与砂浆粘结力，提高与钢筋握裹力 提高新老混凝土界面的粘结力 组成混凝土的材料 ? 掺合料 改善混凝土性能、节约水泥、调节混凝土 强度等级。 如粉煤灰是当前使用量最大、使用范围最 广的掺合料。 混凝土的技术性能 和易性-指混凝土拌合物易于施工操作（搅 拌、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均 匀、成型密实的性能。包括流动性、黏聚 性、保水性（在施工中不致产生严重泌水 现象的性能）等三方面含义。 用坍落度来测定。用水量是决定和易性的 最主要因素。 混凝土的技术性能 ? 混凝土的强度 用fcu（MPa或者N/mm2)表示混凝土立方体试件抗 压强度。150mm边长立方体养护28d龄期测得的 抗压强度。 用fcu，k表示混凝土立方体抗压强度标准值（或称 抗压标准强度）。试件在28d龄期，用标准方法 测得的抗压强度总体分布中不低于95%保证率的 抗压强度值。C30表示30MPafcu，k 35MPa 混凝土的技术性能 ? 混凝土的轴心抗压强度（ fc ） 在 fcu =1055MPa的范围内，fc =（0.70.8 ） fcu 结构设计中混凝土受压构件的计算采用轴 心抗压强度更符合工程实际。 混凝土的技术性能 ? 混凝土的轴心抗拉强度（ ft ） 轴心抗拉强度约为抗压强度的1/201/10, 且随着混凝土强度等级的提高，比例有所 降低。抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重 要指标 混凝土的技术性能 ? 影响混凝土强度的因素 有水泥强度、水灰比、骨料的种类和质量 数量、外加剂、掺合料、搅拌、振捣，养 护的温度湿度、龄期。 混凝土的技术性能 混 凝 土 的 变 形 性 能 干缩水分流失、毛细张力（路 面、桥面板） 非荷载变形 温度变形热胀冷缩（大体积砼 温差大、内外膨胀不均匀） 化学收缩水泥水化物化学反应 体积变化造成内部产生裂纹（砼 硬化前40d较明显，之后变化很小） 荷载变形徐变（在持续力作用下，砼随时 间产生的变形 徐变的影响： 不利： 徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几 十年来生产的构件预应力损失达3050%； 混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。 有利 徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小； 降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力 的结构中的应力峰值。 西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变 使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成 不到20年后坍塌 (1996年)。 混凝土的技术性能 ? ? ? ? 混凝土的耐久性 抗渗性 抗冻性 抗侵蚀性 混凝土的碳化-二氧化碳与水泥中的氢氧化钙作用生成碳酸 钙与水，使混凝土碱度降低，削弱混凝土对钢筋的保护作用， 导致钢筋锈蚀；碳化增加混凝土的收缩，使混凝土强度增大， 同时可能产生裂纹，反而倒是混凝土抗压、抗拉强度降低。 碱骨料反应-指水泥中的碱化物含量较高时，会与骨料发生 化学反应，在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后体积膨胀， 导致混凝土胀裂。 混凝土的养护 护的目的在于创造适当的温湿度条件，保证或加 速混凝土的正常硬化。不同的养护方法对混凝土 性能有不同影响。常用的养护方法有自然养护、 蒸汽养护、干湿热养护、蒸压养护、电热养护、 红外线养护和太阳能养护等。养护经历的时间称 养护周期。为了便于比较，规定测定混凝土性能 的试件必须在标准条件下进行养护。中国采用的 标准养护条件是：温度为202C；湿度不低于 95%。 混凝土的配合比 普通混凝土配合比是指单位体积混凝土中 水泥、砂、石所占的质量比例。 水灰比：水与水泥质量的比值 配合比影响（混凝土强度、和易性） 二、钢材 钢材以铁为主要元素，含碳量为0.02%2.6%，并含 有其他元素的合金材料。钢材按化学成分分为碳素 钢和合金钢两大类，碳素钢较便宜，用途较广，合 金钢是为了达到性能为目的而加入其他元素的钢。 1.碳素钢根据含碳量又分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。 2.合金钢在炼钢过程中加入一种或多种合金元素，如 硅（Si）、锰（Mn）、钛（Ti）等而得到的钢种。 含碳量增高、强度硬度增高、但塑性降低。 钢材包括型钢、钢板、钢筋、钢丝、钢绞线。 圆钢-直径较小一般10mm以下 螺纹钢-10mm以上 钢丝与钢绞线 钢结构用钢的类型 型钢-工字钢、H型钢、槽钢、T型钢、角钢。主 要在钢结构中使用。 钢板-普通钢板、花纹钢板、涂层钢板等。主要 用于屋面板、楼板、墙板。 钢管-矩形钢管、圆形钢管。用于柱、桥墩、拱 架等。 钢筋混凝土结构用钢 类型-热轧钢筋、预应力混凝土用热处理钢筋、 预应力混凝土用的钢丝和钢绞线。 ? 特点：伸长率大、强度高。 1、钢筋的标示 HPB235：（工程符号）H：热轧的意思，P ：光圆的意思，B：钢筋，235：表示屈服点 为235Mpa，HPB235的意思就是热轧一级圆 钢，一般为盘条状。是一种低碳钢，外形为光 面圆形，又称为光面钢筋，直径分布范围：6 、8、10、12mm。 钢筋的标示 HRB335:(工程符号)工程符号H表示热轧，R 表示带肋，B表示钢筋；数字为钢筋屈服强度， 单位MPA。直径范围10、12、14、16、18、 20、22、25、28mm意思是Hot -rolled Ribbed -steel Bar 为普通低合金钢，带肋型式 ? HRB400 ：三级钢筋：普通低合金钢，带肋形 式：月牙肋和等高肋，直径范围：16、18、 20、25、28mm。 2、光圆钢筋与带肋钢筋（螺纹钢筋） 热轧光滑钢筋强度较低，与混凝土粘结强度较 低，主要用作板的受力钢筋、箍筋以及构造钢 筋。 ? 热轧带肋钢筋与混凝土握裹力大，共同工作性 能较好，其中HRB335和HRB400级钢筋是钢 筋混凝土用的主要受力钢筋。HRB400又常称 为新级钢，是我国规范提倡使用的钢筋品种。 光圆钢筋与带肋钢筋的区别 1）外形不同、强度不同 ? 2）化学成份不同：圆钢（HPB235）属碳素 钢，钢种是Q235；螺纹钢属低合金钢。 ? 3）物理力学性能不同 由于钢筋的化学成份 和强度的不同。圆钢的冷弯性能较好，可以作 180度的弯钩，螺纹钢只能作90度的直钩；螺 纹钢在韧性、抗疲劳性能方面较圆钢好。 4）冷轧带肋钢筋与混凝土之间的粘结锚固性 能良好。用于构件中，从根本上杜绝了冷拔钢 丝的沾油滑丝问题，且提高了构件端部的承载 能力和抗裂能力；在挤压机成型空心板时，避 免了构件端部预应力冷拔钢丝的回缩现象。 3、钢材的力学性能 拉伸性能 冲击能力 疲劳性能 1）拉伸性能 反映建筑钢材拉伸性能的指标包括屈服强度、 抗拉强度和伸长率。 ? 抗拉强度-在拉断前承受最大的应力值。 ? 屈服强度-开始丧失对变形的抵抗能力，是材 料屈服的临界应力值。 ? 抗拉强度与屈服强度之比（强屈比）愈 大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大 ，安全性越高，但是太大造成材料浪费。 ? 伸长率-试件断裂时，试件伸长的长度与原来 长度的百分比。 2）冲击性能 冲击性能是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 ? 除了化学成分、冶炼、加工质量等影响，冲击 性能随温度的下降而减少；当降到一定温度时 ，冲击值急剧下降，从而使钢材出现脆性断裂 3）疲劳性能 受荷载的反复作用时，钢材突然发生脆性断裂 破坏的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏是在地 应力状态下突然发生的，所以危害性极大，往 往也造成灾难性的事故。 4、钢材的拉伸（教材P28） 拉伸是建筑钢材主要的受力形式，所以拉伸性 能是表示钢材性能和选用钢材的重要依据。 ? 弹性阶段-此阶段若卸去外力，试件能原状。 ? 屈服阶段-开始丧失对变形的抵抗能力，此阶 段产生明显的塑性变形。 ? 强化阶段-抵抗塑性变形的能力又重新提高。 是由于钢材内部组织中晶格发生畸变，阻止了 晶格进一步滑移，钢材得到了强化。 钢材的拉伸 颈缩阶段-试件受力达到最高点后，其抵抗变 形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐 下降，试件被拉长，在有杂质或者缺陷处，断 面急剧缩小，直至断裂。 钢材受拉应变图 5、钢材的工艺性能 工艺性能是指钢材在加工过程中表现的性能， 它直接影响钢材的加工质量。 ? 1）冷弯性能-指钢材在常温下承受弯曲变形 的能力。 ? 冷弯性能的判断：按规定弯曲90或者180度和 弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂纹 、裂痕或起层，即冷弯性能合格。 ? 对于重要结构和需要加工的钢材，其冷弯性能 必须合格。 2）焊接性能-焊接是钢材重要的连接方式。 ? 影响因素：焊接工艺、焊接材料、钢材的可焊 性能。 ? 钢材可焊性：其好坏取决于化学成分及含量。 低碳钢具有良好的可焊性。 3）冷加工强化和时效 ? 冷加工强化-经过冷拉后，产生塑性变形，屈 服强度、硬度提高，但塑性、韧性及弹性模量 降低。预应力钢筋就是利用这一性能 ? 时效-经冷拉后经过1520d，屈服强度、硬 度进一步提高，屈服能力也得到提高，但是塑 性和韧性进一步降低。 钢筋经冷拉时效后应力变化图 冷加工在建筑工程中的应用 拉长从而节约钢材 ? 经过冷拉后屈服强度可以提高15%20%，盘 条经过冷拔后可提高更多。 ? 起到开盘、矫直、除锈的作用。 ? 注意：承受冲击、振动荷载的钢材，不得采用 冷加工钢材。因焊接的热影响会降低钢材的性 能，因此冷加工钢材的焊接必须在冷加工前进 行，不得在冷加工后进行焊接。 钢的化学成分对钢材性能的影响 碳（C）-决定钢材性能最主要元素。随含碳 量增加，钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降 低。但是当含碳量大于1.0%时，由于钢材变 脆，抗拉强度反而下降。含碳量的提高，还会 使焊接性能、耐锈蚀性能下降，并增加了钢的 冷脆性和时效敏感性。 钢的化学成分对钢材性能的影响 硅（Si）、锰（Mn）-含量常在1%内，可提 高强度和硬度，几乎不影响塑性和韧性，但是 可焊性变差。 ? 硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）-由 炼钢时原料带入，是有害元素。 ? 铝、钛、钒等-有益元素，也是合金钢中常有 合金元素。可提高强度和改善韧性。 钢材的锈蚀 锈蚀造成钢材受力截面减少、降低钢材承载能 力、降低钢材疲劳强度，显著降低钢材的冲击 韧性，使钢材出现脆性断裂。在钢筋混凝土中 的钢筋锈蚀后，体积膨胀，使混凝土顺筋开裂 。 防止钢筋锈蚀的措施 保护层法 ? 在钢材表面镀膜作为保护 ? 加入稀有元素制成不锈钢，提高钢材的耐锈蚀 能力。 ? 对于钢筋混凝土中的钢筋，保证混凝土的密实 度，保证有足够保护层，防止开裂，从而防止 空气和水分进入产生锈蚀。 三、其他建筑材料 1、建筑砂浆 ? 建筑砂浆由胶凝材料、细集料和水按一定比例 搅拌而成。与混凝土的主要区别是组成材料中 没有粗集料。 ? 用途：砌筑、抹灰、镶贴石材、瓷砖等。 1）砌筑砂浆 ? 作用：将块状材料胶结成坚固的整体，提高砌 体强度、稳定性；使上层的荷载能均匀地传递 到下层；填充块状材料的缝隙，提高建筑物的 保温、隔声功能。 ? 注意：保水性要良好，因为保水性差的砂浆， 在施工中容易泌水、分层离析，使流动性变差 ，同时水分易被吸收，影响胶凝材料的硬化， 降低砂浆的黏结强度。 泌水性 砂浆的强度等级 M2.5、M5、M7.5、M10、M15、M20 ? 一般用M5M10，特别重要砌体采用M10以上 砌筑砂浆的黏结力和耐久性 一般来讲，砂浆的抗压强度越高，黏结力越强 ? 砌筑前，保持基层材料有一定的湿润度，并保 持砖石表面干净无尘。 ? 影响耐久性的有：砂浆的密实度、内部孔隙特 征等。 2、抹面砂浆 抹面砂浆也称抹灰砂浆，以薄层涂在建筑物内 外表面，既可保护墙体不受侵蚀，提高建筑物 耐久性；同时也使建筑物表面平整、光滑、美 观。抹面砂浆要求的不是抗压强度，是与基底 材料的黏结力和和易性。 ? 底层砂浆主要起基层黏结作用。 ? 中层砂浆（经常省去）主要起找平作用。 ? 面层砂浆起保护装饰作用。 3、其他砂浆 防水砂浆：又叫刚性防水层，适用于不受振动 和具有一定刚度的混凝土或砖石砌体钢材。 多层抹面