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道路建筑材料 中州大学工程技术学院土木工程教研室郭艳坤 课题 建筑材料的基本内容及性质 教学目的 了解本课程的学习内容 方法 要求及应要求 重点难点 材料的物理性质 化学性质 力学性质 加工性和耐久性等 绪论 课前介绍 本课程是路桥专业的一门重要的专业基础课 是一门考试课程 本学期要求学习完教材内容 能熟练掌握课堂理论教学内容及试验课的实践内容 成绩评定包括几方面 1 平时考勤 2 期末考试成绩 3 试验操作完成情况 一 本课程的研究内容与任务 一 内容 本课程中主要学习以下几种建筑材料 1 砂石材料 1 天然的 1 块状石料 简称 石料 2 人工轧制的 2 料状石料 简称 集料2 无机结合料及其制品无机结合料 通常分为以下几种 1 石灰 2 水泥 3 石膏 无机结合料制品 1 水泥混凝土 2 半刚性路面材料3 有机结合料及其混合料有机结合料主要指沥青类材料如 石油沥青 煤沥青等 有机结合料混合料 1 沥青混凝土 2 沥青碎石等 3 各种新型沥青混合料4 高分子聚合物材料 主要包括塑料 合成橡胶 合成纤维等 功能 主要用以改善软土地基 水泥混凝土 沥青混合料的性能 5 钢材和木材钢材是桥梁结构及钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构的重要材料 木材较少直接用于修筑桥梁 目前主要用作混凝土工程的拱架和模板 二 课程学习任务 1 论述材料组成 结构 技术性质与它们之间的关系 2 论述材料的检验方法 举例水泥凝结时间测定方法 3 利用测验评定其技术性质 举例水泥对初凝 终凝时间的要求及规范的规定 三 课程学习目的 1 掌握各种材料的技术性能 包括 力学性质 物理性质 化学性质及工艺性质等 2 选择 鉴定材料能够结合工程实际情况 合理地选择材料 如水泥混凝土组成材料的选择 沥青混合料对组成材料的选择及鉴别与评定 3 能正确使用材料 如石灰的消化 水泥应用贮存等 二 建筑材料应具备的工程性质1 力学性质各种强度指标及耐磨 抗变形指标 如 水泥混凝土的抗压 抗折强度 沥青混合料的稳定度 流值 石料的磨耗度等 2 物理性质 1 物质指标 如材料的密度 孔隙率 含水量 2 温度稳定性 如沥青软化点 脆点等 3 水稳定性等 如沥青混合料的残留稳定度等 3 化学性质各种材料的化学成分及其变化规律 如 水泥的各种成分与自然界之间的变化 沥青的化学成分及其变化规律 4 工艺性质 混凝土的流动性材料四个性质之间是相互制约 相互联系的 三 建筑材料与路桥工程的关系1 材料是工程结构物的物质基础 其中材料质量的好坏直接决定着工程质量的等级 2 材料与工程造价之间的密切关系工程建筑材料占工程造价的60 至70 甚至80 因此 如何合理地降低造价 节省开支 均与建筑材料之间有着密不可分的关系 3 新材料与新结构 新工艺之间的关系 四 道路建筑材料的检验方法和技术标准 一 检验方法 室内 室外及模拟试验方法 二 检验内容 包括四个方面1 物理性质试验 2 力学性质试验 3 化学性质试验 4 工艺性质试验 三 质量检验的标准化与技术标准目前我国建筑材料的标准分为 国家标准 行业标准 地方标准和企业标准四个等级 其中 GB 指国家标准JTJ 交通部门基本建设方面的规范JC 建材行业标准SH 石油化工行业标准五 本课程的要求本课程为考试课 建筑材料课在本专业中的位置 是路桥专业的重点课程之一 第一章砂石材料 课题 石材的技术性质和技术要求教学目的 了解砂石材料的类别 石料的技术性质及其应用重点难点 石料的物理性质 力学性质 第一节砂石材料的技术性质概述 砂石材料按形状分类1 块状石料 简称石料如块石 片石等 2 粒状石料 简称集料集料又按大小分为 粗集料 如碎石 卵石细集料 如砂 石屑砂石材料按来源分类1 天然石料2 人工轧制的集料3 工业冶金矿渣 一 石料的技术性质1 物理性质 包括物理常数 吸水性和耐久性等 1 物理常数 真密度 是石料在规定条件下 烘干石料矿质单位体积的质量 用 t表示 则 因固测定方法 李氏比重瓶法测定 将石料磨细至全部过0 25mm的筛孔 然后将其装入比重瓶中 利用已知比重的液体置换石料的体积 毛体积密度测定方法 用静水称量法 亦可用蜡封法测定 孔隙率2 吸水性 指石料在规定条件下吸水的能力 1 吸水率 20 2 和大气压状态下 吸水质量的百分率 2 饱水率 真空条件下 吸水质量的百分率饱水系数当sr 90 时 抗冻性较差 通常认为在常压下测定的吸水率 此时水分只充填部分孔隙 而当石料开口孔隙内部空气被排空时 水分几乎充满开口孔隙的全部体积 3 耐久性 目前主要考虑抗冻性 常用抗冻性标号表示 试验通常采用直接冻融法 试件在饱水状态下 在 15 时冻结4h后 放入20 5 水中融解4h 为一次冻融循环 如此反复直到规定次数为止 2 力学性质1 单轴抗压强度试验条件要求 试件形状 尺寸 吸水饱和 加荷速度等 2 磨耗性 指石料抵抗撞击 边缘剪力和磨擦等联合作用的性质 洛杉矶式磨耗试验Y标准方法5kg石料 12个5kg的钢球磨500转测定过2mm或1 6mm 方筛 的筛余质量 狄法尔法磨耗试验代用方法用100块50 70mm的试件分两份 每份磨10000转 两种方法相比较 显然洛杉矶法具有省时 省工 石料按一定规格组成等优点 故能全面反映石料的磨耗性 3 化学性质按SiO2含量 将石料划分为 酸性岩SiO2 65 中性岩52 SiO2O65 碱性岩SiO2 52 2 石料的技术要求1 路用石料的技术分级 分4级 级 最坚强的岩石 级 坚强的岩石 级 中等坚强的岩石 级 较软的岩石2 路用石料的技术标准 一 道路用石料制品1 高级铺砌用整齐块石 经精凿加工而成 2 路面铺砌用整齐块石 粗凿成的方块石或条石 3 铺砌用不整齐块石 又称拳石 要求顶面为一平面 底面与顶面基本平行 4 锥形块石 又称大块石 用于路面底基层 是由片石进一步加工而得的粗打石料 二 道路和桥涵用石料制品 二 桥梁建筑用主要石料制品1 片石 粗打石料 其形状不限制 但薄片者不得使用 2 块石 有两个较大的平行面3 方块石 在块石中选择形状比较整齐者稍加修整 4 粗料石 表面凹凸不大于10mm 砌缝宽度小于20mm 5 细料石 表面凹凸不大于5mm 砌缝宽度小于15mm 6 镶面石 一般应选用较好的石料 课后小结 天然砂石材料在地表分布广泛 物理 力学性质好 在工程中被广泛应用 石料的技术性质和技术要求是本次课的重点内容 三 集料的技术性质 课题 细集粒的技术性质教学目的 了解细集料的各项技术性质及测定方法重点难点 细集料的级配 表观密度及装填密度 工程上以粒径的大小为界 通常将集料分粗集料及细集料 其中在沥青混合料中 以2 36mm为界 在水泥混凝土中以5mm为界 一 细集料的技术性质定义 在沥青混合料中 指粒径小于2 36mm天然砂 人工砂及石屑 在水泥混凝土中 指粒径小于4 75mm的天然砂 人工砂 分类 1 天然砂 由岩石在自然条件下风化形成的 天然砂通常包括以下几种类型 1 河砂 性质较好 多用 2 山砂 含泥量及有机杂质多 3 海砂 混有贝壳和盐分等有害杂质 2 人工砂 由岩石轧碎而成的颗粒 表面有棱角 较洁净 但价格较高 无特殊情况多不采用 上述几种细集料中 一般工程上多使用河砂 1 物理性质集料的质量与体积的关系见图所示 图中 m 集料的总质量 g m0 集料中矿质实体质量 g ms 集料中孔隙及空隙部分的质量 g V 集料的总体积 cm Vs 集料中矿质实体的体积 cm Vn 集料中闭口孔隙的体积 cm Vi 集料中开口孔隙的体积 cm Vv 集料中空隙的体积 cm V0 集料中孔隙的体积 cm 2 级配用筛分法测定砂的级配标准筛 52 51 250 630 3150 16mm 圆孔 4 752 361 18 0 6 0 30 15mm 方孔 筛分后 计算相关参数如下 1 分计筛余百分率 各号筛上的筛余量除以试样总质量 M 的百分率 准确至0 1 2 累计筛余百分率 3 通过百分率 振筛机 3 粗度 水泥混凝土用砂 沥青路面及各种路面的基层 底层用砂 砂的粗度分类为粗砂为中砂为细砂 课后小结 细集料主要指砂 它广泛应用于水泥混凝土及沥青混合料中 学生必须掌握好其各项技术指标 测定方法及技术标准 从而达到保证材料质量的目的 二 粗集料的技术性质 课题 粗集粒的技术性质教学目的 了解粗集料的物理 力学性质的含义及测定 评价方法重点难点 粗集料的表观密度 堆积密度及筛分试验 三 集料的技术性质 二 粗集料的技术性质1 物理性质 粗集料内部结构特征与细集料的一致 故其质量与体积之间的关系图与细集料的一致 下列各符号的含义亦与细集料的相同 1 物理常数 1 表观密度用吊篮法测定 1 试样取料量由集料最大粒径确定2 须做两次平行试验3 平行试验容许误差为0 02g m34 试样须浸水24h 2 毛体积密度 3 松方密度堆积密度振实密度 用于水泥混凝土捣实密度 用于沥青混合料 4 空隙率 2 级配 1 筛分试验标准及取样量 2 筛分试样须备两份 水洗法 混凝土可省去水洗法 干筛法 3 必须除去超粒径部分颗粒后 再进行筛分试验 4 有关参数计算 通过0 075筛孔的集料含量 分计筛余百分率 累计筛余百分率 碎石标准筛 通过百分率3 坚固性用Na2SO4溶液干湿循环5次后 测定试样质量损失 2 力学性质 压碎值 磨耗度 抗滑表层三项指标1 粗集料压碎值 沥青路面 取试样 粒径13 2mm 16mm 质量3kg 在400kN的压力下 持续加压10min后 将试样过2 36mm筛 称其筛余质量 压碎指标仪 混凝土路面 取试样 粒径10mm 20mm 质量2 5kg 在3 5min内加压至200kN 保持5s 将试样过2 5mm筛 称其筛余质量 压碎值计算公式如下 式中 压碎值m0 试样总质量m1 试样筛余质量 2 粗集料磨光值测定方法 先将试样磨光 再测定摆值 经换算后得磨光值PSV要求 一级公路 高速公路PSV 42其它公路PSV 353 粗集料的冲击值AIV测定方法 将9 5 13 2mm的试样 分三层装入试模 用13 75kg的锤 自380mm处自由落下 连续冲击15次后 过2 36mm的筛 用下式计算冲击值AIV 式中 AIV 集料冲击值m1 试样过筛质量m 试样总质量4 集料磨耗值AAV测定方法 用集料按一定的方法排列并固定 用磨耗仪磨500圈 用下式计算集料磨耗值 式中 AAV 集料的磨耗值 m1 磨耗前试样总质量 g m2 磨耗后试样总质量 g 集料饱和面干密度 g cm3 课后小结 粗集料主要指碎石 它广泛应用于水泥混凝土及沥青混合料中 学生必须掌握好其各项技术指标 测定方法及技术标准 从而达到保证材料质量的目的 第二节矿质混合料的组成设计 课题 矿质混合料的组成设计教学目的 了解矿质混合料的组成设计原理及设计方法重点难点 图解法及级配曲线的绘制 第二节矿质混合料的组成设计 概述矿质混合料颗粒级配应满足的基本要求 1 最小空隙率 即使不同粒径的各级矿质集料按一定的比例搭配后 应有最大密实度 2 最大磨擦力 各级矿质集料在进行比例搭配时 应使各级集料排列紧密 形成一个多级空间骨架结构 且具有最大的摩擦力 矿质混合料组成设计内容 1 级配理论和级配范围的确定2 基本组成的设计方法 一 矿质混合料的级配理论 一 级配类型先讲级配曲线1 连续级配是采用标准筛对某一混合料进行筛分试验 所得级配曲线平顺圆滑 具有连续性 2 间断级配是在矿质混合料中剔除其中一个分级或几个分级而形成的不连续的混合料 二 级配理论 最大密实度曲线理论Y连续级配 粒子干涉理论Y连续 间断级配1 富勒理论2 泰波理论通常取n 0 3 0 6 3 我国简化公式一般取i 0 7 0 8x为级数当d D时 x 1当d 1 2D时 x 2当d 1 4D时 x 34 魏矛斯粒子干涉理论 二 级配曲线范围的绘制必须采用半对数坐标即横坐标用对数坐标建立对数坐标的方法 1 先求出各颗粒粒径的对数2 求出各颗粒粒径间的对数间距 并计算出各颗粒对数间距的总和 3 求出间距系数K4 选定横坐标长度 各颗粒间距5 计算出各颗粒粒径在横坐标上的位置6 确定横坐标 以Pi为纵横坐标 即为对数坐标7 建立好坐标后 画级配范围 三 矿质混合料的组成设计方法设计依据 各种集料的筛分结果 按规范要求的级配范围即标准级配1 试算法因目前工程单位用的较多的是图解法 故试算法由学生自习 2 图解法又称修正平衡面积法 是目前工程单位用的较多的一种方法 步骤 绘制级配曲线图 确定各种集料的用量比例 两线相叠 两线相接 两线相离 校核及调整 课后小结 矿质混合料级配的好坏 直接地影响着水泥混凝土或沥青混合料的技术性质 因此学生必须掌握矿料的级配理论及设计方法 图解法是本次课的重点 课题 无机胶凝材料教学目的 了解石灰 石膏等常用无机气硬胶凝材料重点难点 石灰 石膏的技术性质和用途 第二章无机胶凝材料 概述定义 能够通过自身的物理化学作用 从浆体变成坚硬的固体 并能把散粒或块块材料胶结成为一个整体的材料 称为胶凝材料 分类1 按化学成分 有机胶凝材料 如沥青类 橡胶类等 无机胶凝材料 如石灰 石膏 水泥等 2 无机胶凝材料按硬化条件 气硬性胶凝材料 只能在大气中硬化 并且只能在大气中保持一定的强度 如石灰 石膏 水硬性胶凝材料 既能用在大气中 又能用在水中的胶凝材料 典型的代表是水泥 第一节石灰 一 石灰的生产工艺概述主要原料 石灰石 其主要化学成分CaCO3MgCO3以及杂质生产过程 CaCO3在1000 下加热生成CaO和CO2生石灰分类1 优质生石灰 洁白或带灰色 密度轻 一般800 1000kg m32 过火石灰 水化速度慢 体积膨化 产生 崩裂 现象 过火石灰表面有裂缝或玻璃状的外壳 体积收缩明显 颜色呈灰黑色 密度大3 欠火石灰 含有未烧透的内核 效率低 粘结力差 颜色呈深灰色 二 石灰的熟化 消化 和硬化1 熟化过程CaO H2OCa OH 2 64 9KJ mol熟化过程应注意加水量 安全 烧伤 烫伤等2 有关陈伏的概念石料熟化后 必须在隔绝空气的条件下 放置两个星期以上的时间 方可使用 这个过程叫做陈伏 石灰陈伏的目的是为了消除过火石灰的危害 3 加水量不同 将会得到不同的熟石灰熟石灰粉 加水适量 消化不结团石灰膏 加水量较多 熟石灰呈半固态 石灰乳 加水量更多一些 熟石灰呈流态 4 将生石灰磨细成生石灰粉 则可不必预先熟化 陈状 可直接使用 可节约场地 改善施工环境 但成本高 存期不能过长 石灰的硬化1 干燥硬化 结晶硬化 石灰中水分不断挥发 形成熟石灰结晶 在该过程中 石灰强度增长不明显 2 碳化硬化Ca OH 2 CO2 nH2OCaCO3 n 1 H2O该反应必须有水分存在时才能进行 且反应速度缓慢 三 石灰的技术要求和技术标准 一 技术要求1 有效CaO和MgO的含量2 生石灰产浆量和未消化颗粒含量3 二氧化碳 CO2 含量即未分解的CaCO3的含量4 消石灰粉游离水含量游离水可使石灰碳化 从而影响质量5 细度用0 9mm及0 125mm的筛进行筛分试验 测定筛余量 二 石灰的技术标准见教材中表2 1 2 2 2 3 2 4四 石灰的应用及储存 一 石灰的特点1 可塑性好2 强度低28d的强度只有0 2 0 5mpa3 耐水性差因Ca OH 2易溶于水4 体积收缩大水分挥发 体积收缩 故石灰一般不宜单独使用 必须掺入骨料 如砂 或纤维材料等 起到抗收缩开裂的作用 二 石灰的应用1 制作石灰乳作用室内粉刷涂料2 配制砂浆一般不用消石灰粉3 配制灰土或三合土 是良好的建筑物基础和道路热层 三 石灰的储存1 防潮 不同易燃物品混存 混运2 如需要较长时间贮存生石灰 则应将其消化后存放 并使表面隔绝空气 以防碳化 课后小结 石灰及石膏均是无机结合料 属气硬性材料 只能用于大气中 而不能用于水中 课题 水泥教学目的 了解水泥的常见品种 水泥生产制造过程及主要矿物成分重点难点 水泥的主要矿物成分特征及其对水泥技术性质的影响 第二节水泥 水泥概述1 水泥历史不长 只100多年的历史 但发展十分迅猛 2 水泥品种1 按化学成分为 硅酸盐类水泥有六大类 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 铝酸盐类水泥 无熟料 少熟料 类水泥 2 按用途分为 普通水泥 特殊水泥目前 在道路工程中 仍以硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥为主 故本节着重介绍这两个品种的水泥 此外 由于道路路面对水泥的特殊要求 近年来已生产了道路水泥 特殊水泥是为了满足一些特殊工程所生产的水泥 如 快硬水泥 早强水泥 膨胀水泥等 一 硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 0 5 的石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 即国外的波特兰水泥Portlandcement分为不掺混合材料P I和掺不超过5 混合材料P II 一 硅酸盐水泥生产工艺概述1 生产原料石灰质原料提供CaO粘土质原料提供SiO2Al2O3Fe2O3等校正材料一般为铁矿 用来补充原材料中铁质的不足 2 生产工艺 按比例配生料并磨细将以上三种原材料按一定的比例配好 并并磨细制成生产水泥的生料 窑中煅烧至1450 C 形成熟料 在高温煅烧过程中 原材料之间发生化学反应 生成各种有用物质 尤其是1450 C时最关键 它是水泥中最重要的成分硅酸三钙生成的温度 加入石膏磨细制成水泥 即 两磨一烧 二 硅酸盐水泥的化学成分与矿物组成1 硅酸盐水泥的矿物组成 原料 矿物组成 石灰质CaO3CaOSiO2C3S粘土质SiO22CaOSiO2C2SAl2O33CaOAl2O3C3AFe2O34CaOAl2O3Fe2O3C4AF 2 水泥熟料主要矿物组成的性质C3S是主要成分 含量50 左右 水化速度快 水化热高 且早期强度高 水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用 C2S含量15 37 水化速度慢 水化热低 早期强度低 后期强度高 耐化学侵蚀性和干缩性较好 C3A含量在15 以下 水化速度最快 水化热最高 耐化学侵蚀性差 干缩性大 C4AF含量10 18 水化速度较快 水化热较高 强度低 但对于抗折强度起重要作用 耐化学侵蚀性好 干缩性小 3 水泥熟料主要成分特性比较 由高至低排列 1 反应速度C3AC3SC4AFC2S2 释热量C3AC3SC4AFC2S3 强度C3SC2SC3A不高C4AF对抗强度有利4 耐侵蚀性C4AFC2SC3SC3A 5 干缩性C3A最大C3S居中C4AFC2S最小4 矿物组成对水泥性能的影响不同的矿物成分 表现出不同的特性 水泥是由多种矿物成分组成的 改变各种矿物成分的含量比例以及它们之间的匹配 则可以生产出性能各异的水泥 如 大坝水泥 降低C3AC3S的含量 提高C2S的含量 水化热低 道路水泥 提高C3S和C4AF的含量 较高抗折强度 高强水泥 提高C3S的含量 课后小结 水泥的发展历史只有100多年 但是由于其自身的良好工程性质 因而被普遍地应用于种类建筑物中 本次课重点学习水泥的矿物组成 特点及其对水泥的技术性质的影响 课题 水泥之二教学目的 了解水泥凝结 硬化过程水化反应及物理变化重点难点 水化反应的过程对水泥凝结时间的影响 2 2水泥 一 硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥 三 硅酸盐水泥的凝结和硬化概念凝结 水泥加水后成为可塑的水泥浆体 由于水泥的水化作用 水泥逐渐变稠失去流动性和可塑性和未具强度的过程 称为水泥的凝结 硬化 水泥凝结后产生强度 逐渐发展成为坚硬人造石的过程称为水泥的 硬化 1 水泥的水化水泥遇水后 发生下列水化反应 1 硅酸三钙C3S3CaO SiO2 nH2OxCaO SiO2 yH2O 3 x Ca OH 22 硅酸二钙C2S2CaO SiO2 mH2OxCaOSiO2yH2O 2 x Ca OH 2 水化硅酸钙 3 铝酸三钙C3A3CaO Al2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O水化铝酸钙在石膏激发下 发生水化反应3CaO Al2O3 3CaSO4 2H2O 26H2O 石膏 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 三硫型水化硫铝酸钙 AFt 钙矾石 4 铁铝酸四钙C4AF4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2OCaO Al2O3 6H2O 水化铝酸钙 CaO Fe2O3 H2O 水化铁酸钙 在有石膏存在的情况下 继续反应4CaO Al2O3 Fe2O3 3CaSO4 2H2O 26H2O3CaO Al2O3 Fe2O3 3CaSO4 32H2O三硫型水化铁铝酸钙无论是C3A还是C4AF 在水泥中石膏消耗完毕后 水泥中尚未消化的C3A或C4AF将与其三硫型水化物反应 生成单硫化物 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 2 3CaOAl2O3 4H2O3 3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 单硫型水化铝酸钙AFm 单硫型水化硫铝酸钙3CaO Al2O3 Fe2O3 3CaSO4 32H2O 4CaO Al2O3 Fe2O3 nH2O3CaO Al2O3 Fe2O3 CaSO4 12H2O因此 水泥水化后 其主要水化物有六种 列于下表 硅酸盐水泥水化产物的化学组成 水泥浆体由可塑态逐渐失去塑性 进而硬化产生强度 这样一个物理化学过程 可分为四个阶段 1 初始反应期水泥与水接触立即发生水化反应 初期硅酸三钙水化 释放出氢氧化钙 立即溶解于溶液中 浓度达到过饱和后 氢氧化钙结晶析出 暴露在水泥颗粒表面的铝酸三钙溶解于水 并与已溶解的石膏反应 生成钙矾石析出 此阶段1 左右的水泥产生水化 2 诱导期水泥颗粒表面覆盖C S H为主的渗透胶 水化反应慢 水泥颗粒仍然分散 保持塑性 3 凝结期渗透腊破裂 水泥进一步水化 生成大量C S H 水泥颗粒间接触点增多 趋近密实 逐渐失去可塑性 4 硬化期水泥继续水化 且C4AF亦开始水化 孔隙进一步被充填 逐渐产生强度 3 影响水泥凝结 硬化的主要因素1 水灰比对水泥凝结 硬化的影响水灰比越大 水泥凝结 硬化的速度越慢 2 石膏对水泥凝结 硬化的影响水泥中加入适量的石膏 起到缓凝的作用 提高了水泥的应用性能 过量的石膏将会与水化铝酸钙反应 生成过多的水化硫铝酸钙 引起水泥石结构破坏 3 温度 湿度对水泥凝结 硬化的影响水泥水化必须在一定的温度与湿度下才能进行 当温度低于零度时 水泥水化不再进行 并且结构亦因水的结冰 体积膨胀而引起水泥结构破坏 4 水泥的龄期与强度的关系早期增长快 后期增长慢3 7d强度发展快4周后显著减慢 课题 水泥的技术性质与标准教学目的 了解硅酸盐水泥的各项技术性质及其含义 标准要求重点难点 各性质的测定方法及要求 一 硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥 四 硅酸盐水泥的技术性质和技术标准1 技术性质1 化学性质 氧化镁的含量 指水泥中游离的MgO含量 其水化反应速度慢 体积膨胀 引起水泥体积不安定 规定不大于5 0 三氧化硫酸含量过多时 亦引起体积膨胀 不安定 规定不大于3 5 烧失量由于受潮或煅烧不佳引起的 要求P I不大于3 0 P II不大于3 5 不溶物用盐酸溶解后的不溶残渣 规定P I0 75 P II1 50 2 物理性质 细度 指水泥颗粒的粗细程度 细度对水泥的影响 越细则凝结快 早期强度高 过细 则干缩性大 测定方法 1 筛析法 负压筛 水筛 适用于其它几种水泥 以负压筛法为准 2 比表面积法 适用于硅酸盐水泥 规定 硅酸盐水化比表面积大于300m2 kg 其它几种水泥在80 m方孔筛筛余量百分比表示 不大于10 水泥负压筛析仪 现行国家标准 GB T1346 2001 规定 以标准法维卡仪的试杆沉入净浆距底板的距离为6mm 1mm时的水泥浆的稠度作为标准稠度 水泥净浆达到标准稠度时所需拌和水量称为标准稠度用水量 达到标准稠度时的用水质量占水泥质量百分比 计算公式如下 式中 mw 水泥达到标准稠度时的用水量 g mc 水泥质量 g 测定方法 1 标准法试杆法 试杆沉至距底板6mm 1mm2 代用法 a 固定水量法b 调整水量法s 28mm 2mm即测定水泥的锥入深度达到要求时的水质量 水泥标准稠度用水量在测定水泥的凝结时间和安定性时 为使其测定结果具有可比性 必须采用标准稠度的水泥净浆进行测定 凝结时间定义 水泥从加水到失去可塑性所需的时间 其测定方法只有标准方法 没在代用方法 分为1 初凝时间试针沉入距底板 4mm 1mm2 终凝时间试针沉入试样 0 5mm凝结时间对公路施工的影响 初凝不能太快 终凝不能太慢 凝结时间以试针沉入水泥标准稠度净浆至一定深度所需时间表示 现行国家标准 GB T1346 2001 规定 将标准稠度的水泥净浆装入凝结时间测定仪的试模中 以标准试针 分初凝用试针和终凝用试针 测试 标准法维卡仪 初凝试针 终凝试针 当初凝试针沉至距底板4mm 1mm时 为水泥达到初凝状态 由水泥加水时至达到初凝状态所经历的时间作为初凝时间 完成初凝时间测定后 将试模连同浆体翻转180 换上终凝试针 终凝针上装有一个环形附件 当试针沉入试体0 5mm时 即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时 为水泥达到终凝状态 由水泥加水时至达到终凝状态所经历的时间作为水泥的终凝时间 水泥的初凝时间不宜过短 终凝时间不宜过长 水泥的初凝时间太短 则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工 水泥的终凝时间过长 则将延长施工进度和模板周转期 我国现行国标 GB175 1999 规定 硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于6 5h 普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于10h 水泥净浆搅拌机 水泥标准稠度及凝结时间测定仪 体积安定性定义 反映水泥浆在凝结 硬化过程中 体积变化的均匀程度 影响因素 三氧化镁含量 三氧化硫含量测定 煮沸法 试饼法 雷氏夹法 国家标准 GB175 1999 规定 硅酸盐水泥的体积安定性用沸煮法检验必须合格 沸煮法分雷氏法 标准法 和试饼法 代用法 两种 雷氏法是将标准稠度的水泥净浆按规定方法装入雷氏夹的环形试模中 湿养24h后测定指针尖端距离 雷氏夹 雷氏夹膨胀测定仪 接着将其放入沸煮箱内 30min内加热至水沸腾 然后恒沸3h 待试件冷却后再测定指针尖端的距离 若沸煮前后指针尖端增加的距离不超过5 0mm 则认为水泥的体积安定性合格 沸煮箱 试饼法是用标准稠度的水泥净浆按规定方法制成规定的试饼 经养护 沸煮后 观察饼的外形变化 如目测试饼无裂纹 用钢直尺检查无弯曲 则认为安定性合格 反之为不合格 雷氏法为标准法 试饼法是代用法 有矛盾时以标准法为准 水泥沸煮箱 雷氏夹 强度重要性 水泥技术要求中最基本的指标 它直接反映了水泥的质量水平和使用价值 影响因素 强度越高 其胶结能力也越大 硅酸盐水泥的强度主要取决于熟料的矿物组成和水泥的细度 此外还与水灰比 试验方法 试验条件 养护龄期等因素有关 我国现行标准 水泥胶砂强度检验方法 ISO法 GB17671 1999 规定 将水泥 标准砂及水按规定的比例 水泥 标准砂 水 1 3 0 5 用规定方法制成40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件 24h之内在温度20 1 相对湿度不低于90 的养护箱或雾室内 24h后在20 1 的水中 下养护 测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度 相对湿度 空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值 水泥胶砂搅拌机 水泥胶砂振实台 水泥胶砂试模 标准养护箱 水泥胶砂抗折机 水泥抗压夹具 电动抗折试验机 压力试验机 水泥强度等级按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分 硅酸盐水泥各龄期强度不低于课本表2 10数值 六个强度等级 水泥型号为提高水泥早期强度 我国现行标准将水泥分为普通型和早强型 或称R型 两个型号 早强型水泥3d的抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10 24 早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50 硅酸盐水泥强度标准 GB175 1999 水泥混凝土路面用水泥 在供应条件允许时 应尽量优先选用早强型水泥 以缩短混凝土养护时间 提早通车 2 技术标准见教材表2 11及相应规定其中规范规定 废品水泥 MgO SO3 初凝 安定性 不合格时不合格品水泥 细度 终凝 不溶物 烧失量及混合料过多 强度过低 课后小结 硅酸盐水泥的各项技术性质主要包括 水泥的化学性质 物理性质及力学性质 其中 水泥标准稠度用水量 凝结时间 安定性及强度等级是本次课的重点内容 教学中除了讲清楚理论知识外 必须结合仪器讲清楚各性能的测定方法 课题 水泥石的腐蚀及防治教学目的 了解常见水泥石的腐蚀原因及防治措施重点难点 水泥内部组成 成分等对水泥腐蚀的影响 一 硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥 五 硅酸盐水泥的腐蚀与防治水泥制品长期处于某些腐蚀性液体或气体介质中 使得水泥石结构遭到破坏 强度降低 甚至整个工程遭到破坏 这种现象称为水泥石腐蚀 1 腐蚀原因 1 淡水的腐蚀 溶析性侵蚀 Ca OH 2溶于水中 不断溶解 导致水化硅酸钙 水化铝酸钙的分解 影响因素 水泥石中氢氧化钙含量的多少 水泥混凝土的密实度 水的软硬程度 2 酸类腐蚀Ca OH 2 2HCl CaCl2 2H2O溶解 Ca OH 2 H2SO4 CaSO4 2H2O结晶膨胀 3 碳酸水的腐蚀Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2 4 盐类腐蚀Ca OH 2 Na2SO4 2H2O CaSO4 2H2O NaOH又与CAH起反应生成CA3HCa OH 2 MgSO4 2H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2无胶凝能力由上可见 水泥腐蚀的内因是水泥中的Ca OH 2和C3AH6 外因是环境中含有腐蚀性介质 2 防治措施 1 合理选用水泥品种 2 提高水泥石的密实度 控制W C 3 敷设耐蚀防护层 五 硅酸盐水泥的应用宜用于 要求早期强度高 冬季施工及严寒地区遭受反复冰冻的工程 不宜用于 大体积混凝土工程 耐热工程 六 硅酸盐水泥的运输和保管储存运输时要防潮 防水 保管时要 1 通风 防潮 2 存期不要超过3个月 过期水泥应重新标号 3 不同标号 不同品种的水泥应分开堆放 七 普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料掺入6 15 混合材料与适量石膏共同磨细生成的水硬性胶凝材料 称为普通水泥 代号PO 强度等级有 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R 共六级 课后小结 水泥是水硬性胶凝材料 被广泛地应用于各个领域的工程建设中 正确认识水泥的腐蚀 有效地采取相应的预防及补救措施 课题 掺混合料的硅酸盐水泥教学目的 了解各种混合料的类型 品种特征及用途重点难点 不同混合水泥之间的区别及选用原理 二 掺混合料的硅酸盐水泥 一 定义 为改善硅酸盐水泥的某些性能 增加水泥品种 扩大水泥使用范围 并达到降低成本 增加产量的目的 可以在硬硅酸盐水泥熟料中掺入适量的混合料 与石膏共同磨细制成的不同品种的硅酸盐水泥 称为掺混合料的硅酸盐水泥 简称混合水泥 二 混合材料的类型1 活性混合料 分为 粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰2 非活性混合料 又称填充性混合材料 如 石英砂 石灰石 粘土等 以及不符合技术要求的粒化高炉矿渣 粉煤灰及火山灰质混合材料 三 混合水泥种类1 矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 代号P S 1 定义及技术性质定义 凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 即为矿渣硅酸盐水泥 技术要求见教材表2 14 2 15所示 2 矿渣水泥的水化 硬化过程1 首先是水泥熟料水化成为水化物2 矿渣再水化如下xCa OH 2 SiO2 mH2O xCaO SiO2 mH2OyCa OH 2 Al2O3 nH2O yCaO Al2O3 nH2O 3 矿渣水泥的性能及应用1 特点A 抗软水及硫酸盐腐蚀能力强B 水化热低C 早期强度低D 耐热性较强E 保水性差 2 火山灰水泥 简称火山灰水泥 代号P P 1 定义及技术性质定义 凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合料 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 即为火山灰质硅酸盐水泥 技术要求见教材表2 14 2 15所示 2 火山灰质水泥的水化 硬化过程与矿渣水泥的相同 首先是水泥熟料水化成为水化物 然后火山灰质再与水泥的水化物起化学反应 3 火山灰质水泥的性能及应用1 火山灰水泥凝结硬化缓慢 早期强度低 后期强度高 2 火山灰水泥具有良好的抗渗性 耐水性及一定的抗腐蚀能力 3 火山灰水泥保水性差 4 火山灰水泥具有较低的水化热 适用于大体积工程 3 粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 代号P F 1 定义及技术性质定义 凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 即为粉煤灰硅酸盐水泥 技术要求见教材表2 14 2 15所示 2 粉煤灰水泥的水化 硬化过程与矿渣水泥相似 首先是水泥熟料水化成为水化物 再由粉煤灰与水泥的水化物发生反应 但这个过程也有不同之处 粉煤 灰的活性组分主要是玻璃体 这种玻璃体比较稳定而且结构致密 不易水化 在Ca OH 2的激发下 经过28d到3个月的水化龄期 才能在玻璃体表面形成水化硅酸钙和水化铝酸钙 3 粉煤灰水泥的性能及应用1 粉煤灰水泥凝结硬化缓慢 早期强度低 后期强度高 甚至赶上或明显地超过硅酸盐水泥 2 粉煤灰内比表面积较小 吸附水的能力小 因而这种水泥干缩性小 抗裂性较强 3 粉煤灰水泥泌水较快 易引起失水裂缝 在硬化早期应加强养护 并采取一定的工艺措施 课后小结 混合水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入一定的混合材料 从而达到降低成本 改善性能 扩大水泥的目的 本次课的重点内容是各种混合水泥的特性及工程适用情况 课题 稳定土教学目的 了解稳定土的组成材料的种类及技术性质与组成设计重点难点 稳定土的强度试验方法及结合料剂量确定方法 2 3稳定土材料 一 概述1 定义 稳定土是在粉碎的或原来松散的土中 掺入足量的石灰 水泥 工业废渣 沥青及其它材料后 经拌合 压实及养生后 得到的具有较高后期强度 整体性和水稳定性均较好的一种材料 2 适用范围 适用于路面的基层及底基层 不适用于路面的面层 3 分类 按所用结合料可分为以下几种 1 石灰稳定土 2 水泥稳定土 3 沥青稳定土 4 石灰稳定工业废渣 5 综合稳定土等 二 稳定土材料的组成 一 稳定土的基本材料组成稳定土的基本材料是土 一般规定土的液限不大于40 塑性指数不大于20 且级配良好 二 稳定土的外掺材料1 石灰各种化学组成的石灰均可用于稳定土 石灰的最佳剂量 对粘性土和粉性土为干土重8 16 对砂性土为干土重的10 18 石灰的稳定效果 可使土粒胶结成整体 密实性提高 水稳定性提高 强度提高 2 水泥各种水泥均可都可用于稳定土 通常情况下硅酸盐水泥比铝酸盐水泥的稳定效果好 在保证质量的前提下 应尽可能降低水泥的用量 3 粉煤灰粉煤灰加入土中既能起填充的作用 又能与石灰反应 生成起胶结作用的产物 从而达到改善稳定土的水稳定性 提高强度与密实度的目的 4 沥青各种沥青 包括 石油沥青 煤沥青 乳化沥青 沥青膏浆等均可用于拌合稳定土 一般情况下多用液体沥青 沥青加入土或集料中 可分两种类型 结构沥青 有利于提高沥青稳定土的水稳定与强度 自由沥青 在稳定土压实时起润滑和填充的作用 三 稳定土的性质 一 强度1 强度形成原理 1 离子交换作用所谓离子交换作用是指稳定剂中高价阳离子在一定的条件下替换土中某些低价金属离子等的作用 通过离子交换 使土粒凝聚而增强了粘聚力 并使其水稳定性提高 能发生离子交换作用的稳定剂有石灰 水泥等 土 Na K Ca2 土 Ca2 Na 或K 2 碳酸化作用碳酸化指消解石灰或水泥产物Ca OH 2吸咐空气中的CO2气体 生成碳酸钙的过程 其化学反应式如下 Ca OH 2 CO2 nH2O CaCO3 n 1 H2O 3 结晶作用当土中Ca OH 2浓度达到一定程度时 Ca OH 2即会由饱和溶液转变成过饱和溶液 形成晶体 其化学反应式如下 Ca OH 2 nH2O Ca OH 2 nH2O由此作用 使土的密实度得以改善 强度提高 水稳定性也因晶体Ca OH 2溶解度比非晶体Ca OH 2小而改善 4 火山灰反应火山灰反应指活性SiO2和Al2O3在Ca OH 2激发下产生的化学反应 生成类似硅酸盐水泥的水化产物 即水化硅酸钙和水化铝酸钙的过程 其反应式如下 mCa OH 2 SiO2 n 1 H2O mCaO SiO2 nH2OmCa OH 2 Al2O3 n 1 H2O mCaO Al2O3nH2O 5 硬凝反应此作用主要是水泥水化生成胶结性很强的各种物质 能够将松散的颗粒胶结成整体材料 提高材料的稳定性能 6 吸咐作用某些稳定剂加入土中后能吸咐于土颗粒表面 使土颗粒表面具有憎水性或使土颗粒表面粘结性增加 如沥青材料 2 影响稳定土强度的因素 1 土质对于石灰稳定土和石灰粉煤灰稳定土 用塑性指数为15 20 的粘性土较适宜 不适宜用塑性指数小于10 的低塑性土及重粘土 对于水泥稳定土 可用各种砂砾 粉土和粘土 但级配良好的粗 中颗粒的土比单纯粘性土较适宜 2 稳定剂品种及用量当采用石灰稳定剂时 必须测定石灰中有效氧化钙和氧化镁的含量 宜用技术等级为3级以上的石灰 用水泥稳定时 硅酸盐水泥比铝酸盐水泥效果好一些 不宜采用快硬或早强水泥 水泥稳定土的强度随水泥剂量增加而增加 石灰稳定土的强度则存在一个最佳石灰剂量值 超过或低于此值 石灰稳定土的强度则降低 3 含水量存在一个最佳含水量 4 密实度希望密实度越大越好 5 施工时间长短的影响主要针对水泥稳定土 要求其从开始加水到完全压实的时间尽可能短 一般不要超过6h 6 养生条件稳定土必须在适当的温度 湿度下养护 其强度才会不断提高 二 稳定土材料的变形性能1 缩裂特性干缩 随着无机结合料稳定土强度的不断形成 水分逐渐消耗以及蒸发 体积发生收缩 收缩变形受到约束时 逐渐产生裂缝 即为干缩裂缝 温缩 无机结合料稳定土具有热胀冷缩性质 随着气温的降低 稳定土会产生冷却收缩变形 收缩变形受到约束时 逐渐形成裂缝 即为温缩裂缝 2 裂缝防治措施 1 改善土质 稳定土用土越粘 则缩裂越严重 2 控制含水量及压实度 3 掺加粗粒料 三 稳定土材料的疲劳特性石灰粉煤灰稳定材料的抗疲劳性能优于水泥砂砾 但水泥稳定土的强度因素对提高疲劳寿命也有利 四 稳定土材料水稳定性和冰冻稳定性可用浸水强度试验和冻融循环试验来评价 影响稳定土材料水稳定性和冰冻稳定性的因素有 土类 稳定剂种类及剂量 密实度及龄期 四 稳定类材料组成设计 一 设计标准 主要考虑强度和耐久性 二 材料组成设计步骤 原材料试验 拟定混合料配合比 选定不同的稳定料剂量 制备同一种土样的混合料试件若干个 通过击实试验确定混合料的最佳含水量和最大干密度 按最佳含水量和计算得的干密度制备试件 进行强度试验 试件的强度试验 选定石灰或水泥剂量 第三章水泥混凝土和砂浆 定义 水泥混凝土是由水泥和水组成的水泥浆体 为粘结介质 将分散其间的不同粒径的粗 细集料胶结起来 在一定条件下 硬化成为具有一定力学性能的一种人工石材 分类 1 按表观密度分为 普通混凝土 轻混凝土 重混凝土 2 按强度分为 低强度混凝土 中强度混凝土 高强度混凝土3 按流动性分为 塑性混凝土 低流动性混凝土 干硬性混凝土混凝土的优缺点优点 1 抗压强度较高 耐久性好 耐火性好 养护费用极少 2 新拌混凝土具有良好塑性 可加工成任何形状 3 材料来源广泛 便于就地取材 价格便宜 4 可以根据工程要求改变材料配合比来满足需要 缺点 1 抗拉强度低 2 由于干缩 易出现裂缝 3 施工日期长 4 自重较大 5 结构拆除比较困难 3 1普通水泥混凝土 一 普通水泥混凝土组成材料1 水泥2 水此两者组成水泥浆 起流动胶结作用3 粗集料4 细集料此两者起骨架作用各种材料所占比例见下表所示 混凝土组成及各组分材料绝对体积比 一 水泥1 水泥品种选择 应根据工程特点 气候与环境条件选择 2 水泥强度等级 考虑混凝土抗压强度 低强度时1 5 2 0倍 高强度时 0 9 1 5倍 二 细集料具体要求1 有害杂质含量 1 含泥量及泥块含量d1 25mm手捏后可破碎成小于颗粒者称为泥块 2 云母含量 2 3 轻物质含量的颗粒 4 有机质含量 延缓硬化过程 影响强度 5 硫化物与硫酸盐含量 2 粗细程度与颗粒级配3 压碎值和坚固性压碎值坚固性 5次循环 质量损失小于10 三 粗集料1 强度与坚固性见教材表3 4所示2 有害杂质含量见教材表3 4所示3 最大粒径及颗粒级配 最大粒径及混凝土的影响 在条件容许的前提下 越大越好 规范对D的要求 颗粒级配应满足教材表3 5要求所示4 颗粒形状及表面特征针状颗粒 L 2 4d平均片状颗粒 厚度d 0 4d平均5 碱活性检验 课题 混凝土的技术性质 一 教学目的 了解混凝土的各项技术性质的含义及其测定方法 影响因素重点难点 混凝土的工作性及强度 3 1普通水泥混凝土的技术性质 对于水泥混凝土的技术性质 通常分两种情况进行分析 一是新拌混凝土混合料的性质 二是凝结硬化的混凝土的性质 本次课重点讲解新拌混凝土混合料的工作性 一 新拌水泥混凝土的工作性 和易性 1 新拌混凝土工作性的概念指混凝土拌和物易于施工操作且成型后质量均匀密实的性质 它包括以下三个方面 流动性 指混凝土拌和物在自身或机械振捣下 能产生流动且能均匀密实地填满模板的性能 粘聚性 组成材料之间有一定的粘聚力 保水性 具有保持一定水分能力 不致产生泌水 2 新拌混凝土工作性的测定方法目前缺少全面的测定方法 主要偏重于测定流动性1 坍落度 mm 试验按规定拌和水泥混凝土混合料 将坍落筒按要求湿水 然后分三层将拌和物装入筒内 每层捣实25次 测定坍落强度H mm 坍落度试验只适用于集料最大粒径D不大于40mm 坍落度H不小于10mm的新拌混凝土 在试验测定的同时 必须观察棍度 含砂情况 粘聚性 保水性 以定性评价其工作性 2 维勃稠度适用于D不超过31 5mm 维勃稠度5 30s之间的干硬性混凝土的稠度测定3 影响混凝土混合料工作性的因素1 水泥浆的数量和集浆比 正常情况 水泥浆充满集料间隙略有剩余 用浆过多 流浆 浪费水泥 且影响强度 耐久性 用浆过少 产生分层 泌水 维勃稠度仪 2 水灰比的影响过大 可使水泥浆变稀 但易产生流浆 离析 甚至影响强度 过小 可使水泥浆变稠 但拌和物流动性小 所以要选择合理水灰比 3 砂率砂率对坍落度的影响见下图 4 水泥的品种和集料的性质 水泥品种不同的水泥 达到标准稠度用水量不同 其所表现出的工作性亦不一样 集料表面特征 如碎石与卵石5 外加剂使用外加剂 可在不增加用水量及水泥用量的前提下 有效地改善水泥混凝土的工作性 如减水剂等 6 温度与搅拌时间如夏季与冬季在施工中注意的问题不一样 搅拌时间过短 拌和物的工作性差 5 改善工作性的措施1 调节材料组成设计合理的配合比 使之有较好的工作性 2 掺加外加剂合理地利用外加剂 改善混凝土的工作性 3 提高振捣的效能 3 1普通水泥混凝土的技术性质 二 水泥混凝土的技术性质 二 硬化后混凝土的力学性质1 强度1 抗压强度标准值和强度等级 立方体抗压强度fcu制