建筑材料.ppt课件

建筑材料 树玉秀2012 10 绪论 introduction 一 土木工程材料分类1 定义 土木工程中所使用的一切材料及制品 分类 1 按来源分天然材料 竹 木等人造材料 砖 瓦 水泥 砼 钢材等 2 按化学成分无机材料 金属材料 钢 铁 铝 铜等 非金属材料 水泥 玻璃 砖瓦 石材 有机材料 木 竹 沥青 塑料等复合材料 玻璃纤维增强塑料 钢纤维增强砼等 二 土木工程材料在土木工程中作用及重要性1 土木工程材料是构成土木工程的物质基础 2 直接影响着或决定着土木工程一些重要性质 1 结构形式 山西应县佛宫寺木塔 1055年 高66米 马来西亚石油双塔楼 砼结构 高452米 上海金茂大厦 钢砼混合材料结构 高420 5米 上海电视塔 预应力砼结构 468米 旧金山金门大桥 悬索桥 主跨1280 2米 苏通大桥 斜拉桥 主跨1088米 主塔300多米 大跨度的钢结构展览馆 体育馆 机场航站楼 07年有39人在金门大桥自杀 当局准备化费5000万装防护网 08 10 12京华时报 2 安全性唐山地震重庆彩虹桥事件 99年1月4日晚6时50分40多人伤亡 3 功能 适用性绝热材料 吸声隔声材料 装饰材料 耐热防火材料 防水抗渗材料 耐磨耐腐蚀材料 防爆防辐射材料 4 经济性优良的建材能满足 足够的强度 承载 较轻 减轻地基负荷 相应的耐久性 降低维修费 美观功能要求低能耗环保 三 土木工程材料的发展趋势1 上古时期人类野处穴居旧石器时代的北京猿人 69万年前 住天然岩洞 北京周口店龙骨山山顶洞人 18000年前 住天然岩洞 巢氏教民构木为巢 居于树上 2 砖木房屋土坯 8000年欧洲 凿琢自然石 5000 6000年前 砖 3000年前 秦砖汉瓦 2000年前 钢筋混凝土 19世纪 化学建材具有特殊功能的新型建材 3 展望发展方向 环保 节能 轻质高强 多功能 结构功能一体化 构件化 单元化 1 墙体材料非黏土砖的应用 2 轻质高强混凝土 改性混凝土 预应力混凝土四 本课程的主要内容及学习方法水泥 混凝土 钢材 沥青 塑料的生产 性能及应用是重点 听课 作业 实验 闭卷考试 考试成绩占80 平时成绩20 第一章土木工程材料的基本性质 土木工程材料受到诸多因素的影响 力学作用 外力 自重 风力 地震 物理作用 雨 雪 霜 干湿循环 冻融循环 火 化学作用 风化 酸碱盐侵蚀 材料的性能是多方面的 必须与使用环境相适应 1 1 1材料的组成1 化学组成 化学元素 化合物种类及数量 决定材料的 抗酸碱侵蚀性 可燃性 耐火性 钢材的锈蚀等 2 矿物组成 矿物种类和数量 1 1材料科学的基本理论 3 相组成 结构相近性质 相同的均匀部分 气相 液相 固相 一般材料铁素体 渗碳体 珠光体 钢集料相 基相 界面相 砼1 1 2材料的结构和构造1 宏观结构 1 宏观结构的孔隙特征致密结构 金属 玻璃 塑料多孔结构 加气混凝土 泡沫混凝土 轻质多孔材料微孔结构 石膏制品 2 按组织构造特征堆聚结构 混凝土 砂浆 沥青混合料纤维结构 木材 玻璃钢层状结构 胶合板散粒结构 混凝土集料2 细观结构 以光学显微镜观察 混凝土的基相 集料相 界面相钢铁的铁素体 珠光体 渗碳体木材的木纤维 导管髓线 树脂道3 微观结构 用中子显微镜或x射线分析 晶体 钢铁材料玻璃体 火山灰 炉渣 玻璃胶体 胶粒 粒径10 7 10 10 作为分散相 分散在连续相 水 气 溶剂 中形成的分散体 1 2材料的基本物理性质 1 2 1材料的密度 表观密度 堆积密度1 密度绝对密实状态下 材料单位体积的质量 m v g cm3m gV cm3近似密度 a 用排液置换法直接测得的砂 碎石的密度 有的教科书称为碎石等的表观密度 2 表观密度在自然状态下 材料单位体积的质量 0 m v0V0 表观体积 包含内部孔隙的体积 3 堆积密度 0 m v0 1 2 2材料的密实度与孔隙度1 密实度材料的体积内被固体物质充实的程度D v v0 100 或D 0 100 2 孔隙率P v0 v v0 1 D1 2 3材料的填充率与空隙率1 填充率 某堆积体中 被散粒材料的颗粒所填充的程度D v0 v0 100 或D 0 0 100 2 空隙率P 1 D 1 2 4材料与水的关系1 材料的亲水性与憎水性亲水材料 90 憎水材料 90 润湿边角石灰岩 玄武岩属于憎水岩石 与沥青粘结力强 常用来做铺路材料 花岗岩属亲水岩石 与沥青粘结力不强 遇水易剥落 即水稳定性差不宜用做铺路材料 2 材料的吸水性与湿性 1 含水率所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比W m1 m m 100 m 材料干燥状态下的质量 gm1 材料在含水状态下的质量 g 2 吸水性吸水率 材料吸水饱和时的含水率 致密岩石 0 5 0 7 混凝土 2 3 粘土砖 8 20 木材等 100 3 吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质 具有可逆性 影响 木制门窗 保温材料3 材料的耐水性 材料抵抗水破坏作用的能力 1 破坏作用力学性质方面光学性质方面装饰性质方面 2 软化系数材料在吸水饱和状态下抗压强度 材料在干燥状态下的抗压强度长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑 其材料的软化系数 0 85 4 材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质 K Qd AtHK 渗透系数 cm hQ 透水量 cm3D 试件厚度 cmA 透水面积 cm2t 时间 hH 静水压力水头 cmK越小 抗渗性越好 1 3材料的基本力学性质 1 3 1材料的强度 strength 材料在外力作用下 抵抗破坏的能力抗压强度 抗拉强度 抗剪强度f Fmax A抗弯强度f 3FmaxL 2bh2 单点集中加荷 f FmaxL bh2 三分点集中加荷 土木工程材料常根据其强度划分为若干不同的等级 1 3 2弹性与塑性 elasticityandplasticity 弹性 材料在外力作用下产生变形 当外力除去后变形随即消失 完全恢复原来形状的性质称为弹性 这种可完全恢复的变形称为弹性变形 塑性 材料在外力作用下 当压力超过一定限值时产生显著变形 且不产生裂缝或发生断裂 外力取消后 仍保持变形后的形状和尺寸的性质 这种不能恢复的变形称为塑性变形 1 3 4脆性与韧性 shortness brittlenessandtoughness 脆性 材料发生突然破坏之前无明显的塑性变形 如陶瓷 玻璃 石材 砖瓦 铸铁 韧性 在冲击 振动荷载作用下 材料能够吸收较大的能量不发生破坏的性质 也称冲击韧性 如 建筑钢材 软钢 木材等 桥梁 吊车梁及有抗震要求的工程中 结构材料要有较好的韧性 1 4材料的耐久性 durability 定义 材料在使用中 抵抗其自身和环境的长期破坏作用 保持其原有性能而不破坏 不变质的能力 内容 抗风化 抗酸碱盐侵蚀 抗渗 耐水 抗冻等性能 属于综合指标 第二章建筑钢材 steelmaterial 建筑钢材包括 钢筋混凝土结构的钢筋 钢丝和用于钢结构各种型钢如钢管 槽钢 工字钢 角钢等 2 1钢材的化学组成1 主要成分 铁 碳 合金元素 杂质 2 分类按化学成分分为碳素钢和合金钢 1 碳素钢低碳钢含碳量小于0 25 中碳钢含碳量 0 25 0 6 高碳钢含碳量大于0 6 2 合金钢低合金钢合金元素含量小于5 中合金钢合金元素含量 5 10 高合金钢 合金元素含量大于10 建筑钢材含碳量一般为不超过0 8 的碳素钢及低合金钢 3 各元素对钢材性能的影响 1 碳 它与铁原子的结合方式有 固溶体 形成铁素体 含碳量极少 化合物 Fe3C 形成渗碳体 含碳量较高 机械混合物 形成珠光体 含碳量在二者之间 含碳量 珠光体 强度 塑性 韧性 可焊性 0 6 时 可焊性很差 2 合金元素硅含量低于1 时 能提高钢材的强度 锰含量1 2 提高钢材的强度 钛强度 韧性 可焊性 其化学性质稳定 耐腐蚀 抵抗海水腐蚀能力很强 主要用于飞机 火箭 导弹 飞船等 少量用于冶金 能源 交通医疗及石化工业 矾强度 铌强度 3 杂质元素磷强度 可焊性 冷脆性 有益作用 提高强度 硬度 耐磨性 改善切削性 耐大气腐蚀性强 在低合金钢中可配合其它元素做合金元素用 军事上利用其脆性制造炮弹增大杀伤力 普通碳素钢磷含量 0 045 优质碳素钢磷含量 0 035 高级优质碳素钢磷含量 0 030 硫极有害元素可焊性 热脆性 热加工性 普通碳素钢硫含量 0 055 优质碳素钢硫含量 0 040 高级优质碳素钢硫含量0 02 0 03 氧韧性 可焊性 氮强度 塑性 韧性 包括 抗拉 冷弯 冲击韧性 硬度和耐疲劳性 2 2 1抗拉性能 tensilestrength 属最重要的性能 主要技术指标有 屈服点 抗拉强度 伸长率 2 2建筑钢材的主要力学性能 1 图OA 弹性阶段AB 弹塑性阶段BC 塑性阶段CD 强化阶段DD 破坏阶段 颈缩 断裂 插图p24 2 指标 indexes 弹性极限 p弹性范围内 所能承受最大的力 弹性模量E弹性模量大 抗变形能力强 上屈服点 su屈服阶段 所能承受最大的力 下屈服点 sl对试验条件较不敏感 屈服强度 s取为下屈服点抗拉强度 b抗拉试验中 所能承受最大的力 强屈比 b s大于1 2 影响材料安全及利用率 硬钢的屈服点 0 2产生残余变形达到原始长度0 2 时所对应的应力 断后伸长率 l1 l0 l0 100 对于钢筋一般8 27 反映钢材的塑性 5 10 5 10为试件的长 径直比 工程上把 10 5 的材料成为塑性材料 10 5 的为脆性材料 2 2 2冷弯性能 coldbendingproperty 1 定义钢材在常温下承受弯曲变形的能力 2 物理意义一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀 内应力 夹杂物未融合及微裂纹等缺陷 能反映冶金质量和焊接质量 3 冷弯实验试件长度L 5a 150 mm 试验角度180 弯心直径d 0 0 5a a 2a 3a a 试件厚度或直径 试验温度10 35 缓慢加载 4 指标弯曲角度 弯心直径 试件厚度或直径 2 2 3冲击韧性 impacttoughness 1 定义 钢材抵抗冲击载荷的能力 2 冲击韧性试验3冲击韧性值 Kv GH1 GH24 冷脆性 钢材在低温下 呈现脆性的现象 5 脆性临界温度 钢材在降到某一温度范围时 冲击韧性急剧下降 而呈现脆性 该温度即为脆性临界温度 6 时效 钢材随时间延长强度提高 塑性和韧性下降的现象 7 时效敏感性 因时效而导致性能改变的程度 受动载的结构物如桥梁等 应选用时效敏感性小的钢材 8 实例 instances 国外一钢桥在夜间温度骤降下 因冷脆而塌落 Poland一跨度76 6米的钢梁组合桥 compositebridge 于1987 1 8在温度 35 发生塌毁事故 我国北方60年代初 一钢筋混泥土梁 因钢筋焊接接头冷脆而塌落的事故 选用钢材时 在负温使用下的结构应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材 2 2 4硬度 hardness 1 定义指钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力 是钢材弹性 塑性 强度 韧性及变形强化率等的综合反映 2 布氏硬度 Brinellhardness HB P Dh P 压入载荷 N D 钢球直径 mm H 压入深度 mm F D是定值 只要测出d 再查表即可 硬度计压头为淬火钢球时用HBS表示适用于HB 450的材料 压头为硬质合金钢球时用HBW表示 适用于450 HB 650的材料 标注方法 170HBS10 3000 30170 布氏硬度值10 钢球直径 mm 3000 试验力F值 kgf 30 加压持续时间 s 3 布氏硬度值与抗拉强度的相关性碳素钢 HB 175时 b 3 6HBHB 175时 b 3 5HB根据以上关系 可在钢结构上原位测得的HB值估算 b 4 洛氏硬度 Rockwellhardness 根据压头压入试件的深度大小确定材料的硬度值 一般用于判断机械零件的热处理效果 数值可直接从硬度计仪表盘读出 1 包括4种类型 HRA 120 金刚石圆锥压头 测量范围60 85HRA 试验力588 4N HRB 直径1 588mm钢球压头 25 100HRB 980 7N HRC 金刚石圆锥压头 20 67HRC 1471N 生产中使用最多 HRD 金刚石圆锥压头 40 77HRC 980 7N 2 标注 60HRC3 HRC HB 1 10 当HBS 220时 5 维氏硬度 Vickershardness 压头为金刚石正四棱锥 用HV表示 2 2 5耐疲劳性1 钢材的疲劳破坏 指在交变应力作用下 钢材在应力远小于 b时发生断裂的现象 2 疲劳极限 r在疲劳试验中 试件在交变应力作用下 于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力 3 应力比值 min max测定钢筋疲劳极限时 通常采用拉应力循环 非预应力筋 0 1 0 8预应力筋 0 7 0 85周期基数200万次或400万次以上 4 钢材疲劳破坏的原因 微小缺陷 表面质量不好 裂纹形成 裂纹扩展 断裂 2 3钢材的冷加工强化 时效强化 热处理和焊接 1 钢材的冷加工强化指将钢材在常温下进行冷拉 冷拔或冷轧 热轧 1200 1300 产生塑性变形屈服强度 塑性 韧性 弹模 2 时效处理将经过冷加工后的钢材于常温下存放15 20天 或加热到100 200 并保持一段时间 这一过程就是时效处理 前者称自然时效 后者为人工 一般强度较低的钢筋可采用自然时效 强度较高的钢筋应采用人工时效处理 时效处理 抗拉强度略有提高 塑性 韧性下降 弹模基本恢复 屈服强度提高 2 3 2钢材的热处理1 退火 用于冷加工后的钢材处理 以减少冷加工产生的各种缺陷 消除内应力 分为 低温退火 加热温度在铁素体等转变温度以下 是少量位错重新排列 完全退火 加热温度高于相变温度 达到800 850度 在经适当保温后缓慢冷却 使钢材再结晶 2 淬火和回火 二者通常相连 1 淬火 加热到相变温度 723度 以上 保温使组织完全转变 即投入冷却介质 水或矿物油 中急冷 使转变为不稳定介质 强度 硬度 塑性 韧性 2 回火 在淬火之后进行 加热温度在转变温度以下 150 650度 保温后按一定速度冷却至室温 消除淬火内应力 硬度 塑性 韧性 我国生产的热处理钢筋采用中碳低合金钢经油浴淬火和铅浴高温 500 600度 回火制得 其组织为铁素体和均匀分布的细颗粒渗碳体 2 3 3钢材的焊接1 焊接方法 1 电弧焊 钢结构 焊条与焊件之间产生高温电弧 将焊条与焊件金属熔化 凝固后形成焊缝 2 电渣压力焊 钢筋 电流通过渣池产生电阻热将钢筋端部熔化 施加压力使钢筋焊合 2 焊接质量的检验取样试件试验 钢筋接头 原位非破损检测 钢结构 超声波 射线 磁力 荧光等 3 实例 鸟巢体育场钢结构 钢号Q460 焊缝总长300Km 超声波检验合格率100 2 4钢材的防火与防腐 2 4 1钢材的防火1 高温对钢材的性能有很大影响 高温蠕变 250度时 b k 称蓝脆现象 大于300度时 b s 600度时 强度 2 3 不能承载 2 防火措施 1 设置防火板 2 涂刷防火涂料非膨胀型防火涂料难 不 燃性树脂 难燃剂 防火填料 膨胀型防火涂料难 不 燃性树脂 难燃剂 成碳剂 脱水成碳催化剂 发泡剂 2 4 2钢材的锈蚀与防止1 主要原因 1 化学锈蚀钢材与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀 主要是氧化作用引起 环境干燥时较慢而在潮湿的环境 和温度较高时则速度较快 空气中的二氧化碳 二氧化硫也能引起 2 电化学腐蚀金属在潮湿的气体中或导电溶液 电解质 中 形成微电池而引起的腐蚀 是最主要的腐蚀形式 1 钢的表面在电解质溶液中形成微电池 铁素体 阳极 失去电子成为Fe2 进入水膜 渗碳体 阴极 溶于水中的氧被还原成OH 二者反应最终产物为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe OH 3 随暴露出的渗碳体越来越多 微电池也越来越多 锈蚀也日益加速 2 铁铜接触形成微电池 二者之间存在电解质 铁的电极电位低 0 44v 为阳极不断失去电子而被溶解 铜的电极电位高 0 33v 为阴极在其上放出氢气 抗电化学腐蚀的措施 提高电极电位 在钢中加入Cr Ni Si等合金 如在铁中加铬11 7 时 可把合金的电位提高到 0 2v 能有效地抵抗空气 水 酸碱盐腐蚀 尽量获得单相组织 在钢中加入Cr Ni Si等合金 使之在常温下形成单相铁素体 奥氏体 马氏体 难以形成微电池 形成氧化膜 钝化膜 在钢中加入Cr Si Al等合金 在钢的表面形成一层致密 牢固的氧化膜 把钢与周围介质隔开 3 应力腐蚀指应力状态下腐蚀加快的现象 由于应力大的地方形成阳极 易于腐蚀 预应力钢筋因应力存在更易腐蚀 要给予足够的关注 2 防止措施 1 钢筋的防腐混凝土中的钢筋因处于碱性环境中 一般不致腐蚀 但有时会由于掺加掺合料 或碳化反应 CO2与水泥石中的Ca OH 2反应 使混凝土中Ca OH 2含量减少 降低了碱性 或由于添加了含有氯离子的外加剂 也会使钢筋锈蚀 提高混凝土的密实度确保保护层厚度限制氯盐外加剂采用环氧树脂涂层 2 钢结构防腐刷漆 包括底漆和面漆 热浸镀锌或铬 镀锌后加涂塑料复合层 特殊工程用不锈钢 加铬 镍 牺牲阳极如用电位较低的镁合金 锌合金 铝合金作阳极和地下钢管连起来 形成微电池 不断消耗阳极以保护钢管 用废钢铁作阳极通过电池与要保护的钢管连起来 2 5建筑钢材的品种与选用2 5 1主要钢种基本上是碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1 建筑用碳素结构钢 属普通碳素钢 1 牌号 有5个牌号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275含碳量 0 06 0 38 质量等级 A B C D 由低到高 脱氧程度 F 沸腾钢 Z 镇静港 b 半镇静钢 TZ 特殊镇静钢 2 Q235 BZ的意义 3 特点 塑性较好 适于各种加工 在焊接 冲击及适当超载的情况下也不会突然破坏 对轧制 加热 骤冷的敏感性较小 因而常用于热轧钢筋 2 低合金高强结构钢 1 牌号8个牌号 Q295Q345Q390Q420Q460Q500Q550Q620Q690质量等级 ABCDE含碳量 0 1 0 25 屈服点 比碳素钢高25 50 以上 屈强比较高 2 特点 采用低合金钢的目的是减轻结构的重量 节约钢材和延长使用寿命 此类钢材具有较高的屈服强度和抗拉强度 也有良好的塑性和韧性 尤其是低温韧性 及耐腐蚀性 尤其适用于大跨度承受动载荷和冲击载荷的结构物 2 5 2常用建筑钢材1 钢筋 reinforcingbar rebar 钢筋公称直径 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 50mm 1 低碳钢热轧圆盘条 由Q215 Q235热轧而成HPB235 HPB300 级钢筋 含碳量 0 17 0 25 公称直径 6 22mm特点 强度较低 但塑性好 伸长率高 便于弯折成形和焊接 用作中小型结构的受力钢筋或箍筋 及冷加工原料 2 热轧带肋钢筋 hotrolledribbedsteelbar 采用低合金钢热轧而成 表面有两条纵肋及沿长度方向均匀分布的横肋 含碳量 0 17 0 25 公称直径 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50mm 牌号 HRB335HRBF335HRB400HRBF400HRB500HRBF500特点 强度较高 塑性 可焊性也较好 用于受力钢筋和预应力钢筋 3 冷轧带肋钢筋 coldrolledribbedsteelbar 采用热轧圆盘条经冷轧而成 牌号 CRB550CRB650CRB800CRB970 指抗拉强度 公称直径4 12mm特点 冷轧后 2 但保证 2 05 适用于中小预应力钢筋混凝土和普通钢筋混凝土结构 4 预应力筋中强度预应力钢丝 光面 螺旋肋 公称直径5 7 9mm 510 650 810N mm2 预应力螺纹钢筋公称直径18 25 32 40 50mm 650 770 900N mm2 消除应力钢丝 光面 螺旋肋 公称直径5 7 9mm 1040 1110 1320N mm2 钢绞线 三股 七股 公称直径 三股 8 6 10 8 12 9mm 七股 9 5 12 7 15 2 17 8 21 6mm 抗拉强度设计值 1110 1220 1320 1390N mm22 型钢 1 热轧型钢 角钢 工字钢 槽钢 T H Z型等钢种及钢号选择依据 构件重要性荷载性质 动 静 连接方法工作条件 温度 介质 常用钢种碳素结构钢中Q235 A 含碳量0 14 0 22 强度石中 塑性好 可焊性好 成本低 低合金钢Q345 Q390 鸟巢用钢Q460 用于大跨度 承受动在的钢结构 2 冷弯薄壁型钢2 6mm薄板冷弯或模压而成 有角钢 槽钢以及方形 矩形空心薄壁型钢等 用于轻型结构 3 钢板定义 用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板 分类 冷轧钢板 厚度0 2 4mm 热轧钢板 厚板d 4mm 薄板 应用 厚板 型钢的连接 薄板 屋面 墙面围护材料第三章无机胶凝材料 non organiccementingmaterial 1 胶凝材料的定义 能经过一系列物理 化学作用 将散粒状或块状材料粘结成整体的材料 统称为胶凝材料 2 分类按成份分为 1 有机胶凝材料 如沥青 树脂 2 无机胶凝材料 如水泥 石灰 石膏 气硬性胶凝材料 只能在空气中凝结硬化 石灰 石膏 水硬性胶凝材料 在空气和水中均能凝结硬化 如水泥 3 1气硬性胶凝材料3 3 1石膏 plaster 石膏是以CaSO4为主要成分的胶凝材料 成本低 应用广泛 常用的产品有建筑石膏 高强石膏 无水石膏水泥 1 石膏的生产原料 矿石 CaSO4 2H2O 化工副产品和废渣 主要工序 破碎加热煅烧磨细化学反应 CaSO4 2H2O107 170 CaSO4 1 2H2O 3 2H2O产品 1 高强石膏 型半水石膏 加热条件 0 13MPa 120 过饱和蒸汽下蒸炼 或在盐类溶液中沸煮 晶粒粗 强度大 2 建筑石膏 型半水石膏 加热条件 在非密闭窑炉中加热脱水 用水量大 晶粒细 强度低 2 建筑石膏的凝结与硬化CaSO4 1 2H2O 3 2H2OCaSO4 2H2O 化学反应 二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1 5左右 反应总向右进行 溶液中 不断析出二水石膏的胶粒 水化过程 胶粒晶体固体3 建筑石膏的技术性质与应用 1 技术性质颜色 白色粉末密度 2 6 2 75 0 800 1000Kg m3凝结时间 t初 6min t终 30min 要延长凝结时间可加入缓凝剂 如硼砂 酒石酸碱钠 柠檬酸 聚乙烯醇 硼砂 Na2B4O7 10H2O 十水四硼酸钠 用于搪瓷 玻璃工业 以提高产品的热稳定性 光泽 透明度 抗冲击性及抗腐蚀性 孔隙率 P 50 60 导热系数小 吸声性强 吸湿性大 可调节室内湿度 装饰性 质地洁白细腻 因硬化时体积略有膨胀 可浇铸出纹理细致的浮雕花饰 耐水性和抗冻性 较差 不宜用于潮湿的部位 抗火性 较好 因为遇火能放出结晶水 形成蒸汽幕 但也不能长期用于65 以上环境 以免脱水而失去强度 储存 注意防潮 储存3月后 强度降低30 左右 要重新进行质量检测 2 应用1 抹灰材料 即石膏砂浆 石膏 砂 缓凝剂 水 2 墙体材料 石膏板 石膏砌块3 装饰材料 装饰石膏板 用作墙面和吊顶 尺寸500 500 9 600 600 11 mm 嵌装式装饰石膏板 用于吊顶 嵌固在龙骨上 尺寸有500 500 25 以上 600 600 28 以上 普通纸面石膏板 用于室内隔断 吊顶 要经过表面处理才能做装饰材料 如抹腻子 刷漆 尺寸 长度1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600宽度900 1200厚度9 12 15 18也可定做尺寸 吸声用穿孔石膏板 用于音乐厅 影剧院 会议室的吊顶 墙面材料 尺寸500 500 600 600 9 12 耐水纸面石膏板 添加耐水外加剂 用于厨房 卫生间 耐火纸面石膏板 添加无机耐火纤维 用于公共建筑 如影剧院 体育馆 展馆 幼儿园 商场的吊顶 墙面 隔断 特种耐火石膏板 1h 用于防火等级要求高的建筑物 艺术浮雕装饰制品石膏角线石膏造型石膏壁画艺术顶棚 灯圈 角花艺术廊柱 罗马柱 3 3 2石灰 lime 属于应用较早的胶凝材料 用于内外墙刷白 抹灰 目前 在道路施工中 多用作基层材料 原料来源广 生产简单 成本低廉 得到了广泛的应用 工程中常用的产品有 磨细生石灰粉 消石灰分 石灰膏 1 石灰的生产 原料 石灰石 白云石 白垩 贝壳等 主要工序 破碎 加热 煅烧 磨细化学反应 CaCO3CaO CO2产品 因原料中常含MgCO3 所以石灰中含有MgO 按其含量 建筑生石灰和消石灰分为 钙质石灰 MgO含量不超5 镁质石灰 MgO含量超5 钙质消石灰粉 MgO含量小于4 镁质消石灰粉 MgO含量4 24 白云石消石灰粉 MgO含量24 30 2 石灰的熟化与硬化 1 熟化化学反应 CaO H2OCa OH 2 64 9 103J熟化后 体积增大1 2 5倍 熟化方法根据用途不同有 900 以上 用于拌制砌筑砂浆或抹灰砂浆 生石灰 石灰浆 化灰池中完成 石灰膏 储灰坑沉淀 石灰的陈伏 石灰浆应在储灰坑中储存两周以上 以充分熟化过火石灰 防止使用时抹灰隆起或开裂 用于拌制石灰土 石灰 粘性土 或三合土 石灰 粘土 砂石 粉煤灰 矿渣 炉渣 碎砖 向石灰堆中 用水管分层注水 加水量为生石灰重量的60 80 使其充分消解 又不过湿成团 用前 往往要闷几天 类似于石灰浆的陈伏 2 石灰的硬化石灰浆体在空气中的硬化 包括两个同时进行的过程 结晶作用 Ca OH 2从饱和溶液中 结晶而出 碳化作用 Ca OH 2 CO2 nH2O CaCO3 n 1 H2O碳化作用长时间内仅限于表层 结晶作用主要在内部发生 硬化过程产生了两种晶体 过筛 3 石灰的技术性质与应用技术性质石灰浆具有良好的可塑性 可作为掺加料加入水泥砂浆中形成混合砂浆 提高和易性 硬化慢 强度低 石灰砂浆28天强度0 2 0 5MPa 不能用于潮湿地点 也不能单独用于建筑基础 CaCO3 CO2 H2OCa HCO3 2 具有可溶性 硬化过程中 体积显著收缩 使用中 常掺入砂 纸筋 储存要防潮 使用要注意安全 质量分三级 优等品 一等品 合格品 2 应用石灰乳刷白 内墙 顶棚 外墙 加入高炉矿渣 粉煤灰可提高耐水性 加入聚乙烯醇 干酪素 氯化钙 明矾减少涂层粉化 加入耐碱颜料 可提高装饰性 石灰砂浆 石灰膏 砂 水 砌墙 抹灰 混合砂浆 水泥 石灰膏 砂 水 砌墙 石灰土 消石灰粉 生石灰粉 粘性土 水 作一般道路基层 或高等级道路的底基层 石灰能显著提高粘性土的强度和耐水性 原因是 1 离子交换 石灰浆中的游离钙离子和氢氧根离子与细粒粘土矿物中的钠离子 氢离子发生交换 减薄粘土颗粒吸附水膜厚度 使土粒凝聚 形成稳定团粒结构 使石灰土获得初期强度 2 石灰硬化过程中生成的氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体相互结合 并把土粒结成整体 提高了石灰土的稳定性 3 粘土中少量的活性氧化铝与氧化硅与氢氧化钙反应生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙 粘土主要成分为Al2O3 2SiO2 2H2O 在土中形成凝胶结构 使石灰土的刚度不断增大 强度与水稳定性不断提高 影响石灰土强度的因素 1 石灰细度越大 稳定效果越好 2 对粉质粘土稳定效果明显优于沙质粘土 对均质砂的稳定效果较差 塑性指数小于12的土则不宜用石灰稳定 最好用水泥来稳定 3 石灰稳定土在最佳含水率条件下压实获得最大密实度 从而提高其强度和刚度 4 较高的温度与适当的湿度的养生有利于其强度增长 三合土 石灰 粘性土 粉煤灰 矿渣 砂石 碎砖 炉渣 水 用于铺设道路基层 建筑物基础 简易路面 二灰 石灰 粉煤灰 稳定土1 二灰稳定细粒土 二灰土2 二灰稳定砂砾 碎石 矿渣 煤矸石等 二灰稳定集料生产硅酸盐制品原料 生石灰粉 消石灰粉 硅质材料 粉煤灰 粒化高炉矿渣 浮石 砂子 水 有时加石膏 工序 配料成型蒸养产品 墙板 砌块 灰砂砖等隔热保温制品 高炉矿渣 即高炉铁渣 主要成份 CaO SiO2 MgO Al2O3SiO2 FeO经水结 碾压后 易形成板体 整体强度高 浮石 属火山熔岩 多孔轻质 保温 隔热隔音 成份 SiO2 Al2O3 Fe2O3可作活性混合料 3 1 3水玻璃 泡花碱 常用硅酸钠水玻璃 Na2O nSiO2 和硅酸钾水玻璃 K2O nSiO2 1 水玻璃的生产原料 石英砂 苛性钠溶液工序 湿法 干法 石英砂 苛性钠溶液 2 3大气压蒸气加热 液体水玻璃 石英砂 碳酸钠 磨细 加热1300 1400 固体水玻璃 化学反应Na2CO3 nSiO2Na2O nSiO2 CO2 水玻璃的模数n 1 5 3 5n 1时 能溶于常温的水中 模数加大 只能溶于热水 n 3时 要在4个大气压以上的蒸气中才能溶解 n越大 水玻璃的粘结性越强 在液体水玻璃中加入尿素著可提高其粘结力 2 水玻璃的硬化液体水玻璃吸收空气中的CO2 形成无定型硅酸 并逐渐干燥而硬化 Na2O nSiO2 CO2 mH2ONa2CO3 nSiO2 mH2O加入水玻璃质量12 15 的硅氟酸钠 Na2SiF6 能显著加速硬化 3 性质与应用 具有良好的粘结性 硬化时析出硅酸凝胶 能堵塞毛细孔具有抗渗性能 良好的耐高温性 在高温下 强度不降低 高度的耐酸性 1 涂刷建材表面可提高抗风化能力用其水溶液 比重约1 35 涂刷黏土砖 硅酸盐制品 水泥混凝土及石灰石等 但不能用于石膏 2 配制快凝堵漏防水剂以水玻璃为基料加入2 3 4种矾配制 如四矾防水剂 蓝矾 硫酸铜 明矾 钾铝矾 红矾 重铬酸钾 紫矾 铬矾 各1份 溶于60份100 C的水中 降温至50 C 加入到400份水玻璃溶液搅拌而成 其凝结很快 不超过1分钟 与水泥浆调和 可堵塞漏洞与裂缝 3 用于土壤加固将模数为2 5 3的液体水玻璃和氯化钙溶液交替压入土体 二者反应 生成硅酸胶体 包裹土粒并填实空隙 加固砂土 使其强度可达3 6MPa 4 配制耐酸 耐热砂浆和混凝土 3 2硅酸盐水泥硅酸盐产品 陶瓷 玻璃 水泥等 硅元素占地壳的26 3 仅次于氧的48 6 其氧化物 硅酸盐构成岩石 砂子 土壤占地壳质量的90 以上 水泥是最主要的水硬性胶凝材料 3 2 1硅酸盐水泥的生产及矿物组成定义 凡由硅酸盐水泥熟料 0 5 石灰石或粒化高炉矿渣 适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 Portlandcement 不掺加混合料的称 型硅酸盐水泥 掺加混合料的称 型硅酸盐水泥 分别记为P 和P 1 硅酸盐水泥的生产 石灰石 黏土 铁矿粉 磨细 生料 1400 1450 c 石膏 熟料 P 磨细 以上过程简称 两磨一烧 2 水泥熟料主要矿物 硅酸三钙3CaO SiO2简写为C3S含量37 60 硅酸二钙2CaO SiO2C2S15 37 铝酸三钙3CaO Al2O3C3A7 15 铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3C4AF10 18 少量的游离CaO和MgO及碱 总量不超过水泥量的10 3 2 2硅酸盐水泥的水化及凝结硬化1 硅酸盐水泥的水化水化 熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称水化 水泥水化生成水化物并放出热量 2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2 水化硅酸钙 2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 23CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 水化铝酸三钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 高硫型水化硫铝酸钙 即钙矾石 充分水化后的主要的水化产物 水化硅酸钙凝胶 不溶于水 C S H含量约70 Ca OH 2 微溶于水 约20 钙矾石及单硫型水化硫铝酸钙 3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 约7 不溶于水 水化铁酸一钙 各熟料矿物单独与水作用时的特性 2 水泥的凝结与硬化凝结 水泥浆逐渐变稠失去塑性 但尚不具强度的过程 硬化 水泥浆开始产生强度并逐渐发展成为坚硬的人造石的过程 水泥的凝结与硬化理论由LeChatelier于1882年创立 目前的理论认为 水泥颗粒表面 具有可塑性 凝聚结构 初凝 凝聚 结晶网状结构 终凝 砼 3 影响cement凝结硬化的因素矿物成分C3S及C3A setting0 1mm以上的活性很小 表示方法筛析法80 m方孔筛的筛余百分数比表面积法单位质量粉末具有的总表面积 m2 Kg 对水泥而言 应大于300m2 Kg 一般为317 350m2 Kg 2 凝结时间初凝时间规定不小于45min 一般为1 3h 终凝时间规定不迟于6 5h 一般为3 4h 3 体积安定性指水泥硬化后 体积的变化是均匀的 不产生膨胀性裂缝 水泥体积安定性不良的原因 水泥熟料中含有过多的游离CaO或MgO 它们往往是过少的 水化慢 水化时体积膨胀 使构件产生膨胀性裂缝 CaO H2O Ca OH 2MgO H2O Mg OH 2 掺加的石膏过多 多余石膏会与已硬化的固体水化铝酸钙反应 生成钙矾石 体积膨胀 用煮沸法 饼法和雷氏法 可快速检验CaO的危害 单不易检验MgO 尤其是过量石膏的危害 为此国家标准规定水泥熟料中 游离MgO含量 5 0 SO3含量 5 0 体积安定性不良的水泥作废品处理 不能用于工程 4 强度及强度等级用水泥 标准砂 1 3 水灰比 0 5制得试件 在20 1 的水中养护3天和28天 分别测得其抗压强度 每组6个 取平均值作为抗压强度的试验结果 根据测定结果 把硅酸盐水泥分为6个强度等级 42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5RR 早强型 5 碱含量水泥中的碱含量按Na2O 0 685K2O的计算值表示 使用活性骨料 碱含量高会产生碱 骨料反应 导致结构破坏 低碱水泥要求碱含量 0 06 也可由供需双方协商 6 水化热大型基础 水坝 桥墩等大体积混凝土构筑物 要用低热水泥或采取内部降温 外部保温的措施 消除内外温差 以杜绝产生由内外温差引起的裂缝 3 2 4水泥石的腐蚀与防止水泥石具有良好的耐久性 但有时也会受到一些介质的缓慢腐蚀 常见的情况如下 1 软水的侵蚀 溶出性侵蚀 指水泥石在流动及压力的淡水作用下 其所含的Ca OH 2不断溶解 流失的现象 淡水 雨水 雪水 蒸馏水 工厂冷凝水及含重碳酸盐很少的河水与湖水 2 盐类腐蚀 1 硫酸盐的腐蚀海水 湖水 盐沼水 地下水 一些工业污水等含有钠 钾 铵等硫酸盐 能与水泥石中的Ca OH 2发生置换反应 生成CaSO4 而CaSO4还能与水泥石中的固态水化铝酸钙反应 生成体积膨胀的钙矾石是双重的破坏 2 镁盐的腐蚀地下水和海水中 含有大量的镁盐 主要是MgSO4和MgCl2它们能与水泥石中的Ca OH 2发生反应 MgSO4 Ca OH 2 2H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2 无胶凝能力 MgCl2 Ca OH 2 CaCl2 Mg OH 2 易溶于水 CaSO4 2H2O还能进一步破坏水泥石 3 酸类腐蚀 1 碳酸腐蚀由工业污水 地下水中的CO2引起 Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2O进一步反应 CaCO3 CO2 H2OCa HCO3 2 2 一般酸的腐蚀HCl Ca OH 2 CaCl2 2H2OH2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O4 强碱的腐蚀3CaO Al2O3 6NaOH 3Na2O Al2O3 3Ca OH 2腐蚀的主要原因 水泥石中存在Ca OH 2和CaO Al2O3 6H2O 易溶 水泥石不密实 存在很多毛细通道 5 水泥石腐蚀的防止根据使用环境 选择合适的水泥提高水泥石的紧密程度加做保护层如耐酸石料 耐酸陶瓷 玻璃 塑料 沥青等 3 2 5硅酸盐水泥的应用与存放1 应用主要用于高强混凝土和预应力混凝土工程 要求快凝 早强 冬季施工 严寒地区施工工程 不适于受流动的淡水 海水作用的工程 不适于大坝 桥墩等大体积工程 如若使用须采取必要措施 消除水化热带来的问题 2 存放注意防潮存放期不能过长一般的储存条件 3个月后强度下降10 20 6个月下降15 30 一年下降25 40 按不同的品种 强度等级 出厂日期分别存放 3 3掺混合料的硅酸盐水泥3 3 1水泥混合材料掺加混合料的目的 改善水泥性能调节水泥强度等级1 混合料的类别 1 活性混合材料 定义 磨细后与石灰或与石灰和石膏拌合在一起 加水后 在常温下 能生成具有水硬性的水化产物的材料 常见种类 1 粒化高炉矿渣由炼铁高炉的熔融矿渣经急冷而成的松散颗粒粒径0 5 5mm 其活性成分 活性SiO2和活性Al2O3可用于制造矿渣水泥2 火山灰质混合料指火山灰一类物质 常用的有 含水硅酸质混合料硅藻土 硅藻石 蛋白石 硅质渣等铝硅玻璃质混合料火山灰 凝灰岩 浮石和一些工业废渣烧黏土质混合料烧黏土 煤渣 煅烧的煤矸石 火性成分氧化铝与氧化硅主要用于制造火山灰水泥3 粉煤灰从热电厂锅炉烟道中收集的灰渣 也称飞灰 粒径0 001 0 05mm 呈玻璃态实心或空心的球状颗粒 火性成分氧化铝与氧化硅制造火山灰水泥 2 非活性混合材料包括 磨细的石英砂 石灰石 慢冷矿渣等作用 降低水泥强度 减少水化热 降低成本2 活性混合材料的作用本身不硬化或硬化很慢强度很低加到饱和的Ca OH 2溶液中后 有显著水化作用产生产生了无定型的水化硅酸钙 可进一步转变为微晶体 或结晶不完善的凝胶 xCa OH 2 SiO2 mH2OxCaO SiO nH2OCa OH 2与活性氧化铝相互作用生成水化铝酸钙液相中有石膏存在时 将与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙 具有水硬性 石灰和石膏激发了混合料的化学活性 故称它们为激发剂 3 3 2普通硅酸盐水泥1 成分硅酸盐水泥熟料 6 15 混合料 适量石膏2 代号P O 3 强度32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R4 凝结时间T初 45min T终 10h5 特点及应用早期硬化速度稍慢 抗冻性与耐磨性略差 广泛应用于混凝土或钢筋混凝土 是我国的主要水泥品种 3 3 3矿渣硅酸盐水泥 P S 1 成分硅酸盐水泥熟料 20 70 的粒化高炉矿渣 石膏2 强度等级32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R3 特点 存在二次水化反应 熟料先与水反应 其产物Ca OH 2又与矿渣中的活性氧化硅和氧化铝反应 凝结硬化速度较缓慢 早期强度较低 后期强度 28天后 较高 甚至超过P O 采用蒸汽养护 可显著加快硬化速度 抵抗软水 海水及硫酸盐腐蚀能力强 适用于水工和海港工程 具有一定的耐热性 用于耐热混凝土 保水性差 拌合用水多 干缩性大 抗冻性 抗渗性 抗干湿交替循环差 水化热低 适于大体积混凝土工程 3 3 4火山灰质硅酸盐水泥 P P 1 成分 硅酸盐水泥熟料 20 50 的火山灰质混合料 石膏2 特点在潮湿的环境中 火山灰质混合料能吸收石灰而产生膨胀胶化作用 使水泥石结构致密 具有较高的密实度和抗渗性 不宜用于干热环境 否则易产生表面 起粉 现象 水化热低 可用于大体积混凝土 3 3 5粉煤灰硅酸盐水泥 P F 1 成分硅酸盐水泥熟料 20 40 的粉煤灰 石膏2 特点拌合物和易性好 拌合用水少 干缩小 抗裂性较高 3 3 6复合硅酸盐水泥 P C 硅酸盐水泥熟料 2种以上的混合料 石膏六大通用水泥 P I II P OP SP PP FP C可查P68 表3 11 选用 3 4其他水泥特性水泥 快硬硅酸盐水泥 抗硫酸盐水泥 中热水泥 低热矿渣水泥 白色和彩色水泥 膨胀水泥 自应力水泥 专用水泥 道路硅酸盐水泥 油井水泥 砌筑水泥 3 4 1白色和彩色硅酸盐水泥1 成分白色水泥 白色硅酸盐水泥熟料 石膏彩色水泥 白色硅酸盐水泥熟料 石膏 耐碱矿物颜料2 常用耐碱颜料氧化铁 红 黄 褐 黑 氧化锰 褐 黑 氧化铬 绿 赭石 蓝 普鲁士红 3 生产采用含极少量着色物质的原料 如纯净的高岭土 纯净的石灰石 纯石英砂等 较高的加热温度1500 1600 煅烧 粉磨 及运输时采取措施防止着色物质混入 4 强度分为325 425 525 625四个标号 5 白度特级 一级 二级 三级 6 凝结T初 45min T终 12h 7 主要用于建筑物内外的表面装饰工程 如地面 楼面 楼面 楼梯 墙 柱 及台阶 3 4 2快硬水泥1 快硬硅酸盐水泥1 成分硅酸盐水泥 适量石膏其中C3A含量8 14 C3S含量50 60 二者总量不低于60 65 适当增加石膏掺量 8 提高水泥细度 比表面积3000 4000cm2 g 2 强度与标号标号 325 375 4253天抗压强度 32 5 37 5 42 53 应用适用于要求早期强度高的工程 紧急抢修工程 冬季施工 制作混凝土及预应力混凝土预制件 2 铝酸盐水泥1 生产2 熟料CaO Al2O3铝酸一钙CA硬化迅速 强度高 CaO 2Al2O3二铝酸一钙CA2硬化较慢 强度早期较低 后期强度高 C12A7七铝酸十二钙硬化迅速 强度不高 铝钒土 石灰石 生料 熟料 成品 磨细 煅烧 磨细 3 水化温度小于20度时CaO Al2O3 10H2O CaO Al2O3 10H2O 水化铝酸钙CAH10 温度在20 30度时2 CaO Al2O3 11H2O 2CaO Al2O3 8H2O Al2O3 3H2O温度高于30度时3 CaO Al2O3 12H2O 3CaO Al2O3 6H2O 2 Al2O3 3H2O 水化产物一般条件为CAH10 C2AH8 较高温度下 30度以上 主要为C3AH6 CAH10 C2AH8均属于六方晶体 具有细长的针状和板状结构 能互相结成坚固的结晶连生体 形成晶体骨架 析出的铝胶难溶于水 填充于晶体骨架的空隙中 形成密实的水泥石结构 水化铝酸二钙 铝胶 4 特点颜色为黄褐色 有的灰色 根据Al2O3含量分为CA 50 60 70 80四类 强度 凝结时间CA 50 70 80t初 30min t终 6hCA 60t初 60min t终 18h总结 快凝 早强 高强 低收缩 耐热 耐硫酸盐腐蚀 水化热大 耐碱性差 长期强度会降低 5 应用工期紧急的工程 抢修工程 冬季施工工程 耐热混凝土工程 耐硫酸盐混凝土工程 3 快硬硫铝酸盐水泥1 成分无水硫铝酸钙3 Ca Al2O3 CaSO4水化快 早期生成大量的钙矾石和铝胶 使水泥早期强度高 型硅酸二钙较低的温度烧成 1250 1350 活性高 水化快 水化硅酸钙凝胶填充于晶体骨架中 提高密实度 保证了后期强度的增长 2 技术指标强度以3天的抗压强度划分为425 525 625三个标号 细度比表面积不得低于380m2 kg 凝结时间初凝时间不得早于23min 终凝不得迟于3h 3 4 3膨胀水泥与自应力水泥1 两种类型 硅酸盐型和铝酸盐型 硅酸盐型硅酸盐水泥 高铝水泥 石膏铝酸盐型高铝水泥 二水石膏2 膨胀机理主要是硬化初期