土木工程材料全册完整教学课件

1、土木工程材料全册完整教学课件,土木工程材料,Civil Engineering Materials,三问：Why? What? How,土木工程材料”课程内容和性质是什么（What）? 为什么必修“土木工程材料”课程（Why) ? 如何学好“土木工程材料”课程 （How）,土木工程材料”课程性质和内容是什么,什么是土木工程材料？ 土木工程材料课程性质是什么？ “土木工程材料”课程内容有哪些,什么是土木工程材料,土木工程材料是人类建造活动所用一切材料的总称。 广义上，所有物质均可用作土木工程材料。 土木工程材料包括了迄今已发现和发明的所有材料,问题,1.你们知道哪些土木工程材料 ？ 2.最古老的

2、土木工程材料是哪些？ 3.什么是今天用量最大、用途最广的土木工程材料,云南下关天生石桥,广西桂林踏步桥,架木桥,河北赵州石桥,建于1300多年前（桥长约51m，净跨37m） 建造该桥的石材为青白色石灰岩 比意大利人建石拱桥晚400多年,但在主拱肋与桥面间设计“敞肩拱” ，比外国早了1200多年 敞肩拱不仅减轻自重、节省材料、减轻桥基负担，使桥台轻巧，且位移很小，地基下沉甚微，且拱圈内应力很小，是至今位移和沉陷微小且不坠的重要原因之一； 该桥拱轴线和恒载压力线甚接近，拱圈各横截面只受压力或微小拉力。该二线重合道理，到现代才认识,泸定桥,十七孔桥,芦沟桥,玉带桥,万里长城,天下第一关,万 里 长

3、城,总长度大约有十万里以上！ 所用土木工程材料： 土、石、木料、砖、石灰 关外有关、城外有城，其材料运输量之浩大、工程之艰巨世所罕见。 体现我国古代建筑工程的高度成就，表现我国古代劳动人民的聪明才智,最古老的建筑材料,天然石材 天然植物：木材、茅草 粘土及其制品 动物的毛发与制胶等 石灰,钢桁梁桥钱塘江桥,钢桁梁桥武汉长江大桥,简支梁桥普兰店桥,T形刚构桥重庆长江大桥,连续梁桥六库怒江桥,连续刚构桥湖南沅水桥,箱形拱桥红旗桥,结合梁和钢斜拉桥南浦大桥,现代土木工程材料,钢材、混凝土 钢混凝土复合材料 砖混凝土复合材料 高分子及其复合材料,土木工程材料的分类与发展,1.土木工程材料的分类 按化学

4、组成分类 按来源分类 按建筑功能分类 按用途分类,有三大类： 无机材料：金属、非金属 有机材料：植物、高分子、沥青 复合材料：有机无机 金属非金属,有两大类： 天然材料：石材、粘土、植物等； 人工材料：金属、水泥、陶瓷、玻璃 塑料、橡胶、纤维等,有： 承重材料、防水材料、隔热保温材料、防护材料、装饰材料、吸声隔音材料、粘结密封材料、智能材料等,有： 结构材料、墙体材料、屋面材料、 地面材料、吊顶材料、墙面材料等,2. 土木工程材料的发展历程 发展历程大致可分为三个阶段： 天然材料 人类最初直接从自然界中取材作为土木工程材料，如：土、石材、木材等。 人工材料 随着人类文明和技术的进步，开始人工合

5、成和制造各种土木工程材料，以满足土木工程发展的需要。如：砖、瓦、陶瓷、玻璃、水泥、金属、高分子材料、复合材料等 复合材料 随环境条件的变化而具有应变能力的材料：如：变色调光玻璃、可自修复混凝土、调温、调湿墙体（面）材料、形状记忆合金等,人类最初直接从自然界中取材作为土木工程材料，如：土、石材、木材等,随着人类文明和技术的进步，开始人工合成和制造各种土木工程材料，以满足土木工程发展的需要。如：砖、瓦、陶瓷、玻璃、水泥、金属、高分子材料、复合材料等,为了满足土木工程结构与功能的要求，又能节约材料、节约资源，最大限度地发挥各种材料的优势，避免其不足，将不同组成与结构的材料复合形成各种复合材料，如玻纤

6、增强塑料、纤维混凝土、金属陶瓷等,3.土木工程材料的发展趋势 高性能化 高强、高耐久、高抗渗、高保温等新型高性能土木工程材料。 多功能化 具有多种功能或智能的土木工程材料。 工业规模化 土木工程材料的生产要实现现代化、工业化，而且为了降低成本、控制质量、便于机械化施工，生产要标准化、大型化、商品化等。 生态化 为了降低环境污染、节约资源、维护生态平衡，生产节能型、环保型和保健型的生态建材,土木工程材料,材料科学,土木工程,课程性质： “材料科学”与“土木工程”间的桥梁,材料科学”与“土木工程”间的桥梁,土 木 工 程,房屋建筑工程 桥梁工程 道路工程 水利工程 铁道工程 市政工程,土木工程是应

7、用各种工程材料设计、建造各类土木工程的科学技术,材料科学的任务,研究材料的组成、结构与性能的关系和材料的制备技术，涉及: 金属材料 无机非金属材料 有机材料 复合材料,土木工程材料学,以土木工程科学与技术为背景，研究满足建造各种土木工程所需的材料的组成、结构与其工程性能的关系和制备与施工技术，涉及 水泥与混凝土 钢材与铝合金材料 沥青材料 工程高分子材料 建筑复合材料 建筑功能材料与制品,土木工程材料”课程学习内容,第一章 土木工程材料的基本性质 第二章 无机胶凝材料 第三章 混凝土 第四章 砌筑材料 第五章 金属材料 第六章 木 材 第七章 建筑高分子材料 第八章 沥青材料,土木工程材料”试

8、验内容,基本试验技能试验 水泥性质 骨料性质 混凝土拌合物与力学性质 土木工程材料的力学性质 开放式“三性”试验 自选题、自行设计和自主进行试验,本课程的学习目的,学习有关土木工程材料的基本理论、基本知识和基本技能，为土木工程专业课程的学习和今后从事专业技术工作打下必要的基础,本课程的主要任务,以土木工程应用为背景，运用材料科学原理，讲解土木工程材料的理论基础知识； 为学生毕业后从事工程技术工作，就材料的选择与应用、材料验收、质量鉴定、材料试验、储存运输、防腐处理及试验研究等方面，打下必要的基础,为什么必修“土木工程材料”课程,土木工程材料是一切土木工程或构筑物的物质基础。 土木工程材料的质量

9、与正确选择、应用直接影响土木工程的质量、使用功能、运营安全与耐久性； 土木工程材料的创新能促进结构形式的变化和施工方法的改进，并能创造新的结构形式和新的施工方法。 土木工程的不断发展和技术进步又促进了土木工程材料的创新和发展,不知道土木工程材料的”来龙去脉“(ins and outs of Civil Engineering Materials)，就只能是一位”撇脚“的土木工程师,新型建材促进结构工程发展,古罗马万神殿，半球穹顶直径43.5m，重12000吨 波兰钢筋混凝土世纪大厅肋形拱顶直径65m，重1500吨 墨西哥钢混薄壁构件饭店双曲抛物面薄壳屋盖直径32m、厚4cm，重仅100吨 德国

10、玻璃纤维增强水泥园艺展览厅双曲抛物面屋盖，直径31m、厚1cm，重25吨 近年出现彩板轻钢仅厚1mm，现场加工成大跨度屋面，重量进一步减轻 建筑膜搭建厚度仅为0.2mm的新型膜结构每平方米重量20Kg,工程师是做什么的,科学讲分析，它设法去了解自然是什么； 工程要综合，它努力去创造可能的东西。 Wm. A.Wulf（美国工程院院长,科学家的任务,工程师的任务,土木工程师的任务是创造,运用各种设计理论设计各种土木工程的结构和施工方法。 应用“土木工程材料”的知识，结合设计要求，合理选择和利用各种工程材料。 应用“土木工程材料”的知识，建造或创造各种“土木工程,名言： What we cant c

11、reate we dont understand,名言,A structural engineer who is ignorant about the “ins and outs”of the civil engineering materials can never be a competent designer,不熟悉土木工程材料的“来龙去脉”的结构设计师，就不可能成为一位称职的设计师,如何学好“土木工程材料”课程,课前预习和阅读教材，善于提问 课堂上认真学习、积极参与讨论 课外阅读文献与书籍 认真做好试验与练习 勤于分析思考与归纳总结,1)实践性强 接近工程实际，不像基础理论课程那样：对

12、具体的现象或结构进行简化、抽象； 2)综合性强 面对浩瀚的工程学复杂问题，需要广泛知识和综合能力。不像基础理论课程那样，着重深入分析，而是要善于归纳总结,土木工程材料课程特点,第一，阅读大量文献和书籍，获得有关材料组成、结构与性能关系及其规律的理性认识。 第二，通过对材料进行相关试验，获得有关性质的数据，例如强度、弹性模量，为结构设计或分析提供依据。 第三，材料加工、运输和现场施工的工程实践是感性认识的另一重要来源。 第四，由于材料科学和检测技术的发展，对材料的组成、结构与性能进行深入研究得到的认识,如何获取知识,学习方法,掌握知识 注重掌握各种土木工程材料的组成、结构与性能的内在联系；注重掌

13、握内外因素对土木工程材料各项性能的影响及其规律；做好听课笔记。 加强训练 认证做好每个试验，通过实验验证所学的基本理论，熟悉土木工程材料检验方法，掌握试验技能，做好作业，积极参与科技活动，。 培养能力 认真思考问题，对课程内容进行分析、归纳和总结，并注意观察一些建筑物中所用的土木工程材料及其应用情况，培养自学和正确分析与解答问题的能力,学习土木工程材料，有一个很深的印象，就是要懂得事物的模糊性，不确定的一面。 以往的学习，我们总想得到一个确定的（精确的）解。但实际工程远不是这样，我们必须面对不确定性、模糊性问题。 希望从建材课开始培养这方面的能力认识和解决不确定性的问题,学习心得,土木工程材料

14、品种多、课程内容多为叙述、分析、综合论述各种材料的原料、生产、组成、结构、构造及其对材料性能的影响，根据材料的共性与特性来确定其应用技术（配制、施工、检验、以及运输、储存、维护和经济效益等）。 因此，在学习时， 应抓住重点、要点，注意思路的整理与发展。 通过自学、作业、面授、答疑、试验等环节，注意基础理论（基理）、基本知识（基知）、基本技能（基技）的学习和掌握,学习心得,本课程的考核方式,课堂提问，回答问题 5 平时作业 10 中间测验 20 试验报告 15 期终综合考试 50,考核成绩评定,A 能清楚地解答问题，对课程内容有深刻的认识，并能熟练掌握； B 能 C D E,希望同学们： 努力学

15、习、认真思考、 积极训练、善于归纳,预祝同学们： 取得优异成绩，毕业后成为一名出色的土木工程师,第 一 章 土木工程材料导论Introduction to Civil Engineering Materials,三问：What ? How ? Which ,土木工程要求材料具备什么性能（What）? 土木工程材料如何满足工程要求（How）? 本章学习哪些内容（Which）,土木工程的功能 要求的材料性能,承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境,强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性,土木工程要求材料具备哪些性能,土木工程材料如何满足性能要求,材料的组成 材料的结构

16、材料的构造 材料的复合,性能,组成,结构,材料的组成结构性能关系,材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心,本 章 主 要 内 容,材料的组成与结构 材料的技术性能及其测试方法 材料组成、结构与性能间的关系,学 习 目 的,通过本章学习，掌握各类土木工程材料的“来龙去脉”，为自己成为一名称职的“土木工程师”打下工程材料学基础,材料的组成与结构 材料在服役环境下的行为性能 力学性能 物理性能 耐久与安全性 材料组成、结构、性能与施工工艺间的关系,本 章 主 要 内 容,材料的组成与结构 材料的技术性能及其测试方法 材料组成、结构与性能间的关系,1.1 土木工程材料的组成与结构Composi

17、tion and Structure of Civil Engineering Materials,组成 化学组成 相组成,结构 微观结构 细观结构 宏观结构,一、材料的组成,材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成,材料的物相组成： 固相 气相 液相,材料的化学组成： 元素 化合物,物相组成,固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 气相 液相,矿 物 化合物,分布的孔隙及其含量,包含的液体种类与含量,矿物 具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然矿物的物相或化合物。 矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含

18、量,矿物组成,化学组成,化学组成化学成分是指材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、CaCO3等,化学组成与矿物组成的关系,化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O，但它有-、-、- 等3种矿物相。 不同的矿物相，其化学组成可能相同。 例如

19、：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。 矿物组成相同，其化学组成一定相同,材料组成与性能的关系 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。 例如： 生石膏CaSO42H2O与熟石膏CaSO40.5H2O的差别在所含H2O的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有； 纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆， 其主要原因是它们的含C量百分之几的微小差别； 聚氯乙烯树脂-CH2-CHCl-n 与聚乙烯醇-CH2-CHOH-n ，在组成上,前者的大分子链上含Cl 离子，而后者含OH 离子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。 等等,Summary 材料 物

20、相 化合物或元素 物相组成：固相、液相、气相 化学组成：化合物、元素 矿物组成与化学组成的关系 化学组成相同，其矿物组成不一定相同 不同的矿物相，其化学组成可能相同 矿物组成相同，其化学组成一定相同 材料组成与性能的关系 材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变 材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变,两条基本原则： 在选用材料时，必须了解材料的化学组成和物相组成； 可以通过改变材料的组成来改善材料的性能,二、 材料的结构,材料的结构 材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其分布。 物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。 材料结构层次：

21、 宏观构造 细观结构 微观结构,Summary,材料的结构材料所含各物相(固、液、气)的形态、尺寸、堆积方式和分布情况；构成各物相的质点的堆积方式和分布情况； 根据分辨率的大小，材料结构分为宏观、细观和微观三个层次； 材料的结构取决其组成和制造工艺及其条件(温度、压力等)； 相同组成的材料可以有不同的结构； 相同结构的材料可以有不同的组成,3. 微观结构,微观结构指尺寸范围在10-1010-6m内，组成材料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与离子排列、连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体,晶 体 结构特点 晶体结

22、构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。 晶体类型 根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为： 1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等； 2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等； 3）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等； 4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等,晶体中原子排列的作用,原子排列,研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径；才能根据工程结构要求，选择合适的材料,组织,性能,材料中的气相,材料中均或多或少地含有气相； 气相以各种尺寸和

23、形态的孔(缝)隙存在于材料中，因此孔隙有一定的结构孔结构； 孔 (缝)隙对材料性能有很大影响： 有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等； 无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等,1.2 土木工程材料的物理性质General Properties of Civil Engineering Materials,基本性质 General Properties 密度 Density or Relative Density 孔隙率 Porosity 湿含量 Moisture Content 热学性质 Thermal Properties 声学性质 Acoustical Prop

24、erties 光学性质 Optical Properties,1、质量与体积,密度 表观密度0 堆积密度0,密 度,单位体积材料的质量密度 体积与质量是可变的，密度是不变的 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状态有关,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,散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量,绝对密实状态 下，m/V 自然堆聚状态下，m/V0 松散堆积状态下，m/V0,问题 ,对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 答：密度表观密度堆积密度 为什么？ 答： 自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积； 堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积

25、。 什么是视密度？如何测量,2、孔隙率（P）与密实度（D）的计算,1) 孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态： P=1 100,V0-V,100,0,V0,2) 密实度 定义：材料体积中被固体物质充实的程度D， D= 100% = 1P 材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越小、导热性越大,V,V0,例 题,某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1

26、411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率,解答,1） Vo=10L, m2=13.5kg; 0 =（m/V0）= 13.5/10 = 1.35 m=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度1。 则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.404 V=18

27、.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.66 2) P = 10/ 100% =(12.404/2.66)=9.624% 其中： P开= 36/416=8.653% P闭= 9.6248.65=0.974% 3) D=1P=90.376% P=10/0 100% =(11.35/2.404)=43.8% D=1P=143.8%=56.2,碎石在水中吸水的质量开口孔隙体积,3、含水率、吸水率、平衡含水率,含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比： w = 100% 式中：m材料干燥状态下的质量，g; m1材料在含水状态下的质量，g。 吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率：

28、 100% 式中： m1材料在吸水饱和状态下的质量，g。 平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环境中湿度达到平衡时的含水率,m2m,m,m1m,m,三、声学性质,吸声性与吸声系数 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为吸声性； 工程材料的吸声性用吸声系数表示。 隔声性 隔空气声 隔绝由空气传播的声能 隔固体声 隔绝由于声源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发出的声能。 材料的隔声能力用隔声量R表示，单位为dB,四、光学性质,光吸收比 材料吸收的光通量与入射光通量之比。 光反射比 材料反射的光通量与入射光通量之比。 光透射比 透过材料的光通量与入射光通量之比。 透明性 材料的透明性也是与光线

29、有关的性质。 既能透光又能透视的物体称为透明体； 只能透光不能透视的物体称为半透明体； 既不能透光又不能透视的物体称为不透明体。 光泽 光泽主要是材料的镜面反射所产生的反射光,1.3 工程材料的物理化学性能 Physicochemical Properties of Engineering Materials,亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic Properties 吸水性与吸湿性 Water and Moisture Absorption,1、亲水性与憎水性,根据水与材料表面的润湿角（接触角）的大小，有： 亲水性 0 90时，材料表面可被水所湿润；材料表面

30、被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲水性材料。 憎水性 90 180时，材料表面不可被水湿润，材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性,亲水性与憎水性材料的特征,材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构： 有机材料一般是憎水性， 无机材料都是亲水性,水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利,水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面,吸水性和吸湿性,吸水性 材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质称为吸水性。 材料的吸水性用吸水率表示。 吸湿性 材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。 材料的

31、吸湿性用平衡含水率表示,材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料的亲水性或憎水性密切相关： 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水 开口孔隙越多，材料吸水率越大； 开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。 亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。 亲水性孔壁使水自动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入,创新思维？1、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决,1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。 2、解决问题的原理与办法 阻塞毛细通道，技术措施？ 对材料中的毛细管壁进行憎水处理,1.4 工程材料的力学性质Mechanical Properties of Engineering mater

32、ials,工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形(刚度) 为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和刚度，选择材料 材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强度与刚度(形变,工程材料的力学性质,力学概念 荷载(轴向荷载、剪切荷载) 应力与应变 应力应变曲线 材料的力学性能及其测量 强度与比强度 脆性、韧性与柔性 硬度与耐磨性 材料力学性能与组成、结构的关系,一、力学概念,荷载(Load） 轴向荷载 Axial load 剪切荷载 Shear Load 应力(Stress) 应变(Strain,轴向荷载 荷载作用力方向与支撑材料承载面垂直： - 拉伸荷载 : 使材料从末端开始拉长的荷

33、载 - 压缩荷载 :使材料从末端开始压短的荷载,剪切荷载: 荷载作用力方向与承载面相切,应力 单位面积上的荷载,应变荷载作用下材料伸长或压缩与其原始长度之比(单位变形,三、材料的力学性能及其测量,强度与比强度 弹性与塑性 脆性与韧性 硬度与耐磨性,Summary,强度材料抵抗外力，不变形或破坏的能力； 比强度材料强度与质量之比； 弹性材料能恢复荷载作用下的变形的性能； 塑性不可恢复荷载作用下的变形的性能； 脆性材料破坏前，不产生明显变形而突发破坏； 韧性材料破坏前，能产生较大变形或吸收较大能力； 硬度材料抵抗刻划、擦伤、磨损的能力,1、强度与比强度,强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(

34、不发生形变)或抵抗破坏的性能量度 根据荷载种类与作用方向，强度有： 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 工程设计所涉及的材料强度。 强度等级土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干“强度等级” 比强度材料强度与材料的表观密度之比,抗压强度测试,直接拉伸测试,劈裂拉伸测试,四点弯曲试验,弹性极限强度：材料应力应变曲线上的弹性区最大应力 极限强度: 材料应力应变曲线上的最大应力 破坏(断裂)强度: 材料破坏(断裂)时的强度,钢材拉伸的应力应变曲线,Strain ( ) (e/Lo,4,1,2,3,5,Stress (F/A,弹性阶段,塑性阶段,应变硬化,断裂,极限拉伸强度 UTS,

35、斜率=E,弹性区 斜率=弹性模量 屈服强度 塑性区 极限拉伸强度 应变硬化 断裂,颈缩,屈服强度y,断裂强度F,2、弹性与塑性,卸载后材料的变形行为： 变形可完全恢复 变形不可恢复或部分恢复,弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性； 具有这种性质的材料称为弹性材料； 根据其应力应变曲线，有:线弹性和非线弹性。 塑性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性； 具有这种性质的材料称为塑性材料； 其应力应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的应力与应变之比都不相同,2、弹性与塑性,线弹性特征： 应力与应变成正比；

36、 应力应变曲线是一条直线 应力与应变之比(直线斜率)是弹性模量，为常数,非线性特征： 应力应变曲线不是直线而是曲线 应力与应变之比弹性模量不是常数,刚度与弹性模量Stiffness 生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备； 凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化； 性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。 应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等,进一步研

37、究开发的课题,先进纤维石膏基复合材料 高强石膏及其制品 提高石膏及其制品的耐水性 外墙保温砂浆及其装饰 钢结构防火涂层,非密闭煅烧脱水工艺及其产品,CaSO42H2O,120180C,可溶无水石膏,半水石膏,200360C,400500 C,难溶无水石膏,500750C,不溶无水石膏,随着煅烧温度升高： 二水石膏转变为-型半水石膏 -型转变可溶性无水石膏 可溶性转变为难溶性无水石膏 难溶性转变为不溶性无水石膏,密闭蒸练工艺及其产品,125180C 水蒸气,型半水石膏,CaSO42H2O,200360C,可溶无水石膏,400800C,不溶无水石膏,1,不溶无水石膏 CaSO4(,8001180C

38、,地板石膏 CaSO4与CaO,生产工艺与产品的组成,CaSO42H2O,120180C 干燥空气,125180C 水蒸气,CaSO40.5H2O,CaSO40.5H2O,CaSO4()可溶,CaSO4()可溶,200360C,200360C,400800C,400800C,CaSO4()不溶,8001180C,CaSO4()不溶CaO,非密闭煅烧工艺及其产品组成,密闭蒸炼工艺及其产品组成,三、建筑石膏的凝结硬化,凝结硬化过程中的水化反应： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应 凝结硬化机理“溶解沉淀理论” 溶解 沉淀

39、 硬化,半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液,半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀,二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网,半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体,石膏颗粒表面分子首先水化,颗粒表面二水石膏晶体不断增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效,石膏凝结硬化的影响因素,石膏的组成 石膏浆体的用水量 外加剂 细度,凝结硬化速度的排序： 可溶性无水石膏半水石膏难溶性无水石膏不溶

40、性无水石膏,用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加,一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化,细度越细，凝结硬化越快,加水量50的硬化石膏的晶体较粗,加水量24的硬化石膏的晶体较细,硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)，而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b,时间(s,四、建筑石膏的性质,建筑石膏的技术要求(GB977688)： 密度：2.502.70; 强度：抗折强度、抗压强度; 细度：0.2mm方孔筛筛余; 凝结时间：初凝、终凝时间; 石膏硬化体及制品的特性： 表观密度较小：1.0 孔隙率较大 强度较低 耐水性和抗冻性较差 防火性较好

41、隔热性和吸声性良好 装饰性,学会分析、思考和回答问题,1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，Why？ 答：半水石膏需加水6080，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需18.6的水量；即，有4060多的水不能参与反应，硬化后多余水分的挥发留下大量孔隙,2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点Which？ 答：优点保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。 缺点强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等,3. 为什么石膏制品的耐水性差Why？ 答：石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间

42、是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有0.300.45； 另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低,学会分析、思考和回答问题,4、如何改善石膏制品的耐水性 How? 答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率； 掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用,5、为什么石膏制品的防火性好Why? 答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此

43、，在高温下，主要发生脱水和烧结,学会分析、思考和回答问题,6、进一步思考的问题: 警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？ 试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？ 如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么,第二节 石 灰lime,建筑石灰的组成与品种 建筑石灰的制备 石灰的硬化 石灰的性质 石灰的应用,一、石灰的组成与品种,气硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物： 生石灰粉：CaO； 熟(消)石灰粉：Ca(OH)2； 石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O； 水硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等,二、

44、石灰的制备,原料： 以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。 石灰的制备： 石灰石的热分解反应： CaCO3 CaOCO2 制备工艺： 岩石 破碎 煅烧 粉磨(消解,制备工艺与产品,石灰石,10001200C,磨细,生石 灰粉,生石灰,水喷淋,熟石 灰粉,水)化灰池,石灰浆,浓缩,石灰膏,陈伏,煅烧温度较低，时间较短时， 欠火石灰 煅烧温度较高，时间较长时， 过火石灰,减轻或消除过火石灰的危害,石灰浆体,氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体,石灰凝胶体,石灰碳化体,水,孔隙,水分损失,碳化,三、石灰的硬化,结晶作用 生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体； 浆体中游离水的不断损失，导致Ca(

45、OH)2结晶； 晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。 碳化作用 Ca(OH)2与空气中的CO2气体反应，在表面形成CaCO3膜层。 提高耐久性,四、石灰的性质,建筑石灰的技术要求： CaO的含量 CO2的含量(欠火石灰) 细度 体积安定性(过火石灰) 建筑石灰的特性： 表观密度较小 浆体的可塑性好 硬化后的强度较低 耐水性差 浆体硬化中容易开裂 过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂,问 题,1. 过火石灰有什么危害？应如何消除？ 答：过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采

46、用延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。 2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？ 答：石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等,五、石灰的应用,配制建筑砂浆和石灰乳 配制无熟料水泥 石灰火山灰活性材料 配制三合土 石灰粘土砂水 作为其它建材制品的原料 如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。 软土地基加固,第三节 水玻璃,水玻璃的组成 水玻璃的制备 水玻璃的硬化 水玻璃的性质 水玻璃的应用,什么是水玻璃？ 碱金属硅酸盐的水溶液： R2O nSiO2 + H2O 其中R=Na、K 什么是水玻璃的模数？ n:

47、氧化硅SiO2与碱金属氧化物R2O的摩尔比。 模数对水玻璃性能的影响 模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。 水玻璃的制备方法： 湿法： R2OnSiO2 + H2O 水玻璃 干法： R2OnSiO2 R2O nSiO2 R2O nSiO2 + H2O 水玻璃,水玻璃硬化过程 水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。 水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠 其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO2的形成。 水玻璃的特性 良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧 较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差,水玻璃硬化过程,水玻璃溶液 硅酸凝胶 二氧化硅玻璃

48、体,R,SiO4-4,R,R,SiO4-4,R,R,R,R,R,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,R,CO3,SiO2,SiO2,SiO2,SiO2,R2CO3,酸 化,脱水交联,水玻璃在建筑上应用 配制耐酸混凝土与砂浆 配制耐热混凝土与砂浆 配制快凝防水剂 加固地基基础,问 题,为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂浆？ 答：水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更加密实和耐水。 为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，耐水性越好？ 答：n是SiO2/R2O的摩尔比，n越大，表明SiO2含量

49、越大，硬化后的玻璃体中SiO2的交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水性越好,教 学 要 求,基本概念： 胶凝材料及其分类； 石膏、石灰、水玻璃、硅酸盐水泥的组成； 基本知识： 重点掌握建筑石膏的特性与石膏的水化、凝结、硬化过程，石膏的技术性质与应用，石膏的制备工艺和条件对石膏组成与性能的影响； 石灰的技术性质与应用，过火石灰、欠火石灰的危害及消除方法；石灰熟化与硬化，两种熟化和使用形式，干燥硬化与碳化的机理。 水玻璃的浓度，模数对水玻璃性质的影响，水玻璃硬化的原因,基本知识： 硅酸盐水泥的组成、技术性质、应用及储运知识；水泥浆体在侵蚀性介质下的腐蚀及其防止的措施；水泥石的结构；活性混合材的组成

50、、性质及作用。普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和高铝水泥等其它水泥的组成、性能的特点及应用。 基础理论： 硅酸盐水泥的水化反应及其产物，凝结硬化过程及其影响因素；水泥组成对其性能的影响。 基本技能： 水泥主要技术性质的测试，各种水泥的正确选用,第 五 节 硅 酸 盐 水 泥Portland Cement,概 述,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的种类有哪些,水泥中的主要矿物,硅酸盐系水泥,铝酸盐系水泥,硫铝酸盐系水泥,磷酸盐系水泥,硫铝酸钙,硅酸钙,铝 酸 钙,磷 酸 钙, 镁,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐

51、系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等,概 述,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的种类有哪些,水泥的特性,膨胀水泥,快 硬 水 泥,低 热 水 泥,抗腐蚀水泥,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等,硬化时膨胀,硬 化 速 度 快,水化热低,耐 腐 蚀 性 好,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等,概 述,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的种类有哪些,硅酸盐系水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,掺混合材硅酸盐水泥,特性

52、硅酸盐水泥,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等,硅酸盐系水泥品种 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥； 掺混合材的硅酸盐水泥 特性硅酸盐水泥,硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！ 水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！ 水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要,主 要 内 容,什么是硅酸盐水泥？ 硅酸盐水泥是怎样制造？ 硅酸盐水泥的组成？ 水泥浆如何转变成坚硬固体

53、？ 水泥应满足哪些技术性质？ 如何正确使用水泥,重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用,凡由硅酸盐水泥熟料、05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，称为硅酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement,学 习 目 的,学习 硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别； 水泥的生产过程及其对性质的影响。 掌握 水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素； 应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。 熟悉 水泥各种性质的含义和工程意义； 水泥性质的影响因素及其规律； 水泥性质的

54、检验方法和评定标准,一、硅酸盐水泥是怎样制造的,原 料： 硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3 调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2 制造工艺： 原料经粉磨混合后得到水泥生料 生料经窑内煅烧得到水泥熟料 水泥熟料石膏(或再混合材）一起经粉磨混合后得到水泥 自动化生产过程,两磨一烧,水泥生料可以是： 与水混合成浆体湿法工艺 加少量水制成料球半干法工艺 加稍多水制成湿球半湿法工艺 干粉混合物干法工艺,硅质 (粘土,钙 质 (石灰石,1450,调节 原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“两磨一烧”工艺流程

55、,粉 磨,煅 烧,粉 磨,原料采掘,原料磨细,原料混合,反应物产物中间产物,预热器 回转窑,产 物,熟料冷却,熟料储存,硅酸盐水泥熟料制造工艺流程,二、硅酸盐水泥的组成,硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥 硅酸盐水泥熟料 Clinkers 石膏(CaSO42H2O) Gypsum 混合材(矿渣或石灰石粉末) Mineral Additives 各物质的作用 熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间； 混合材：调节水泥的强度等级,必要组分,化学组成： 主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、S

56、O3、P2O5等。 矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物,硅酸盐水泥熟料的组成,水泥熟料化学组成与矿物组成的确定方法,水泥熟料中化学成分及其含量直接通过化学分析方法确定： GB/T 1761996 水泥化学分析方法(eqv ISO 680：1990) 水泥熟料的4种矿物的含量不能直接通过分析方法确定，而是采用Bogue方程计算获得,Bogue方程: (C3S) = 4.07(C)7.60(S)6.72(A)1.43(F)2.85() (C2S) = 2.87(S)0.754(C3S) (C3A) = 2.65(A)1.69(F) (C4AF) = 3.04(F) 式中：括号表示该物相的质

57、量百分数， = SO3,三、水泥浆如何转变成坚硬固体,水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体,凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”； 硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化,水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程,为什么水泥能由浆体变成固体,水泥与水能发生化学反应水化反应； 水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水； 水化反应的产物水化物能相互凝聚成三向网络结构； 水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力,需学习与掌握的内容,化学过程水泥熟料矿物的水化

58、反应 石膏的作用 物理过程水泥浆的凝结硬化 硬化水泥浆的组成与结构 水泥浆凝结硬化的影响因素,1. 水泥熟料矿物的水化反应,特征： 水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应； 其水化反应均是放热反应； 水化反应是固液异相反应。 反应速度序列： 半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化 铝酸三钙C3A的水化 铁铝酸四钙C4AF的水化 硅酸三钙C3S的水化 硅酸二钙- C2S的水化,来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解： CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O,硅酸钙C3S与- C2S的水化,硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和Ca(OH)2

59、羟钙石，并放出热： 硅酸三钙：2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g 硅酸二钙：2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g (C-S-H ) + 羟钙石 特征： 形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为： CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2nH2O (x, z与温度、水灰比等有关) 其中钙硅比(C/S)： CaO/SiO2 = (xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。 水化机理 溶液中反应 固相颗粒表面的局部反应,水化度,水化时间（天,溶液中的反应,机理：溶解 扩散 沉淀,离子在水中的扩散,C3S,表面离子

60、水化弱化晶体中的化学键，增加pH值,水化产物成核,CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长,表面局部反应,机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散,水化物层在固液界面上形成，并不断增厚,颗粒表面离子的水化和水解,C-S-H的成核,Ca(OH)2的成核和生长,铝酸三钙C3A的水化,铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要 纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙： C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3AH6 (不稳定的中间产物) (稳定产物) 这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！ 避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O,这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏