土木工程材料

土木工程材料,建筑材料是一切建筑工程的物质基础。建筑材料工业推动着建筑业的发展，是国民经济的重要基础工业之一。建筑材料是房屋建筑工程专业的一门专业基础课。本课程主要讲解建筑材料的品种、组成、性能与应用及技术标准、检验方法等知识。理论联系实际，重点突出水泥、普通混凝土及材料基本性质的基础上，广泛地介绍目前国内已有的各种建筑材料及发展中的新材料、新技术，合理选择建筑材料。尽量引用了最新技术标准和规范。,前言,1.绪论 2.建筑材料的基本性质 3.气硬性胶凝材料 4.水泥 5.混凝土 6.建筑砂浆 7.砌筑材料 8.沥青及沥青混合物 9.金属材料 10.木材及其制品 11.建筑功能材料 12.土木工程材料试验,绪论,一.建筑材料的分类 用于土建工程的材料总称为建筑材料或土木工程材料。 1.按化学成分分类： 1.1 无机材料：金属材料： 黑色金属材料钢、铁 有色金属材料铝、铜、 合金 非金属材料：天然石材大理石、花岗石 陶瓷和玻璃砖、瓦、卫生陶瓷、 玻璃,无机胶凝材料石灰、石膏、水玻璃 砂浆、混凝土水泥、砂浆、混凝土 1.2 有机材料： 木材、沥青、塑料、涂料、油漆 1.3 复合材料：金属与非金属复合 钢筋混凝土、钢纤维混凝土 有机与无机复合 玻璃钢、沥青混凝土、聚合物混凝土,2. 按用途分类 结构材料：砖、石材、砌块、钢材、混凝土 防水材料：沥青、塑料、橡胶、金属、 聚乙烯胶泥 饰面材料：墙面砖、石材、彩钢板、 彩色混凝土 吸音材料：多孔石膏板、塑料吸音板、 膨胀珍珠岩 绝热材料: 塑料、橡胶、泡沫混凝土 卫生工程材料：金属管道、塑料、陶瓷,二.建筑材料的发展： 随生产力发展而发展 原始时代天然材料：木材、岩石、竹、粘土 石器、铁器时代 金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉宫 ：石材、石灰砂浆 罗马圆形剧场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆,18世纪中叶钢材、水泥 (J.Aspdin,1824） 19世纪钢筋混凝土（1890-1892）； 中国，1898 20世纪预应力混凝土、高分子材料 21世纪轻质、高强、节能、高性能绿色建材,胡夫金字塔，高146.59m, 底部232m建方，用 230多万块、每块重2.5T的岩石砌成，,万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆,布达拉宫 ：石材、石灰砂浆,罗 马斗兽场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆,三. 建筑材料在国民经济中的地位和作用 1.建筑材料是发展建筑业的物质基础 材料费用一般占建筑工程总造价的50-70%； “十五”期间我国全社会固定资产投资总规模为2224万亿元。固定资产投资的6070将用于建筑设施建设或工程安装，从而转化为建筑业的产值，而建筑业产值中的3040又要转化为对建材业的需求，尤其是对水泥产品的需求。2002年，我国共生产水泥约70000万吨，比2001年大幅增长了12. 7%，占世界产量的三分之一左右，超过亚洲产量的50%强。我国水泥行业，为我国 经济持续、快速发展做出了重要贡献。,2002年水泥产量的大幅度增长与我国持续快速稳定增长的宏观经济形势密切 相关。今年我国经济增长速度将达到 8，GDP将突破10万亿元大关。建筑材料工业在国民经济建设中意义重大 2.必须恰当选择和合理使用原材料 材料质量的优劣，配制是否合理，选用是否恰当直接影响建筑工程质量 3.发展绿色建材,四.建筑材料课程的作用、任务和学习方法 1.作用 1.1 为后续课程的学习提供必要的知识 1.2 为今后从事专业技术工作时，合理选择和使用建筑材料打下基础 2.任务 2.1 了解材料在建筑物上所起的作用和要求 2.2 了解常用材料的生产、成分和构造 2.3 掌握常用材料的技术性质， 以及影响材料性质的主要因素及其相互关系 2.4 掌握常用材料的标准，熟悉其分类、分等和规格,2.5 熟悉常用材料的测试仪器，掌握测试方法和技术。 2.6 掌握常用材料的选用原则和方法。 2.7 掌握工地配置材料的配置原理及方法，了解这些材 料的施工注意事项 3.学习方法 3.1 重点掌握材料的基本理论、基本知识、基本技能 常用材料水泥、砼、石灰、石膏、砂石、玻璃、钢材、木材、沥青、高分子材料 主要的水泥、（混凝土）砼、钢材、砂石,每种材料：原料生产工艺组成成分构造性质应用检验储存以及它们之间的相互关系 重点：性质和应用， 质检的基本原理（引起材性变化的内因和外因） 3.2 学习材料的技术标准:国家标准、行业标准、企业标准 GB-国家标准 GBJ-建筑工程国家标准 JGJ-建设部行业标准 JC-国家建材局行业标准 YB-冶金部行业标准 JTJ-交通部行业标准 SD-水电行业标准 ZB-国家级专业标准,例：国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-1999 标准名称部门代号编号批准年份 ASA- American Standard Association 美国标准 ASTM American Society for Testing Materials BS- British Standard 英国标准 DIN Deutsch Industrie Normen 德国标准 ISO-International Standard Organization 国际标准协会,3.2 重视学好试验 学习常用建筑材料的检验方法合格性判断和验收 对实验数据、试验结果进行分析判别 培养从事科学研究的能力,2019/9/26,22,第1章材料的基本性质,一、材料与质量有关的性质,材料的体积构成 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。,材 料 内 部 体 积 构 成,闭口孔隙（体积为Vb ）,开口孔隙 (体积为Vk),材料内部固体物质体积（V）,材料单位总体积V0 = V + VP （VP为材料孔隙总体积）（VP = Vb + Vk）,干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物 质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以 表 示。 一般将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得 到其体积。 实际工程中所使用的钢材、玻璃等材料一般情况下认为 是绝对密实状态。,绝对密实体积,一、材料与质量有关的性质,材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观 体积（含内部孔隙）。一般以V0 表示。 形状规则的材料可根据其尺寸计算其自然体 积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然 后用排开液体的方法得到其自然体积。,材料的自然体积,一、材料与质量有关的性质,材料的堆积体积 定义：粉状或粒状材 料，在堆积状态下的 总体外观体积。 特征：松散堆积状态 下的体积较大，密实 堆积状态下的体积较 小。一般以 V1 表示。,一、材料与质量有关的性质,几种密度的比较,一、材料与质量有关的性质,二、材料的孔隙率和空隙率,孔隙对材料性能的影响,材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料 总体积的百分率。 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充 的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与 计算砂率的依据。,二、材料的孔隙率和空隙率,孔隙率与空隙率的区别,1、材料的亲水性与憎水性 与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性； 材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。,（）亲水性材料 （）憎水性材料,三、材料与水有关的性质,材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材 料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子 作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性 材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之 间的内聚力。,三、材料与水有关的性质,2、材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率来表示。 （1） 质量吸水率 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占 材料在干燥状态下的质量百分比，并以Wm表示。,三、材料与水有关的性质,（2） 体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占 材料自然体积的百分率，并以WV表示。,三、材料与水有关的性质,（3）影响材料吸水性的因素 材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔隙特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。,3、材料的吸湿性 材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的 性质。用含水率h表示,三、材料与水有关的性质,当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和 干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不 变，其含水率称为平衡含水率。,吸水率与含水率的区别,三、材料与水有关的性质,4、 材料的耐水性 材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏， 强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数 KR表示： 式中： KR 材料的软化系数； fb 材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）； fg 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,三、材料与水有关的性质,软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。 一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。,三、材料与水有关的性质,软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75 。,三、材料与水有关的性质,5、抗冻性 （1）抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。 （2）材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力 增大，会使材料遭到局部破坏。 随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。,三、材料与水有关的性质,（3）抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。 （4）材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,三、材料与水有关的性质,影响抗冻性的因素 1、密实度（孔隙率） 密实度越高则其抗冻性越好。 2、孔隙特征 开口孔隙越多则其抗冻性越差。 3、材料的强度 强度越高则其抗冻性越好。 4、材料的耐水性 耐水性越好则其抗冻性也越好。 5、材料的吸水量大小 吸水量越大则其抗冻性越差。,三、材料与水有关的性质,6、材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗 透系数或抗渗等级表示。 （1）渗透系数K : 式中：K渗透系数（cm / h）; Q渗水量（cm3 ）; A渗水面积(cm2)； H材料两侧的水压差（cm） d试件厚度 （cm）；t渗水时间 （h）。 材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,三、材料与水有关的性质,（2） 抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材 料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母 P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等 级。如P4、P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增 高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而 不渗透。,三、材料与水有关的性质,（3）影响材料抗渗性的因素 材料亲水性和憎水性 通常憎水性材料其抗渗性优 于亲水性材料； 材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高； 材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较 差。,三、材料与水有关的性质,1、导热性 当材料两面存在温度差时，热量通过建筑材料传递的 性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数 表示： 式中：导热系数，W/（mK）；Q传导的热量，J； a材料厚度，m； Z热传导时间，h； （t2t1）材料两面温度差，K； A材料传热面积，m,导热系数的物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面 温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1 m2 ）的热量。 导热系数越小表明材料越不易导热，通常将导热系数 0.23的材料称为绝热材料。,四、材料的热工性质,四、材料的热工性质,石膏板因其具有良好的保温隔热、吸音阻燃等功能在建筑中广泛使用,2、热容量和比热 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称 为材料的热容量。用热容量系数或比热表示。比热的 计算式如下所示： 式中：C材料的比热，J/（g K）； Q材料吸收或放出的热量( J )； m材料质量，g； （t2t1）材料受热或冷却前后的温差，K。,四、材料的热工性质,3、热阻和传热系数 热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通 过的能力，热阻的定义及计算式为： 式中： R材料层热阻，（m2 K）/W； d材料层厚度，m； 材料的导热系数，W/（m K）。,四、材料的热工性质,热阻的倒数称为材料层（墙体或其它围结构） 的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1 时，在单位时间内通过单位面积的热量。,四、材料的热工性质,4、材料的温度变形性 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积 变化。用线膨胀系数表示。 L =（t2 t1） L 式中：L线膨胀或线收缩量 ，mm 或 cm； （t2t1）材料前后的温度差，K； 材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K L材料原来的长度，mm或m。,四、材料的热工性质,材料的线膨胀系数与材料的组成和结 构有关，常选择合适的材料来满足工程对 温度变形的要求。如钢筋和混凝土的结合。,四、材料的热工性质,1、材料的强度 材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的 能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有 抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。,五、材料的力学性质,（1）弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。,2.弹性和塑性,弹性材料的-曲线图,1,2,3,1,1,2,3,五、材料的力学性质,（2）塑性 材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形(或永久变形)。,b a 变形,荷载,0,A,ab弹性变形,ob塑性变形,五、材料的力学性质,大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。 脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。,3.脆性和韧性,材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。,荷载,A,变形,五、材料的力学性质,（1）硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻 划、压入其表面的能力。通常用刻划法， 回弹法和压入法测定材料的硬度。,4.硬度和耐磨性,五、材料的力学性质,刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方 解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石 的顺序，分为10个硬度等级。 回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土 的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属 等的表面硬度并间接推算其强度。,五、材料的力学性质,（2）耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性 用磨耗率表示，计算公式如下： 式中：G 材料的磨耗率， （g/cm2）； m1 材料磨损前的质量，（g）； m2 材料磨损后的质量，（g）； A材料试件的受磨面积 ，（cm2）。,五、材料的力学性质,材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。 材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。,物理作用 有干湿变化、温度变化及冻融变化等。 化学作用 包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。 机械作用 包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。 生物作用 包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,六、材料的耐久性与环境协调性,环境协调性 对资源和能源消耗少，对环境污染小，循环再生利用率高。 目前，提倡“绿色建材”,六、材料的耐久性与环境协调性,1、材料的组成对性质的影响 化学组成化学元素及化合物的种类与数量。 矿物组成天然的，人工烧制的。 相组织均匀的物质。,七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,2、材料的结构对性质的影响 （1）宏观结构 （2）亚微观结构 包括纳米微观结构 （3）微观结构 晶 体 按一定的规则在空间呈有规律的排列。 非晶体 不定形。 原因：熔融物质急冷，来不及成晶而成。 如玻璃体(粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰)， 化学潜能大，一定条件下发生化学反应。,七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,3、材料的构造对性能的影响 具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。 与结构的区别： 构造更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。 如材料的孔隙、层理、纹理、疵病等。,七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,2019/9/26,73,第2章 气硬性胶凝材料,2019/9/26,74,掌握：胶凝材料的定义、分类；建筑石灰、 石膏技术要求、性质,熟悉：石灰的、石膏的的熟化、硬化和应用,了解：石灰的生产、石灰的品种,本章教学目标,2019/9/26,75,胶凝材料：指经过自身的物理化学作用后，能够由浆体变成固体，并在变化过程中把一些散粒材料或块状材料胶结成具有一定强度的整体的材料。,定义与分类,2019/9/26,76,胶 凝 材 料,无机胶凝材料,有机胶凝材料：沥青、树脂、橡胶等,气硬性胶凝材料,水硬性胶凝材料：各种水泥,石灰 石膏 水玻璃,2019/9/26,77,气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结硬化， 保持并发展其强度的胶凝材料。,水硬性胶凝材料：既能在空气中硬化，又能 更好地在水中硬化，保持 并继续发展其强度的胶凝材料。,2019/9/26,78,气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别,水硬性胶凝材料不仅可以在 凝结硬化，还可以 得到更好的凝结硬化。,气硬性胶凝材料 在 凝结硬化。,只能,空气中,空气中,在水中,1、石灰-石膏时期,2019/9/26,79,2、石灰-火山灰时期,3、水泥时期,2019/9/26,80,2.1 石 膏,2019/9/26,81,石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。 2.1.1 石膏的原料、生产及品种 1.石膏的原料 根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为： （1）无水石膏（CaSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。,2019/9/26,82,（2）天然石膏（CaSO42H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分天然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。 （）建筑石膏 （CaSO41/2 H2O） 也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根据其内部结构不同可分为型半水石膏和型半水石膏。 （4）化工石膏：指含有CaSO42H2O成分的化学工业副产品。,2019/9/26,83,天然二水石膏,2019/9/26,84,脱硫石膏,2019/9/26,85,1）.建筑石膏,2）.高强石膏,2.石膏的生产与品种,型半水石膏,型半水石膏,2019/9/26,86,型半水石膏与型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。,3）.可溶性硬石膏 当加热温度升高到170200时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏（CaSO4）。此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。当加热温度升高到200250时，石膏中残留的水很少，凝结硬化非常缓慢，但遇水后还能逐渐生成半水石膏直至二水石膏。,2019/9/26,87,4）.死烧石膏 当加热温度高于400时，石膏完全失水，成为不溶性硬石膏（CaSO4）。此无水石膏就失去了凝结硬化性能。但当加入激发剂混合磨细后，又可恢复水化硬化能力，成为无水石膏水泥。它可制作石膏灰浆、石膏板和其它石膏制品。 5）.高温煅烧石膏 温度高于800时，部分硬石膏分解出中CaO，磨细后的产品即为高温煅烧石膏。,2019/9/26,88,1.石膏的水化,2.1.2 石膏的水化与硬化 建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。,此反应实际上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反应，因为二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反应总体表现为向右进行，二水石膏以胶体微粒自水中析出。,2019/9/26,89,2.石膏的凝结硬化,干燥硬化和结晶硬化两个过程交错进行，随着二水石膏沉淀的不断增加，就会产生结晶，结晶体的不断生成和长大，晶体颗粒之间便产生了摩擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间摩擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。 石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也会不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化后的石膏结构，这一过程称为石膏的硬化。石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的。,2019/9/26,90,（）凝结硬化速度快 建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，这对于普通工程施工操作十分方便。有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐、酒精废液等。,2.1.3 石膏的性质 1. 石膏的特性,2019/9/26,91,（）凝结硬化时体积微膨胀 建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（0.2%1.5%），这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。,2019/9/26,92,（3）硬化后孔隙率大，表观密度和强度较低 建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，通常加入的水要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化过程中由于水分的蒸发，使原来的充水部分空间形成孔隙，造成石膏内部形成大量微孔，使其重量减轻，但是抗压强度也因此下降。通常石膏硬化后的表观密度约为800kg/31000 kg/3，抗压强度约为Pa5Pa。,2019/9/26,93,（）良好的隔热、吸音和“呼吸”功能 石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，特别是表面微孔对声音传导或反射的能力也显著下降，使其具有较强的吸声能力。大热容量和大的孔隙率及开口孔结构， 使石膏具有呼吸水蒸气的功能。,2019/9/26,94,（）防火性好，但耐水性差 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有良好的防火效果。 由于硬化石膏的强度来自于晶体粒子间的粘结力，遇水后粒子间连接点的粘结力可能被削弱。部分二水石膏溶解而产生局部溃散，所以建筑石膏硬化体的耐水性较差。,2019/9/26,95,（6）具有一定的调温调湿性 主要是因为其导热系数小、热容量大和孔隙率大。,（7）耐水性和抗冻性差 主要是因为其孔隙率大、吸水性强。,（8）有良好的装饰性和可加工性 石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉。具有良好的可加工性。,2019/9/26,96,2. 石膏的技术要求,1）.强度:抗折强度、抗压强度 2）.细度：0.2mm方孔筛筛余（10%） 3）.凝结时间:初凝时间（3min）、终凝时间（30min） 见表21（P12）,2019/9/26,97,eg:建筑石膏2.5GB9776,2019/9/26,98,2.1.4 建筑石膏的应用,（1） 石膏砂浆及粉刷石膏。 （2） 建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等:如纸面石膏板、装饰石膏板、吸声用穿孔石膏板。 (3） 制作石膏艺术制品建筑雕塑和模型。,2019/9/26,99,纸面石膏板,2019/9/26,100,装饰石膏板,2019/9/26,101,吸声用穿孔石膏板,2019/9/26,102,吸声用穿孔石膏板,2019/9/26,103,石膏艺术制品,2019/9/26,104,石膏艺术制品,2019/9/26,105,2.2 石 灰,2019/9/26,106,大型石灰窑,2019/9/26,107,小石灰窑,2019/9/26,108,生石灰,2019/9/26,109,生石灰粉,2019/9/26,110,正火石灰,欠火石灰,过火石灰,因煅烧温度过高使粘土杂质 融化并包裹石灰，从而延缓 石灰的熟化，导致已硬化的 砂浆产生鼓泡、崩裂等现象,碳酸钙没有完全 分解，降低了生 石灰的产量,如何解决它的危害？,2.2.1 石灰的生产,氧化钙含量高、表观密度小，孔隙率高。,煅烧石灰石、白云石、或白垩,内含CaCO3,将煅烧成的块状生石灰经过不同的加工，还可得到石灰的另外三种产品： 1）、生石灰粉 2）、消石灰粉 3）、石灰膏,2019/9/26,111,2019/9/26,112,水化过程中体积增大12.5 倍，迅速放出大量热,2.2.2 石灰的水化与硬化 1、生石灰的熟化,生石灰+水,熟石灰,工程上使用的石灰大都是熟石灰，有时需要使用 石灰膏，有时使用熟石灰粉。,2019/9/26,113,熟化为石灰膏：,将生石灰放入水 中，注意水要过量,池中透明液体为氢氧 化钙饱和溶液，下部 沉淀即为熟石灰,生石灰要在水中放置两周以上，此过程 即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完 全和水反应，不会因含有过火石灰造成 熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。,2019/9/26,114,将生石灰块淋水，使石灰充分熟化，又 不会过湿成团，此时得到的产品就是熟 石灰粉（消石灰粉）。,熟化为熟石灰粉（水要适量）：,生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。,由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。,2019/9/26,115,包含结晶、碳化两个过程,2、石灰的硬化,结晶：石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸 发，使Ca(OH)2从饱和溶液中逐渐结晶析出。,碳化：,2019/9/26,116,结晶和碳化两个过程同时进行，但极为缓慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过程主要在内部发生。,原因,空气中CO2含量稀薄，使碳化反应进展缓慢，同时表面的石灰浆一旦硬化就形成外壳，阻止了CO2的渗入，同时又使内部的水分无法析出，影响硬化过程的进行。,2019/9/26,117,a、可塑性好和保水性好 b、水化时水化热大，体积增大 c 、吸湿性好 d 、凝结硬化慢,Ca(OH)2粒子表 面可以吸附水膜,2.2.3 石灰的性质,1.石灰的特性,生石灰可以用来做干燥剂,2019/9/26,118,e、强度低 f 、体积收缩大 g、耐水性差,2019/9/26,119,2、石灰的技术要求,见表22、23（P15）,见表24（P15）,2019/9/26,120,2.2.4 石灰的应用 1、常用建筑石灰的品种,2019/9/26,121,石灰岩,生石灰块,熟石灰粉,生石灰粉,石灰膏,石灰乳,多用来拌制灰土和三合土,使用时可以不进行陈伏,用来拌制砌筑砂浆或抹面砂浆,粉刷墙壁,2019/9/26,122,2.石灰的应用,三合土用作铺筑步道砖的垫层,三合土桩,灰 土 桩,配制石灰砂浆、石灰乳 配制石灰土、三合土 生产碳化石灰板 加固含水的软土地基,2019/9/26,123,3、石灰的储存,1.防潮、防水; 2.不宜久存; 3.防火,注意安全.,2019/9/26,124,（2）过火石灰膨胀裂纹,（1）石灰网状收缩裂纹,原因：（1）石灰在凝结硬化过程中产生较大收缩而引起的。可以通过增加砂 用量、润湿墙体基层、降低一次抹灰的厚度等措施加以改善。 （2）石灰中含有过火石灰。在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸 气继续熟化，体积膨胀，从而出现上述现象。,2019/9/26,125,2.3 水玻璃,2019/9/26,126,水玻璃:俗称泡花碱,是由不同比例的碱金 属氧化物和二氧化硅结合而成的 可溶于水的一种硅酸盐物质.,碱金属氧化物,水玻璃模数,2019/9/26,127,2.3.1 水玻璃的生产,2019/9/26,128,生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。 湿法生产硅酸水玻璃是将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅内用蒸汽加热。直接反应生成液体水玻璃。 干法生产硅酸钠水玻璃是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于13001400C温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃。固体水玻璃于水中加热溶解而生成液体水玻璃。其反应式为：,其中，氧化硅与氧化钠的分子比为水玻璃的模数，一般在1.53.5，模数越大，其水溶性越差。,2019/9/26,129,2.3.2 水玻璃的硬化,因上述过程反应慢,常需加入促硬剂氟硅酸钠 ,适宜掺量为12%15%.,液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化：,2019/9/26,130,2.3.3 水玻璃的性质,1.粘结力强; 2.耐酸能力强; 3.耐热性能好； 4.耐碱性和耐水性差。,2019/9/26,131,2.3.4 水玻璃的应用,1.配制耐酸砂浆和混凝土; 2.配制耐热砂浆和混凝土; 3.涂刷于材料表面，提高抗风化能力; 4.加固地基; 5.修补裂缝、堵漏； 6.配制速凝防水剂,菱苦土，又称镁质胶凝材料，是以天然菱镁矿（MgCO3）为主要原料，经700850C煅烧后再经磨细而得的以氧化镁（MgO）为主要成分的气硬性胶凝材料。 MgCO3 700850C MgO+CO2,2019/9/26,132,1.菱苦土能与植物纤维及矿物纤维很好的结合，因此可与刨花、木丝等复合成刨花板、木丝板等，作内、隔墙、天花板等用。 2.与木屑、颜料等配制成的板材，称为菱苦土地板，具有保温、防火、防爆及一定的弹性。 3.掺入一定的泡沫，可制成泡沫菱苦土，是一种多孔轻质的保温材料。,2019/9/26,133,1.某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面,数月后,墙面上出现了 许多不规则的网状裂纹,同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹,试分析上述现象产生的原因.,2019/9/26,134,2019/9/26,135,解： 石灰砂浆抹面的墙面上出现不规则的网状裂纹，引发的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。 墙面上个别部位出现凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸汽继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。,2.既然石灰不耐水,为什么由它配制成的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位?,2019/9/26,136,2019/9/26,137,解： 石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。 再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。,2019/9/26,138,3. 建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？,2019/9/26,139,解： 建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性质： （1） 石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细致，装饰性好； （2） 硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温性、吸声性好。,2019/9/26,140,（3） 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。 （4） 建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。 在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗渗性差、 抗冻性差, 所以不适用于室外使用。,2019/9/26,141,4. 水玻璃的化学组成是什么？水玻璃的模数、密度（浓度）对水玻璃的性能有什么影响？,2019/9/26,142,解： 通常使用的水玻璃都是Na2OnSiO2的水溶液，即液体水玻璃。 一般而言，水玻璃的模数n越大时，水玻璃的粘度越大。硬化速度越快、干缩越大，硬化后的粘结强度、抗压强度等越高、耐水性越好、抗渗性及耐酸性越好。其主要原因是硬化时析出的硅酸凝胶SiO2mH2O较多。 水玻璃的模数n为氧化硅和氧化钠的分子比。同一模数的水玻璃，密度越大，则其有效成分Na2OnSiO2的含量越多，硬化时析出的硅酸凝胶也多，粘结力愈强。 然而如果水玻璃的模数或密度太大，往往由于粘度过大而影响到施工质量和硬化后水玻璃的性质，故不宜过大。,1.简述气硬性胶凝材料的特点及使用环境. 2.石膏制品有哪些特点?建筑石膏可用于哪些方面? 3.什么是欠火石灰和过火石灰?各有何特点?施工过程中如何防止其危害? 4.何谓陈伏,石灰在使用前为什么要进行陈伏?,2019/9/26,143,2019/9/26,144,第3章 水泥,1824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯普丁（J.Aspdin）获得英国第5022号“波特兰水泥”专利证书，从而一举成为流芳百世的水泥发明人。,强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈墨绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件确保了“波特兰水泥”质量，解决了阿普斯丁无法解决的质量不稳定问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。,1824年，英国石匠阿斯浦丁偶然发现 粘土+石灰+水人造石（波特兰水泥） 特点：强度高、耐久性好、防水、防火。,我是建筑业的粮食！,水泥系列,通用水泥,下述百分含量为混合材料的掺量,按水泥的用途分类,在土木建筑工程中大量使用的水泥,按水泥的用途分类,彩色水泥,彩色水泥,彩色水泥,普通水泥,硅酸盐水泥的定义、类型及代号,硅酸盐水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R 六个强度等级（R代表早强型水泥）,第一节 硅酸盐水泥,生产工艺概述 硅酸盐水泥的生产工艺可概括为三个阶段： 生料制备：以石灰石、粘土和铁矿粉为主要原料（有时需加入校正原料），将其按一定比例配合、磨细，制得具有适当化学成分、质量均匀的生料。 熟料煅烧：将生料在水泥窑内经1450高温煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料。 水泥粉磨：将熟料加适量石膏和05的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细得到硅酸盐水泥。,硅酸盐水泥的生产及主要矿物组成,1.原料 （1）石灰质原料：主要提供CaO。采用石灰岩、凝灰岩和贝壳等。 （2）粘土质原料：主要SiO2、Al2O3及Fe2O3。采用粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。,主要原料,（3）校正原料（辅助原料）：为满足成分要求用。 如：铁矿粉的铁质原料补充氧化铁的含量。 砂岩的硅质原料增加二氧化硅的成分等。,硅酸盐水泥的生产,两磨一烧： 制备生料（一磨） 煅烧熟料（一烧） 粉磨水泥（二磨）,2.生产过程,石灰石 粘土 按比例混合生料进窑熟料 辅助原料,煅烧,磨细,磨细,石膏,1450,水泥成品,3.生料 CaO： 62% 67% SiO2 : 20% 24% Al2O3 : 4% 7% Fe2O3： 2.5%6.0%,生料在窑内经历： 干燥预热分解烧成冷却,硅质 (粘土),钙 质 (石灰石),1450,调节 原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“两磨一烧”工艺流程,粉 磨,煅 烧,粉 磨,原料采掘,原料磨细,原料混合,反应物产物中间产物,预热器 回转窑,产 物,熟料冷却,熟料储存,3.510m中卸烘干磨（生料粉磨 ）,生料粉磨工艺,熟料煅烧工艺,3.350m旋转窑,水泥粉磨及包装,3.813m水泥磨,水泥皮带输送机,八嘴回转式微机包装机,水泥库,硅酸盐水泥熟料的矿物组成,1.主要成分：主要由四种矿物化学组成,硅酸盐水泥熟料的矿物组成及在水泥中的相对含量,2.其它成分: 游离CaO （=5%） 、MgO（=5%）及SO3 （1%-2%） ，其含量过高将造成水泥安定性不良。 碱矿物及玻璃体等，其中的Na2O和K2O含量较高时，遇到活性骨料时，易产生碱骨料反应，影响混凝土的质量。 3.石膏 辅助作用主要是缓凝作用，含量：2%5%。,硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,（一）硅酸盐水泥的水化,水泥和水拌合表面的熟料矿物立刻与水发生化学反应各组分开始逐渐溶解放出一定热量固相体积也逐渐增加。其反应式如下：,2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O 铝酸三钙 水化铝酸钙 4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O 铁铝酸四钙 水化铁酸一钙 3CaOAl2O36H2O + CaSO43CaOAl2O33CaSO431H2O 水化铝酸钙 石膏 或3CaOAl2O3CaSO412H2O 水化硫铝酸钙或单硫型水化硫铝酸钙,主要水化产物（在完全水化的水泥石中 ）：,水化硅酸钙 70%（凝胶） 氢氧化钙 20%（晶体） 水化铝酸钙（晶体） 水化硫铝酸钙晶体（也称钙矾石）7%,是水泥石形成强度的最主要化合物,水化反应为放热反应，其放出的热量称为水化热。其水化热大，放热的周期也较长，但大部分（50%以上）热量是在3天以内。特别是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程 分为：早、中、晚 三个时期 1.水化早期，初始反应期（凝胶膜的生成期）（诱导期） 20，3h,3.水化后期，硬化 更长时间 水化反应减慢水化产物填充由水占据的空间晶体相互搭接整体水泥石硬化 硬化：浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体水泥石,2.水化中期，凝结 20 30h，30%的水泥已经水化 包裹膜增厚 凝结：水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程。,水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和C3A放热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。 水泥水化放热有明显的四个阶段： 初始放热水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt 很快，表明反应激烈。 放热停滞期 放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。 放热加速期 放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。 放热减速期 放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。,加水,初凝,终凝,凝结,硬化,诱导期,稠硬不流动浆体,刚性固体随时间增强,塑性流动浆体,初凝时间,终凝时间,水泥凝结时间与水泥浆体状况的关系,水泥石的结构 A-未水化水泥颗粒； B-胶体粒子（C-S-H等）； C-晶体粒子（Ca(OH)2等）; D-毛细孔（毛细孔水）； E-凝胶孔,水泥石的组成： 凝胶体（水化硅酸钙凝胶和氢氧 化钙晶体） 未水化的水泥颗粒内核 毛细孔及凝胶孔 它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之而改变。,水泥石的结构及影响其强度发展的因素,水泥石的结构,水泥石的工程性质(强度和耐久性)决定于水泥石的结构组成，即 水化物的类型 水化物的相对含量（可用水化程度表示） 孔的大小、形状和分布,水灰比即拌和时用水量与水泥用量之比表示,水泥石的结构,不同水化程度水泥石的组成,1.水灰比相同时，水化程度愈高，则水化物愈多，而毛细孔和未水化水泥的量相对减少。水泥石结构密实、强度高、耐久性好。 2.水化程度相同而水灰