建筑材料专题讲义.ppt

建筑材料 ConstructionMaterials 主讲 Tel 0571 64928072 E mail wuj 建筑材料 课程为建筑工程类专业的技术基础课 本课程的目的是为学习建筑设计 建筑施工 结构设计专业课程提供建筑材料的基本知识 并为今后从事专业技术工作能够合理选择和使用建筑材料打 一 课程的性质 目的和任务 本课程的任务是使学生获得有关建筑材料的性质与应用的基本知识和必要的基本理论 并获得主要建筑材料试验的基本技能训练 从本课程的目的及任务出以 课程内容着重于材料的性质和应用 对这两方面内容提出如下要求 1 在材料性质方面 掌握材料的组成 性质及技术要求 了解材料组成及结构对材料性质的影响 了解外界因素对材料性质的影响 了解各主要性质间的相互关系 初步学会主要建筑材料的试验方法 2 在材料应用方面 根据工程要求能够合理地选用材料 熟悉有关国家标准或行业标准 了解材料使用方法的要点 学会混凝土配合比设计 二 复习与自学 复习与自学是掌握教学内容和扩大信息量的重要手段 复习时以主教材为核心 参照听课笔记 按 学习指导 要求进行 首先以节为单元读一遍 其次按 基本内容与要求 重点阅读 不要强记 务求理解 再次按 复习思考题与习题 进行小结 自我检测 三 辅导课 这是本课程教学的重要组成部分 按 基本内容与要求 及 复习思考题与习题 进行辅导 并答疑 四 考试 限于条件 考试只在期末进行一次 本课程考试的主要题型有 名词解释 填空题 选择填空题 单项选择 计算题 问答题等最后成绩由平时成绩和考试成绩两部分组成 分别占20 与80 绪论 内容 建筑材料的定义和分类建筑材料 工程结构关系建筑材料组成 结构 性能关系建筑材料 人类 环境关系建筑材料课程的特点与学习内容 一 建筑材料的定义 建筑材料 是人类建造活动所用一切材料的总称 人类社会的基本活动如衣 食 住 行 无一不直接或间接地和建筑材料密切相关如常见的粘土砖 石材 石灰 木材 水泥 混凝土 钢材 陶瓷砖 沥青卷材 玻璃 各种油漆 涂料 PVC管等等 二 建筑材料的分类 一 按化学成分无机材料 金属材料 非金属材料有机材料 植物材料 沥青材料 合成高分子材料复合材料 有机 无机 金属 非金属 金属 有机二 按使用功能分建筑结构材料 墙体材料 建筑功能材料 无机材料 金属材料 黑色金属 钢铁 不锈钢有色金属 铝 铜 铝合金非金属材料 天然石材 花岗岩 大理石等烧土制品 粘土砖 瓦 陶瓷胶凝材料 石灰 石膏 水泥玻璃 平板玻璃 玻璃砖无机纤维材料 玻璃 碳纤维 有机材料 植物材料 木材 竹材 植物纤维等沥青材料 煤 石油沥青 各类卷材合成高分子材料 塑料 涂料 胶粘剂 复合材料 有机 无机 树脂混凝土 纤维增强塑料等金属 非金属 钢筋混凝土 钢纤维混凝土金属 无机材料 涂覆钢板 涂覆铝合金板 塑铝管 塑钢门窗等 按使用功能分类 建筑结构材料 构成建筑物受力构件 梁 板 柱 基础 框架 和结构所用的材料 常用石材 混凝土 钢材 钢筋混凝土等 墙体材料 构成建筑物内外和分隔室内空间所用的材料 砖 砌块 复合板材等 建筑功能材料 具有某种特殊功能的非承重材料 如防水材料 吸声材料 装饰材料等等 三 建筑材料与建筑结构的关系 建筑材料的更新是新型结构出现与发展的基础新的轻质高强材料的不断涌现 为结构向大跨度 轻型化和新型结构形式发展提供了前提条件 四 建筑材料的结构 性能 组成 要合理地选用材料 就必须对不同材料进行比较 了解各种材料的特性 包括强度与破坏特性 变形性能 耐久性能等多方面 五 建筑材料 人类 环境关系 建筑材料是人类与自然环境之间的重要媒介 直接影响人类的生活与社会环境 人类大量建造的基础设施对生存环境发挥着巨大的积极作用 同时也带来不容忽视的消极作用 即大量地消耗地球的资源和能源 在相当程度上污染了自然环境和破坏生态平衡 从人类社会可持续发展的前景出发 建筑材料也要注意可持续发展的方向 绿色建筑材料 生态建筑材料 材料的再循环使用 第一章建筑材料的基本性质 内容 材料的组成与结构材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的化学性质材料的耐久性 内容 材料的组成材料的结构材料的孔隙及其对材料性质的影响 1 1材料的组成与结构 一 材料的组成 一 材料的组成是决定材料的性质的内在因素之 一 化学组成 二 矿物组成 二 材料的结构 一 宏观结构指用肉眼或放大镜能观察到的结构 它分为散粒结构 聚集结构 多孔结构 致密结构 纤维结构 层状结构 宏观结构 1 散粒结构由单独的颗粒组成2 聚集结构材料中的颗粒通过胶结材料彼此牢固地结合在一起3 多孔结构材料中含有大量的 大的 或微小的均匀分布的孔隙4 致密结构材料在外观上和结构上都是致密的5 纤维结构是木材 玻璃纤维制品所特有的结构6 层状结构是板材常见的结构 显维结构和微观结构 二 显维结构指借助关学显微镜和电子显微镜观察到的结构 它可分为结晶和无定型两种 结晶和无定型是同一物质的不同状态 晶体呈稳定状态 而无定型则具有化学活性 三 微观结构指原子排列结构 根据质子间键的特性分为原子晶体 离子晶体 分子晶体 三 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 烧作用 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 1 2材料的物理性质 内容 材料的各种参数材料与水有关的性质材料与热有关的性质 一 状态参数 一 材料的密度1 体积密度 材料在自然状态下单位体积的质量 单位g cm3或kg m3 公式 o m Vo式中 o 表观密度 g cm3 m 材料的质量 g Vo 材料在自然状态下的体积 cm3 体积密度的测量 自然状态下的体积 是指构成材料的固体物质的体积与全部孔隙体积之和 材料内部孔隙含有水分时 其质量和体积均发生变化 注明含水情况体积密度的测量 1 对形状规则的材料 砖 混凝土 石材烘干 量测几何体积 称重 代入公式2 对形状不规则的材料 烘干 蜡封 浮力天平 密度 2 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 单位g cm3或kg m3 公式 m v式中 实际密度 g cm3 m 材料的质量 g V 材料在绝对密实状态下的体积 cm3 密度的测量 绝对密实状态下的体积 是指构成材料的固体物质本身的体积 或称实体积孔隙在内的体积 实际密度的测量 1 对近于绝对密实的材料 金属 玻璃等直接以排水法作为密实态体积近似值2 对有孔隙的材料 砖 混凝土 石材磨成细粉 排水法求的体积即为密实态体积 表观密度 3 表观密度 对密实材料直接以排水法求的体积v 作为密实态体积的近似值 单位g cm3或kg m3 公式 m V 式中 表观密度 g cm3 m 材料的质量 g V 用排水法求的的体积 cm3 二 材料的孔隙 1 孔隙率 指材料中孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率 或称总空隙率公式 P V孔 Vo 100 式中 P 空隙V孔 材料中全部孔隙的体积Vo 材在自然状态下的体积又由于P Vo V Vo 100 1 V Vo 100 1 o 100 2 开口孔隙率与闭口孔隙率 开口孔隙率是指材料中能被水所饱和的孔隙体积与材料在自然状态下的体积百分率 PK m2 m1 V0 w 100 式中 m2 干燥状态下材料的质量 gm1 水饱和状态下材料的质量 g w 水的密度 常温下可取1g cm3闭口孔隙率pb为总空隙率与开口孔隙率之差即PB P PK 三 散粒材料的堆积密度及空隙率 3 堆积密度 散粒状材料在规定装填条件下 包括散粒材料中颗粒在自然状态下的体积和颗粒之间空隙的体积 的质量称为堆积密度 单位g cm3或kg m3 公式 o m V0 式中 o 堆积密度 g cm3 m 材料的质量 g V o 材料的堆积体积 cm3 空隙率 4 空隙率 散粒材料在自然堆积状态下 其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率公式 P 1 o o 100 P 散粒材料的空隙率 o 散粒材料的堆积密度 o 材料的体积密度 二 材料与水有关的性质 1 亲水性与憎水性材料在空气中与水接触时 根据其是否能被水润湿 将材料分为亲水性和憎水性两大类 常用润湿角 表示 亲水性材料 90 憎水性材料 90 2 吸水性 材料吸收水分的能力称为吸水性 1 质量吸水性 W m2 m1 m1 100 式中 W 质量吸水率 m2 材料在绝对干燥状态下的质量m1 材料在浸水饱和状态下的质量 2 体积吸率 公式 W0 m2 m1 V0 w 100 式中 W0 体积吸水率m2 材料在自然状态下的体积m1 水的密度 常温下取1 g cm3体积吸水率与质量吸水率的关系为 W0 W o一般来说孔隙率愈大 吸水率也愈大 吸水率增大对吃的性质有不良影响 如体积密度增加 体积膨胀 导热性增大 强度及抗动性下降等 3 水饱和度 公式 KB W0 PKB 水饱和度W0 材料的体积吸水率 P 材料的孔隙率 KB可在0 1之间波动 当KB 0时即W0 0说明该材料所有的孔隙均未充水 孔隙为闭口孔隙 当KB 1时即W0 P 说明材料所有的孔隙全部充满水 孔隙为开口孔隙 耐水性 3 耐水性 材料在水作用 保持其原有性质的能力称为耐水性 用软化系数表示 公式 KP fW f式中 KP 材料的软化系数f 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa fW 材料在浸水饱和状态下的抗压强度 MPa 材料软化系数的要求 1 软化系数越小 说明材料吸水饱和后的强度降低越多 其耐水性越差 2 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K软 0 85 3 受潮较轻的或次要结构物的材料 其K软 0 85 4 K软 0 80的材料 一般称为耐水的材料 抗渗性 4 抗渗性 材料抵抗有压介质 水 油 气 渗透的性质称抗渗性 用渗透系数K表示 依达西定律 Q KHFt d式中K 材料的渗透系 cm h Q 渗透量 cm3 t 透水时间 h F 渗水面积 cm2 H 水头差 cm d 试件的厚度 cm 抗渗性用抗渗标号S表示 抗动性 5 抗冻性 浸水饱和的材料在冻 融循环作用下保持其原有性质的能力称为抗冻性 用抗冻标号D表示 三 与热有关的性质 1 导热性 材料传导热量的能力称为导热性 其大小用热导率 表示 公式 Q a A t1 t2 Z式中 导热系数 W m K Q 传导的热量 J A 平壁面积 m2 a 材料的厚度 m Z 传热时间 s T2 T1 材料两侧温差 K 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 热容 2 热容 材料加热时吸收热量 冷却时放出热量的性质 称为热容 大小用比热容 比热 表示公式Q cm T2 T1 式中Q 材料吸收或放出的热量 J c 材料的比热 J g K m 材料的质量 g T2 T1 材料受热或冷却前后的温差 K 1 3材料的力学性质 内容 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 一 材料在外力作用下的变形性质 弹性 材料在外力的作用下产生变形 当外力取消后 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质 弹性模量E 塑性 材料在外力的作用下产生变形而不出现裂缝 并且外力停止后 不能自动恢复原来形状的性 遗留的变形称为塑性变形 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形 二 试验条件对强度结果的影响 1 强度与试验条件有密切关系 如试的形状 尺寸 表面状态 含水率 温度 及试验时3 加荷速度等 2 棱柱体比正方体的强度低 3 尺寸大的试件强度低与尺寸小的试件 4 含水的试件 其强度较干燥的低 5 一般老说温度高 强度将降低6 加荷速度快时 则破环时的强度值较高 1 4材料的耐久性 1 耐久性是指材料保持工作性能直到极限状态的性质 2 实验室快速试验包括 干湿循环 动融循环 加湿与紫外线干燥循环 炭化 盐溶液浸渍与干燥循环 化学介质浸渍等 第二章 石材 内容 岩石的基本性质常用建筑石材 2 1岩石的基本性质 石材是天然岩石不经机械加工或镜机械加工而的到的材料的统称 一 造岩矿物天然岩石是矿物的集合体 组成岩石的矿物称为造岩矿物 石英是结晶的二氧化硅长石是钾 钠钙等的铝硅酸盐的晶体角闪石 辉石 方解石白云石 岩石的结构与性质 二 岩石的结构与性质1 岩石大多数属于结晶晶体 少数属于玻璃质结构两者相比结晶质的较玻璃质的强度高 化学稳定性及耐久性好 2 岩石的孔隙率较大 则岩石的强度 抗冻性 耐水性及耐久性等会显著下降 2 2常用建筑石材 一 常用建筑石材 一 花岗岩它属于深成岩 是火成岩中分布最广的岩石 其主要的矿物组成为长石 石英和少量的云母 它耐磨性好 抗风化性好及耐久性高 耐酸性好 花岗岩主要用于基础 挡土墙 勒脚 踏步地面 外墙饰面雕塑 石灰岩和大理岩 二 石灰岩它属于沉积岩 主要由方解石组成石灰岩可用与基础 墙体 挡土墙等砌体 三 大理岩它属于副变质岩 由石灰岩或白云岩变质而成 主要矿物组成为方解石和白云石 大理岩主要用于室内的装修 如墙面 柱面及磨埙较小的地面 踏步 第三章气硬性胶凝材料 内容提要 本章介绍建筑工程中常用的石膏 石灰 菱苦土和水玻璃四种无机胶凝材料的原料 生产 硬化原理 技术性质及其在工程中的应用 其中石膏 石灰 水玻璃的技术性质 影响因素 工程应用是学习的重点 胶凝材料 cementingmaterial 3 1石膏 建筑工程中将能够把散粒状材料或块状黏结成一个整体的材料称为胶凝材料 它分为无机胶凝材料和有机胶凝材料 无机胶凝材料按硬化条件分为气硬胶凝材料和水硬胶凝材料 一 建筑石膏的凝结与硬化 一 建筑石膏的水化CaSO4 1 2H2O 3 2H2O CaSO4 2H2O 二 建筑石膏的凝结与硬化 从加水开始拌和一直到浆体刚开始失去可塑性的过程称为浆体的初凝 对应的时间为初凝时间 从加水开始拌和一直到浆体完全失去可塑性 并开始产生强度的过程称为浆体的硬化 对应的时间称为终凝时间 三 建筑石膏的质量和应用 1 建筑石膏的质量要求 主要有强度 细度和终凝时间 并按强度 细度和终凝时间划分为优等品 一等品 和合格品 各等级建筑石膏的初凝时间不得小于6min 终凝时间不得大于30min 2 建筑石膏的应用建筑石膏的用途很广 主要用于室内摸灰 粉刷 和生产各种石膏板 建筑石膏的特性 建筑石膏的特性 1 凝结硬化快2 凝结硬化时体积膨胀3 孔隙率大与体积密度小4 保温性和吸收性好5 强度较低6 具有一定的调温和调湿性能7 防火性好 但耐火性较差8 耐水性 抗掺性 抗冻性差 3 2石灰 内容 石灰的原料与生产石灰的熟化与硬化石灰的特性与应用石灰质量要求 一 石灰的原料与生产 1 生产石灰的原料主要是碳酸钙为主的天然岩石 CaCO3 CaO CO2 900 1100度 即的生石灰 其内部孔隙大 晶粒小 体积密度小 与水作用快 2 欠火石灰 温度控制不够产生的 它只是降低了石灰的利用率 不会带来危害 3 过火石灰 是由于温度过高得到的石灰 它的结构致密 孔隙率小 体积密度大 二 石灰的熟化与硬化 一 石灰的熟化生石灰 氧化钙 与水发生作用生成熟石灰 氢氧化钙 的过程 称为石灰的熟化或消解 CaO H2O Ca OH 2熟石灰又称消石灰 有两种熟化形式即 石灰膏与消石灰 二 石灰的硬化 石灰浆体的硬化过程包括干燥硬化和炭化硬化 机理 干燥硬化 砌体吸水 空气碳化硬化 碳化生成CaCO3由于空气中的二氧化碳少 且生成的碳酸钙负在表面阻止反应的进行因此石灰浆体硬化慢 强度低 也不耐水 三 石灰的特性 质量要求与应用 一 石灰的特性 1 保水性与可塑性好2 凝结硬化慢 强度低3 耐水性差4 干燥收缩大 二 石灰的的质量要求建筑生石灰的技术要求为有效氧化钙和有效氧花镁的含量 二氧化碳含量及细度并按此划分优等品 一等品 合格品 见表3 3 建筑消石灰的技术要求为有效氧化钙和有效氧化镁含量 游离水含量 体积安定性及细度 并由此划分优等品 一等品 合格品见表3 4 三 石灰的应用拌制灰土或三合土 配制水泥石灰砂浆 石灰砂浆 石灰膏罩白 制作碳化石灰板 制造加气混凝土砌块 粉煤灰砌块等配制无熟料水泥 矿渣 石灰 磨细 3 3 水玻璃 一 水玻璃的组成俗称泡花碱 石英砂 苛性钠品种 硅酸钠水玻 Na2O nSiO2 硅酸钾水玻璃 K2O nSiO2 硅酸锂水玻璃 Li2O nSiO2 通式 R2O nSiO2n 水玻璃模数 二氧化硅与氧化钠的摩尔数的比值称为水玻璃的摩尔数水玻璃的浓度越高 则水玻璃的密度和黏度越大 硬化速度越快 硬化后的黏结力与强度 耐热性与耐酸性越高 水玻璃的模数越高 则水玻璃的密度和黏度越大 硬化速度越快 硬化后的黏结力与强度 耐热性与耐酸性越高 二 水玻璃的硬化 碳化硬化 水玻璃吸水空气中的二氧化碳 析出二氧化硅凝胶 并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化Na2O nSiO2 CO2 mH2O nSiO2 mH2O Na2CO3晶体 SiO2 胶体 nSiO2 mH2O 晶体 nSiO2 三 水玻璃的碱性质与应用 1 水玻璃的性质a 黏结力强 强度较高b 耐酸性好c 耐热性好d 耐碱性和耐水性差 2 水玻璃的应用水玻璃可用作耐热和耐酸材料外 还有以下用途 a 涂刷材料表面b 提高抗风化能力c 加固土壤d 配置速凝防水剂e 修补砖墙裂缝 第四章水泥Cement 内容提要 重点介绍硅酸盐水泥的矿物组成 水化硬化机理 影响水化因素 硅酸盐水泥主要技术性质 水泥石的腐蚀和防止 同时介绍了其它掺混合材的水泥 特种水泥 达到正确的选择和使用水泥 4 1硅酸盐水泥 定义 由硅酸盐水泥熟料 0 5 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PortlandCement 一 硅酸盐水泥熟料的矿物组成与特性1 定义 煅烧时由生料脱水和分解出的CaO AL2O3 SiO2 Fe2O3 在约1450度的高温下相互间产生化学反应 生成一些以硅酸盐为主的新的化合物 称为水泥熟料 硅酸盐四种矿物 2 四种熟料矿物 硅酸三钙 C3S 硅酸二钙 C2S 铝酸三钙 C3A 铁铝酸四钙 C4AF 3 四种矿物的比例对水泥性质的影响 如提高C3S的含量 可得到高强硅酸盐水泥 提高C3S和C3A的含量 即可制得快硬硅酸盐水泥 降低C3S和C3A的含量 提高的含量可的低热或中热硅酸盐水泥 二 硅酸盐水泥的水化 凝结硬化 水化 物质由无水状态变为有水状态 由低含水变为高含水 统称为水化 凝结 水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体 然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结 硬化 此后 浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体 水泥石 这一过程称为硬化 一 水化反应2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 水化硅酸钙凝胶 3Ca OH 22 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 23CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 水化铝酸三钙晶体 4CaO AlO3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 水化铁酸钙凝胶 二 水泥石 1 水泥石的组成 未水化水泥颗粒水化产物 晶体 胶体毛细孔 毛细水2 影响水泥石结构的因数 a 石膏的掺量c 养护时间 b 温度和湿度d 水灰比 三 硅酸盐水泥的技术要求 一 密度 细度a 密度 3 05 3 20g cm3 一般取3 1堆积密度 1 3g cm3b 细度 指水泥颗粒的粗细程度 用筛余或比表面积表示 300 350m2 kg 影响水泥的水化速度 收缩等性质c 粒径 40 m水化非常缓慢 接近惰性 二 凝结时间 a 初凝时间 t初 水泥开始加水拌和至水泥浆开始失去可塑性所需的时间 b 终凝时间 t终 水泥开始加水拌和至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 c GB1346规定 t初 45mint终 6 5h 三 体积安定性 定义 是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质 体积安定性不良的水泥应作废品处理 原因 熟料中含游离氧化钙 f CaO 过多熟料中含游离氧化镁 f MaO 过多石膏过多 游离氧化钙 镁膨胀原因 a 熟料中f CaO f MgO都是过烧的 结构致密 水化很慢 b 水泥硬化后才吸收孔隙中水分熟化 CaO H2O Ca OH 2MgO H2O Mg OH 2c 体积膨胀97 以上 从而引起不均匀体积膨胀 使水泥石开裂 四 水泥石的腐蚀 定义 水泥石在外界侵蚀性介质 软水 含酸 含盐 含碱等 的作用下结构受到破坏 强度降低的现象称为水泥石的腐蚀 表现形式 体积膨胀 膨胀型腐蚀体积收缩 溶出型腐蚀 一 水泥石腐蚀的原因 内因 水泥石存在不稳定的Ca OH 2和介稳的水化硫铝酸钙 外因 环境中有害介质 软水 酸 盐等 的存在 联系 水泥石中的孔缝系统 产生有害介质的侵蚀 交换作用 长期性 后期加剧性 二 水泥石腐蚀的防止 措施 根据侵蚀环境特点 合理选用水泥品种 提高水泥石的密实度 加作保护层 石材 陶瓷 沥青 五 硅酸盐水泥的应用 常用于 重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程要求凝结快的现场浇注的混凝土工程冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程不宜用于 受流动的软水和有水压作用的工程受海水和矿物水作用的工程大体积工程耐热 耐酸工程 4 2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 一 混合材料 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 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 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 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 二 掺混合材的硅酸盐水泥 1 普通硅酸盐水泥 代号P O OrdinaryPortlandCement硅酸盐水泥熟料 6 15 混合材 石膏后磨细制成的水硬性胶凝材料标号 GB175 1999 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5性质 同硅酸盐水泥相近 硅酸盐水泥的技术要求 2 硅酸盐水泥的技术要求 1 细度筛孔尺寸为80 m的方孔筛的筛余不得超过10 否则为不合格 2 凝结时间初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 3 标号根据3和28的抗压强度和抗折强度 将普通硅酸盐水泥划分为325 425 525 625等四个标号 3 普通硅酸盐的特性 普通硅酸盐与硅酸盐性质差异 1 早期强度略低 2 耐腐蚀性销好 3 水化热略 4 抗冻性和抗掺性略差 5 耐磨性略差 三种水泥的共性 矿渣 火山灰质 粉煤灰硅酸盐水泥凝结硬化速度慢 早期强度低 后期强度高 水化放热速度慢 放热量低 对温度敏感性高 温度低时影响强度发展 抗软水 SO42 的腐蚀性好 矿渣水泥耐热性好适于水下 大体积混凝土结构和蒸养的混凝土构件 不适于抗冻 干燥地区的混凝土工程 五种常用水泥的主要性能 92 4 3高铝水泥 定义 高铝酸水泥属于铝酸盐类水泥 它是由绿矾土和石灰石为原料 经高温熔融煅烧所得的以铝酸钙为主要成分的熟料 经磨细而得的水硬性胶凝材料 一 技术要求 1 细度筛孔尺寸为80 m的方孔筛的筛余不得超过10 否则为不合格 2 凝结时间初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 3 标号根据3和28的抗压强度和抗折强度 将普通硅酸盐水泥划分为325 425 525 625等四个标号 高铝水泥的应用 适于 紧急抢修的工程 临时军事工事 冬季施工的工程 水化放热量大且集中 有抗硫酸盐腐蚀要求的工程 f CaO极少耐高温 1300 1400 的工程 高温时 烧结结合代替了水化结合 不适于于 长期承重的结构工程 晶体转变引起的强度倒缩 大体积工程 温度过高引起强度倒缩 与硅酸盐水泥混用 第五章混凝土Concrete 本章重点介绍普通混凝土的组成及各个组成材料的质量要求和砂石级配的概念 作用及评定方法 普通混凝土的主要技术性质 和易性 强度 变形性质及耐久性 普通混凝土质量控制的方法和意义 普通混凝土配合比设计的原理方法和步骤 混凝土的定义 广义上 凡由胶凝材料 骨料按适当比例配合 拌合制成的混合物 经一定时间硬化而成的人造石材统称之为混凝土 目前工程上使用最多的是以水泥为胶结材料 以砂 石为骨料 加水及掺入适量外加剂和掺和料拌制的普通水泥混凝土 简称普通混凝土 5 1 混泥土的基本要求 一 混凝土组成材料的作用水和水泥成为水泥浆 在硬化前的混凝土拌和物中 水泥浆在砂 石颗粒之间起润滑作用 硬化后 水泥浆成为水泥石 将骨料牢固地胶结成为整体 混凝土中的骨料 一般不与水泥浆起化学反应 其作用是构成混凝土的骨架 二 混凝土的基本要求 四项性能要求 1 混凝土拌和物的和易性 2 强度 3 耐久性 4 经济性 5 2普通混凝土的组成材料 水泥 水 天然砂 石子 掺和料和外加剂水泥 水 水泥桨 Paste 水泥浆 砂 水泥砂浆 Mortar 水泥砂浆 石子 混凝土 Concrete 外加剂 Admixture掺和料 一 水泥的品质要求 水泥品种的选择 依据工程性质 工程环境 施工条件等合理选择 水泥标号的选择 与配制的混凝土强度等级相适应 当混凝土强度 C30 fce 1 5 2 0 fcu C30 fce 0 9 1 5 fcu 水泥标号 若水泥标号过低时 为满足强度要求必然使水泥用量过大 不够经济 若水泥标号过高时 较少的水泥用量就可以满足混凝土强度的要求 但往往不能满足混凝土拌和物和易性和混凝土耐久性的要求 为保证这些性质 还必须再增加水泥 因而也不经济 二 细骨料FineAggregate 定义 粒径在0 16 5mm之间的岩石颗粒称为细骨料 分类 天然砂 天然砂是由天然岩石经长期风化等自然条件作用而形成的 人工砂 人工砂是将天然岩石轧碎而成 其颗粒棱角多 较洁净 但片状颗粒及细粉含量较多 且成本较高 一般只在当地缺乏天然砂源时才采用人工砂 一 砂的粗细程度和颗粒级配 砂的粗细程度 是指不同粒径的砂粒 混合在一起后的总体的粗细程度 砂子通常分为 粗砂 中砂 细砂和特细砂等几种 在相同用砂量条件下 细砂的总表面积较大 粗砂的总表面积较小 在混凝土中砂子表面需用水泥桨包裹 赋予流动性和粘结强度 砂子的总表面积愈大 则需要包裹砂粒表面的水泥桨就愈多 一般用粗砂配制混凝土比用细砂所用水泥为省 砂的颗粒级配 定义 是指不同大小颗粒和数量比例的砂子的组合或搭配情况 在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥桨所填充 为达到节约水泥和提高强度的目的 就应尽量减小砂粒之间的空隙 颗粒级配和粗细程度的定量表示 砂的颗粒级配和粗细程度 常用筛分析的方法进行测定 用级配区表示砂的级配 用细度模数表示沙的粗细 筛分析的方法 是用一套孔径 净尺寸 为5 2 5 1 25 0 63 0 315 0 16mm的6个标准筛 将500g干砂试样由粗到细依次过筛 然后称量余留在各筛上的砂重 并计算出个筛上的分计筛余百分率a1 a2 a3 a4 a5 a6 各筛上的筛余量占砂样总重的百分率 及累计筛余百分率A1 A2 A3 A4 A5 A6 各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和 累计筛余百分率与分计筛余百分率的关系见下表 砂的粗细 细度模数 f 砂的粗细程度用表示细度模数 f 其计算公式为 f 2 3 4 5 6 5 1 100细度模数 f 愈大 表示砂愈粗 普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3 7 0 7 其中 f在3 7 3 1为粗砂 f在3 0 2 3为中砂 f在2 2 1 6为细砂 f在1 5 0 7为特细砂 砂的坚固性与饱和面干 定义 是指砂在气候 环境或其它物理因素作用下抵抗破裂的能力 按标准规定 用硫酸钠溶液检验 砂样经5次循环后其质量损失应符合书中表5 5的规定饱和面干定义 当骨料颗粒表面干燥 而颗粒内部的孔隙含水饱和时 称为饱和面干状态 此时的含水率 称为饱和面干吸水率 三 粗骨料 定义 粒径 5mm的岩石颗粒分类 卵石 砾石 碎石卵石 是由天然岩石经自然条件长期作用而形成的粒径大于5mm的颗粒 按其产源可分为河卵石 海卵石 山卵石等几种 其中河卵石应用较多 碎石 由天然岩石经破碎 筛分而成 也可将大卵石轧碎 筛分而得 标准 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验办法 JGJ53 92 一 骨料最大粒径 Dmax 1 定义 粗骨料公称粒级的上限称为该粒级的最大立径2 最大粒级径的大小表示骨料的粗细程度 粗骨料粒径增大时 骨料的总表面积件小 因而可使水泥浆用量减小 这不仅能节约水泥 而且有助于提高混凝土的密实度 件小发热量及混凝土的收缩 因此在条件允许的情况下 当配置中等强度等级以下的混凝土时 应尽量采用最大粒径大粗骨料 最大粒径限值 混凝土结构工程施工及验收规范 GBJ50204 92 规定 混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1 4 同时不得大于钢筋最小净距的3 4 对于混凝土实心板 可允许采用最大粒径达1 2板厚的骨料 但最大粒径不得超过50mm 对泵送混凝土 碎石最大粒径与输送管内径之比 宜小于或等于1 3 卵石宜小于或等于1 2 5 连续级配和间断级配 连续级配 是按颗粒尺寸大小由小到大连续分级 5mm Dmax 每一级骨料都占有一定比例 连续级配颗粒级差小 D d 2 配制的混凝土拌和物和易性好 不易发生离析 间断级配 是人为剔除某些中间粒级颗粒 大颗粒的空隙直接由比它小得多的颗粒去填充 颗粒级差大 D d 6 空隙率的降低比连续级配快得多 可最大限度地发挥骨料的骨架 减小水泥用量 但混凝土拌和物易产生离析现象 5 3普通混凝土的拌和物的性质 混凝土硬化前 混凝土拌合物的和易性 工作性Workability 混凝土硬化后 混凝土的强度 变形性能和耐久性 一 和易性 和易性 指混凝土拌和物易于各施工工序施工操作 搅拌 运输 浇注 捣实 并能获得质量均匀 成型密实的混凝土的性能 和易性是一项综合性的技术指标 包括 a 流动性b 粘聚性c 保水性不同的施工方式 所要求的和易性不同 一 黏聚性 粘聚性 是指混凝土拌和物内部组分之间具有一定的凝聚力 在运输和浇注过程中不致发生分层离析现象使混凝土保持整体均匀的性能 粘聚性差的混凝土拌合物 在施工过程中易出现分层 离析现象 离析 指混凝土拌合物各组分分离 造成不均匀和失去连续性的现象 常有两种形式 粗骨料从混合料中分离 稀水泥浆从混合料中淌出 分层 指混凝土浇注后由于重力沉降产生的不均匀分布现象 二 流动性 流动性 是指混凝土拌和物在自重或机械振捣作用下 能产生流动 并均匀密实地填满模板的性能 广义上 流动性是固 液体混合物 即分散系统中克服内阻力而产生变形的性能 其大小取决于固 液相的比例 流动性的大小 反映混凝土拌和物的稀稠 直接影响着浇捣施工的难易和混凝土的质量 三 保水性 保水性 是指混凝土拌和物具有一定的保持内部水份的能力 在施工过程中不致产生严重的泌水现象 保水性差的混凝土拌和物 在施工过程中 一部分水易从内部析出至表面 在混凝土内部形成泌水通道 使混凝土的密实性变差 降低混凝土的强度和耐久性 它反映混凝土拌和物的稳定性 影响和易性的因素 水泥浆的数量水泥浆的稠度砂率组成材料性质的影响外加剂时间和温度 5 4普通混凝土结构及性质 一 砼的抗压强度与强度等级定义 混凝土的抗压强度是指标准试件在压力作用下直到破坏的单位面积所能承受的最大应力 亦称极限强度 混凝土结构物常以抗压强度为主要参数进行设计 而且抗压强度与其它强度及变形有良好的相关性 因此 抗压强度常作为评定混凝土质量的指标 并作为确定强度 二 影响混凝土强度的因素 砼结构连续性的丧失 硬化后的混凝土在未受到外力作用之前 由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化 在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力 从而导致界面上形成了许多微细的裂缝 另外还因为混凝土成型后的泌水作用 某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止 因而聚集于粗骨料的下缘 混凝土硬化后就成为界面裂缝 当混凝土受力时 这些预存的界面裂缝会逐渐扩大 延长并汇合连通起来 形成可见的裂缝 致使混凝土结构丧失连续性而破环 三 荷载作用下的变形 一 混凝土的弹性模量定义 在应力 应变曲线上任一点的应力 与其应变 的比值 称作混凝土在该应力下的变形模量 弹性模量的三种表示方法 a 初始切线模量b 切线模量c 割线模量 二 影响混凝土弹性模量的因素 混凝土的强度越高 弹性模量也越大 骨料弹性模量越高 混凝土的弹性模量越大 状态下的混凝土弹性模量要比干燥的高 混凝土中水泥浆含量较少 弹性模量较大 蒸气养护混凝土比潮湿养护混凝土的弹性模量低10 三 徐变及其对结构物的影响 定义 混凝土在持续荷载作用下 随时间增长的变形 有利面 徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中 使应力重分布 从而使局部应力集中得到缓解 对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力 不利面 在预应力钢筋混凝土中 混凝土的徐变将使钢筋的预加应力受到损失 四 混凝土的耐久性DURABILITYofCONCRETE 长期以来 人们一直认为混凝土材料是一种耐久性良好的材料 因为不少用其建造的结构物使用寿命长久 如一些早期建成的混凝土建筑物 已经使用了100年上下仍然完好 但与此同时不少结构物过早地毁坏 维修困难而且费用高昂 促使人们重视耐久性问题 许多大型结构物的兴建 例如海底隧道 跨海大桥 石油钻井平台 核废料储存容器等 对使用寿命提出了更高的要求 如100年 150年 甚至几百年 一 耐久性的定义 定义 混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性 从而维持混凝土结构的安全 正常使用的能力称为耐久性 二 提高混凝土耐久性的措施 a 合理选择水泥品种 b 选用质量良好 技术条件合格的砂石骨料 c 控制水灰比及保证足够的水泥用量是保证混凝土密实度的重要措施 是提高混凝土耐久性的关键 d 掺入减水剂或引气剂 改善混凝土的孔结构 对提高混凝土的抗渗性和抗冻性有良好作用 e 改善施工操作 保证施工质 5 6混凝土配合比设计 目的 确定混凝土中各组成材料数量之间的比例关系 常用的表示方法 以每1混凝土中各项材料的质量表示 水泥 mc 300kg 水 mw 180kg 砂 ms 720kg 石子 mg 1200kg以各项材料的质量比来表示 以水泥质量为1 如 水泥 砂 石子 水 1 2 4 4 0 6 一 混凝土配合比设计中的三个参数 水与水泥之间的比例关系 水灰比表示 砂与石子之间的比关系 砂率表示 水泥浆与骨料之间的比例关系 单位体积用水量来表示 确定三个参数的基本原则 在满足混凝土强度和耐久性的基础上 确定混凝土的水灰比 在满足混凝土施工要求的和易性基础上 根据粗骨料的种类和规格确定混凝土的单位用水量 砂在骨料中的数量应以填充石子空隙后略有富余的原则来确定砂率 混凝土配合比设计的步骤 初步计算配合比 基准配合比 调整坍落度 实验室配合比 校核强度 耐久性 施工配合比