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建筑材料 绪 论 l 建筑材料的定义： 早在远古，人类就直接使用天然资源作为建筑材料，如块石、泥土、树枝和树叶以及将它们简单加工的材料如夯土、草泥等； 而将天然资源进行不同程度深加工，生产出来的建筑材料，也就成为古代与现代人类建造各种类型建筑物的基础l 一、定义l 建筑材料 是用于土木建筑结构物的所有材料的总称。l 二、分类黑色金属：钢金属材料有色金属：铜、铝、锌无机材料：砖、玻璃、水泥、石灰沥青：煤沥青、石油沥青非金属材料 植物：木材、竹材 合成高分子：塑料、合成橡胶、涂料有机与无机非金属结合：聚合物砼复合材料金属与有机材料结合：PVC钢板l （2）材料决定了建筑结构的设计方法；l （3）必须恰当选择和合理使用原材料l 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l l （4）材料决定了施工的方法；l 例：水泥混凝土的特点是抗压强度高、抗拉强度低;l 因此，水泥混凝土只适合设计为耐压构件；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第1章 土木工程材料的基本性质第1章 土木工程材料的基本性质l 1.1 材料的物理性质(physical properties)l 1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度l (1)密度(density)l 近似密度（视密度）(apparent density)l (2)表观密度(apparent density)l (3)堆积密度（散粒体）(bulk density)(for particles)l 压实密度（compacted density）密实材料，如金属材料、花岗岩等材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等第1章 土木工程材料的基本性质l 1.1.2 材料的密实度与孔隙率l (1)密实度(density)l (2)孔隙率(porosity)l 1.1.3 材料的填充率与空隙率（散粒体）l (1)填充率(filling ratio)l (2)空隙率(voids ratio, void content, void volume)l 1.1.4 材料与水有关的性质l (1) 材料的亲水性与憎水性l 亲水性（被水润湿 90）(hydrophilic nature)l 憎水性（润湿角90）(hydrophobic nature)l (2) 材料的吸水性与吸湿性l 吸水性(water absorptivity)l 吸水率(water absorption)l 吸湿性(hydroscopic nature)l 含水率(moisture content)l (3) 材料的耐水性(抗水性)(water resistance)l 软化系数(softening coefficient)l 1.1.5 材料的抗冻性与抗渗性l (1)抗冻性(frost resistance)l 水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。l 冻融循环(freezing and thawing circle)l 抗冻等级(grade) D15(Dong)F15(Freeze)l (2)抗渗性(impermeability)l 渗透系数(coefficient of permeability)l 抗渗等级 S(Shen) P(Permeate)材料的抗冻性由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。 1. 材料的内部一般都充满着孔隙，2. 如果浸入水中，孔隙中便会吸水4. 气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化3. 气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀5. 经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。6. 材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级第1章 土木工程材料的基本性质l 1.2 材料的基本力学性质l 1.2.1 材料的强度(strength)l (1)材料的抗压、抗拉及抗剪强度l (2)材料的抗弯强度l 表1.3 常用材料的强度/MPal 1.2.2 材料的弹性与塑性l 1.2.3 材料的脆性与韧性第1章 土木工程材料的基本性质l 1.3 材料的热工、声学性质及材料的耐久性l 1.3.1 材料的热工性质l (1)材料的导热性（thermal conductivity)l 导热系数l 影响材料导热系数的主要因素l 材料的表观密度l 孔隙大小与构造l 湿度l 温度l 热流方向l (2)材料的热容量(heat capacity)l 比热容l (3)耐燃性（防失火）(flame resistance)l 建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。l 材料根据耐燃性可分为三大类：l 1)不燃烧类，如石材、混凝土、砖、石棉等；l 2)难燃烧类，如沥青混凝土、经防火处理的木材等；l 3)燃烧类，如木材、沥青等。l (4)耐火性（耐高温）（耐热性）(fire resistance)l 材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。l 按耐火性高低可将材料分为以下3类：l 1)耐火材料，耐火度15800C，如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；l 2)难熔材料，耐火度13500C15800C，如难熔粘土砖、耐火混凝土等；l 3)易熔材料，耐火度13500C，如普通粘土砖。l 1.3.2 材料的声学性质l (1)吸声性(sound absorption)l 吸声系数(sound-absorption coefficient)l (2)隔声性(sound insulation)l 隔声与吸声不同l 隔声量（R）l 1.3.3 材料的耐久性(durability)l 作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面：l (1)物理作用,如干湿、冷热、冻融变化等；l (2)化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。l (3)生物作用，如虫蛀、腐朽。l 1.4 材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响l 1.4.1 材料的组成l (1)化学组成(chemical composition)l (2)矿物组成(mineral composition)l (3)相组成(phases)l 1.4.2 材料的结构和构造(structure & constitution)l (1)宏观结构(10-3mm的尺度, macro-structure)l 按孔隙特征可分为：l 1)致密结构l 2)多孔结构l 3)微孔结构l 按存在状态或构造特征分为：l 1)堆聚结构l 2)纤维结构-l 3)层状结构l 4)散粒结构l (2)细观结构(亚微观结构)(10-3 10-6mm 尺度,submicro-)l 金属材料的金相组织l 木材的木纤维l (3)微观结构(10-6 10-10mm原子、分子尺度, micro-structure)l 1)晶体(crystal)l 原子晶体(atomic crystal)l 离子晶体(ionic crystal)l 分子晶体(molecular crystal)l 金属晶体(metal crystal)l 2)玻璃体(glass)3)胶体(gel) 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中：密度，gcm3； m 材料在干燥状态的质量，g； V 材料的绝对密实体积，cm3。 材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中：0表观密度，kgm3； m 材料的质量，kg； V0材料在自然状态下的外形体积，m3。材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥等，在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中： 材料的堆积密度，kgm3； m 材料的质量，kg； 材料的自然(松散)堆积体积(包括材料颗粒体积和颗粒之间空隙的体积)，m3。材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：即：DP=1或密实度孔隙率=1。材料的填充率散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算： 散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。用下式计算：即：DP=1或填充率空隙率=1。 材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水率表示，即式中：Wm材料质量吸水率，%； m材料干燥状态下质量，g； m1材料吸水饱和状态下质量，g。 材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表示，即式中：W含材料质量吸水率，%； m含材料含水时的质量，g； m材料干燥状态下的质量，g。 材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即式中：KP材料的软化系数； fw材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa； 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，用渗透系数表示，即式中：K渗透系数，cmh； Q透水量，cm3； d试件厚度，cm； A透水面积，cm2； t渗水时间，h； H静水压力水头，cm。材料的抗渗等级P=10H1式中：P抗渗等级； H试件开始渗水时的水压力，MPa。 S (Shen) P (Permeate)材料的抗压、抗拉及抗剪强度(compressive, tensile and shear strength)材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算：式中：f材料的强度，MPa； Fmax破坏时最大荷载，N； A受力截面面积，mm2。1)二分法。将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则抗弯强度按下式计算：2)三分法。在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载，则抗弯强度按下式计算：式中：fm抗弯强度，MPa； Fmax弯曲破坏时最大荷载，N； b、h试件横截面的宽及高，mm； L两支点间的距离，mm。l 弹性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全消失的性质。(elasticity)l 塑性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。(plasticity)l 脆性：材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。(brittleness, fragility)l 韧性：材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。(fracture toughness)材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示，即式中：导热系数，W(mK)； Q总传热量，J； a材料厚度，m； A热传导面积，m2； t热传导时间，h； T2T1材料两面温度差，K。 材料受热(或冷却)时吸收(或放出)热量的性质称为材料的热容量，用比热容表示，即式中：C材料比热容，J/(gK) Q材料吸收或放出的热量，J； m材料的质量，g； T2T1材料受热或冷却前后温差，K。 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性，评定材料的吸声性能好坏的主要指标称为吸声系数()，即式中：E材料吸收的声能； E0入射到材料表面的全部声能。 材料的吸声特性与声波的方向、频率，以及材料的表观密度、孔隙构造、厚度等有关。化学组成l 指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。如水泥化学组成：l SiO2 2024%l CaO 6267%l Fe2O3 2.56.0%l AL2O3 47%l MgO 5%）l 块灰、磨细生石灰、消石灰粉、石灰浆、石灰膏l 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”。l 石灰利用率低，粘结能力差l 第二种情况是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。l 熟化慢；硬化后体积膨胀，引起鼓包和开裂石灰的熟化(消解)(slake)熟化(消解)：CaO+H2O=Ca(OH)2+15.5千卡工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为熟(消)石灰氢氧化钙的过程。特点：速度快；体积膨胀1-2.5倍；放出大量的热l 石灰浆、石灰膏、熟石灰粉l 常用的熟化方法有：l 化灰池（用于调制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆）l 分层淋水法(熟石灰粉:用于拌制灰土、三合土)l 在石灰工业企业里进行干消化生产熟石灰粉块状生石灰石灰膏生石灰粉消石灰粉，主要成分为Ca(OH)2，又称“熟石灰”。用于拌制石灰土、三合土用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆 石灰的“陈伏” 为消除过火石灰的危害，生石灰熟化成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，使过火石灰充分熟化，这一过程称为石灰的“陈伏”。 “陈伏”期间，灰浆表面应保有一层水分，隔绝空气，防止发生碳化反应。石膏的原料l 石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。l 根据石膏中含有结晶水的多少，原料分为：l 天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。l 大部分天然石膏为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。l 天然硬石膏l 以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石。也称无水石膏，结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的重要辅助原料。l 化工废石膏(含有二水石膏(CaSO42H2O)或含有CaSO42H2O与CaSO4的混合物的化工副产品及废渣)l 脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、硼石膏等建筑石膏l 熟石膏或半水石膏。是由生石膏加工而成的，根据内部结构不同可分为型半水石膏和型半水石膏。l 将天然石膏压蒸或煅烧加热，可分别得到型半水石膏和型半水石膏。l 型半水石膏和型半水石膏相比，其结晶颗粒较粗，比表面积较小，拌制石膏浆体时的需水量较小，硬化后强度高，因此又称为“高强石膏”。l 建筑石膏是以型半水石膏为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏制品。建筑石膏色白，杂质含量很少，粒度很细，亦称模型石膏，是制作装饰制品的主要原料。 l 型半水石膏晶粒细，需水量较大（60%80%），强度低。 在土木过程中，常用的石膏胶凝材料主要是建筑石膏。 生成的二水硫酸钙与生石膏分子式相同，但物理力学性能有差异。 二水石膏溶解度比半水石膏溶解度小得多，所以二水石膏首先从饱和溶液中析晶沉淀，促使半水石膏继续溶解，这一反应过程连续不断进行，直至半水石膏全部水化生成二水石膏。 2. 建筑石膏的凝结 随水化反应进行，浆体中的自由水分因水化和蒸发而不断减少，二水石膏胶体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑性逐渐减小，表现为石膏的“凝结”。 3. 建筑石膏的硬化 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，其强度也不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化石膏结构，这一过程称为石膏的“硬化”。 必须理解的是，石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的，贯穿于整个凝结硬化全过程。建筑石膏的技术性质 1. 凝结硬化速度快 建筑石膏浆体凝结硬化速度很快。一般初凝时间仅为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。需要操作时间较长时，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、亚硫酸盐酒精废液等。 2. 硬化时体积膨胀 建筑石膏凝结硬化是石膏的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（ 0.2%1.5%），这种微膨胀不会对石膏制品造成危害，反而能使石膏表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，没有其它材料干燥时的开裂现象。 3. 轻质多孔，但强度低 使用建筑石膏时，为获得良好的流动性，加入的拌和水要比水化的理论需水量多的多。因此，石膏在硬化过程中由于多余水分的蒸发，使原来的水空间形成孔隙，造成硬化后的石膏内部形成大量微孔，硬化后的表观密度约为800kg /3 1000 kg/3，重量较轻。 但是抗压强度也因此下降。约为3MPa5MPa。受力时，石膏制品很容易损坏。 4. 良好的保温隔热和吸声、吸湿功能 石膏硬化体中的大量微孔，使其传热性显著下降，因而具有良好的保温绝热能力； 其表面微孔对声音传导或反射的能力也明显下降，因而具有较强的吸声能力。 大热容量和大孔隙率以及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。建筑石膏制品 5. 防火性好 硬化后的石膏主要成分是二水石膏，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，可有效阻止火势的蔓延，因而具有良好的防火效果。 6. 耐水性差 由于硬化石膏的强度来自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。部分二水石膏将溶解，发生局部溃散，故建筑石膏硬化时的耐水性较差。 7. 装饰性和可加工性好 石膏制品表面光滑饱满，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。建筑石膏的应用及保管 1 配制石膏砂浆及粉刷石膏；（可用于内墙还是外墙？） 2 制作各种保温、吸声、防火制品：石膏板、石膏砌块等； 石膏板是土木工程中使用量最大的一类板材。吊顶、隔板制作各种装饰制品； 3 制作建筑雕塑和模型等； 4 生石膏可作为水泥生产的原料。水泥生产过程中必须掺入适量的石膏作为缓凝剂，不掺、少掺或多掺都会导致水泥无法正常使用或根本无法使用。建筑石膏在运输和贮存中要注意防止受潮，一般贮存3个月后，其强度会降低约30%。 建筑石膏是在高温条件下煅烧而成的一种白色粉末状材料，本身易吸湿受潮，而且其凝结硬化速度很快，因此在储存和运输过程中，一定要注意防潮防水。同时，石膏若长期存放,强度也会降低，一般储存三个月后强度会下降30%左右，因此建筑石膏储存时间不宜过长，一般不超过三个月。若超过三个月，应重新检验并确定其质量等级。 高 强 石 膏l 高强石膏即型半水石膏。l 型半水石膏结晶良好，晶粒坚实、粗大，比表面积较小，需水量约为3545%，所以此石膏硬化后具有较高密实度和强度。3小时抗压强度可达924PMa，7天抗压强度可达1540PMa。l 高强石膏适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。掺入防水剂，可用于湿度较高的环境中。加入有机材料，如聚乙烯醇水溶液、聚醋酸乙烯乳液等，可配成黏结剂，其特点是无收缩。 粉刷石膏l 是由型半水石膏和其它石膏相（硬石膏或煅烧黏土质石膏）、各种外加剂（木质磺酸钙、柠檬酸、酒石酸等缓凝剂）及附加材料（石灰、烧黏土、氧化铁红等）所组成的一种新型抹灰材料。l 粉刷石膏具有表面坚硬、光滑细腻、不起灰的优点，还可调节室内空气湿度，提高舒适度的功能。无水石膏水泥和地板石膏l 将天然二水石膏加热至400以上（400-750）,石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，但当加入适量激发剂混合磨细后，又能凝结硬化，称为无水石膏水泥。l 无水石膏水泥宜用于室内，主要用作石膏板或其它制品，也可用于室内抹灰。l 将天然二水石膏加热到800以上，得到的石膏称为地板石膏。地板石膏有较高的强度和耐磨性，抗冻性也较好。水玻璃概述l 硅酸钠水玻璃(Na2OnSiO2)l 硅酸钾水玻璃(K2OnSiO2)l 水玻璃分子式中的