土木工程材料1.ppt

土木工程材料 一切建筑的基础 绪论第一部分土木工程材料的性质第二部分基本材料第三部分建筑功能材料第四部分土木工程材料试验结束语 绪论 土木工程材料的定义 土木工程材料是指用于土木建筑结构物的所有材料的总称 是建筑物与构筑物的重要物质基础 土木工程材料是发展建筑业的物质基础 材料费用一般占建筑工程总造价的50 70 1 土木工程材料发展概况 土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐步发展起来的 随着生产力的发展 人类由挖土 凿石为洞 伐木搭竹为棚 利用天然材料建造非常简陋的房屋等到能够用粘土烧制砖 瓦 用岩石烧制石灰 石膏之后 土木工程材料由天然材料进入了人工生产阶段 为大规模建造土木工程创造了条件 古代人类最初是 穴居巢处 火的利用使人类学会了烧制砖 瓦 陶瓷与石灰 铁器时代以后有了简单的工具 工程材料 木材 砖 石等 才由天然材料进入人工生产阶段 为较大规模的土木工程和人类需要的其他建筑物建立了基本条件 在漫长的封建社会中 生产力停滞不前 土木工程材料的发展也极为缓慢 长期限于砖 石 木材作为结构材料 18 19世纪 钢材 水泥 混凝土及其他材料的相继问世 为现代土木工程建筑奠定了基础 资本主义的兴起 城市的扩大 工业的迅速发展 交通的日益发达 需要建造大规模的建筑物构筑物和建筑设施 例如大跨度的工业厂房 高层的公用建筑以及桥梁 港口等 推动了土木工程材料的前进 18世纪中叶 钢材 水泥 J Aspdin 1824 19世纪 钢筋混凝土 1890 1892 中国 1898进入20世纪后 随着材料科学以及高分子科学的快速发展 土木工程材料不仅在性能和质量上不断得到改善 而且品种不断增加 一些具有特殊功能的材料 如绝热 吸声 隔声 各种装饰材料 耐热防火 防水抗渗材料以及耐磨 耐腐蚀 防爆 防辐射材料和其他环保材料等应运而生 20世纪 预应力混凝土 高分子材料21世纪 轻质 高强 节能 高性能绿色建材人民生活水平的提高 对建筑物修饰的要求愈来愈高 于是各种装饰材料层出不穷 1 土木工程材料发展概况 1 土木工程材料发展概况 土木工程材料是土木工程的物质基础 土木工程材料的发展与土木工程技术的进步有着不可分割的联系 它们相互制约 相互依赖和相互推动 新型土木工程材料的诞生推动了土木工程设计方法和施工工艺的变化 而新的土木工程设计方法和施工工艺对土木工程材料品种和质量提出更高和多样化的要求 2 土木工程材料的发展趋势 在原材料方面要最大限度地节约有限的资源 充分利用再生资源及工农业废料 在生产工艺方面要大力引进现代技术 改造或淘汰陈旧设备 降低原材料及能源消耗 减少环境污染 在材料的性能方面要求轻质 高强 耐久 多功能及结构与功能的一体化 在产品型式方面积极发展预制技术 逐步提高构件化 单元化的水平 具有自感知 自调节 自修复能力的土木工程材料的开发研制以及各种机敏或智能材料在土木工程中应用的研究正在蓬勃发展 必须恰当选择和合理使用原材料材料质量的优劣 配制是否合理 选用是否恰当直接影响建筑工程质量发展绿色建材 2 土木工程材料的发展趋势 安全性 土木工程材料必须具备足够的强度 能够安全地承受设计荷载 自重小 土木工程材料自身的重量以轻为宜 以减少下部结构和地基的负荷 耐久性 具有与使用环境相适应的耐久性 以便减少维修费用 装饰性 用于装饰的材料 应能美化建筑 房屋并产生一定的艺术效果 特殊性 用于特殊部位的材料 应具有相应的特殊功能 如屋面材料要能隔热 防水 楼板和内墙材料要能隔音等 此外 土木工程材料在生产过程中还应尽可能保证低能耗 低物耗及环境良好 3 土木工程对材料的基本要求 4 土木工程材料的分类 土木工程材料可按不同的原则进行分类 根据材料来源不同 可分为天然材料及人造材料 根据组成物质的种类及化学成分的不同 将土木工程材料分为无机材料 有机材料和复合材料三大类 见表1建筑材料分类 根据其功能的不同 可分为结构材料 墙体材料 功能材料 防水材料 绝热材料 等 见表2建筑材料分类 5 土木工程材料的标准 制订标准的意义 材料标准的类别在我国 技术标准分为四级 国家标准 部标准 地方标准和企业标准 国家标准是由国家标准局发布的全国性的指导技术文件 其代号为GB 部标准也是全国性的指导技术文件 但它由主管生产部 或总局 发布 其代号按部门而定 如建材标准的代号为JC 建工标准的代号为JG 地方标准是地方主管部门发布的地方性指导技术文件 企业标准仅适用于本企业 其代号为QB 5 土木工程材料的标准 此外 还常常涉及到一些与土木工程材料关系密切的国际或外国标准 主要有 国际标准 代号为ISO 美国材料试验学会标准 代号为ASTM 日本工业标准 代号为JIS 德国工业标准 代号为DIN 英国标准 代号为BS 法国标准 代号为NF等 6 本课程的作用 任务和学习方法 a 作用为后续课程的学习提供必要的知识 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 b 任务了解材料在建筑物上所起的作用和要求 了解常用材料的生产 成分和构造 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 掌握常用材料的标准 熟悉其分类 分等和规格 熟悉常用材料的测试仪器 掌握测试方法和技术 掌握常用材料的选用原则和方法 掌握工地配置材料的配置原理及方法 了解这些材料的施工注意事项 c 学习方法 重点掌握材料的基本理论 基本知识 基本技能常用材料 水泥 砼 石灰 石膏 砂石 玻璃 钢材 木材 沥青 高分子材料主要的 水泥 混凝土 砼 钢材 砂石每种材料 原料 生产工艺 组成成分 构造 性质 应用 检验 储存以及它们之间的相互关系重点 性质和应用 质检的基本原理 引起材性变化的内因和外因 6 本课程的作用 任务和学习方法 学习材料的技术标准 国家标准 行业标准 企业标准GB 国家标准GBJ 建筑工程国家标准JGJ 建设部行业标准JC 国家建材局行业标准YB 冶金部行业标准JTJ 交通部行业标准SD 水电行业标准ZB 国家级专业标准 重视学好试验学习常用建筑材料的检验方法 合格性判断和验收对实验数据 试验结果进行分析判别培养从事科学研究的能力 6 本课程的作用 任务和学习方法 布达拉宫宫体主楼13层 高117 2米 东西长360米 全部为石木结构 宫墙厚达2 5米 墙身全部用花岗岩砌筑 仅五世达赖灵塔就用黄金11万9千两 大小珍珠4000多颗 返回键 石材 石灰砂浆 胡夫金字塔高146 59m 底部232m建方 用230多万块 每块重2 5T的岩石砌成 万里长城条石 大砖 石灰砂浆 罗马斗兽场石材 石灰砂浆 悉尼海上歌剧院是悉尼的标志 世界最豪华的文化建筑之一 这座 船帆屋顶剧院 是从66个国家233位设计师的蓝图中 选中丹麦乔恩 厄特宗的作品 从1959年施工到1973年 耗资1 04亿美元才得完成 土木工程材料的应用范围 公路 铁路 桥梁 车站 地下工程 机场 土木工程材料的应用范围 大丰港码头工程 消浪的砼扭工字块护坡 第一部分土木工程材料的基本性质 材料是构成土木工程建筑物的物质基础 直接关系建筑物的安全性 功能性以及使用寿命和经济成本 一般来说 材料的性质可分为四个方面 1 物理性质包括表示材料物理状态特征及与各种物理过程有关的性质 2 力学性质指材料在应力作用下 有关抵抗破坏和变形的能力的性质 3 化学性质指材料发生化学变化的能力及抵抗化学腐蚀的稳定性 4 耐久性指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力 第一节材料的组成 结构与性质 1 1材料的组成化学组成 化学元素及化合物种类 金属 无机非金属 有机物 矿物组成 晶体和非晶体结构及种类 石英 云母 硅酸三钙 铝酸三钙 金刚石等 相组成 相同物理 化学的均匀物相 建筑材料大都为多相固体 1 2材料的结构与构造 1微观结构 指原子 分子层次 晶体 材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体 硅酸盐矿物晶体 由硅氧四面体单元与其它金属离子的结合 有链状结构的石棉 层状结构的云母及立体网状结构的石英 氧原子 硅原子 原子晶体 共价键结合 金刚石 石英 刚玉 碳化硅 强度 硬度 熔点高 脆 离子晶体 离子键结合 氯化钠 石膏 石灰岩 强度 硬度 熔点较高 但波动大 部分可溶 分子晶体 分子键结合 部分有机化合物 冰 强度 硬度 熔点较低 密度小 金属晶体 库伦引力 电子气结合 金属类 强度 硬度较高 变形能力强 导电 导热 构成晶体的质点 原子 离子 分子 是按一定的规则在空间呈有规律的排列 因此晶体具有一定的几何外形 显示各向异性 但实际应用的晶体材料 通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成 故晶体材料在宏观上显示为各向同性 构成材料的化学组成相同 但结构不同 性能会有很大差异 大家熟知的金刚石和石墨 石英和硅藻土 材料的化学成分相同 晶体结构不同 性能存在差异 SiO2 晶体结构和无定型结构 石英和硅藻土 石英硬度高 硅藻土多孔 强度低 熔融物因冷却速度太快 凝固时粘度很大 质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体 如无定形SiO2 特点 质点未能到达能量最低位置 大量化学能未能释放 化学稳定性较差 易与其它物质起化学反应 如 火山灰 粒化高炉矿渣 粉煤灰等 2 玻璃体 3 胶体 作为分散相的粒子粒径在10 7 10 10m 分散在分散介质中形成的分散体系称为胶体 分散介质可以是气体 液体和固体 相应行成气溶胶 溶胶和凝胶 胶体因比表面积大 表面能大 吸附力强 具有较大粘结力 如沥青 硅酸盐凝胶等 水泥凝胶体 胶体中分散的微粒作布朗运动时 这种胶体称溶胶 溶胶具有较大的流动性 建筑材料中的涂料就是利用这一性质配制而成的 当溶胶脱水或微粒产生凝聚 使分散质点不能再按布朗运动自由移动时 称为凝胶 凝胶具有触变性 即将凝胶搅拌或振动 又能变成溶胶 水泥浆 新拌混凝土 胶粘剂等均表现有触变性 当凝胶完全脱水则成干凝胶体 它具有固体的性质 即产生强度 硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是凝胶体 2 细观结构 指材料内部晶粒 界面 矿物的大小 形态 孔隙 微裂纹的大小及分布 对于同样组成的材料 细观结构的不同将对材料的强度及耐久性有很大影响 如热处理前后的钢材 使用和未使用减水剂的水泥混凝土等 一般而言 晶粒越细小 分布越均匀 界面粘结越好 则材料的强度和耐久性就越好 3 宏观结构 指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织 如 密实程度 孔隙状态 纹理 层理 纤维状态 粒度 均匀度 聚集状态 复合状态等 宏观结构与材料的组成及生产工艺有关 宏观结构较易改变 复合材料的生产和使用就是取其长补其短的常用方法 如 钢筋混凝土 玻璃钢 纤维石膏板和纤维水泥混凝土板等 材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成 材料组成是材料性质的基础 它对材料的性质起着决定性的作用 材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异 如图1 9 为两种钢材的金相照片 两者化学组成接近 主要差别是碳含量不同 小于0 2 和 则为0 2 0 4 但矿物组成则差别较大 两种钢材性能差别较大 其中 具有较好的冷 热变形等工艺性能 但强度较低 而 则强度较高 A B 从宏观组成层次讲 人工复合的材料如混凝土 建筑涂料等是由各种原材料配合而成的 因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例 材料的微观结构及其对材料性质的影响 材料的化学组成相同 微观结构的差别将导致材料性能的差异 如图1 10化学组成相同的水泥熟料 由于 的显微结构发育良好 则不然 结果在比表面积相似的情况下 熟料的3d 28d抗压强度分别比 熟料高10 7MPa和6 8MPa 材料的宏观构造及其对性能的影响 材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构 土木工程材料常见的构造形式有 密实构造 多孔构造 纤维构造 层状构造 散粒构造 纹理构造 密实构造 密实构造的材料内部基本上无孔隙 结构致密 这类材料的特点是强度和硬度较高 吸水性小 抗渗和抗冻性较好 耐磨性较好 绝热性差 如钢材 天然石材 玻璃 玻璃钢等 大理岩的致密表面 多孔构造 多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙 含孔率较高 孔隙又有大孔和微孔之分 具有多孔构造的材料 其性质决定于孔隙的特征 多少 大小及分布情况 一般来说 这类材料的强度较低 抗渗性和抗冻性较差 绝热性较好 如加气混凝土 石膏制品 烧结普通砖等 加气混凝土砌块的多孔构造 纤维构造 纤维构造的材料内部组成有方向性 纵向较紧密而横向疏松 组织中存在相当多的孔隙 这类材料的性质具有明显的方向性 一般平行纤维方向的强度较高 导热性较好 如木材 竹 玻璃纤维 石棉等 竹的纤维构造 层状构造 层状构造的材料具有叠合结构 它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体 其每一层的材料性质不同 但叠合成层状构造的材料后 可获得平面各向同性 更重要的是可以显著提高材料的强度 硬度 绝热或装饰等性质 扩大其使用范围 如胶合板 纸面石膏板 塑料贴面板等 胶合板的层状构造 散粒构造 散粒状构造指呈松散颗粒状的材料 有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分 前者如砂子 石子等 因其致密 强度高 适合做承重的混凝土骨料 后者如陶粒 膨胀珍珠岩等 因具多孔结构 适合做绝热材料 粒状构造的材料颗粒间存在大量的空隙 其空隙率主要取决于颗粒大小的搭配 用作混凝土骨料时 要求紧密堆积 轻质多孔粒状材料用作保温填充料时 则希望空隙率大一些好 陶粒的粒状构造 纹理构造 天然材料在生长或形成过程中 自然造成的天然纹理 如木材 大理石 花岗石等板材 或人工制造材料时特意造成的纹理 如瓷质彩胎砖 人造花岗石板材等 这些天然或人工造成的纹理 使材料具有良好的装饰性 为了提高建筑材料的外观美 目前广泛采用仿真技术 已研制出多种纹理的装饰材料 大理石的纹理结构 1 3孔隙与空隙 空隙 孔隙 材料的内部密实而没有孔隙 材料的内部有许多孔隙 堆积材料颗粒之间存在许多空隙 堆积材料颗粒的内部有许多孔隙 孔隙特征 构造 孔隙率开口孔与闭口孔孔的大小 1 3 1孔隙分类 1 3 2孔隙对材料性质的影响 1 3 3材料内部孔隙的来源与产生 第2节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质二 与水有关的性质三 与热有关的性质 任何材料均有质量和体积 材料根据形状可分为 块状材料 如 砖 石块 混凝土散状材料 如 水泥 砂 石子等 第2节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 常压下吸不到水 但当水压力较大时 水可通过材料内部的毛细通道进入其中 可见 材料的质量是相对确定的 但体积有多种 因而出现了以下几种密度 1 密度 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 1 定义 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 2 计算公式 3 测定方法 磨细 烘干 称量 排水法测体积 g cm3 2 视密度 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 1 定义 包括闭口孔隙在内的单位体积的质量 2 计算公式 3 适用范围及测定方法 已经是粒状的材料 如 砂 石子 水泥等 不再磨细 直接用排水法测定其体积 g cm3 3 体积密度 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 1 定义 自然状态下单位体积的质量 2 计算公式 3 测定方法 规则材料 测量外形尺寸 计算体积 不规则材料表面封蜡 排水法测体积 kg m3或g cm3 4 堆积密度 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 1 定义 散粒状或粉状材料 在自然堆积状态下单位体积的质量 2 计算公式 3 测定方法 有松散法和紧堆法 kg m3 反映块状材料密实程度的二个指标 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 5 密实度D 6 孔隙率P 显然 D P 1 反映散状材料填充程度和空隙率的指标 第一节材料的物理性质 一 与质量和体积有关的性质 7 填充率D 8 空隙率P 1 亲水性与憎水性 第一节材料的物理性质 二 与水有关的性质 常用的二种判断方法示意图 形成亲水性与憎水性的原因 水分子相互间的作用力 作用力1水分子与材料分子间作用力 作用力2亲水性 作用力2 作用力1憎水性 作用力1 作用力2 2 吸水性 第一节材料的物理性质 二 与水有关的性质 材料在水中吸收水分的能力 取决于材料的亲水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征 有二种表示方法 1 质量吸水率 2 体积吸水率质量吸水率与体积吸水率的关系为 体积吸水率适用于轻质 吸水能力较强的材料 体积吸水率实为材料的开口孔隙率 不可能大于100 3 吸湿性 第一节材料的物理性质 二 与水有关的性质 材料在潮湿的空气中吸收水分的性质 称为吸湿性 用含水率表示 影响材料吸湿性的因素有 1 自身的特性 亲水性 孔隙率和孔隙特征 2 周围环境条件的影响 气温越低 相对湿度越大 材料的含水率就越大 3 材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率 称为平衡含水率 4 耐水性 第一节材料的物理性质 二 与水有关的性质 材料长期在饱和水作用下而不破坏 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表示 软化系数一般在0 1间波动 其值越小 材料耐水性越差 软化系数大于0 80的材料 通常可以认为是耐水材料 材料的耐水性主要取决于其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小 一般随溶解度增大 开口孔隙增多而变小 溶解度很小或不溶的材料以及具有较多封闭孔隙的材料 软化系数一般较大 而材料的耐水性较好 5 抗渗性 第2节材料的物理性质 二 与水有关的性质 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性 不透水性 材料的抗渗性可用以下两种方法表示 1 渗透参数K渗透系数越大 表明材料的透水性越好而抗渗性越差 2 抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验 以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力p MPa 来确定 P越大 材料的抗渗性越好 影响材料抗渗性的因素 与材料的亲水性有关 更取决于材料的孔隙率及孔隙特征 孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性 6 抗冻性 第一节材料的物理性质 二 与水有关的性质 材料抵抗冻融循环而不破坏 也不显著降低强度的性质 称为抗冻性 1 冻融循环破坏的原因 材料有孔隙 孔隙中的水在结冰时体积膨胀9 2 冻融循环试验破坏的判定 以质量损失超过5 或强度下降超过25 3 抗冻等级 破坏前所能经受的最大冻融循环次数来确定 用符号 F 和最大冻融循环次数表示 如F15 F15 F50 F100等 4 材料冻融循环下破坏的过程 5 影响材料抗冻性的因素 a 材料的强度b 材料的孔隙率及孔隙特征 材料孔隙的充水程度Ks Vw Vk P开 P 1 导热性 第一节材料的物理性质 三 与热有关的性质 材料传导热量的能力称为导热性 导热性的大小用热导率 表示 显然 热导率越小 材料的隔热性能越好 材料的热导率决定于 1 材料的化学组成 结构 构造 2 孔隙率与孔隙特征 含水状况导热时的温度 2 热容量 第一节材料的物理性质 三 与热有关的性质 材料加热时吸收热量 冷却时放出热量的性质称为热容量 热容量的大小用比热容来表示 比热容在数值上等于1g材料 温度升高或降低1K时所吸收或放出的能量Q 工程中应选用热导率小 热容大的材料 可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定 基本性质例1 1某工地所用卵石材料的密度为2 65g cm3 表观密度为2 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 评注 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 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 计算式中 密度 0 材料的表观密度 材料的堆积密度 例1 2有一块烧结普通砖 在吸水饱和状态下重2900g 其绝干质量为2550