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第1章建筑材料的基本性质 主要内容 1 1材料的组成与结构1 2材料的状态参数和结构特征1 3材料的物理性质1 4材料的力学性质1 5材料的耐久性 重点内容 材料的基本状态参数 材料的物理性质难点 材料的物理常数要求 材料的基本状态参数材料与水有关的性质 1 1材料的组成与结构建筑材料的基本性质 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 因为土木建筑材料所处建 构 筑物的部位不同 使用环境不同 人们对材料的使用功能要求不同 所起的作用就不同 要求的性质也就有所不同 一 材料的组成1 化学组成无机非金属建筑材料的化学组成 以各种氧化物含量来表示 金属材料 以元素含量来表示 化学组成决定着材料的化学性质 影响其物理性质和力学性质 2 矿物组成材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质 矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式 3 相组成材料中结构相近性质相同的均匀部分 二 材料的结构与构造1 宏观结构 构造 材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织 其尺寸约为毫米级大小 以及更大尺寸的构造情况 宏观构造 按孔隙尺寸可以分为 1 致密结构 基本上是无孔隙存在的材料 例如钢铁 有色金属 致密天然石材 玻璃 玻璃钢 塑料等 2 多孔结构 是指具有粗大孔隙的结构 如加气混凝土 泡沫混凝土 泡沫塑料及人造轻质材料等 3 微孔结构 是指微细的孔隙结构 如石膏制品 粘土砖瓦等 4 纤维结构 是指木材纤维 玻璃纤维 矿物棉纤维所具有的结构 5 层状结构 采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构 如胶合板 迭合人造板 蜂窝夹芯板 以及某些具有层状填充料的塑料制品等 6 散粒结构 是指松散颗粒状结构 比如混凝土骨料 用作绝热材料的粉状和和粒状的添充料 1 微观结构微观结构是指材料在原子 分子层次的结构 材料的微观结构 基本上可分为晶体与非晶体 晶体结构的特征是其内部质点 离子 原子 分子 按照特定的规则在空间周期性排列 非晶体也称玻璃体或无定形体 如无机玻璃 玻璃体是化学不稳定结构 容易与其它物体起化学作用 3 亚微观结构亚微观结构也称作细观结构 是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式 如金属材料晶粒的粗细及其金相组织 木材的木纤维 混凝土中的孔隙及界面等 从宏观 亚微观和微观三个不同层次的结构上来研究土木工程材料的性质 才能深入其本质 对改进与提高材料性能以及创制新型材料都有着重要的意义 三 材料的状态参数和结构特征1 材料的体积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 1 材料的绝对密实体积 干材料在绝对密实状态下的体积 即材料内部没有孔隙时的体积 或不包括内部孔隙的材料体积 一般以 表示材料的绝对密实体积 2 材料的表观体积 材料在自然状态下的体积 即整体材料的外观体积 含内部孔隙和水分 一般以V0表示材料的表观体积 3 材料的堆积体积 粉状或粒状材料 在堆集状态下的总体外观体积 根据其堆积状态不同 同一材料表现的体积大小可能不同 松散堆积下的体积较大 密实堆积状态下的体积较小 材料的堆集体积一般以来表示 1 材料的密度材料的密度是指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 g cm3或kg m3m 材料的质量 g或kgV 材料的绝对密实体积 cm3或m3测试时 材料必须是绝对干燥状态 含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积 3 视密度 表观密度 1 定义 在规定条件下 材料单位表观体积 矿质实体体积十闭口孔隙体积 的质量 称为称视密度 1 公式 式中 t 石料的视密度 表观密度 意义同前 B 石料闭口孔隙的体积 测定方法 排水法 T 4 毛体积密度 体积密度 定义 材料的毛体积密度是在规定试验条件下 烘干材料单位体积 包括孔隙在内 的质量 公式 式中 石料的毛体积密度 3 石料开口孔隙体积 3 B 意义同前 材料的毛体积密度测定可将石料加工为规则形状石料试件 采用精密量具测量其几何形状的方法计算其体积 对于遇水崩解 溶解和干缩湿胀性松软石料 应采用封蜡法测定 T 5 表观密度表观密度 俗称 容重 是指材料在自然状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 0 材料的表观密度 g cm3或kg m3m 材料的质量 g或kgV0 材料的表观体积 cm3或m3 材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积 因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙 其孔隙的多少 孔隙中是否含有水及含水的多少 均可能影响其总质量 有时还影响其表观体积 因此 材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外 还与其内部构成状态及含水状态有关 一般以干燥状态下的测定值为准 6 材料的堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料 在堆积状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 0 材料的堆积密度 g cm3或kg m3m 材料的质量 g或kgV0 材料的堆积体积 cm3或m3 粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量 其堆积体积是指所用容器的容积而言 因此 材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙 在土木建筑工程中 计算材料用量 构件的自重 配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度 表观密度和堆积密度等数据 例1 烧结普通砖的尺寸为240mm 115mm 53mm 已知其孔隙率为37 干燥质量为2487g 浸水饱和后质量为2984g 试求该砖的体积密度 表观密度 毛体积密度 密度 密度 吸水率 开口孔隙率及闭口孔隙率 解 o m1 Vo 2487 1461 8 1 7g cm3P V孔 Vo 100 37 V孔 1461 8 100 37 故V孔 541 236cm3 V Vo V孔 1461 8 541 236 921 6cm3 m1 V 2487 921 6 1 7g cm3 W m2 m1 m1 100 2984 2487 2487 100 20 PK m2 m1 Vo 1 W 100 2984 2487 1461 8 1 100 34 PB P PK 37 34 3 例2 破碎的岩石试件经完全干燥后 其质量为482g 将放入盛有水的量筒中 经一定时间石子吸水饱和后 量筒的水面由原来的452cm3上升至630cm3 取出石子 擦干表面水分后称得质量为487g 试求该岩石的视 表观 密度 体积密度及吸水率 解 因m1 482g m2 487g V VB 630 452 178cm3 闭 实体 故 m1 V VB 482 178 1 71g cm3 o m1 Vo 482 178 5 1 63g cm3W m2 m1 m1 100 487 482 482 100 1 例3 有一个1 5升的容器 平装满碎石后 碎石重1 55Kg 为测其碎石的表观密度 将所有碎石倒入一个7 78升的量器中 向量器中加满水后称重为9 36Kg 试求碎石的表观密度 若在碎石的空隙中又填以砂子 问可填多少升的砂子 9 36 1 55 水的重量既水的体积解 表观密度 m V 1 55 7 78 9 36 1 55 1 63kg m3堆积密度 o m Vo 1 55 1 5 1 7kg L空隙率 P l o 100 1 1 7 1 63 100 35 4 砂的体积 Vo 1 5 35 4 0 53 L 7 材料的密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度 密实度的计算式如下 对于绝对密实材料 因 0 故密实度D 1或100 对于大多数土木工程材料 因 0 故密实度D 1或D 100 密度 0 材料的表观密度密实度反映了材料的致密程度 含有孔隙的固体材料密实度都小于1 材料的强度 吸水性 耐久性 导热性都与密实度有关 8 孔隙率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 孔隙率P按下式计算 V 材料的绝对密实体积 cm3或m3V0 材料的表观体积 cm3或m3 0 材料的表观密度 g cm3或kg m3 密度 g cm3或kg m3 9 材料的孔隙 一 孔隙形成的原因 1 水分子的占据作用建筑材料加水拌和 用水量通常超过理论上的用水量 多余的水分占据的空间即为孔隙 2 外加的发泡作用如生产加气混泥土等的各种发泡剂 可在材料中形成大量的孔隙 3 火山作用火山爆发时 喷到空中的岩浆 冷却后在岩石中形成大量的孔隙 4 烧结作用 10 孔隙的类型及对材料性质的影响 二 孔隙的类型 1 连通孔隙 2 封闭孔隙 3 半封闭孔隙 三 孔隙对材料性质的影响 孔隙增多 1 材料的体积密度减小 2 材料受力的有效面积减小 强度降低 3 体积密度减小 导热系数和热容随之减小 4 透气性 透水性 吸水性变大 5 对抗冻性 要试孔隙大小和形态而定 有些能提高抗冻性 11 填充率 散粒材料资某容器的堆积体积中 被其颗粒填充的程度 用D 表示 可用下式公式计算 12 空隙率空隙率是指散粒材料在其堆集体积中 颗粒之间的空隙体积所占的比例 空隙率P 按下式计算 0 材料的表观密度 0 材料的堆积密度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含砂率的依据 四 材料的物理性质1 材料与水有关的性质 1 材料的亲水性与憎水性与水接触时 有些材料能被水润湿 而有些材料则不能被水润湿 对这两种现象来说 前者为亲水性 后者为憎水性 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亲合力 大于水分子本身之间的内聚力 反之 憎水性材料与水分子之间的亲合力 小于水分子本身之间的内聚力 工程实际中 材料是亲水性或憎水性 通常以润湿角的大小划分 润湿角为在材料 水和空气的交点处 沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角 其中润湿角 愈小 表明材料愈易被水润湿 当材料的润湿角 时 为亲水性材料 当材料的润湿角 时 为憎水性材料 水在亲水性材料表面可以铺展开 且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部 水在憎水性材料表面不仅不能铺展开 而且水分不能渗入材料的毛细管中 见图1 1 图1 1材料润湿示意图 亲水性材料 憎水性材料 2 材料的吸水性材料能吸收水分的能力 称为材料的吸水性 吸水的大小以吸水率来表示 分质量吸水率和体积吸水率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 m表示 质量吸水率 m的计算公式为 式中mb 材料吸水饱和状态下的质量 或kg mg 材料在干燥状态下的质量 或kg 1 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W 表示 体积吸水率W 的计算公式为 式中mb 材料吸水饱和状态下的质量 或kg mg 材料在干燥状态下的质量 或kg V0 材料在自然状态下的体积 cm3或m3 w 水的密度 g cm3或kg m3 常温下取 w 1 0g cm3 材料的吸水率与其孔隙率有关 更与其孔特征有关 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 用含水率来表示材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质 干燥的材料处在较潮湿的空气中时 便会吸收空气中的水分 而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时 便会向空气中放出水分 前者是材料的吸湿过程 后者是材料的干燥过程 由此可见 在空气中 某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的 材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率 并以 h表示 其计算公式为 式中ms 材料吸湿状态下的质量 或kg mg 材料在干燥状态下的质量 或kg 显然 材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响 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 其含水率叫作材料的平衡含水率 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 衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR 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 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 材料耐水性限制了材料的使用环境 软化系数小的材料耐水性差 其使用环境尤其受到限制 软化系数的波动范围在0至1之间 工程中通常将 0 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 注意 随含水量增加 减弱其内部结合力 导致强度下降 KR 0 85 称为耐水材料 5 抗冻性 材料饱水状态下 能经受多次冻融交替作用 既不破坏强度又不显著下降的性质 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 体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力 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 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 因素 水 负温度抗冻等级 能经受冻融循环的最大次数 抗冻性材料在含水状态下 能经受多次动容循环作用而不破坏 强度也不显著降低的性质 冻融循环直接冻融法是测定石料抗冻性的主要试验方法 此方法是将石料制备成直径和高均为 的圆柱体或边长为 的立方体试件 放人烘箱 烘至恒重 冷却后称其质量 按吸水率试验方法让试件吸水饱和 然后取出擦去表面水分 置于冰箱 冻结 然后取出放人 的水中融解 如此为一次冻融循环 经反复冻融至规定次数为止 将冻融后的试件再烘干至恒重 并称其质量 对于不同的工程环境气候条件 冻融循环的次数有不同的要求 分为15次 25次及25次以上 在试验过程中 每隔一定的冻融循环次数 应详细检查试件有无剥落 裂缝 分层及掉边等现象 并加以记录 对于块状石料的抗冻性 可采用经规定次数的冻融循环后的质量损失率或者耐冻系数表征 抗冻性以试件在冻融后的质量损失 外形变化或强度降低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 材料的抗冻等级可分为 15 25 50 100 200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 材料的抗冻性与材料的强度 孔结构 耐水性和吸水饱和程度有关 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 土木建筑工程中许多材料常含有孔隙 孔洞或其它缺陷 当材料两侧的水压差较高时 水可能从高压侧通过内部的孔隙 孔洞或其它缺陷渗透到低压侧 这种压力水的渗透 不仅会影响工程的使用 而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质 或将材料内的某些成分带出 造成材料的破坏 1 渗透系数材料的渗透系数可通过下式计算 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 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 五 材料的热工性质1 导热性当材料两面存在温度差时 热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质 称为材料的导热性 导热性用导热系数 表示 导热系数的定义和计算式如下所示 导热系数越小 绝热性能越好 差别很大 一般在0 035 3 5W m k 之间 材料的孔隙率大 导热系数小 但如孔隙粗大而且联通 由于对流作用 材料的导热系数反而高 材料受潮后导热系数增大 因为水和冰的比空气的大 因此绝热材料应经常处于干燥状态 式中 导热系数 传导的热量 材料厚度 热传导面积 m2 一热传导时间 h t2 t1 材料两面温度差 K 在物理意义上 导热系数为单位厚度 1m 的材料 两面温度差为1 时 在单位时间 1s 内通过单位面积 1 的热量 影响导热系数的因数 无机材料的导热系数大于有机材料晶体的导热系数大于无定形体的热导系数材料的孔隙率愈大 即空气愈多 导热系数愈小同类材料的孔隙率是随体积密度的件小而增大 则导热系数随体积密度的件小而减小导热系数与孔隙形态特征的关系 认为有微细而封闭孔隙组成的材料 导热系数小 反之大材料的含水率增加 导热系数也增加大多数材料的导热系数随温度升高而增加 1 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 单位质量材料温度升高或降低1 所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热 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 热容量 m 材料质量 g t2 t1 材料受热或冷却前后的温差 K 比热是反映材料的吸热和放热能力的理量 不同材料的比热不同 它对保持建筑物内部温度温度有很大的意义 比热大的材料 能在热流变动或采暖设备供热不均匀时 缓和室内的温度波动 3 材料的保温隔热性能 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 导热系数不大于0 175的绝热材料 式中 材料层热阻 m2 K W 材料层厚度 材料的导热系数 K 热阻的倒数 称为材料层 墙体或其它围护结构 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 4 材料的温度变形材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化 除个别材料以外 多数材料在温度升高时体积膨胀 温度下降时体积收缩 这种变化表现在单向尺寸时 为线膨胀或线收缩 相应的技术指标为线膨胀系数 材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为 L t2 t1 L式中 L 线膨胀或线收缩量 mm或cm t2 t1 材料升 降 温前后的温度差 材料在常温下的平均线膨胀系数 L 材料原来的长度 或 土木工程中 对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化 因此 研究其平均线膨胀系数具有实际意义 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 六 材料的力学性质 材料在外力作用下的变形性质试验条件对强度结果的影响强度标号与等级 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 通常情况下 材料内部的应力多由外力 或荷载 作用而引起 随着外力增加 应力也随之增大 直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限 即强度极限 材料发生破坏 在工程上 通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测 将预先制作的试件放置在材料试验机上 施加外力 荷载 直至破坏 根据试件尺寸和破坏时的荷载值 计算材料的强度 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 材料的抗拉 抗压 抗剪强度的计算式如下 式中f 材料强度 MPaFmax 材料破坏时的最大荷载 NA 试件受力面积 mm2 材料的抗弯强度与受力情况有关 一般试验方法是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 则其抗弯强度用下式计算 式中fw 材料的抗弯强度 MPaFmax 材料受弯破坏时的最大荷载 NA 试件受力面积 mm2L 两支点的间距 mmb h 试件横截面的宽及高 mm 比强度 指材料强度与其表观密度之比 意义 反映材料轻质高强的指标 值越大 材料越轻质高强 影响强度的因素 材料的组成孔隙率增加强度降低含水率增加强度降低温度升高强度降低试件尺寸大强度降低加荷速度快强度降低等 补充一 公路工程石料的力学性质 抗压强度石料的抗压强度 通常有单轴抗压强度和三轴抗压强度两种 一般仅需要进行单轴抗压强度试验 公路工程石料的抗压强度 是将石料制备成边长为 的正立方体或直径与高均为 的圆柱体试件 经吸水饱和后 在规定的加载条件下单轴受压 石料试件达到极限破坏时 单位受压面积的强度 公式 式中 石料的抗压强度 Fmax 试件极限破坏时的荷载 试件的截面积 石料的抗压强度值 取决于石料的组成结构 同时也取决于试验的条件 如试件几何外形 加荷速度 温度和湿度等 1 桥梁工程石料的力学性质抗压强度是桥梁工程石料的主要力学指标 是确定石料标号的主要依据 桥用石料的抗压强度是将石料加工成边长为 的正立方体试件 经吸水饱和后 按规定的加荷条件单轴受压 石料试件达到极限破坏时 单位受压面积的强度 此亦作为石料的标号 公式 桥用石料的力学性质以抗压强度为基准 其他力学指标 如抗拉强度 抗剪强度 抗弯强度等 一般可采用与抗压强度的大约比值 石料的技术标准 1 弹性和塑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 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 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 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 材料在冲击或动力荷载作用下 能吸收较大能量而不破坏的性能 称为韧性或冲击韧性 韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示 计算公式如下 式中ak 材料的冲击韧性 J mm2 k 试件破坏时所消耗的功 J A 材料受力截面积 mm2 4 硬度和耐磨性 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 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 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 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 磨耗率石料的磨耗率是指石料抵抗冲击 边缘剪力和摩擦的联合作用的性质 也是评定石料等级的依据之一 可采用洛杉矶试验法或狄法尔试验法测定 洛杉矶试验法洛杉矶试验法采用洛杉矶 或搁板 式磨耗试验机 是将石料试样洗净烘干 称出按我国标准规定的级配石料及钢球 磨耗机以 的转速转动 转 由于在旋转中石料试样受到相互摩擦 冲击等力系的综合作用 使石料试样产生磨耗和破碎 用 圆孔筛或1 7 方孔筛筛去试样中的石屑 将剩余试样洗净烘干 并称其质量 石料的磨耗率以经试验后石料试样的质量损失百分率来表示 公式 2 狄法尔试验法狄法尔试验法采用狄法尔 或双筒 式磨耗试验机 它是将石料破碎 人工或机械 并过筛选出 的块石 块 共约 每块质量约 计两份 分别洗净烘干 装人磨耗机的两圆筒中 磨耗机以 的转速转动 转 石料的磨耗率同样是以通过 或 7 筛孔的质量损失百分率来表示 亦按上式计算 按我国标准规定 两种试验方法以洛杉矶试验法为标准方法 第五节材料的耐久性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 物理作用可有干湿变化 温度变化及冻融变化等 这些作用将使材料发生体积的胀缩 或导致内部裂缝的扩展 时间长久之后即会使材料逐渐破坏 在寒冷地区 冻融变化对材料会起着显著的破坏作用 在高温环境下 经常处于高温状态的建筑物或构筑物 所选用的建筑材料要具有耐热性能 在民用和公共建筑中 考虑安全防火要求 须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料 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 砖 石料 混凝土等矿物材料 多是由于物理作用而破坏 也可能同时会受到化学作用的破坏 金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀 木材等有机质材料常因生物作用而破坏 沥青材料 高分子材料在阳光 空气和热的作用下 会逐渐老化而使材料变脆或开裂 材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的 例如处于冻融环境的工程 所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示 处于暴露环境的有机材料 其耐久性以抗老化能力来表示 例4 材料的密度 表观密度 堆积密度有何区别 如何测定 材料含水后对三者有什么影响 解密度 表观密度 堆积密度 V为材料的绝对密实体积V0为材料的表观体积 固 液 气 V0 为材料的堆积体积 对于含孔材料 三者的测试方法要点如下 测定密度时 需先将材料磨细 之后采用排出液体或水的方法来测定体积 测定表观密度时 直接将材料放入水中 即直接采用排开水的方法来测体积 测定堆积密度时 将材料直接装入已知体积的容量筒中 直接测试其自然堆积状态下体积 含水与否对密度 表观密度无影响 因密度 表观密度均是对干燥状态而言的 含水对堆积密度的影响则较复杂 一般来说是使堆积密度增大 例5 某工地所用卵石材料的密度为1 65g cm3 表观密度为1 61g cm3 堆积密度为1680kg m3 计算此石子的孔隙率与空隙率 解石子的孔隙率P为 石子的空隙率P 为 例6 某石材在气干 绝干 水饱和情况下测得的抗压强度分别为174 178 165MPa 求该石材的软化系数 并判断该石材可否用于水下工程 解该石材的软化系数为 由于该石材的软化系数为0 93 大于0 85 故该石材可用于水下工程 第2章石材 天然石材天然石材 指从天然岩石中采得的毛石 或经加工制成的石块 石板及其定型制品等 优点 抗压强度高 耐久性好 生产成本低等 是古今土木建筑工程的主要建筑材料 工程砌筑石材1 工程对砌筑石材的要求 石材尺寸规格常用的砌筑石材有毛石和料石 毛石 为不规则形 但毛石的中间厚度不小于15 至少有一个方向的长度不小于30 平毛石应有两个大致平行的面 料石 宽度和厚度均不宜小于20 长度不宜大于厚度的 倍 形状应大致呈六面体 石材抗压强度根据边长70 立方体试件的抗压强度 砌筑石材的强度等级分为 10 15 20 30 40 50 60 80 100共九个等级 石材耐水性石材的耐水性用软化系数K表示 高耐水性石材 其软化系数为k 0 90 中耐水性石材 其软化系数为0 7 0 9 低耐水性石材 其软化系数为k 0 6 0 7 石材抗冻性 试件在规定的冻融循环次数内无 穿过试件两棱角的 贯穿裂纹 质量损失不超过 强度降低不大于 的石材方为合格 对于有特殊要求的工程 还可能要求石材的耐磨性 吸水性或抗冲击性 决定石材上述技术性质的因素有 矿物组成 结构特征 构造特点 受风化作用的程度等 常用砌筑石材有花岗岩 石灰岩 砂岩 片麻岩等 石材抗压强度根据边长70 立方体试件的抗压强度 砌筑石材的强度等级分为 10 15 20 30 40 50 60 80 100共九个等级 石材耐水性石材的耐水性用软化系数K表示 高耐水性石材 其软化系数为K 0 90 中耐水性石材 其软化系数为0 7 0 9 低耐水性石材 其软化系数为 0 6 0 7 石材抗冻性试件在规定的冻融循环次数内无 穿过试件两棱角的 贯穿裂纹 质量损失不超过 强度降低不大于 的石材方为合格 对于有特殊要求的工程 还可能要求石材的耐磨性 吸水性或抗冲击性 决定石材上述技术性质的因素有 矿物组成 结构特征 构造特点 受风化作用的程度等 常用砌筑石材有花岗岩 石灰岩 砂岩 片麻岩等 装饰石材天然大理石 天然大理石是石灰岩或白云岩在地壳内经过高温高压作用形成的变质岩 多为层状结构 有明显的结晶 纹理有斑纹 条纹之分 是一种富有装饰性的天然石材 成分 化学成分为碳酸盐 矿物成分为方解石或白云石 颜色 纯大理石为白色 当含有部分其它深色矿物时 产生多种色彩与优美花纹 从色彩上来说 有纯黑 纯白 纯灰 墨绿等数种 纹理 有晚霞 云雾 山水 海浪等山水图案 自然景观 优点 抗压强度较高 但硬度并不太高 易于加工雕刻与抛光 工程装饰中得以广泛应用 缺点 长期受雨水冲刷 特别是受酸性雨水冲刷时 易被侵蚀而失去原貌和光泽 影响装饰效果 因此大理石多用于室内装饰 大理石抗压强度较高 但硬度并不太高 易于加工雕刻与抛光 由于这些优点 使其在工程装饰中得以广泛应用 当大理石长期受雨水冲刷 特别是受酸性雨水冲刷时 可能使大理石表面的某些物质被侵蚀 从而失去原貌和光泽 影响装饰效果 因此大理石多用于室内装饰 建筑用天然花岗石由天然花岗石加工成板材 块材用于建筑装饰工程中 花岗岩是典型的火成岩 是全晶质岩石 主要成分 石英 长石和少量的暗色矿物和云母 结构 按结晶颗粒大小 分为细粒 中粒和斑状等 颜色 呈灰色 黄色 蔷薇色 红花等 优质花岗岩石英含量多 云母含量少 晶粒细而匀 结构紧密 不含其他杂质 抛光后光泽明亮 不易风化 色调鲜明 花色丰富 庄重大方 优点 比大理石密度大 密度为2300 2800 3 抗压强度高达120 250MPa 孔隙率吸水率极低 材质硬度高 其耐磨 耐久 耐腐蚀性能均优于其他石材 经抛光后 是室内外地面 墙面 踏步 柱石 勒脚等处首选装饰材料 例 选用天然石材的原则是什么 为什么一般大理石板材不宜用于室外 解选用天然石材时应满足以下几方面的要求 1 适用性 是指在选用建筑石材时 应针对建筑物不同部位 选用满足技术要求的石材 如对于结构用石材 主要要求指标是石材的强度 耐水性 抗冻性等 饰面用石材 主要技术要求是尺寸公差 表面平整度 光泽度和外观缺陷等 经济性 由于天然石材自重大 开采运输不方便 故应贯彻就地取材原则 以缩短运距 降低成本 同时 天然岩石雕琢加工困难 加工费工耗时 成本高 一些名贵石材 价格高昂 因此选材时必须予以慎重考虑 2 色彩 石材装饰必须要与建筑环境相协调 其中色彩相融性尤其明显和重要 因此选用天然石材时 必须认真考虑所选石材的颜色与纹理 力争取得最佳装饰效果 天然大理石化学成分为碳酸盐 当大理石长期受雨水冲刷 特别是受酸性雨水冲刷时 可能使大理石表面的某些物质被侵蚀 从而失去原貌和光泽 影响装饰效果 因此一般大理石板材不宜用于室外装饰 第3章气硬性胶凝材料 胶凝材料 结合料 经物理 化学作用 能将散粒状或块状材料粘结为整体的材料 只能在空气中硬化 保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为气硬性无机胶凝材料 不仅能在空气中 而且能更好地在水中硬化 保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为水硬性无机胶凝材料 土木工程中常用的气硬性无机胶凝材料主要有 石灰 石膏 菱苦土和水玻璃 石灰的生产1 原料 以CaCO3为主要成分的岩石 石灰石 白垩等 3 1石灰 天然碳酸岩类岩石 石灰石 白云石 经高温煅烧 其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰 其化学反应可表示如下 生石灰 堆积密度为800 1000kg m3 一般为白色或黄灰色块灰 块灰碾碎磨细即为生石灰粉 一 石灰的消化和硬化1 石灰的熟化和 陈伏 工地上使用石灰时 通常将生石灰加水 使之消解为消 熟 石灰 氢氧化钙 这个过程称为石灰的 消化 又称 熟化 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 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 为了消除过火石灰的危害 生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上 这一过程称为石灰的 陈伏 陈伏 期间 石灰浆表面应保有一层水分 与空气隔绝 以免碳化 欠火石灰 温度过低 时间不够 石灰石不能充分烧透 存在硬心过火石灰 温度过高 时间过长 颜色深 褐 黑 注意 过火石灰可以使用 但应陈伏半个月 2 石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化 是由下面两个同时进行的过程来完成的 1 游离水分蒸发 2 结晶作用氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶 3 碳化作用氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶 释出水分并被蒸发 碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸 然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙 所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行 二 建筑石灰的技术指标建筑石灰的技术指标有细度 CaO MgO含量 CO2含量和体积安定性等 并按技术指标分为优等品 一等品和合格品三个等级 具体技术要求见手册 JC T479 1992建筑生石灰 P48表3 2 JC T480 1992建筑生石灰粉 P48表3 3 JC T481 1992建筑消石灰粉 P48表3 34 钙质生石灰MgO 5 钙质消石灰粉MgO 4 镁质生石灰MgO 5 镁质消石灰粉MgO 4 石灰分类 1 按MgO含量分类 钙质石灰 MgO 5 镁质石灰 MgO 5 特点 熟化较慢 但硬化强度稍高 2 石灰的存在形成块状生石灰 煅烧直接获得生石灰粉 块状生石灰磨细消石灰粉 生石灰消解石灰膏 乳 生石灰 过量水 CaO Ca OH 2 生石灰的技术标准 生石灰粉的技术标准 消石灰粉的技术标准 路面基层用石灰的技术标准 工程实例某工地要使用一种生石灰粉 现取试样 应如何判该石灰的品质 1 检测石灰中CaO和MgO的含量 二氧化碳的含量 细度 2 根据MgO含量 判定该石灰的类别 属钙质 镁质石灰 3 根据表3 1判定该石灰的等级 三 石灰的技术性质 1 可塑性好生石灰熟化为石灰浆时 能自动形成颗粒极细 直径约为1 的呈胶体分散状态的氢氧化钙 表面吸附一层厚的水膜 因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性 在水泥砂浆中掺入石灰浆 可使可塑性显著提高 2 硬化慢 强度低从石灰浆体的硬化过程可以看出 由于空气中二氧化碳稀薄 碳化甚为缓慢 而且表面碳化后 形成紧密外壳 不利于碳化作用的深入 也不利于内部水分的蒸发 因此石灰是硬化缓慢的材料 同时 石灰的硬化只能在空气中进行 硬化后的强度也不高 受潮后石灰溶解 强度更低 在水中还会溃散 如石灰砂浆 1 3 28天强度仅为0 2 0 5MPa 所以 石灰不宜在潮湿的环境下作用 也不宜用于重要建筑物基础 3 硬化时体积收缩大石灰在硬化过程中 蒸发大量的游离水而引起显著的收缩 所以除调成石灰乳作薄层涂刷外 不宜单独使用 常在其中掺入砂 纸筋等以减少收缩和节约石灰 4 耐水性差 不易贮存块状类石灰放置太久 会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉 再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙 失去胶结能力 所以贮存生石灰 不但要防止受潮 而且不宜贮存过久 最好运到后即熟化成石灰浆 将贮存期变为陈伏期 由于生石灰受潮熟化时放出大量的热 而且体积膨胀 所以 储存和运输生石灰时 还要注意安全 四 石灰的应用 1 石灰乳和石灰砂浆将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释 成为石灰乳 是一种廉价的涂料 主要用于内墙和天棚刷白 增加室内美观和亮度 我国农村也用于外墙 石灰乳可加入各种耐碱颜料 调入少量水泥 粒化高炉矿渣或粉煤灰 可提高其耐水性 调入氯化钙或明矾 可减少涂层粉化现象 石灰砂浆是将石灰膏 砂加水拌制而成 按其用途 分为砌筑砂浆和抹面砂浆 2 石灰土 灰土 和三合土石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用 制成石灰土或石灰与工业废料的混合料 加适量的水充分拌合后 经碾压或夯实 在潮湿环境中使石灰与粘土或硅铝质工业废料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 适于在潮湿环境中使用 如建筑物或道路基础中使用的石灰土 三合土 二灰土 石灰 粉煤灰或炉灰 二灰碎石 石灰 粉煤灰或炉灰 级配碎石 等 3 灰砂砖和硅酸盐制品石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀 加水搅拌 经压振或压制 形成硅酸盐制品 为使其获早期强度 往往采用高温高压养护或蒸压 使石灰与硅铝质材料反应速度显著加快 使制品产生较高的早期强度 如灰砂砖 硅酸盐砖 硅酸盐混凝土制品等 3 1 5石灰的应用1 石灰乳 涂料2 砂浆 石灰砂浆 水灰水泥混合砂浆3 石灰土和三合土 石灰 粘土 石灰土 灰土 用于道路的底基层 基层 拌和 按比例5 12 石灰 粘土 砂 炉渣 石膏 三合土 应用历史悠久主要用于建筑物的地基 基础 也用于道路的基层 垫层 石膏石膏 CaSO4为主要成分 分为建筑石膏和高强度石膏两种 石膏的存在形式 天然二水石膏化工石膏天然无水石膏建筑石膏高强石膏 CaSO4 2H2O CaSO4 H2O与CaSO4混合废渣 CaSO4硬 CaSO4 1 2H2O CaSO4 1 2H2O 3 2建筑石膏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石膏的原料 分类及生产根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为 1 无水石膏 aSO4 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 2 天然石膏 aSO4 2H2O 也称生石膏或二水石膏 大部分自然石膏矿为生石膏 是生产建筑石膏的主要原料 建筑石膏 aSO4 1 2H2O 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 建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的 常压下煅烧加热到107 170 可产生 型建筑石膏 二水石膏 型半水石膏 124 条件下压蒸 1 3大气压 加热可产生 型建筑石膏 二水石膏 型半水石膏 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 当加热温度超过170 时 可生成无水石膏 只要温度不超过200 此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能 2 2建筑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 建筑石膏与水之间产生化学反应的反应式为 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 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磨擦力和粘结力 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磨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 2 3建筑石膏的技术要求建筑石膏的技术要求有强度 细度和凝结时间 并按强度和细度分为优等品 一等品和合格品 具体技术要求见GB9776 1988 土木工程材料 P45表3 1 2 4建筑石膏的技术性质 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 凝结硬化时的膨胀性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 硬化后的多孔性 重量轻 但强度低建筑石膏在使用时 为获得良好的流动性 常加入的水分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 造成石膏内部的大量微孔 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 00kg 3 1000kg 3 抗压强度约为 Pa 5 Pa 良好的隔热和吸音和 呼吸 功能 调湿调温作用 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 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 6 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 2 5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 3 制作建筑雕塑和模型 3 4 水玻璃水玻璃俗称泡花碱 由碱金属氧化物和二氧化硅组成 属可溶性的硅酸盐类 根据碱金属氧化物的不同 水玻璃有 硅酸钠水玻璃 Na2O SiO2 硅酸钾水玻璃 2 SiO2 硅酸锂水玻璃 i2O SiO2 等品种 最常用的是硅酸钠水玻璃 称为水玻璃模数 根据水玻璃模数的不同 又分为 碱性 水玻璃 和 中性 水玻璃 3 实际上中性水玻璃和碱性水玻璃的溶液都呈明显的碱性反应 1 水玻璃的生产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1300 1400 C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 2 水玻璃的硬化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 由于空气中CO2浓度较低 这个过程进行的很慢 为了加速硬化和提高硬化后的防水性 常加入氟硅酸钠Na2SiF6作为促硬剂 促使硅酸凝胶加速析出 氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重量的12 3 水玻璃的技术性质 粘结力强 水玻璃硬化后具有较高的粘结强度 抗拉强度和抗压强度 另外 水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还有堵塞毛细孔隙而防止水分渗透的作用 耐酸性好 硬化后的水玻璃 其主要成分是 iO2 具有高度的耐酸性能 能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用 但其不耐碱性介质侵蚀 耐热性高水玻璃不燃烧 硬化后形成 iO2空间网状骨架 在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈 强度并不降低 甚至有所增加 3 水玻璃的应用 用作涂料 涂刷材料表面直接将液体水玻璃涂刷在建筑物表面 或涂刷粘土砖 硅酸盐制品 水泥混凝土等多孔材料 可使材料的密实度 强度 抗渗性 耐水性均得到提高 这是因为水玻璃与材料中的 a OH 2反应生成硅酸钙凝胶 填充了材料间孔隙 同时硅酸钠本身硬化所析出的硅酸凝胶也有利于材料保护 选用不同的耐火填料 还可配制不同耐热度的水玻