材料工程 第五章.doc

材料在水中吸水饱和后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。材料含水后，不但可使材料的质量增加，而且会使强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀。可见材料中含水对材料的性能往往是不利的。 （3）吸湿性定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。 影响吸湿性的因素影响吸湿性的因素：材料的孔隙率；材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；周围空气的温度和湿度 。（4）材料的耐水性定义：材料抵抗水破坏作用的能力称为材料的耐水性。 其衡量指标为：式中 K材料的软化系数； fb材料在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。材料的软化系数波动在0-1之间，软化系数越小，说明材料吸水饱和后强度降低得越多，耐水性越差。材料软化系数的要求工程对材料软化系数的要求对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其软0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软0.75； K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。衡量指标：(5)材料的抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。抗渗等级S抗渗等级对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示： S=10H1 H试件开始渗水时的水压力（MPa） 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。 （6）材料的抗冻性定义：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，强度也不显著降低的性质。衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%。冻融破坏的原因 材料有孔且孔隙含水； 水冰，体积膨胀9，结冰压力高达100MPa， 结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂； 裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度， 饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏； 反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、大桥等均需考虑冻融破坏。（1）强度和变形材料的强度根据所受外力作用形式不同分为: 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。“比强度” 比强度是评价材料是否轻质高强的指标。比强度=强度/体积密度其数值大者，表明材料轻质高强。 （2）硬度和耐磨性（3）脆性和韧性5.1.3.4 材料的基本力学性质 （1）耐久性材料的耐久性是指用于建筑工程的材料，在环境的多种因素作用下，经久不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。材料在建筑物使用过程中，除其内在原因使其组成、构造发生变化以外，还要长期受到使用条件及各种自然因素的作用。 材料的耐久性是一项综合性质，各种材料耐久性的具体内容，因其组成和结构不同而异。 5.1.3.5 材料的耐久性和装饰性影响材料耐久性的因素物理作用: 干湿变化、温度变化、冻融循环等化学作用: 酸碱盐溶液、有害气体生物作用: 昆虫蛀蚀、菌类腐朽等耐久性是一种综合性质，因材料及其所处环境而异Examples:石材、砖、混凝土 抗风化性、抗冻性、抗蚀性钢材等金属材料 抗化学腐蚀性木材 抗生物腐蚀性沥青、高分子材料 耐老化性提高材料耐久性的措施提高材料本身对外界作用的抵抗能力:选择适当的组成材料提高密实度，改善孔结构其它材料保护主体材料:如金属表面加设镀层，墙体内外刷涂料设法减轻环境条件对材料的破坏作用:材料处理或采取必要的构造措施（2）装饰性建筑是技术与艺术相结合的产物，而建筑艺术的发挥，除建筑设计外，在很大程度上取决于建筑材料的装饰性。材料的装饰性通常通过材料的色彩、透明性、光泽、表面质感和形状尺寸等装饰功能达到美化建筑物的目的。材料的安全性材料的安全性：材料在生产和使用过程中是否对人类或环境造成危害的性能灾害安全性 防火性、抗震性、抗爆性卫生安全性 放射性、致癌性环境安全性 可再生性、污染性、环境友好性 5.2 砌筑材料粘土砖是由粘土制成砖坯，经过干燥，然后入窑烧至9001000而成。粘土砖的标准尺寸:240mm115mm53mm。粘土砖的主要强度指标:是它的抗压强度。粘土砖的强度等级:MU30、MU25、MU20、MU15和MU10。(MU表示砌体中的块体，后面的数值表示粘土砖的强度大小，单位为MPa。) 5.2.1 烧结砖 5.2.1.1 粘土砖(1)蒸压灰砂砖蒸压灰砂砖是以石灰和砂为主要原料，经坯料制备、压制成型、蒸压养护而成的实心砖，简称灰砂砖。蒸压灰砂砖的强度等级: MU25、MU20、MU15和MU10。5.2.1.2 其他砖(2)蒸压粉煤灰砖蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰为主要原料，掺加适量石膏和集料，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的实心砖，简称粉煤灰砖。蒸压粉煤灰砖的强度等级: MU25、MU20、MU15和MU10。(3)硅酸盐砌块硅酸盐砌块是以炉渣为骨料，以粉煤灰、碎石灰、磷石膏等工业废料为胶结料，加水搅拌、振动成型、蒸养而成。 这种砌块不能用于防潮层以下的部位，一般情况下只作填充物使用。硅酸盐砌块的强度等级有MU20、MU15、MU10、MU7.5和MU5。 包括由天然石材中开采所得的毛石及经加工制成板状、块状或特定形状的石材。质地较硬，易于琢磨。建筑工程常用天然石材有以下几种：(1)石灰岩成分: 碳酸钙或白云石容重: 9602500kg/m3抗压强度：2201400kg/cm2耐用年限：2040年。应用：建筑物的基础、墙身、台阶等处； 制造水泥的主要材料。5.2.2 石材(2)砂岩成份: 二氧化硅和石英颗粒。容重: 2202500kg/m3抗压强度:4801400kg/cm2耐用年限:20180年应用:其品质好坏随粘结物质的种类而异，多用于基础、墙身、台阶、纪念碑及其他装饰处。(3)大理石成份: 由石灰岩或白云岩变质而成。容重： 26002700kg/m3抗压强度：7001200kg/cm2耐用年限：40100年。应用：颜色多样，纹理美丽、自然，易于雕琢磨光，建筑上主要用于建筑装饰工程。 (4)花岗岩成份：其主要造岩矿物有石英、长石、云母和少量 暗色矿物，是岩浆岩中分布最广的一种岩石。抗压强度：120250MPa表观密度：26002700kg/m3特征：花岗岩坚硬致密，耐磨性好，耐久性高，使 用年限可达数十年至数百年。5.3 气硬性胶凝材料将建筑上凡是经过一系列物理、化学作用，把能够将散状材料或块状材料粘结成整体的材料称为胶凝材料。按化学成分:有机胶凝材料和无机胶凝材料。有机胶凝材料:沥青、树脂、橡胶等。无机胶凝材料按硬化条件分: 气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。 生产原料：石灰石和白垩等以碳酸钙为主的天然岩石， 在立窑中进行煅烧而成。 其主要成分为：CaO5.3.1 石灰5.3.1.1 石灰的生成（1）石灰的熟化石灰的熟化，又称消解。是生石灰（CaO）与水 作用生成熟石灰Ca(OH)2的过程。熟化过程中，放出大量的热，体积迅速增加12.5倍。建筑工程中常用经熟化后的熟石灰，如石灰膏等。 5.3.1.2 石灰的熟化和硬化（2）石灰的硬化石灰的硬化包括干燥硬化和碳化硬化。干燥硬化干燥硬化是石灰浆体在干燥过程中，毛细孔隙失水。由于水的表面张力的作用，毛细孔隙中的水面呈弯月面，从而产生毛细管压力，使得Ca(OH)2颗粒间的接触紧密，产生一定的强度。碳化硬化碳化硬化是Ca(OH)2与空气中的CO2化合生成CaCO3晶体称为碳化。生成的CaCO3具有相当高的强度。 (1)石灰的性质保水性、可塑性好 石灰熟化生成的Ca(OH)2颗粒极其细小，比表面积（材料的总表面积与其质量的比值）很大，使得Ca(OH)2颗粒表面吸附有一层较厚水膜，即石灰的保水性好。凝结硬化慢、强度低 石灰的凝结硬化很慢，且硬化后的强度很低。如石灰砂浆28d抗压强度只有0.20.5MPa。 5.3.1.3 石灰的性质和应用耐水性差潮湿环境中石灰浆体不会产生凝结硬化。硬化后的石灰浆体的主要成分为Ca(OH)2和少量的CaCO3。干燥收缩大Ca(OH)2颗粒吸附的大量水分在凝结硬化过程中不断蒸发，并产生很大的毛细管压力，使石灰浆体产生很大的收缩而开裂，因此石灰除做粉刷墙面外一般不宜单独使用。(2)石灰的应用抹灰和砌筑：用熟化石灰制成石灰砂浆或 水泥石灰混合砂浆。生产人造石材：利用石灰与石英砂、粉煤灰、 矿渣等为主要原料。三合土: 由熟化后的石灰与粘土拌和成石灰土,再 加砂或石屑、炉渣等形成。广泛用于建 筑工程的基础和道路的垫层或基层。制备轻质板材:磨细生石灰、纤维状填料（如玻璃纤维）加水搅拌成型为坯体，然后再通入CO2进行人工碳化（1224h）. 作为非承重的内隔墙板以及天花板等。 原料:含CaSO4的天然石膏（又称生石膏） 或含CaSO4的化工副产品和废渣等。化学式: CaSO42H2O，也称二水石膏。石膏的生产过程:主要是破碎、加热与磨细。 5.3.2 石膏5.3.2.1 石膏的生成石膏是以CaSO4为主要成分的常用气硬性胶凝材料。 (1)建筑石膏制备:天然CaSO42H2O在石膏炒锅或沸腾炉内燃烧, 温度在107170范围时，CaSO42H2O脱水为细小晶体的型CaSO41/2H2O（熟石膏），再经磨细制得。(2)模型石膏主要成分:型CaSO41/2H2O，但杂质少、色白。应用: 陶瓷的制坯工艺的成型和装饰浮雕等。 5.3.2.2 石膏的主要品种(3)高强度石膏制备:将CaSO42H2O经密闭蒸炼脱水成为半水石膏，又称型半水石膏，再经磨细制得。 特征:与型半水石膏相比，型半水石膏的晶体粗大且密实，达到一定稠度所需的用水量小，只有建筑石膏的一半。因此这种石膏硬化后结构密实、强度较高，硬化7d时的强度可达1540MPa。应用: 要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。掺入防水剂还可制成高强度防水石膏和无收缩的粘结剂等。(4)粉刷石膏制备:天然CaSO42H2O或废石膏经适当加工工艺所得到的粉状生成物。应用:当配适量的缓凝剂、保水剂等化学外加剂后制成抹灰用胶结料。(1)建筑石膏的水化建筑石膏(CaSO41/2H2O)加水拌和后，与水发生水化反应，首先溶解于水，然后发生反应，生成CaSO42H2O,即建筑石膏的水化。(2)建筑石膏的凝结和硬化水化继续进行后，CaSO42H2O胶体微粒的数量不断增多，它比原来的CaSO41/2H2O颗粒细得多，可吸附更多的水分。水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体的稠度逐渐增加，颗粒之间摩擦力和粘结力逐渐增大，浆体的可塑性减少，形成石膏的凝结。 5.3.2.3 建筑石膏的水化、凝结和硬化(1)凝结硬化时间短(2)凝结硬化时体积微膨胀(3)孔隙率大、体积密度小(4)保温性和吸声性好 (5)强度较低 (6)具有一定的调湿性 (7)防火性好，但耐火性差 (8)耐水性、抗渗性、抗冻性差5.3.2.4 建筑石膏的性质(1)作室内抹灰和粉刷材料用。(2)制作石膏板。石膏板具有轻质、隔热保温、吸声、防火、尺寸稳定及施工方便等性能，在建筑中得到广泛的应用，是一种很有发展前途的新型建筑材料。建筑石膏在存储中应注意防雨、防潮，存储期一般不宜超过三个月。5.3.2.5 建筑石膏的应用水玻璃（俗称泡花碱）:是一种水溶性硅酸盐，其化学式为R2OnSiO2。水玻璃的模数:n为SiO2与R2O摩尔数的比值。建筑上常用的水玻璃是硅酸钠Na2OnSiO2的水溶液和硅酸钾K2OnSiO2的水溶液，颜色呈青灰色或淡黄色。 5.3.3 水玻璃5.3.3.1 水玻璃的化学成分和生成水玻璃是一种气硬性胶凝材料，常用来配制水玻璃砂浆及水玻璃混凝土等。 生产水玻璃常采用碳酸盐法:将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在13001400温度下熔化生成固体水玻璃，然后在水中加热溶解而成液体水玻璃。有时也可用碳酸钾代替碳酸钠，制成碳酸钾水玻璃。水玻璃是气硬性胶凝材料，在空气中它能与CO2反应，生成无定形的SiO2凝胶（又称硅酸凝胶），凝胶脱水转变成SiO2而硬化（又称自然硬化）。 因空气中的二氧化碳含量很少，自然凝结硬化缓慢，因此，水玻璃在使用过程中常加入促硬剂，加快其凝结硬化速度。常用的促硬剂有氟硅酸钠（Na2SiF6）等。5.3.3.2 水玻璃的凝结硬化(1)粘结力强、强度较高(2)耐酸性、耐热性好(3)耐碱性、耐水性差5.3.3.3 水玻璃的性质(1)作材料表面处理用，提高材料抗风化能力。(2)加固地基。(3)配制速凝防水剂。(4)修补砖墙裂缝。 5.3.3.4 水玻璃的应用5.4 水泥一、水泥简介水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体的，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。（一）掺混合材的硅酸盐水泥定义：凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量的石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材的硅酸盐水泥。 掺入目的： a.改善水泥的性能 b.增加品种 c.提高产量 d.节约熟料，e.降低成本（二）混 合 材 料1.定义：在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调节水泥标号，扩大使用范围而掺入的天然或人工的矿质原料称为混合材。 2.分类：活性混合材：具有火山灰性或潜在水硬性的材料，如矿渣、粉煤灰等。（一般含活性Al2O3和SiO2) 非活性混合材：不具有潜在水硬性的材料，如石灰石粉、慢冷矿渣等,指掺入水泥中主要起填充作用而又不损害水泥性能的矿物材料3.非 活 性 混 合 材a.这类材料本身不具有潜在的水硬性或火山灰性，与水泥矿物组成不起化学作用 b.掺入目的：扩展水泥标号、降低水化c.常用的有：磨细的石英砂、石灰石粉 磨细的高炉矿渣、尾矿粉4 .常用活性混合材料 1）粒化高炉矿渣（主要成分是Al2O3、CaO、SiO2) 2）火山灰质混合材料（硅灰、火山灰等主要成 分是活性SiO2和Al2O3） 3）粉煤灰（主要成分是Al2O3、SiO2和少量 CaO)5.活性混合材料的作用 1）活性效应 2）微集料效应6.加入混合材料对水泥性能的影响 1）早期强度降低,后期强度升 2）水化热降低 3）耐酸性、耐蚀性提高 4）碱度降低 凡由硅酸盐水泥熟料、05%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（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型：不掺混合材料的称为型硅酸盐水泥，代号P；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为 型硅酸盐水泥，代号P。5.4.1 硅酸盐水泥5.4.1.1 硅酸盐水泥的生产工艺过程（一）硅酸盐系列水泥熟料的组成1熟料中化学组成及国际通用代号 简写规则： 以氧化物分子式第一个字母为代表符号化学组成 CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3 MgO TiO2 CaF2 H2O 代号 C A S F M T H （二）硅酸盐水泥熟料主要矿物的水化（三）硅酸盐水泥熟料主要矿物的性质1水化速率快 C3A C3S C4AF C2S2水化热大 C3A C3S C4AF C2S3早期强度高 C3S C3A C4AF C2S4后期强度 C3S C2S C4AFC3A5耐腐蚀性差6抗冻性好7耐热性差硅酸盐水泥的主要矿物成分对水泥性能的影响提高C3S可以提高水泥的强度，得到高强水泥提高C3A，C3S，可以得到快硬水泥降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低热水泥提高C4AF，降C3A，可以得到道路水泥硬化后的水泥石包括：胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔、未水化的水泥颗粒。 (四）硅酸盐水泥的凝结硬化硅酸盐水泥硬化体的结构（五）影响硅酸盐水泥凝结硬化、性能的主要因素 1熟料矿物组成的影响 2水泥细度 3拌合加水量 4养护制度（温度和湿度） 5养护龄期 *6外加剂 7贮存与运输水泥加水拌和后成为可塑的水泥浆，由于水泥的水化作用，水泥浆逐渐变稠失去流动性和可塑性而未具有强度的过程，称为水泥的凝结。随后产生强度逐渐发展成为坚硬的人造石的过程，称为水泥的硬化。硅酸盐水泥颗粒与水接触，水泥熟料矿物立即与水发生水化反应，生成水化产物并放出一定热量。影响水泥凝结硬化的因素很多，例如，水灰比、石膏含量、温度与湿度、龄期，以及水泥矿物成分的含量、水泥颗粒细度等。第五章 建筑工程材料主要介绍建筑工程材料的基本性质、砌筑材料、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土和建筑功能材料。 掌握各种(类)材料的性质、功能并学会正确、合理选择与应用建筑材料。5.1 建筑工程材料建筑工程材料是建筑结构物中使用的各种材料及制品，它是一切建筑工程的物质基础。 按功能与用途分类:结构材料、防水材料、保温材料、吸声材料、装饰材料、地面材料、屋面材料等。 按化学成分分类:无机材料、有机材料和复合材料， 5.1.2 建筑工程材料的标准化 我国现行的常用的标准有如下三类：1、国家标准国家强制性标准代号GB、推荐性标准GB/T2、行业标准建材行业代号JC，交通行业代号JT，建工行业代号JG等。3、地方标准和企业标准地方标准代号DB，企业标准代号QB。标准的表示方法由标准名称、部门代号、标准编号、批准年份四部分组成。如低合金高强度结构钢（GB/T159194）、 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB/1751999）工程中使用的建筑材料除必须满足产品标准外，有时还必须满足有关的设计规范、施工及验收规范（或规程）等的规定。工程中有时还会涉及到国外的标准。 物理性质:与各种物理过程（水、热作用）有关的性质力学性质: 材料在荷载作用下的变形及抵抗变形的能力耐久性:材料在使用环境中，在多种因素（物理、化学及生物等）作用下能经久不变质、不破坏而保持其性能的能力 5.1.3 建筑工程材料基本性质 5.1.3.1 不同状态下材料的密度自然状态体积V0：指包括材料内部所有孔在内的体积堆积体积：包括所有颗粒内的孔隙，而且还包括颗粒间的空隙。其大小不但取决于材料颗粒的体积密度