建筑材料教学讲义.doc

建筑材料civil engineering materials science天津大学建筑工程学院土木系tianjin university civil engineering institute department of civil engineering 李志国27406403（o）绪论(introduction) 1.建筑材料学的科学属性 知识 科学-社会科学 -自然科学 -基础科学：数、理、化、力学 -应用科学：-土木工程学 -水利工程学 知识：人们在实践 中获得的认识 和经验。科学：系统化公式化的知识体系。社会科学：以人及人类社会为研究对象的科学，包括政治经济、军事、法律、外交等相关领域 的科学。 自然科学：以自然界的客观事物为研究对象，研究其形成结构、性质及其运动变化规律的科学。 包括航天工程学、地球物理工 程学、土木工程学 （civil engineering） 水利工程学 等等。（irrigation works） 2.建筑材料学的学科属性 学科：一级学科材料科学与工程 二级学科无机非金属材料 三级学科建筑材料 3.课程属性 高校课程：基础课、 专业课、 专业技术基础课 4.建筑材料的主要内容 （1）建筑材料的基本性质 （2）石材 （3）烧成材料 （4）气硬性胶凝材料 （5）水泥 （6）混凝土和砂浆 （7）金属材料 （8）木材 （9）沥青及防水材料 （10）合成高分子材料 （11）建筑功能材料 （12）建筑装饰材料 5.建筑材料学的学习方法 （1）科学的方法 （2）实践的精神 （3）组成-结构-性能-应用的思路 （4）概念-机理-检测-影响因素-控制方法 （5）读书-听课-笔记-作业（实验 报告）-考试复习与思考题 1. 试将建筑材料进行分类。 2. 回顾您了解的建筑材料， 说出 其名称、性质、价格、 产地和用途。第1章 建筑材料基本性质1-1 材料的组成、结构和构造 1.材料的组成(composing) (1)化学组成：构成材料的化学元素 和化合物的种类和数量。 (2)矿物组成：构成材料的矿物的种 类和数量。 2.材料的结构(structure) (1)层次观：一种科学思维方法； 用尺寸分级的方法，观察材料的结构。 (2)材料的结构层次：宏观层次(macro-level)：- 10-2m 细观层次(meso-level)：10 -3-10 -6m 微观层次(micro-level)：10 -6 -10 -10m 原子-分子级层次(atomic-molecular- level)-10 -10-10 -12m 3.材料的构造 材料的构造：相同或不同材料间的搭配和组合。4.材料按照结构和构造分类（1）按构成的粒子特性分类 晶体：构成的质点按特定的规律 在空间上呈周期性规则排列所形 成的结构。 原子晶体-金刚石 离子晶体-cacl2 分子晶体-液晶 金属晶体-fe非晶体：构成的质点无特定的规律 在空间上呈周期性规则排列所形成的结构。非晶体又称为玻璃体。 胶体：粒径为10-7-10-9m的固体颗粒 作为分散相，分散在连续相介质中所形成的分散体系。 胶体结构又分为溶胶结构、溶凝胶 结构、凝胶结构。（2）按结构及材料性质分类1-2 材料的基本物理性质 1.材料的质量与体积（1）真实材料的体积 材料的真实体积v用砖红色表示 材料的开口体积vk用绿色表示 材料的闭口体积vb用兰色表示 材料的表观体积v0 =v+vk+vb v用砖红色表示 vk用蓝色表示 vb用绿色表示 v0 =v+vk+vb 材料间的空隙体积ve 材料的堆积体积 v0/ = v0+ve（2）材料的密度（density） 密度 r = m / v 表观密度 r0 = m / v0 近似密度 r a= m / va 堆积密度 r 0= m / v0（3）材料的孔隙率和空隙率 孔隙率 p =（v0-v）/v0 =1- r0/ r 空隙率 p =（v0-v0）/ v0 2.材料与水相关的性质 (1)亲水性与憎水性 亲水性-材料表面分子与水分子间的 引力水分子之间的引力 憎水性-材料表面分子与水分子间的 引力水分子之间的引力 亲水性材料 90憎水性材料 90(2)材料的吸水及吸湿性 材料的吸水性毛细孔的吸提作用 材料的吸湿性毛细孔的凝聚作用 +表面能的吸附作用 材料吸湿吸水后对其性能的影响: 水分增加强度降低、导热能力 增大，容易产生腐蚀、破坏，如 耐久性破坏、生物或微生物导致 的破坏。毛细孔的吸提作用capillary 表面能 surface energy 的吸附作用 吸水率 wm=（m！-m）/m 100% -重量吸水率 wv=（m1-m）/v -体积吸水率 花岗岩 wm： 0.5%0.7%；混凝土 wm： 2%3%； 烧结粘土砖wm： 8%20% 3.材料的耐水性（1）破坏作用=溶解作用+劈裂作用（2）技术指标软化系数 k=饱水条件下的抗压强度/干燥条件下的抗压强度 4.材料的抗渗性（1）定义：材料抵抗压力水渗透作用的能力，称为材料的抗渗性。（2）抗渗指标： 抗渗系数 k = qd/ath 抗渗等级 s6、s8、s10、s12（3）影响因素： 孔的数量： 孔隙率：孔隙率大，抗渗能力差； 孔的结构 毛细孔、泌水孔降低材料的抗渗性1-3材料的力学性质1.强度 （strength） 材料抵抗外力的破坏作用的能力。 （1）理论强度 f=（e/d）1/2（2）实际强度： f = p / a 材料不同，强度不同； 受力方向不同，材料强度不同; 力 压、 拉、 剪、 弯, 强度 抗压、抗拉、抗剪、抗弯 材料强度与孔隙率、含水率、试件尺寸、加荷速度等因素有关 (3)计算公式 抗压强度(compressive strength)f=p/a 抗拉强度(tensile strength) f=p/a抗剪强度(shear strength) 计算公式 f = p / 2a抗弯强度(flexural strength) f = 3pl / 2bh2 f = pl / bh2 2.变形(strain)（1）弹性变形：线性、可恢复、瞬时；（2）塑性变形：不可恢复，塑性强度；（3）粘性流动：塑性强度，不可恢复；考虑时间因素后的变形关系 -变形的过程特征： 材料可发生弹性变形、塑性变形和粘性流动3. 破坏（damage）（1）脆性：材料达受力极限时，不产生明显的变形，而呈突然破坏。（2）延性：材料达受力极限时，不产生明显的断裂，而持续变形。（3）韧性：材料能接受动荷载或冲击 作用的能量，可产生允许的变形和裂缝，但不发生破坏的性质。1-4 材料的耐久性 （durability） 1.耐久性：材料潜在的抵抗其自身或 环境因素长期破坏作用的能力。 耐久性-综合性质，交互作用。 2.使用寿命(service life)： 材料维持可用性时间。 可用性-物理可用性 美学可用性 结构可用性3.材料的耐久性 结构安全度 结构可靠性 建筑物使用寿命使用寿命延长 节约材料：减少能耗； 节约投资：提高利用率； 节省资源：生态保护； 可持续发展。 作业 第一章1、2、5； 思考题 第一章3、4。参考书王福川 建筑材料 中国建材出版社 北京 2001.3王立久 建筑材料学 中国水利水电出版社 北京 1997.2王世芳 建筑材料 中央电视大学出版社 北京 1993.6覃维祖 结构工程材料 清华大学出版社 北京 1999.7 第2章 建筑钢材 2-1.概述 2- 2.钢材的性质 2- 3.钢材的选用 2- 4.建筑钢材的防锈 2- 5.建筑钢材的防火 2- 6.其他钢材制品2-1.概述（1）我国钢铁工业的发展概况（2）世界著名钢铁建筑（3）合金，单质金属，合金的特性，举例（4）钢材的分类：按化学成分分类：碳素钢-低碳钢0.25%，中碳钢0.25-0.6%，高碳钢0.6%合金钢-低合金钢5%，中合金钢5%-10%，高合金钢10%按冶炼方法分类：平炉、转炉、电炉按脱氧程度分类：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特镇静钢按产品形态分类：棒材，管材、型材、线材、板材、案例 1.綦江彩虹桥垮塌案 焊接质量事故 2.宜宾某会议室 焊接材料事故 3.泰坦尼克号沉船事故 焊接材料事故 4.美国某大桥 设计计算事故 5.美国世界贸易中心 钢结构耐火安全事故2.钢材的性质（1）拉力试验对硬钢屈服点： s= ps / a屈服点结构设计计算取值屈强比= s/b 用来表示安全性与利用率抗拉强度： b = pb / a伸长率： =（l1-l0）/l0伸长率的确定对同一种钢材： 5 10（2）冷弯性能可反映钢材塑性是对焊接质量的更严格的检验指标。评价指标： 弯心直径 弯心角 试件厚度（3）冲击韧性 抵抗冲击破坏作用的能力。可用冲击韧度表示ak = m（h1-h2）/a（4）焊接焊接的热影响区热影响区内，由于热冲击而产生温度裂缝。表示钢材焊接性能的指标为可焊性：镇静钢 半镇静钢 沸腾钢（5）耐火性温度 材料剩余强度% 100 100 97 90 93 200 99 92 84 88 300 81 92 77 82 400 67 69 64 66 500 59 44 43 44 600 20 - - - -q235， -q235冷拉，-16mn，25mnsi（6）锈蚀 fe+o2feo feo+ o2 fe2o3 fe2o3+h2o fe（oh）3 fe（oh）3 +h2o fe（oh）33 h2o 钢筋锈蚀的破坏性 混凝土开裂， 钢筋截面积减小， 焊缝、焊点开裂， 锈色、锈迹影响装饰性。2- 3.钢材的用途和选用1.用途：a结构的主要承载构件和材料 b抗疲劳耐冲击防水耐磨抗冲刷材料 c结构造型装饰材料 d工业基体、构架材料2.选用：根据强度等级选用 根据环境条件选用 根据工程特性选用 根据加工施工工艺选用3.钢号q235-af；25mnsi4.钢材 碳素结构钢 低合金高强结构钢 优质碳素钢 冷拔钢丝 高强预应力钢铰线5.冷拉及时效（1）冷加工：常温下对钢材进行的冷拉、 冷拔、冷压、冷轧、冷弯扭等加工工艺。（2）冷加工强化 ： 经冷加工后的钢材，其抗拉强度提高、屈服点提高、塑性降低、脆性增大的现象。（3）冷加工时效强化 经冷加工的钢材，再经时效处理，其屈服点进一步增高、抗拉强度增大不 大、塑性恢复、脆性进一步增大。（4）冷加工及时效处理的机理过程a材直接拉伸，应力应变曲线为obcd。b若将钢材冷拉过屈服点，达到k后卸荷， 则钢材沿ko1恢复。c若立即再次加荷，则沿曲线o1kcd变化。 表明经冷加工后，屈服点升高。d经时效处理后，则钢材应力应变曲线沿 o1k1c1d1变化。 表明经冷加工及时效强化处理，屈服点 和抗拉强度增高、塑性韧性下降。时效 自然时效：自然条件下纺织15-20天。 人工时效：在100-200放置几小时。 2- 4.建筑钢材的防锈 1.防锈机理：锈蚀条件 电极电流； o2； h2o； cl- 碱性环境2.锈蚀保护 a物理方法： 采用保护层，防锈涂料、电镀、涂塑； b电化学方法： 反向电压、反向电渗； c结构方法： 混凝土、建筑砂浆； d合金化： 采用合金钢、不锈钢。2- 5.建筑钢材的防火 1.建筑材料燃烧性能的分级 a 不燃性建筑材料 gb5464 b1 难燃性建筑材料 gb8625 b2 可燃性建筑材料 gb8625 b3 易燃性建筑材料 不做检验 2.材料燃烧的危害 高热、浓烟、毒气3.耐火极限 材料及构件在按温度-时间标准曲线进行耐火试验时，从 受到火的作用时起， 到 失去支撑能力 完整性破坏 失去隔火作用 以小时（h）表示，称为耐火极限。4.钢结构的防火保护 钢结构的耐火极限仅为0.25h 不防护的钢结构：20min后倒塌1973年天津体育馆19min倒塌 防护方法 a.防火涂料 b.防火包复层 c.水冷却技术5.各种材料的耐火极限 120mm240mm370mm普通粘土砖 2.5h 5.5h 10.5h混凝土 2.5h 5.5h 10.5h钢筋混凝土 2.5h 5.5h 10.5h无保护钢梁 0.25h防火涂料保护的钢柱薄涂型5.5mm1.0h；7.0mm1.5h厚涂型20mm1.5h；70mm3h2- 6.其他钢材及金属制品 1.钢结构空间网架 2.铁艺 8.塑钢门窗 3.压型钢板 9.铝塑管、板 4.金属格栅 10 .青铜雕塑 5.金属网板 11.黄铜雕塑 6.铸钢管 12.镀金、贴金 7.轻钢龙骨 13.描金 钢结构建筑及钢结构应用案例第3章 无机胶凝材料3-1气硬性胶凝材料 cementitious materials hardened in air水泥的生产工艺：两磨一烧硅质材料钙质材料铁粉磨细生料烧成熟料磨细水泥水泥厂cement works（2）水泥熟料矿物（kiln） 硅酸三钙c3s 硅酸二钙c2s 铝酸三钙c3a 铁铝酸四钙c4af（3）水化(hydration)：与水反应的化学 过程 2c3s+6hc3s2h3+3ch 2c2s+4h c3s2h3+ch c3a+h c3ah6 （稳定产物） c4ah13（不稳定产物）c4af+7h c3ah6 +cfh 加入石膏时 c3a+caso4+h 3 c3a3caso4 32h 水泥完全水化时，水化产物为：c-s-h70%; ch20%; c-a-h7%.其他产物共占约3%.硅酸盐水泥的凝结、硬化(见图)（1）凝结（setting):水泥浆体失去流动性的物理过程。（2）硬化（harden）:水泥浆体产生强度的力学过程。.硅酸盐水泥的技术性质（gb175-1999）（1）细度 ：0.08mm筛的筛余8%（2）凝结时间:初凝45,终凝390(min)（3）体积安定性 水泥浆体在凝结硬化过程中,体积变化的均匀性。 体积安定性不良的原因 游离氧化钙过多； 游离氧化镁过多 加入的石膏过多 体积安定性不良的水泥作废品处理。（4）强度 成型条件：w/c=0.5；s/c=2.5 标准方法搅拌、成型、脱模 养护条件：024h201 228d水中201 按3、7、28d强度试验值，确定强度等级为42.5、52.5、62.5及42.5r、52.5r、62.5r（5）水化热 熟料+水=水化产物+q 弊：导致温度变形或温度裂缝， 对大体积混凝土施工不利。 利：对冬季施工防止混凝土冻害。大体积混凝土 mass concrete4.水泥及混凝土的腐蚀 淡水腐蚀 硫酸盐腐蚀 镁盐腐蚀 一般酸腐蚀 强碱及其他生物腐蚀 5. 水泥的应用与存放（1）硅酸盐水泥混凝土遇火灾时： 100250时，强度提高； 250300时，收缩、强度80% 400600时，强度下降至60%。 600900时，强度下降至30% 9001000c-s-h脱水， 强度30% （2）水泥在空气中存放 吸水、吸湿潮解失去水化活性 3个月后强度降低10%20% 6个月后强度降低15%30% 12个月后强度降低25%40% 3-2-2 掺混合材料的水泥1.混合材料：掺入水泥中能调整等级、 增加产量、改善性能、降低成本的物质。活性与非活性混合材与水泥反应与否（1）火山灰物质（pozzolana）（2）粉煤灰(pulverized fuel ash)（3）矿渣(slag)（4）硅灰(condensed silica fume) 硅酸盐水泥=熟料+石膏水泥p（1）普通硅-水泥-+10%混合材po-15%活性混合材po（2）矿渣硅-水泥-+2070%slps（3）粉煤灰-水泥-+2050%pfapf（4）火山灰-水泥-+2040%pppp 3-2-3其他品种的水泥（1）高铝水泥 熟料：ca、ca2、c12a7 水化： t30 ca+hcah8，c2ah10 t30 ca+hc3ah6 强度大幅降低，故耐湿热性不好。特性：a水化热：1d放热达7080%，故不 适于大体积混凝土（mass concrete） 工程。 b耐湿热性差，不能用蒸气养护，不宜 在夏季施工。耐火性较好。 c高铝水泥的最低稳定强度： 混凝土试件，在502水中养护， 在7d，14d做抗压强度试验，取强度 低者作为高铝水泥混凝土设计强度。（2）膨胀水泥 膨胀机理：膨胀组分；强度组分。 c3a、caso42h2o c3s、c3a 两种组分协调发展， 既有强度又有膨胀。 膨胀水泥有三种： 硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥 加入膨胀剂的水泥 第4章 混凝土4-1混凝土原材料 1.水泥：选择品种和强度等级。 2.集料（aggregate） 粗集料：种类、最大粒径、含水率。 细集料：级配、含泥量、含盐量。 3.拌和水：可饮用的水。 4.外加剂：种类和掺量，作用和危害。 2.1集料的级配：颗粒大小的搭配 情况。 级配良好的集料，配制的混凝土， 水泥用量少，混凝土工作性好， 强度高，耐久性好。 2.2集料的 含水状态 a）完全干燥状态； b）气干状态； c）饱和面干状态 d）表面润湿状态 a） b） c） d）4.1外加剂：凡在混凝土拌制过程中加入的，能显著改善混凝土性能的物质。分类：减水剂引气剂早强剂缓凝剂阻锈剂养护剂防冻剂 4.2减水剂-减少砼拌和物用水量的外 加剂。 4.2.1减水率wr(w0-w1)/w0100%w0 原混凝土用水量；w1坍落度相同时掺减水剂混凝土的用水量 4.2.2常用的减水剂及掺量：木钙类0.25% 萘系0.52.0%三聚氰胺2.04.0%4.2.3混凝土减水剂作用机理 吸附作用 分散作用 减水作用 引气作用4.2.4减水剂的作用效果减水作用wr 10%；普通型 wr 1020% 高效 wr =2030%高效 早强作用早强混凝土，增强作用高强混凝土(hsc)， 增流作用泵送混凝土，节约水泥节约15%的水泥。 4.3引气剂：在混凝土拌和时加入的， 靠降低表面张力而使混凝土中混 入大量微小球型气泡的化学物质。 4.3.1气泡在水溶液中的聚集和逸出： 搅拌时混入气泡 气泡凝聚逸出 有引气剂的气泡 4.3.2引气剂分类 松香热聚物120/000 皂角素0.52%烷基系列2% 4.3.3掺引气剂混凝土的抗冻作用机理水结冰，体积增大，毛细孔吸水速率高，饱和程度大；微小球型气泡很难吸水饱和。缓解毛细孔水结冰的静水压力。4.3.4掺引气剂的混凝土抗冻机理4.4防冻剂4.4.1防冻剂的合理组分减水组分unf-5,fdn,sn-,m,h;早强组分nacl,cacl2 ,k2so4 , na2so4 引气组分：松香热聚物防冻组分nacl,cacl2 , , nh2 (co) 2阻锈组分nano2 。注意：防冻剂的应用问题 4.4.2防冻剂应用时应注意的问题：a.养护问题：虽然应用了防冻剂， 但还应进行一定的保温养护。b.腐蚀问题： nacl,cacl2 等具有 加剧钢筋锈蚀的可能。 【案例：t-40】 c.氨气污染问题：防冻剂中的尿素， 在强碱或生物碱的作用下，会生成 氨气，污染建筑物室内环境。 【案例：万科花园氨气污染】4-2混凝土技术性质 1.工作性（workability） 定义：新拌混凝土适合于搅拌、运 输、浇筑、振捣及密实成型的性质。 混凝土工作性=流动性+粘聚性 +保水性+可泵性 试验评价： 混凝土坍落度(slump)混凝土坍落度试验slump test影响因素 a)用水量 b)水泥用量 c)砂率 sp = s/（s+g）100% d)水泥品种和集料性质 e) 外加剂 f）温度、湿度和时间 控制措施：请同学自己归纳总结 混凝土工作性在施工中的问题 分类 塑性混凝土plastic concrete slump=10-90mm 流动性混凝土pasty concrete slump=100-150mm 大流动性混凝土flowing concrete slump160mm 泵送混凝土pumped concrete slump100mm 2.混凝土强度（strength）破坏过程强度等级影响强度的因素改善控制措施工程中注意的问题 破坏过程 r = f 30%初始裂纹引发阶段 r = f= 7090%稳定裂纹引发阶段 r = f 90%非稳定裂纹扩展阶段 强度等级 gb规定试件尺寸150150150mm; 标准养护：201,rh 90%,28d; 抗压强度标准值抗压强度95%强 度保证率。 混凝土强度等级 c7.5,c10,c15,c20,c25,c30, c35,c40,c45,c50,c55,c60.材料的尺寸效应 1.规律：尺寸大，强度低；尺寸小， 强度高。 2.机理：a.环箍效应：受压力时，试 件与压力机上下压板间有磨擦力作用。 使得试件环箍作用而产生局部三向受 压。当试件尺寸减小时，环箍作用增 大，故大尺寸试件强度降低。反之亦 然。 环 箍 效 应 示 意 图 b.缺陷效应： 材料内部有存在缺陷的可能。 裂纹尺寸由大到小依次为a1、a2、a3、 a4当应力升至f1时，尺寸为a1 的裂 纹失稳扩展。断裂模式可依此类推。 若试件尺寸减小，则大 裂纹出现的 可能性减小； 若试件尺寸减小，高强度的统计平 均值增加 缺陷几率示意图影响强度的因素 (1)水灰比和水泥强度 f = a fce (c / w b) 碎石 a = 0.46, b = 0.07 卵石 a = 0.48, b = 0.33 (2)养护的温度和湿度水化 (3)龄期 fn = f 28 n28 (4)施工因素：空洞、孔隙； (5)早期破坏:干燥开裂、冻害改善、提高和控制混凝土强度的措施 a.用高强度等级的水泥，b.采用相对较低的水灰比，c.采用高效减水剂，d.掺加优质掺和料， e.选择混凝土集料，f.加强养护，g.加强施工质量管理。工