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土木工程材料,绪论,一.土木工程材料的定义及分类,1.定义,土木工程材料是土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。,2.分类,（1）根据材料来源分：天然材料和人造材料,（2）根据使用部位分：承重、屋面、墙体和地面材料等,（3）根据其功能分：结构材料和功能材料,（4）根据组成物质的种类及化学成分分：,二土木工程材料在建设工程中的地位和作用,(1)土木工程的物质基础,(2)土木工程质量的保证,(3)影响土木工程的造价,(4)促进土木工程技术的进步和发展,材料决定建筑结构形式和施工方式。新的建筑材料的出现，往往会促进结构设计及施工技术的革新和发展，使一些无法实现的构想变成现实。,材料费用占工程总造价的5070%。要降低工程造价必须优化选择和正确使用材料，充分利用材料的各种性能，提高材料的利用率。,三土木工程材料的发展概况,发展经历：从无到有，从天然材料到人工材料，从手工业生产到工业化生产。,未来建筑材料的发展趋势：,大力发展功能型材料，提供更多更好的绿色化和智能化建筑材料是目前发展的趋势。,首先，建立节约型的生产体系，做到节能、节土、节水和节约矿产资源等。,其次，建立有效的环境保护与监控管理体系，大力发展无污染、环境友好型的绿色建筑材料产品，充分利用再生资源及工农业废料；,再次，积极采用高科技成果推进建筑材料工业的现代化。,四土木工程材料的检验与技术标准,土木工程材料的技术标准包括产品规格、分类、技术要求、检验方法、验收规则、标志、运输和储存注意事项等方面内容。,1.标准化的意义,为了保证材料的质量，保证现代化生产和科学管理，或者是作为设计应用和研究时的依据。,(3)地方标准DB,(4)企业标准QB,(2)行业(或部)标准,2.土木工程材料标准的类别,我国现行的土木工程材料标准的类别,(1)国家标准,强制性标准(代号GB)和推荐性标准(代号GBT),3.标准的表示方法,标准的一般表示方法是由标准名称、标准代号、标准编号和颁布年份等组成。,其他现行标准,法国标准NF,国际标准ISO,德国DIN标准,美国材料试验协会标准ASTM,日本工业标准JIS,英国标准BS,通用硅酸盐水泥GB175-2007,五本课程的内容、学习目的和基本要求,1.学习目的,2.主要内容,除介绍了建筑材料的一些基本性质外，主要讲述了建筑工程中常用的气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、建筑砂浆、墙体材料和屋面材料、土木工程用钢材和铝合金、木材、高分子建筑材料、沥青材料。,获得有关土木工程材料科学的基础理论和基本技能，为后续课程提供建筑材料的基础知识；为将要从事土木工程建设工作的技术人员合理选择和正确使用材料奠定基础。,3.基本要求,（1）掌握常用建筑材料的组成、基本性能及技术要求，理解材料组成及结构对材料性质的影响，能够根据工程实际条件合理地选择和使用各种建筑材料；,（2）注意外界条件对材料性能的影响；,（3）在学习中要避免死记硬背，要注意理解，运用对比方法来学习；既要学习材料的共性，更要掌握材料的特性。,（4）了解各种材料的原料、生产等方面的知识；,（5）掌握常用建筑材料贮藏和运输时的注意事项。,第一章土木工程材料的基本性质,土木工程材料的基本性质是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。,材料所处的环境和部位不同，所起的作用也各不相同，为此要求材料必须具备不同的性质。,土木工程材料的基本性质一般包括物理性质、力学性质、化学性质和耐久性等。,第一节材料的物理性质,一.与质量状态有关的物理性质,1密度(),密度(真密度)是材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,式中密度(g/cm3)或(kg/m3)；m材料在干燥状态下的质量(g)或(kg)；V材料在绝对密实状态下的体积(cm3)或(m3)。,绝对密实状态下的体积是指不含有任何孔隙的体积。,测量时，材料必须在干燥状态下。含孔材料磨成细粉，干燥至恒重后，用李氏瓶测定其体积，然后按上式计算得到密度值。钢材、玻璃等少数材料可直接采用上式计算获得。,2表观密度(),表观密度(又称视密度、近似密度)是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。,式中表观密度(gcm3)或(kgm3)；V材料在自然状态下不含开口孔隙时的体积(cm3)或(m3)；Vb材料内部闭口孔隙的体积(cm3)或(m3)。,测定材料的表观密度时，材料必须绝对干燥。,3容积密度(0，(gcm3)或(kgm3),式中V0材料在自然状态下的宏观外形体积，Vk材料内部开口孔隙的体积，单位均为(cm3)或(m3)。,容积密度(又称体积密度，俗称容重)是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。,测量容积密度时，材料的质量可以是在任意含水状态下，但应注明其含水情况，未特别标明时，常指气干状态下的容积密度。在材料对比试验时，则在绝干状态下进行。,对于形状不规则的材料，可采用蜡封排水法测定其体积。,粉状材料在绝干状态下的容积密度与密度值近似相等。,4堆积密度,堆积密度是指散粒材料或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。,式中堆积密度(gcm3)或(kgm3)；堆积体积(cm3)或(m3)；Vv材料内部开口孔隙的体积(cm3)或(m3)。,材料的堆积体积指在自然、松散状态下，按一定方法装入一定容器的容积，包括颗粒体积和颗粒之间空隙的体积。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。,注意对比几种密度的异同点,二.与构造状态有关的物理性质,1孔隙率与密实度,1.1孔隙率,孔隙率是指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率，即,材料内部孔隙构造上的特征，如大小、形状、分布、连通等统称为孔隙特征。在一般工程应用上，材料的孔隙特征通常是指孔隙的连通性。,开口孔隙(简称开孔)是指材料内部孔隙不仅彼此互相贯通，并且与外界相通。开口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸声性，并降低材料的抗冻性。,闭口孔隙(简称闭孔)是指材料内部孔隙彼此不连通，而且与外界隔绝。闭口孔隙能提高材料的保温隔热性能和耐久性。,材料的孔隙率也可分为开口孔隙率Pk和闭口孔隙率Pb，即,1.2密实度D,密实度即材料体积内被固体物质充实的程度。,2空隙率和填充率,2.1空隙率P,空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。,填充率即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,2.2填充率D,三.材料与水有关的性质,1.亲水性与憎水性,材料与水接触时，水可以在材料表面铺展开，能被水润湿的性质称为亲水性。,（1）定义,亲水性材料：钢材、混凝土、木材等憎水性材料：石蜡、聚氯乙烯管材、沥青基防水材料,材料与水接触时，水不可以在材料表面铺展开，不能被水润湿的性质称为憎水性。,（2）润湿角,液滴在固体表面上不完全展开时，在气液固三相汇合点，固液界面的水平线SL与气液界面的切线GL之间的夹角，称为润湿角。,当润湿角90时，这种材料称为亲水性材料；当润湿角90时，这种材料称为憎水性材料。,(a)亲水性材料,(b)憎水性材料,2吸水性与吸湿性,2.1吸水性,(1)质量吸水率Wm,指材料吸水饱和时，所吸水量占材料绝干质量的百分率。,(2)体积吸水率WV,指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占绝干材料自然体积的百分率。,w为水的密度。常温下取w=l(gcm3),质量吸水率与体积吸水率的关系为：,材料的吸水率与孔隙率和孔隙构造有很大关系：,材料具有微细而连通的孔隙，则吸水率就较大；,材料具有封闭孔隙或具有较粗大开口的孔隙，则吸水率就较小；,2.1吸湿性,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性常以含水率W含（变值）表示：,与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。,四.材料与热有关的性质,1.导热性,材料传导热量的性质称为导热性，常用导热系数表示材料的导热能力的大小。匀质材料的导热系数的计算公式为：,式中为材料的导热系数(W(mK)；Q为传热量(J)；为材料厚度(m)；A为传热面积(m2)；t为传热时间(s)。,通常将0.23W(mK)的材料称为绝热材料。,常用绝热材料有：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等,2.热阻,材料层厚度与导热系数的比值，称为热阻R=/，单位为m2KW，它表明热量通过材料层时所受到的阻力。,在多层平壁导热条件下，平壁的总热阻等于各单层材料的热阻之和。,影响导热系数或热阻的主要因素有：,（1）材料的组成,（2）孔隙率和孔隙结构,（3）含水状况,（4）温度（除金属材料外）,3.热容量,材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量，它等于比热c与材料质量m的乘积。,比热是指单位质量材料在温度升高或降低1K时所吸收的或放出的热量，即,式中c为材料的比热(J(gK)；Q为材料吸收或放出的热量(J)；m为材料的质量(g)；（T1-T2）为材料受热或冷却前后的温差(K)。,建筑设计时应选用导热系数较小而热容量较大的材料。,五.材料与声有关的性质,1.吸声性,材料能吸收声音的性质称为吸声性，用吸声系数表示。,通常规定以125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz等6个特定频率，从不同方向入射，测得的平均吸声系数，表示材料的吸声特性。,吸声系数越大，表示材料吸声效果越好，一般将0.20的材料称为吸声材料。,具有细微而连通的孔隙且孔隙率较大的材料，其吸声效果较好；若具有粗大的或封闭的孔隙，则吸声效果较差。,2.隔声性,材料隔绝声音的性质，称为隔声性。,对于隔空气声，主要取决于其单位面积的质量，质量越大，则隔声效果越好，因此应选择密实，沉重的材料作为隔声材料，如粘土砖、钢板、钢筋混凝土等。,对于隔固体声，最有效的措施是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和墙板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料或在楼板上加弹性地毯、木地板等柔软材料。,第二节材料的基本力学性质,一强度和比强度,1.强度,1.1强度的定义和分类,材料的强度通常以材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力值来表示，亦称极限强度。,根据外力的作用方式，材料强度有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度。,1.2影响材料强度的因素,（1）材料的组成,组成不同的材料，强度差别很大，因为不同材料的内部质点的排列方式、质点间距及结合强度有很大不同。,表l一2常用结构材料的强度（单位MPa）,（2）材料的结构，包括孔隙率、孔隙结构、内部质点结合方式、晶粒尺寸等。,（3）材料的含水状态，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。,（4）外部因素，如温度、测试条件和方法等。,1.3强度等级,在工程使用上，结构材料常根据强度值的大小划分为若干强度等级，具体划分方法视材料而异。,2.比强度衡量材料轻质高强的重要指标,比强度是按单位体积的质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其容积密度之比，即用f/0表示。,二弹性与塑性,1.弹性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变形能完全消失的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。,某些材料的弹性变形大小与外力成正比，其比例系数在一定范围内为常数，称为材料的弹性模量E。,式中为材料所承受的应力（MPa），为材料的应变。,弹性模量值越大，材料抵抗变形的能力越强，其刚度也越好。,2.塑性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，材料仍保留一部分残余变形，且不产生裂缝的性质称为塑性。这部分残余变形称为塑性变形。,有的材料在受力一开始，弹性变形和塑性变形便同时发生，外力除去后，弹性变形完全消失，而塑性变形则残留下来，这类材料称为弹塑性材料，如混凝土材料,有的材料在受力不大时，仅产生弹性变形，当外力超过一定数值后，便出现塑性变形，如建筑钢材。,三脆性与韧性,外力作用于材料并达到一定限度后，材料无明显塑性变形而发生突然破坏的性质称为脆性。,脆性材料的特点：抗压强度远大于其抗拉强度；承受冲击或震动荷载的能力很差。,在冲击或震动荷载作用下，材料能吸收较大能量，同时产生较大变形，而不发生突然破坏的性质称为材料的冲击韧性(简称韧性)。,韧性材料的特点：变形大，特别是塑性变形大；抗拉强度接近或高于抗压强度。,2.韧性,1.脆性,脆性材料：天然石材、陶瓷、玻璃、粘土砖、普通混凝土,第三节材料的耐久性,材料在长期使用过程中，抵抗各种环境因素的作用而不破坏的性质，称为耐久性。,（1）机械作用。包括载荷的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。,（2）物理作用。干湿、冷热、冻融等变化导致材料体积发生收缩或膨胀，或产生内应力，造成材料内部裂缝扩展。,（3）化学作用。包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或其他有害物质，以及日光、紫外线等对材料的作用。,（4）生物作用。包括昆虫或菌类等的侵害作用，导致材料发生虫蛀、腐朽等而破坏。,一耐水性,材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质称为耐水性。,式中K软为材料的软化系数，f饱、f干分别为材料在吸水饱和状态下和在干燥状态下的抗压强度(MPa)。,软化系数愈小，表示材料的耐水性愈差。工程上，通常将k0.85的材料称为耐水性材料。,材料的耐水性主要与其组成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有关。溶解度很小或不溶的材料，则软化系数较大。,二抗渗性,材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性(不透水性)。,对一些防渗、防水材料，如油毡、瓦、沥青混凝土等，常用渗透系数K表示其抗渗性。,式中Qw是总渗透水量(cm3)；d材料的厚度(cm)；A渗水面积(cm2)；t渗水时间(h)；H静水压力水头(cm)。,砂浆、混凝土等材料的抗渗性能常用抗渗等级P来表示。抗渗等级是指在规定试验方法下材料透水前所能承受的最大水压。例如：P6表示材料能承受0.6MPa的水压而不渗水。,渗透系数愈小或抗渗标号愈大，表示材料的抗渗性愈好。,（1）绝对密实的材料和具有闭口孔隙的材料，或具有极细孔隙(孔径小于1m)的材料抗渗性好。,（2）开口大孔最易渗水，故其抗渗性最差。,材料抗渗性的好坏，与其孔隙率、孔隙特征、材料的亲水性或憎水性有关：,（3）亲水性材料易渗水。,三抗冻性,材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。,抗冻等级愈高，材料的抗冻性愈好。,抗冻等级F是将材料吸水饱和后，按规定方法进行冻融循环试验，所能经受的最大冻融循环次数。,例如：F25表示在经受了25次冻融循环后，材料仍可满足使用要求。,孔隙率低、孔径小、开口孔隙少的材料，其抗冻性较好。另外，抗冻性还与材料吸水饱和的程度、材料本身的强度以及冻结条件有关。,第四节材料的组成与结构,一.材料的组成,1化学组成,化学组成指构成材料的基本元素与化合物。,2矿物组成,矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。,一些土木工程材料，如无机胶凝材料，其矿物组成是在其化学组成确定的条件下决定材料性质的主要因素。,矿物是指在无机非金属材料中，某些元素或化合物以特定的结合形式存在并具有特定的物理化学性质的组织结构。,二材料的结构,材料的结构是指其内部质点的排列是否有序，堆积是否紧密、均匀等组织形态。,根据所研究的材料内部组织结构的尺度范围，一般可分为三个结构层次：,1宏观结构,宏观结构(或称构造)是指材料宏观存在的状态，即用肉眼或放大镜就可分辨的粗大组织。其尺寸在1mm以上。,材料的宏观结构直接影响材料的密度、孔隙率、渗透性、抗冻性、保温性和强度、吸声性等性质。,2细观结构,细观结构(也称显微或亚微观结构)是指用光学显微镜所能观察到的材料结构，其尺寸范围在10-310-6m。,材料的各种组织特征、数量、分布以及界面之间的结合情况等都影响土木工程材料的整体性质。,3微观结构,微观结构是指材料原子、分子层次的结构，其尺寸范围在10-610-10m。,（1）晶体结构,特征是由其内部质点(离子、原子、分子)按特定的规则在空间呈有规律的排列。,（2）玻璃体（非晶体）,具有化学不稳定性，内部质点排列无规律，各向同性，没有固定的熔点。,（3）胶体,胶体是物质以极微小的质点(粒径为1l00m)分散在介质中所形成的两相体系。胶体具有高度分散性和多相性、具有很大表面能，流变性。,胶体分为溶胶和凝胶。溶胶经脱水或质点的凝聚作用便形成凝胶，凝胶具有固体的性质，但在长期应力作用下，又具有粘性液体的流动性质。,第五节材料的环境负荷性及其使用的健康安全性,一.概述,材料的环境负荷性即材料在生命周期内对生态环境的影响，包括：（1）材料在不同阶段对资源、能源的消耗及对生态环境的影响；（2）材料在使用过程中对人类的健康和生态环境的影响；（3）材料在解体、废弃时对生态环境的影响等。,绿色土木工程材料就是环境负荷最小的一类材料，是指在全寿命周期内(即包括原材料开采、运输与加工、建造、使用、维修、改造和拆除等各个环节)，不仅具有满意的使用性能、所用的资源和能源的消耗量最少，而且在生产与使用过程对生态环境的影响最小，再生循环率最高。,绿色土木工程材料需要满足四个目标：,（1）基本目标包括功能、质量、寿命和经济性；,（2）环保目标要求从环境角度考核土木工程材料在生产、运输、废弃等各环节对环境的影响；,（3）健康目标需要考虑到土木工程材料使用过程中必须对使用者健康无毒无害；,（4）安全目标包括材料的燃烧性能和材料燃烧时释放气体的安全性。,二.材料的环境负荷性及其使用的健康安全性,1满足国家产业政策的要求,2所用的土木工程材料要就地取材,在工程实践中，一般要求500km范围内(产品生产现场到使用现场的距离)生产的土木工程材料的重量与所有材料的总重量的比值不小于70。,选用的材料或部品必须是国家产业政策允许生产的，且符合国家有关的产品标准、施工及验收等相关标准。,对于建筑工程，在保证安全和不污染环境的情况下，可再循环材料的使用重量要求达到所用建筑材料总重量的10以上。,3选材时考虑土木工程材料的循环利用性能,材料的循环利用包含“减量化、再利用、资源化”等三方面的要求。,4采用废弃物生产的土木工程材料,对于建筑工程，要求使用以废弃物生产的建筑材料的重量占同类建筑材料的总重量比例不低于30。,第二章气硬性无机胶凝材料,一.胶凝材料的分类,无机胶凝材料（以无机化合物为基本成分）,有机胶凝材料（天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分）,按凝结硬化条件分类,气硬性胶凝材料：石灰、石膏,水硬性胶凝材料：水泥,（沥青、树脂）,经过自身的一系列物理、化学作用，能由液体、固体(或半固体泥膏状)变为坚硬的固体，并能把松散物质粘结成整体的材料称为胶凝材料。,二.概念,只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度。这类材料只适用于地上或干燥环境中，而不宜用于潮湿环境和水中。,不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持和继续发展其强度，它们既适用于地上，也适用于地下或水中工程。,1.胶凝材料,2.气硬性胶凝材料,3.水硬性胶凝材料,第一节石膏,一石膏的原材料,（1）天然二水石膏（软石膏或生石膏），是以二水硫酸钙(CaSO42H2O)为主要成分的矿石。,（2）天然无水石膏(CaSO4)，又称天然硬石膏。,（3）含CaSO42H2O或CaSO42H2O与CaSO4混合物的化工副产品也可用作生产石膏胶凝材料的原料，常称之为化工石膏。,石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。,二.石膏胶凝材料的制备,（1）建筑石膏,天然二水石膏在常压、107170下加热时，CaSO42H2O脱水转变为型半水石膏，再经磨细成白色粉末即建筑石膏，又称熟石膏。,（2）高强石膏,天然二水石膏在具有0.13MPa、125过饱和蒸汽条件下的蒸压釜中蒸炼，得到型半水石膏(即高强石膏)。,特点：晶体较粗，结构致密，水化速度慢，水化后的强度、密实度较高，调制成可塑性浆体的需水量少。,应用：强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。,（3）可溶性硬石膏,当加热温度为170200时，石膏继续脱水，成为可溶性硬石膏（III-CaSO4）。,可溶性硬石膏与水调和后仍能很快凝结硬化，但结构疏松，需水量大，凝结快，强度低，不易直接使用。,当温度升至200250时，石膏中只残留很少的水分，凝结硬化非常缓慢。,（4）不溶性硬石膏,当温度超过400时，完全失去水分，形成不溶性硬石膏（II-CaSO4），也称死烧石膏。,特点：难溶于水、无凝结硬化能力，,应用：加入适量激发剂混合磨细后可制成无水石膏水泥。,（5）煅烧石膏,温度超过800时，部分石膏分解出的氧化钙起到催化剂作用，使产物又具有凝结硬化的能力，这种产品称煅烧石膏(过烧石膏)，其主要成分为CaSO4和CaO。,特点：凝结、硬化速度慢，硬化后，具有较高的强度和耐磨性，抗水性较好。,（6）当温度超过1600时，全部分解为石灰。,无水石膏水泥凝结速度较慢，需水量较少，孔隙率较小。宜用于室内，主要用作石膏板、石膏建筑制品、抹面灰浆等，具有良好的耐火性和抵抗酸碱侵蚀的能力。,应用：宜用作地板，故也称地板石膏,三建筑石膏的凝结硬化过程,（1）溶解、沉淀及析出胶粒,半水石膏与水拌和后，与水发生水化反应生成二水石膏，即,二水石膏从过饱和溶液中以胶体微粒析出。,1-半水石膏;2-二水石膏胶体微粒,（2）形成晶体,二水石膏的析出促进了半水石膏不断地溶解和水化，二水石膏胶体微粒不断增加，浆体中的游离水分逐渐减少，使得浆体稠度增大，可塑性逐渐降低，此时称之为“凝结”。随着浆体继续变稠，胶体微粒逐渐凝聚成为晶体。,3-二水石膏晶体,（3）晶体长大、共生并相互交错,晶体逐渐长大、共生并相互交错，使浆体产生强度并不断增长，这个过程称为“硬化”。,4-交错的晶体,四.建筑石膏的技术性质,1凝结硬化速度快,与水拌和后，在常温下一般数分钟即可初凝，30min以内即可达终凝。在室内自然干燥状态下，约一星期可完全硬化。,掺入缓凝剂或促凝剂可延缓或加速凝结。,2硬化时体积略有膨胀，具有很好的装饰性和可加工性,3硬化后孔隙率较大，表观密度、强度及导热性较低，吸声,4防火性能良好,5具有一定的调温、调湿作用,6耐水性、抗冻性和耐热性差,性较好,7储存及保质期,建筑石膏在贮运过程中，应防潮防水及混入杂物；不同等级的建筑石膏应分别贮运；一般贮存期为3个月，超过贮存期限的石膏应重新进行质量检验，以确定其等级。,8技术标准(建筑石膏（GB977688）),建筑石膏按产品名称、抗折强度及标准号的顺序进行产品标记，例如：抗折强度为2.5MPa的建筑石膏表示为：“建筑石膏2.5GB9776。,五.建筑石膏的应用,1制备粉刷石膏,2石膏板材,具有轻质、保温绝热、吸声、不燃和可锯可钉等性能，还可调节室内温湿度，但具有长期徐变的性质，在潮湿的环境中更严重。不宜用于承重结构，主要用作室内墙体、墙面装饰和吊顶等。,3装饰制品,4.作为重要的外加剂，广泛应用于水泥、水泥制品及硅酸盐制品,第二节石灰,一石灰的原材料,（1）以碳酸钙为主要成分的石灰石、白云石、白垩等天然岩石。,（2）化学工业副产品,二石灰的制备,1.生石灰,石灰石在10001200经高温煅烧分解，得到白色或灰色的以CaO为主要成分的块状生石灰，即,2.镁质生石灰和钙质生石灰,生石灰中MgO含量5时，称为钙质生石灰；MgO含量5时，称镁质生石灰。,3.欠火石灰和过火石灰,若煅烧温度过低、煅烧时间不充分，则CaCO3不能完全分解，生成的生石灰中含有石灰石，这类石灰称为欠火石灰。欠火石灰产浆量较低，质量较差，降低了石灰利用率。,若煅烧温度过高，将生成结构比较致密、颜色较深、晶粒粗大的过火石灰，其表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆。过火石灰熟化很慢，使得石灰硬化后它仍继续熟化而产生体积膨胀，引起局部隆起和开裂而影响工程质量。,三石灰的熟化,生石灰加水，使之消解为熟石灰（或称为消石灰），其主要成分为Ca(OH)2，这个过程为石灰的熟化或消化，即,1石灰膏法,将块状生石灰在化灰池中用过量的水熟化成石灰浆，然后通过筛网进入储灰坑。石灰浆在储灰坑中陈伏一段时间，沉淀后，除去上层水分即可得到石灰膏。,（2）为了使石灰熟化得更充分，消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中存放两星期以上，这个过程称为石灰的陈伏。,（1）为了保证生石灰熟化顺利进行，要加人大量的水，并不断搅拌散热，控制温度不至过高。,采用石灰膏法熟化石灰时应注意：,（3）陈伏期间，石灰浆表面应保持有一层水，使之与空气隔绝，避免Ca(OH)2碳化。,2.消石灰粉法,这种方法是将生石灰加适量的水(约为生石灰质量的6080)熟化成消石灰粉。,工地上常采用分层喷淋方法对生石灰进行消化或在工厂中用机械加工方法将生石灰熟化成消石灰粉。消石灰粉在使用之前，也需要陈伏。,MgO4：钙质消石灰粉4MgO20%且40%）和适量石膏蒸成。,2特性与应用,（1）三种水泥的共性,a.早期强度低，后期强度发展高，适用于承受荷载较迟的工程。,b.环境的温湿度条件较为敏感，宜于高温养护。,c.抗淡水、海水和硫酸盐侵蚀能力较强，宜用于地下、水工和海港工程。,d.水化热较低，尤其早期放热量少，适用于水库大坝等大体积混凝土工程。,e抗冻性差,f抗碳化性差,（2）三种水泥的特性,A矿渣水泥,矿渣水泥的标准稠度用水量较大，保水性较差，与水拌和时易泌水，水泥石内部易形成毛细管通道或粗大孔隙，因此矿渣水泥具有一定的耐热性，但抗渗性差且干缩性较大，因此，矿渣水泥适用于耐热混凝土工程，不适用于有抗渗要求的的混凝土工程。,B火山灰水泥,火山灰水泥的需水量和泌水性与所掺混合材的种类关系甚大。火山灰水泥保水性高、泌水性降低；火山灰水泥硬化后结构致密，抗渗性好，但收缩变形大，因此，火山灰水泥不宜用于干燥地区，宜用于地下或水下工程，特别是用于需要抗渗、抗淡水或抗硫酸盐侵蚀的工程，,C粉煤灰水泥,粉煤灰水泥的需水量小，干缩性小，抗裂性较好配制成的混凝土和易性好，水泥石内部结构较致密，抗渗性较好，但保水性差、泌水性大。,六复合硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥（简称复合水泥，代号PC）：由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。混合材料总掺量为20且50。,复合水泥的特性取决于其所掺两种混合材的种类、掺量及相对比例；其特性与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥有不同程度的相似，但复合水泥具有更好的使用效果，早期强度较高，与硅酸盐水泥相近。,第三节其他品种水泥,一铝酸盐水泥,铝酸盐水泥（代号CA）是以矾土和石灰石作为原料，按适当比例配合进行烧结或熔融，得到一铝酸钙为主要成分的熟料，再经粉磨而成。,1铝酸盐水泥的组成,(1)化学组成,与硅酸盐水泥相比，铝酸盐水泥CaO和SiO2含量低，Al2O3含量高。,(2)矿物组成,表：铝酸盐水泥的矿物组成及特性,2铝酸盐水泥的特性,(1)铝酸盐水泥的水化硬化过程,1530时，其主要水化产物是水化铝酸三钙C3AH6和AH3。,铝酸一钙水化产物,呈板块状或针状的水化产物CAH10、C2AH8晶体互相交错攀附重叠结合形成结晶连生体骨架，AH3凝胶填充于晶体骨架的空隙，形成比较致密的结构，使水泥石有较高的强度。,在水化57d后，水化产物的数量就很少增加，因此铝酸盐水泥硬化初期强度增长很快，以后强度增加则不显著。,在自然条件下，铝酸盐水泥石的强度倒缩，其长期强度下降，并达到最低值。因为随着时间的推移，亚稳相CAH10和C2AH8会逐渐转化为强度较低的稳定相C3AH6，结果使固相体积减缩并析出游离水分，水泥石孔隙率增大。,(2)铝酸盐水泥的品质要求（铝酸盐水泥(GB201-2000)）,（3）铝酸盐水泥性能和应用,A快凝早强，适用于紧急抢修工程。,B水化热大且放热量集中，不宜用于大体积混疑土工程。,C铝酸盐水泥的标准用水量不大且水化时需要较多结合水，故硬化后有较高密实度。,D耐热性好，可作为耐热混凝土的胶结材，配制1300以下的耐热混凝土。,E30以上的潮湿环境易导致水化产物的晶型转变，引起强度下降，因此铝酸盐水泥制品不宜蒸养和在高温季节施工，也不宜用于长期承载结构。,F.铝酸盐水泥抗硫酸盐及抗海水侵蚀性能良好，同时具有一定的抵抗弱酸侵蚀能力，但对浓酸及碱溶液的耐蚀性差。,G与硅酸盐水泥或石灰相混会产生闪凝现象，且产生膨胀开裂，施工时应避免。,二硫铝酸盐水泥,将铝质原料和石灰质原料适当配合，煅烧成以无水硫铝酸钙矿物为主的熟料，掺适量石膏共同磨细，即可制得硫铝酸盐水泥。,1水泥组成,2水泥特性及应用,（1）硫铝酸盐水泥凝结时间较快，早期强度高发展快，后期强度发展缓慢，但不倒缩。可用于抢修工程、冬季施工工程、地下工程、配制膨胀水泥和自应力水泥。,（2）在空气中收缩小，水泥石抗冻和抗渗性能良好。水泥石致密度高，抗硫酸盐性良好。,（3）硫铝酸盐水泥因水泥液相碱度小，可用于配制玻璃纤维砂浆，同时适用手堵漏工程和预制件拼装接头等。,三氟铝酸盐水泥,氟铝酸盐水泥是以铝质原料、石灰质原料、萤石（或再加石膏）经适当配合，煅烧成以氟铝酸钙(C11A7CaF2)起主导作用的熟料，再与石膏一起磨细而成。,1矿物组成及其水化,主要是C3S，早强矿物C11A7CaF2，此外还尚有部分C2S和少量的C4AF，CaS，游离石灰和游离石膏。,C3S,C-S-H凝胶和Ca(OH)2,C2S,C11A7CaF2水化铝酸钙,单硫型水化硫铝酸钙,钙矾石和氢氧化铝凝胶,2基本性能和应用,（1）氟铝酸盐水泥的凝结时间很快，可制成铸造业用的型砂水泥和锚喷用的喷射水泥，特别适用于雨天快速施工、抢修堵漏和水中工程，也可用于制作钢筋混凝土预制件等。,（3）具有小时强度，520min就可硬化，23h后抗压强度即可达20MPa。,（4）具有良好的抗化学侵蚀性。,（2）不仅早强高，而且后强稳定。,普通硅酸盐水泥在空气中硬化，通常表现为收缩，而膨胀水泥和水混和硬化后，体积不但不收缩反而有所膨胀。,四膨胀水泥,1膨胀水泥的组成,（1）膨胀组分,膨胀组分在水化初期生成具有膨胀性的水化物，在未加限制的情况下，使水泥石或混凝土产生显著的膨胀。,制作膨胀水泥时，广泛应用形成钙矾石的组分为膨胀组分。,（2）强度组分,有三种类型：硅酸盐水泥熟料，高铝水泥熟料，硫铝酸盐水泥熟料。,基本要求：有适当的膨胀值，有高的强度及增长率。,2用途,（1）配制收缩补偿混凝土，以防止混凝土收缩裂缝以及防止混凝土构件最初尺寸变化的场合。主要用于制造混凝土构件、堵漏工程、修补工程、大型机械基座固定等。,（2）配制自应力混凝土，主要用于制造管子、墙板、楼板、屋面板等需要低预应力值的构件。,五白色和彩色硅酸盐水泥,（1）白色硅酸盐水泥,白色硅酸盐水泥（简称白水泥）是由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。其主要矿物成分是硅酸盐，只是水泥中着色氧化物的含量极少。,（2）彩色硅酸盐水泥,凡由硅酸盐水泥熟料及适量石膏（或白水泥）、混合材及着色剂磨细或混合制成的带有色彩的水硬性胶凝材料称为彩色硅酸盐水泥。,（3）应用,白色和彩色硅酸盐水泥主要用于建筑物的内外装饰工程，常用于配制各类彩色水泥浆、砂浆和混凝土，用以制造各种水磨石、水刷石等饰面和装饰部件等制品。,第四章混凝土,第一节概论,一定义及分类,1.定义,混凝土是由胶结材料将粗、细骨料及其他材料，按适当比例配制经硬化而成的具有所需形体、强度和其他性能的固体复合材料。,2.分类,（1）按所用胶结材料分类,水泥混凝土、沥青混凝土、硅酸盐混凝土、聚合物水泥混凝土、水玻璃混凝土、石膏混凝土、硫磺混凝土等。,（2）按表观密度大小分类,（3）按生产和施工工艺分类,泵送混凝土、喷射混凝土、真空脱水混凝土、碾压混凝土、压力灌浆混凝土、预拌混凝土等。,（4）按功能及用途分类,结构混凝土、防水混凝土、防射线混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐火混凝土、大体积混凝土、补偿收缩混凝土、水下浇筑混凝土等。,（5）按掺合料类型分类,粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土、纤维混凝土等多种。,（6）按抗压强度大小分类,低强混凝土：抗压强度小于30MPa,中强混凝土：抗压强度3060MPa,高强混凝土：抗压强度60MPa,超高强混凝土：抗压强度大于l00MPa,（7）按每立方米水泥用量分类,贫混凝土：水泥用量不超过170kg富混凝土：水泥用量不小于230kg,二混凝土的特点,(1)原材料来源广泛，造价低廉，能耗少；,(2)可调整性强。可根据使用性能要求，通过改变混凝土组成成分及其数量比例，配制出具有不同物理力学性能的产品；,(3)易于加工成型。,(4)表面可做成各种花饰，具有一定的装饰效果；,(5)与钢筋匹配性好。,(6)可浇筑成整体建筑物以提高抗震性，也可预制成各种构件再行装配；,(7)经久耐用，维修费用低。,(8)缺点是自重大，比强度小，抗拉强度低，变形能力差，易开裂和脆性大,(1)各组成材料经拌和后形成的拌合物应具有一定的和易性。(2)混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度。(3)硬化后的混凝土应具有适应其所处环境的耐久性。(4)经济合理，在保证质量前提下，节约造价。,三混凝土的基本要求,本章的主要内容和具体要求：,1.掌握普通混凝土组成材料的品种、技术要求及选用；2.熟练掌握混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法；3.熟练掌握硬化混凝土的力学性质、变形性质和耐久性质及其影响因素；4.熟练掌握普通混凝土的配合比设计方法（难点）；5.了解混凝土技术的新进展及发展趋势,第二节普通混凝土的组成材料,普通混凝土（简称混凝土）是以水泥为胶结材料；以天然砂、石为骨料加水拌合，经过浇筑成型、凝结硬化形成的固体材料。,一、水泥,1水泥品种的选择,配制混凝土时，应根据工程性质、部位、施工条件、环境状况等，按各品种水泥的特性合理选择水泥的品种。,2水泥强度等级的选择,水泥强度等级的选择，应与混凝土的设计强度等级相适应。一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.52.0倍为宜。,用低强度等级的水泥配制高强度等级混凝土，不经济且会对混凝土产生不利影响,用高强度等级的水泥配制低强度等级混凝土，可能影响耐久性能或不经济。,二、骨料,细骨料,粗骨料,天然砂：河砂、海砂和山砂,人工砂：岩石经机械破碎、筛分而成,混合砂：天然砂与人工砂按一定比例混合而成,人工碎石：天然岩石或大卵石经破碎筛分得到,天然卵石,骨料为颗粒状材料，一般占混凝土总体积的70%80%,骨料,公称粒径大于5mm,1含泥量、泥块含量和石粉含量,砂、石中的含泥量：,泥块含量,指公称粒径大于1.25mm、经水洗、手捏后变成小于630m的颗粒的含量；,在砂中：,指公称粒径大于5mm、经水洗、手捏后变成小于2.5mm的颗粒的含量。,在石中：,石粉含量：,指人工砂中公称粒径小于80m，且其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒含量。,指骨料中公称粒径小于80m颗粒的含量。,必须严加限制砂、石中泥和泥块含量,2有害物质含量,有抗冻、抗渗要求的混凝土用砂中云母含量不应大于1.0%。,混凝土用砂、石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、炉渣、煤块等杂物。,骨料中的有害物质：妨碍水泥水化的有机物、易解理的云母、强度极低的轻物质、导致混凝土膨胀开裂的硫化物、硫酸盐，易使钢筋锈蚀的氯盐。,钢筋混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.06%；预应力钢筋混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.02%,2019/12/12,144,可编辑,3坚固性,骨料的坚固性是指骨料子自然风化和其他物理、化学因素作用下，抵抗破裂的能力。,骨料密实、强度高、吸水率小时，其坚固性好；而结构疏松、矿物成分复杂、构造不均匀，其坚固性差。,骨料的坚固性用硫酸钠饱和溶液浸泡法检验，试样经5次循环后测量其质量损失率。,4碱活性,砂、石中若含有活性氧化硅，会与水泥中的碱发生碱-骨料反应，在骨料表面生成膨胀性的凝胶体物质而导致混凝土开裂。,5级配和粗细程度,砂、石的级配指砂、石中不同粒径颗粒的分布情况。,图：砂、石中颗粒级配示意,a,b,c,良好的级配应当能使砂、石的空隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量较少，而且还可以提高混凝土的密实度、强度及其他性能。,砂、石的粗细程度指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。,相同的水泥浆量，包裹在大粒径砂、石表面的水泥浆层就厚。,相同重量的砂、石，粒径小，总表面积大；粒径大，总表面积小。,(1)砂的颗粒级配和粗细程度,筛分试验：筛孔的公称直径为5.00mm，2.50mm，1.25mm，630m，315m，160m的一套方孔筛。500g干砂由粗到细依次过筛；称留在各筛上的砂重（筛余量）mi；计算各筛的分计筛余百分率ai=mi/m；计算累计筛余百分率Ai；（i=1，2，3，4，5，6，m为总的砂重）,表：累计筛余与分计筛余的关系,砂按630m筛孔的累计筛余百分率计，分成三个级配区,任意一组累计筛余(A1A6)则表征了一个级配。,根据砂样630m筛孔的累计筛余百分率值判断该砂属于哪个级配区；,砂的实际颗粒级配与表中的累计筛余百分率相比；,除5.00mm和0.630mm筛号外，其他筛上的累计筛余百分率值允许稍有超出分区界线，但超出的总量百分率不应大于5%；,普通混凝土用砂的颗粒级配处在表中所示的任何一个级配区，则符合级配要求。,筛分曲线：以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，根据表4-7的规定数值画出砂的I，三个级配区上下限。,筛分曲线偏向右下方时，砂较粗；偏向左上方时，砂较细。配制混凝土时宜优先选用区砂；当采用I区砂时，应提高砂率并保持足够的水泥用量；当采用区砂时，宜适当降低砂率。,砂的粗细程度用细度模数(Mx)：,细度模数越大，表示砂越粗。,普通混凝土用砂的细度模数一般为3.71.6，Mx=3.73.1为粗砂，Mx=3.02.3为中砂，Mx=2.21.6为细砂。,配制混凝土时宜优先选Mx在3.02.3的中砂。,砂的细度模数并不能反映其级配的优劣，细度模数相同的砂，级配可以很不耦同。所以，配制混凝土时必须同时考虑砂的颗粒级配和细度模数。,(2)石的颗粒级配和最大粒径,筛分试验：一套方孔筛，筛孔的公称直径为2.50mm，5.00mm，10.0mm，16.0mm，20.0mm，25.0mm，31.5mm，40.0mm，50.0mm，63.0mm，80.0mm，100mm共12个筛子，计算每个筛号的分计筛余百分率和累计筛余百分率。,连续粒级：,石的级配,单粒级：,颗粒由小到大，每级石子占一定比例。配制的混凝土混合料，和易性较好，不易发生离析现象。,人为地剔除骨料中某些粒级颗粒，使骨料级配不连续，以降低石子的空隙率。配制混凝土，可以节约水泥。但容易产生离析现象，导致施工困难。,粗骨料的最大粒径限制,粗骨料中公称直径的上限称为该骨料的最大粒径。,经济性：当骨料粒径增大时，表面积减小，水泥用量减少。所以若条件许可，Dmax应尽量大些。,结构限制,Dmax结构截面最小尺寸的1/4，同时钢筋间最小净距的3/4；,Dmax板厚的1/2，且50mm,施工限制：Dmax过大，搅拌、运输以及振捣时易产生离析或损坏叶片、堵塞泵管或振捣不实。,6骨料的形状和表面特征,骨料的颗粒形状近似球状或立方体形时比较好,对石中针、片状颗粒含量的要限量，由于针、片状颗粒受力时易折断且增加骨料间的空隙。,骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等影响骨料与水泥石之间的黏结性能，进而影响混凝土的强度。骨料表面光滑时，对混凝土流动牲有利，但与水泥石粘结较差。,7强度,碎石：抗压强度和压碎指标值卵石：压碎指标值,强度指标,碎石的抗压强度测定：将其母岩制成边长为50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下测定其极限抗压强度值。一般要求岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5或根据岩石种类确定。,碎石和卵石的压碎指标值测定：将一定量气干状态的粒径1020mm石子装入标准筒内，按规定的加