建筑材料的现状和发展趋势.ppt

建筑材料 绪论 项目1绪论 教学目标 了解建筑材料的分类 理解建筑材料在土木工程中的作用 掌握建筑材料的技术标准 理解本课程的性质 任务及学习方法 建筑材料 主讲教师 赵晓芳 绪论 建筑材料及其在国民经济中的作用建筑材料的分类建筑材料的现状和发展趋势建筑材料的现状和发展趋势建筑材料的目的和学习方法 指土木建筑工程 水利 水运 房屋 道路 桥梁等 中所应用的材料 1 土木建筑工程的重要物质基础所有的建筑物都由建筑材料构成 所有的建筑工程都需要建筑材料 凡从事建筑工程的技术人员都会接触到建筑材料问题 台北101金融大楼508m 纽约世贸大厦 纽约世贸大厦重建52层大厦 三峡大坝 ThreeGorgesDam 大坝 2008北京奥运国家游泳馆 水立方 2008北京奥运会主体育场 鸟巢 2 与建筑技术的进步相互推动相互制约建筑物的结构形式和施工方法受到建筑材料性能的制约 建筑工程中许多技术问题的解决 往往依赖建筑材料问题的突破 新型建筑材料的出现又会推动结构设计和施工技术的革新 基本知识学习 1 1建筑材料的定义与分类建筑材料的定义有广义与狭义两种 广义的建筑材料是指建造建筑物和构筑物的所有材料 包括使用的各种原材料 半成品 成品等的总称 如粘土 铁矿石 石灰石 生石膏等 狭义的建筑材料是指直接构成建筑物和构筑物实体的材料 如混凝土 水泥 石灰 钢筋 豁上砖等 建筑材料的品种繁多 组分各异 分类方法也不尽相同 常用的分类是按材料的化学成分和使用功能进行分类 1 按材料的化学成分分类 按建筑材料的化学成分司分为无机材料 有机材料和复合材料3大类 如表1 1所示 商品混凝土建筑砌块和板材与粘土砖高强混凝土与高层建筑大跨度结构 预应力结构的大量应用 ETFE膜与膜结构施工 3 决定构筑物的功能和使用寿命例 土墙草屋顶和全钢筋混凝土结构的寿命 钢材的锈蚀 混凝土的劣化 防水材料的老化 4 工程质量很大程度上取决于材料的质量控制工程质量控制 4M1E Man 人 Machine 机 Material 料 Method 法 Environment 环 5 构筑物的可靠度评价很大程度上依存于材料的可靠度评价6 决定工程的造价 工程预算中材料价格比重大 建筑材料的现状和发展趋势 材料科学的发展标志着人类文明的进步 按照制造生产工具所用材料的种类来划分人类的历史 史前的石器时代 青铜器时代 铁器时代 人工合成材料时代 建筑材料的发展 石材 木材 粘土 竹材 草 砖 瓦 玻璃 钢铁 混凝土等人工合成材料 非洲房屋 杜蒲草堂 故宫博物院 故宫博物院 武当山建筑 建筑材料的现状 普通水泥 普通钢材 普通混凝土和普通防水材料是最主要的建筑材料 这些材料有比较成熟的生产工艺和应用技术 使用性能尚能够满足目前的消费要求 建筑工程中通常所说 三大主材 钢材 水泥 木材等 1 2建筑材料在土木工程中的作用建筑材料是土木土程的重要物质基础 当前 轻质 高性能 多功能 美观 高效能的新烈建筑材料 特别是新型复合材料研究与生产 使建筑材料品种大增 质录和配套水平显著提高 充分利用废料及再生资源的建筑材料不断出现 节能环保的材料和现代化生产工艺不断开发 建筑材料的理论研究及试验技术 测试方法止逐步现代化 按指定性能设计 生产新建筑材料的方向不断前进 制品形式不断朝着人型化 预制化 构件化 规范化力一向发展 建筑材料行业正沿着科技创新和可持续发展的道路前进 1 3建筑材料的技术标准 建筑材料具有一定的技术性质 这此性质由国家标准或有关的技术规范规定一此技术指标 在下程设计与施工过程中 都必须按这此技术指标来评价建筑材料的质量 材料标准一般包括产品规格 分类 技术性能 试验力一法 验收规则 包装 储存及运输等 产品标准化是现代社会化大生产的产物 是组织现代化大生产的重要手段 也是科学管理的重要组成部分 建筑材料标准是企业的产品质量是否合格的技术依据 也是供需双力一对产品质量进行验收的依据土木工程 按标准合理地选用材料 能使结构设计 施工工艺相应标准化 可加快施工进度 使材料在上程实践中具有最佳的经济效益 目前我国常用的标准有4级 1 国家标准国家标准是由国务院t J准化行政部门制定的可分为强制性标准仁代号为GB 如 通用硅酸盐水泥 GB1752007 和推荐性标准巨代号为GB T 如 碳素结构钢 2 行业标准 对没有国家标准而义需要在个国某行业范围内统一的技术标准 以制定行业标准 行业标准是由国务院有关行政部门制定 报国务院标准化行政主管部门备案 如建筑土程行业标准 代号为JGJ 水利行业标准 建筑材料行业标准 代号为JC 冶金上业行业标准 代号为Y玛 交通行业标雕 代号为JT 和林业行业标准 代号为LY 等 3 地方标准 对没有国家和行业标准 又需要在省 自治区 直辖市范围内统要求 可以制定地力一标准 代号为DB 4 企业标准 对没有国家和行业标准 又没有地方标准的 企业应 i制定其产品标准 代号为QB 标准的表示力法为 标准名称 部门代号 编号和批准年份举例如下 国家标准 强制性 钢筋混凝土用热轧光圆钢筋 国家标准 推荐性 低碳钢热轧圆盘条 建工行业标准 普通混凝土配合比没计规程 对强制性国家标雕 任何技术小得低于其中规定的要求 对推荐性川家标准 表小也可执行其他标准的要求 但是推荐性标准一旦被强制性标准采纳 就认为是强制性标准 地方标准或企业标准所制定的技术要求 高于国家标准随着建筑材料科研及生产的发展 建筑材料技术标准也不断变化 根据需要国家娇年都发布一批新的技术标准 修汀或废止一些 日标准 并逐步与国际接轨 对于建筑材料使用者 热悉和运用建筑材料技术标准 有着十分重要的意义 除了在选用材料时必须严格执行技术标准外 使用代用材料 必须按标准进行试验论证 目前存在的问题 与发达国家相比 目前存在的问题有 品种规格少 质量档次低 路面黑化沥青多进口 生产和使用能耗大 粘土砖浪费资源 能耗大 浪费严重等问题 因此 如何发展和应用新型的建筑材料已经成为现代化建设急待解决的问题 发展方向 可持续发展 1 原材料充分利用工业废料 能耗低 可循环使用 不破坏生态平衡 有效保护天然资源 2 生产和使用过程不产生环境污染 3 产品可再生循环和回收利用 4 产品性能轻质 高强 多功能 不仅对人畜无害 而且能净化空气 抗菌 防静电 防电磁波等 5 加强材料的耐久性设计和研究 6 主要产品和配套产品同步发展 并解决好利益平衡关系 建筑材料的分类 按建筑材料的功能分类结构材料防水材料装饰材料防护材料保温隔热材料等 按化学组成分类 本课程内容和学习要点 建筑中常用材料的品种 规格 性能及使用方法 在储运 验收中必须注意的有关问题 常用建筑材料的主要技术性质 材料的组成 结构 构造与性质的关系 以及原料 生产工艺过程及其对材料性质的影响 节约材料 改善性能及防护处理的原则和方法 主要常用建筑材料的质量检验方法及相应的技术标准 建筑材料发展方向 我国的建筑材料技术标准 国家标准 部颁标准 地方标准和企业标准 国家标准GB 部颁标准建材标准代号 JC建工标准代号 JG交通标准代号 JT石油标准代号 SY化工标准代号 HG水电标准代号 SD冶金标准代号 YJ地方标准 DB 企业标准则仅适用于本企业 代号为QB 国际标准 ISO 美国材料试验协会标准 ASTM 日本工业标准 JIS 德国工业标准 DIN 英国标准 BS 法国标准 NF 学习方法 1 掌握材料科学研究的一般规律 2 抓住专业学习的目的 掌握重点 3 重视实验与实践 4 记忆的方法 列表 对比 5 重视自学能力的培养 继续 项目2建筑材料的基本性质 2 细观结构用光学显微镜所观察到的微米级组织结构称为细观结构 又称为亚微观结构或显微观结构 该结构主要研究材料内部的晶粒 颗粒等的大小和形态 境界或界面 孔隙与微裂纹的大小 形状及分布等 例如 分析金属材料晶粒的粗细及其金相组织 可分辨混凝上的过渡区 水泥石及其孔隙组织 可观察木材的木纤维 导管 髓线 树脂道等组织 材料的细观结构对其力学性质 耐久性等影响很大 材料的晶粒细化能提高强度 如在钢材中加人钦 钒 妮等合金元索 能细化晶粒 显著提高强度 改善混凝土过渡区的结构 可大幅改善混凝土的性能 2 非晶体 将熔融物迅速冷却 质点来不及按一定规律排列血凝固成的固体 称为非晶体 也称玻璃体或无定形体 非晶体的特点是没有固定的儿何外形 一各向同性 由于急速冷却 大量的化学能末释放出来 所以非晶体材料具有化学小稳定性 容易与其他物质起化学反应 如粒化高炉矿渣 火山灰 粉煤灰等 将熔融物慢慢冷却 可凝固成晶体 本章教学目标 熟悉 主要技术性质的物理意义 影响因素及对其它性质的影响 掌握 材料各种基本性质的概念 指标的计算 了解 材料的各性质在工程实践中的意义 建筑材料是建筑工程的物质基础 材料的性质与质量很大程度上决定了工程的性能与质量 在工程实践中 选择 使用 分析和评价材料 通常是以其性质为基本依据的 材料的性质 基本性质 建筑工程中通常必须考虑的最基本的 共有的性质 特殊性质 材料本身的不同于别的材料的性质 是材料的具体使用特点的体现 本章讲述 相关章节讲述 材料的基本物理性质 材料的耐久性 材料的力学性质 本章内容 2 2材料的基本物理性质 2 2 11与质量有关的基本物理性质先介绍材料的体积组成大多数建筑材料的内部都含有孔隙 孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响 开口孔 闭口孔 1 材料绝对密实体积 2 材料的孔体积开口孔体积闭口孔体积 3 材料在自然状态下的体积 材料堆积体积间隙体积 1 密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量 称为材料的密度 俗称比重 1 密实材料 如金属材料 花岗岩等 材料的内部密实而没有孔隙 密实体积的测定方法 2表观密度材料在自然状态下单位体积的质量 称为材料的表观密度 原称容重 2 材料的内部有许多孔隙 孔隙材料 如砖头 混凝土 木材等 形状规则的体积可以直接量测计算而得 形状不规则的体积可将其表面用蜡封以后用排水法测得 砂 石的表观密度可以近似地当作其密度 称为视密度 测定表观密度时须同时测定其含水率 注明含水状态 一般为气干状态 烘干状态下的表观密度叫干表观密度 3堆积密度散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量 称为材料的堆积密度 原称松散容重 3 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 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 材料的堆积密度大小取决于散粒材料的视密度 含水率以及堆积的疏密程度 松散堆积密度 自然堆积状态紧密堆积密度 振实 压实状态干堆积密度 干燥状态 材料的密度 表观密度与堆积密度 材料在绝对密实状态下 单位体积的质量 材料在自然状态下 单位体积的质量 材料在堆积状态下 单位体积的质量 g cm3 m3 m3或g cm3 4 密实度与孔隙率1 密实度密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度 图1 1材料孔隙率示意图 2 孔隙率孔隙率是指材料体积内 孔隙体积占总体积的百分率 由上式可见 图1 1材料孔隙率示意图 孔隙率由开口孔隙率和闭口孔隙率两部分组成 开口孔隙率与闭口孔隙率之和为材料总孔隙率 一般情况下 材料内部的孔隙率越高 则材料的表观密度 强度越小 抗冻性 抗渗性 耐腐蚀性 耐水性及其他耐久性越差 通常开口孔隙有利于吸水性 吸声性 透水性的增强 而闭口孔隙则有利于材料保温隔热性的提高 5 填充率与空隙率 填充率 图1 2材料空隙率示意图 填充率是指散粒材料在其堆积体积中 被其颗粒填充的程度 空隙率 图1 2材料空隙率示意图 空隙率是指散粒材料在其堆积体积中 颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率 填充率和空隙率是从两个不同侧面反映散粒材料的颗粒互相填充的疏密程度 2 2 2材料与水有关的性质1 亲水性与憎水性根据材料表面被水润湿的情况 分为亲水性材料和憎水性材料 润湿 是水在材料表面被吸附的过程 润湿角 当材料在空气中与水接触时 在材料 水 空气交界处 沿水滴表面所作切线与材料表面所夹的角 材料分子与水分子间相互作用力大于水分子之间作用力时 材料表面会被水润湿 石料 砖 混凝土 木材 材料分子与水分子之间相互作用力小于水分子间作用力时 则认为材料不能被水润湿 沥青 石蜡 塑料 2 吸水性吸水性是指材料在水中吸收水分的性质 其大小用吸水率表示 吸水率有质量吸水率和体积吸水率之分 质量吸水率 材料在吸水饱和状态下 吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率 体积吸水率 材料吸水饱和后 吸人水的体积占干燥材料自然体积的百分率 质量吸水率与体积吸水率的关系为 材料吸水率不仅与材料的亲水性 僧水性有关 而且与材料的孔隙率和孔隙特征有密切的关系 一般来说 密实材料或具有闭口孔隙的材料是不吸水的 具有粗大孔隙的材料因其水分不易存留 吸水率一般小于孔隙率 而孔隙率较大且有细小开口连通孔隙的亲水材料 吸水率较大 材料吸收水分后 不仅表观密度增大 强度降低 保温 隔热性能降低 且更易受冰冻破坏 因此 材料吸水后对材质是不利的 影响吸水性的因素 影响吸水性的因素 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 2 吸湿性干燥材料在空气中 吸收空气中水分的性质 称为吸湿性 吸湿性大小可用含水率表示 当空气湿度大且温度较低时 材料的含水率就大 反之则小 当材料的含水率与空气湿度相平衡时 其含水率称为平衡含水率 当材料吸水达到饱和状态时的含水率即为吸水率 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 3 耐水性材料长期处于饱和水作用下不被破坏 其强度也不显著降低的性质 称为耐水性 材料的耐水性用软化系数来表示 钢 玻璃 沥青等材料的软化系数基本为1 而未经处理的生土软化系数为0 花岗岩等密实石材的软化系数接近于1 用于严重受水侵蚀或潮湿环境的材料 其软化系数应不低于0 85 用于受潮较轻的或次要结构物的材料 则不宜小于0 75 软化系数值越大 耐水性越好 通常认为软化系数大于0 80的材料为耐水材料 4 抗渗性抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质 渗透是指水在压力作用下 通过材料内部毛细孔的迁移过程 材料的抗渗性可以用渗透系数来表示 渗透系数反映了材料在单位时间内 在单位水头作用下通过单位面积及厚度的渗透水量 K值越大 材料的抗渗性越差 抗渗等级 PN 其中N表示试件所能承受的最大水压的10倍 密实的材料及具有闭口微细小孔的材料 具有较好的抗渗性 具有较大孔隙及细微连通的毛细孔的亲水性材料往往抗渗性较差 5 抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下 经过多次冻融循环作用而不被破坏 强度也不显著降低的性质 一次冻融循环是指材料吸水饱和后 先在 15 的温度下 水在微小的毛细管中低于 15 才能冻结 冻结后 然后再在20 的水中融化 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 跨海大桥等均需考虑冻融破坏 材料的抗冻性常用抗冻等级来表示 混凝土材料抗冻等级 FN 其中N表示混凝土试件经受冻融循环试验后 强度及质量损失不超过国家规定标准值时 所对应的最大冻融循环次数 如F25 F50材料具有细小的开口孔隙 孔隙率大且处于饱和水状态下材料容易受冻破坏 一般说来 密实的材料 具有闭口孔隙且强度较高的材料 有较强的抗冻能力 2 2 3材料的热工性质 1 导热性当材料两侧存在温度差时 热量从材料的一侧传递至材料另一侧的性质 称为材料的导热性 导热性大小可以用导热系数表示 导热系数是评定建筑材料保温隔热性能的重要指标 导热系数愈小 材料的保温隔热性能愈好 影响材料导热系数的主要因素 1 材料的化学组成与结构2 材料的表观密度 包括材料的孔隙率 孔隙的性质和大小等 3 环境的温湿度 2 热容量和比热容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 2 3材料的力学性质 什么是材料的力学性质 材料的力学性质就是指材料在外力作用下 产生变形和抵抗破坏方面的性质 内容 材料的强度弹性和塑性脆性和韧性硬度和耐磨性 1 2 1材料的强度1 材料强度材料强度是以材料试件在静荷载作用下 达到破坏时的极限应力值来表示的 材料强度 抗压 抗拉 抗剪 抗折 抗弯 强度 强度 指材料抵抗破坏的能力 1 材料的抗压 抗拉 抗剪强度单位 MPa 1MPa 1N mm2 2 材料的抗弯强度 抗折强度 中间作用一集中荷载 在三分点上作用两个集中荷载 3 影响材料强度的因素1 影响材料强度的主要因素是材料的组成及构造2 试验条件3 材料的含水状态及温度特别注意 材料的强度是在特定条件下测定的数值 为使试验结果准确 且具有可比性 国家对材料试验方法 步骤及设备有统一的规定 在测定材料强度时 必须严格按照规定的试验方法进行 2 强度等级定义 为了掌握材料的力学性质 合理选择和正确使用材料 常将建筑材料按其强度值 划分为若干个等级 即强度等级 强度值与强度等级的区别 强度值是表示材料力学性质的指标 强度等级是根据强度值划分的级别 3 比强度定义 比强度是指按单位体积质量计算的材料强度 即材料的强