教学课件土木工程材料(第3版)-2

1、 第一章 土木工程材料 的基本性质第一章 土木工程材料的基本性质1.1 材料的组成、结构及构造1.2 材料的基本物理性质1.3 材料与水有关的性质1.4 材料的力学性质1.5 材料的热工性质1.6 材料的耐久性第一章 土木工程材料的基本性质重点：材料组成、结构与性质的关系、 材料的物理、力学和耐久性难点：材料的密度及其计算方法、材料 的亲水性、材料的热物理性质1.1 材料的组成、结构及构造 土木工程中，由于工程性质、结构部位和环境条件不同，对材料性能的要求也不同。材料应具备强度、刚度、耐久和装饰等作用。第一章 土木工程材料的基本性质化学组成物相组成1.1 材料的组成、结构及构造1.1.1材料的

2、组成第一章 土木工程材料的基本性质化学组成 化学组成是指材料的化学成分。 无机非金属材料的化学组成常以其氧化物含量表示 金属材料以化学元素的含量表示 Cu Fe Ai物相组成 物相是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。1.1 材料的组成、结构及构造1.1.1材料的组成1.1 材料的组成、结构及构造1.1.2 材料的结构和构造 按材料的结构和构造可观察程度，分为宏观结构、显微结构和微观结构。1.1 材料的组成、结构及构造1.1.2 材料的结构和构造宏观结构：用肉眼或放大镜能分辨的毫米级以上的粗大组织，是材料宏观存在的状态 孔隙：致密、 微孔、多孔 组织构造：堆聚、纤维、层状、 散粒：岩石显

3、微结构微观结构1.1 材料的组成、结构及构造1.1.2 材料的结构和构造宏观结构：用肉眼或放大镜能分辨的毫米级mm以上的粗大组织，是材料宏观存在的状态显微结构：细观结构（亚微观结构），用光学显微镜能看到的微米级um结构微观结构：原子、分子层次的结构，用电子显微镜和X射线来分析，晶体、玻璃体和胶体第一章 土木工程材料的基本性质1.2 材料的基本物理性质1.2.1 孔隙构造 体积是指材料占有的空间大小。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。 1-1第一章 土木工程材料的基本性质1.2 材料的基本物理性质1.2.2 体积 体积是指材料占有的空间大小。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出

4、不同的体积。 1.2 材料的状态参数和结构特征1.2.2 体积与密度 （1）绝对密实体积 V与密度 V 是指绝对干燥的材料在绝对密实状态下的体积，即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。 为了便于测定，有时需将材料研磨成粉末状。1.2 材料的基本物理性质1.2.2体积与密度（1）绝对密实体积 V与密度 是指材料在绝对密实状态下，单位体积的绝干质量。 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 ）绝对密实状态下的体积的测定：近于绝对密实的材料（金属、玻璃等）：直接以排水法测定；有孔隙的材料（砖、混凝土、石材）：将材料磨成细粉以排除其内

5、部孔隙，经干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为绝对密实状态下的体积。李氏瓶1.2.2体积与密度（1）绝对密实体积 V与密度 1.2 材料的基本物理性质1.2.2 体积与密度 （2）表观体积 V与表观密度 V是指材料在包括闭口孔隙条件下的体积，由排液法测定。1.2.2 体积与密度（2）表观体积 V与表观密度 （容重） 是指材料包含闭口孔条件下单位体积的绝干质量。式中： 表观密度（g/cm3或 kg/m3 ） m 材料的质量（g或kg） V材料包含闭口孔隙状况下的体积（cm3 或m3 ）1.2 材料的基本物理性质1.2.2 体积与密度 （3）毛体积 V0与体积密度 0 V0是指材

6、料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体积（材料实体+闭口孔隙体积+开口孔隙体积）。 对于外形规则的材料，可以直接量取其外形尺寸，计算即可；对于不规则的材料，采用封蜡处理后用排液法测定。0是材料包含开口、闭口孔隙条件下的单位体积质量。1.2.2 体积与密度（3）毛体积V0与体积密度 0 式中： 0体积密度（g/cm3） m 干燥材料的质量（g) V0材料在自然状态下的体积，或称毛体积 （cm3或 m3 ）, 包含内部孔隙在内的体积（规则几何形状、松散体积用排液法）1.2 材料的基本物理性质1.2.2 体积与密度 （4）堆积体积 V0与堆积密度 0 V0是指粉状或粒状材料在堆积状态下的总体外观体

7、积。 0粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。1.2.2 密度、表观密度及堆积密度 （4）堆积体积 V0与堆积密度 0 式中： 0 散粒材料的堆积密度（g/cm3或 kg/m3 ） m 散粒材料的质量（g或 kg） V0，材料在自然状态下的堆积体积（cm3或 m3 ），它包含内部和颗粒之间的空隙。1.2 材料的基本物理性质1.2.3 密实度和孔隙率 （1）密实度密实度是指材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算： 密度0体积密度1.2 材料的基本物理性质1.2.3 结构参数（1）密实度密实度是指材料的固体物质部

8、分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算： 对于绝对密实的材料，= 0，D=1或D=100%，但是大多数土木工程材料的0，所以D90时，材料表面不吸附水，称憎水性材料。 =0时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。 材料的润湿示意图（a）亲水性材料；（b）憎水性材料1.3.1 亲水性与憎水性第一章 土木工程材料的基本性质1.3 材料与水有关的性质1.3.2 吸水性与吸湿性(1)吸水性：材料在水中吸收水分的性质，用吸水率来表示。 吸水率（W）：是指材料吸收水的质量占材料干燥质量或材料体

9、积的百分数。(1)吸水性质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用下式计算：1.3 材料与水有关的性质1.3.2 吸水性与吸湿性式中 Wm材料的质量吸水率（）； mb材料在吸水饱和状态下的质量（g）； mg材料在干燥状态下的质量（g） 材料的吸水率：花岗岩的吸水率：0.5%0.7%；混凝土的吸水率：2%3%；粘土砖的吸水率：8%20%；木材的吸水率：可超过100%。花岗岩体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用公式表示如下式中 wv材料的体积吸水率（）； V0干燥材料在自然状态下的体积（cm3）； w水的密度

10、（g/cm3）1.3 材料与水有关的性质1.3.2 吸水性与吸湿性(1)吸水性Wm与Wv的关系： WV = Wm 0体积吸水率即为材料的开口孔隙率吸水率对于确定材料来说为定值材料在水中吸水饱和之后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。饱和系数反映孔隙特征。工程用建筑材料一般采用质量吸水率质量吸水率与体积吸水率的关系(2)吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。1.3 材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性(2)吸湿性含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示为1.3 材料与水有关的性

11、质1.3.2 吸水性与吸湿性式中： Wh材料的含水率（） ms 一材料含水时的质量（） mg 材料干燥至恒重时的质量（） 材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变。 例：某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm50mm50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm3。试求该岩石的体积吸水率、质量含水率、绝干体积密度、孔隙率。例：某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm50mm50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm3

12、。试求该岩石的体积吸水率、质量含水率、绝干体积密度、孔隙率。=(1-2.6/2.68)*100%=2.98%=0.3/325=0.092%=325/125=2.6 g/cm3解：V0555125cm3m干325gm含325.3gm饱326.1g w1g/cm3=1.1/125=0.88%解：m干=482g，m饱=487g，V=630-452=178cm3 V0 178+（487-482）=183cm3例：岩石试件经完全干燥后，其质量为482g，将其放入盛有水的量筒中，经一定时间岩石吸水饱和后，量筒的水面由原来的452cm3上升至630cm3。取出岩石，擦干表面水分后称得质量为487g。试求该岩

13、石的密度、体积密度及质量吸水率？（假设岩石内有开口孔隙）故：=m干/V=482/178=2.71g/cm3 0=m干/V0=482/(178+5)=2.63g/cm3 Wm=(m饱-m干)/m干100% =(487-482)/482100%=1%吸湿性与含水率 吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收水分的性质，以含水率衡量。 含水率（W）：材料所含水量与干燥状态下材料的质量之比。 平衡含水率 ：材料与空气中的湿度达到平衡时的含水率。耐水性：材料在长期饱和水作用下，不产生破坏，其强度也不明显降低的性质（材料抵抗水的破坏作用的能力）。破坏机理：吸附作用、吸水膨胀、溶蚀作用软化系数（K软）1.3 材料与水有

14、关的性质1.3.3 耐水性 软化系数K软的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。 一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。K软越小，材料吸水饱和后的强度降低越多，则耐水性差。1.3 材料与水有关的性质1.3.3 耐水性1.3 材料与水有关的性质1.3.3 耐水性材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的变化范围在01之间。 工程中，通常将k软 0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。 用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数不得小于0.75 。 特殊情况下， k软应更高。例： 某石材在气干、绝干、水饱和情

15、况下测得的抗压强度分别为174MPa、178MPa、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材否能用于水下工程。解： 该石材的软化系数为:由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，单位时间内透过单位面积的水量。1.3 材料与水有关的性质1.3.4 抗渗性AWHt时间（h） d 材料的抗渗性示意图式中： K材料的渗透系数（cm/h）； Q渗透水量（cm3）； d材料的厚度（cm）； A 渗水面积（cm2）； t渗水时间（h）；

16、H静水压力水头（cm）。实质上就是达西定律1.3 材料与水有关的性质1.3.4 抗渗性材料的抗渗性用渗透系数来表示： K值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。1.3 材料与水有关的性质1.3.4抗渗性材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。 抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的压力（MPa），如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。 材料的抗渗性与其开口孔隙率和孔隙特征有关。 我国现行抗渗等级的确定，是以龄期为28d的圆台体试件（高150mm、底面直径185m

17、m、顶面直径175mm）来做抗渗试验，并定出抗渗等级。抗渗圆柱体试件每组为六个，试验时， 8h加0.1MPa,直至试块顶面透水，当试件只有两个试件表面开始发现渗水现象时的水压力值(以MPa计)，就称为该混凝土的抗渗等级，用符号P来表示。 1.3 材料与水有关的性质1.3.5 抗冻性 材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。 材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级：以吸水饱和的试件，在规定试验条件下，抗压强度下降不超过25%，而且重量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数。用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。材料

18、的抗冻等级可分为F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。1.3 材料与水有关的性质1.3.5 抗冻性冻害机理：水结冰，体积膨胀9%、对孔壁造成很大的静水压力，使得孔壁开裂。材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。1.3 材料与水有关的性质1.3.5 抗冻性第一章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的力学性质1.4.1 强度及强度等级 （1）强度 材料抵抗外力破坏的能力，称为强度。强度类别受力示意图计算公式附注抗压强度f-强度（MPa）F破坏荷载（N）A受荷面积（mm2） 抗拉强度 抗剪强度 抗弯强度 l

19、跨度（mm）b断面宽度（mm）h-断面高度（mm） 第一章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的力学性质1.4.1 强度及强度等级 （2）强度等级 脆性材料（砖、混凝土、石材、水泥）根据材料的抗压强度划分强度等级。 弹性和塑性材料按抗拉强度划分。第一章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的力学性质1.4.1 强度及强度等级 （3）比强度 比强度是材料的强度与表观密度的比值，是衡量材料轻质高强的一项技术指标。比强度越大，材料的轻质高强性越好。常用材料的比强度见表1.2.第一章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的力学性质1.4.2 变形性质（1）弹性变形弹性：材料在外力的作用下产生变形,外力取消

20、后,能够完全恢复原来形状的性质；则材料发生的变形为弹性变形。受力后材料的应力与应变的比值为弹性模量。第一章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的力学性质1.4.2 变形性质（2）塑性变形塑性：材料在外力作用下产生变形,外力取消后,仍保持变形后的形状和尺寸, 并且不产生裂纹的性质。塑性变形为永久变形、不可逆变形。常见塑性材料: 砼拌合物,水泥浆,石灰膏, 钢材,沥青等.0A b a 变形弹塑性材料的变形曲线 荷载实际上，完全弹性的材料是没有的，当材料所受外力在一定范围内，材料产生弹性变形，当外力超出一定限度后，便出现明显塑性变形。因此，准确地讲，大多数材料都是弹塑性材料。第一章 土木工程材料的基

21、本性质1.4 材料的力学性质1.4.3 脆性和韧性材料在冲击荷载作用下发生破坏的形式为脆性破坏和韧性破坏。脆性：材料受外力达到一定程度后突然破坏,破坏时无明显的塑性变形的性质.石材、水泥砼、砂浆、玻璃和陶瓷等属于脆性材料。特点：抗压强度高，其它强度低。按抗压强度极限值划分强度等级。1.4 材料的力学性质1.4.3 脆性和韧性脆性：材料受外力达到一定程度后突然破坏,破坏时无明显的塑性变形的性质.石材、水泥砼、砂浆、玻璃和陶瓷等属于脆性材料。特点：抗压强度高，其它强度低。按抗压强度极限值划分强度等级。1.4 材料的力学性质1.4.3 脆性和韧性A变形脆性材料的变形曲线韧性：在冲击外力和震动荷载作用

22、下,材料能吸收大量的能量，产生一定变形而不致破坏的性质。钢材和木材等材料均属于韧性材料。特点：有较高的抗拉和抗压等强度。钢材以抗拉强度极限划分等级。1.4 材料的力学性质1.4.3 脆性和韧性复习题：材料的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率之间有何关系？练习题：某立方体岩石试件，外形尺寸为505050mm3，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm3。试求该岩石的绝干体积密度、孔隙率。第一章 土木工程材料的基本性质1.5 材料的热物理性质1.5.1 导热性 当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传

23、导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数 表示。式中导热系数，/（）；传导的热量，材料厚度，；热传导面积，m2一热传导时间，h；（t2-t1）材料两面温度差，K 在物理意义上，导热系数为单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1时、在单位时间（1s0内通过单位面积（1）的热量。1.5 材料的热物理性质1.5.1 导热性绝大多数建筑材料的导热系数0.023-3.49W/(mK)通常所指的绝热材料是指导热系数小于0.23W/mK的材料。1.5 材料的热物理性质1.5.1 导热性 几种典型材料的热工性质指标材料导热系数（w（mK）比热（J（kgK）钢580.48花岗岩3.490.92普通混凝

24、土1.510.84烧结普通砖0.800.88松木（横纹）0.170.352.72泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.584.18静止空气0.0231.00 影响导热系数的因素无机材料的导热系数大于有机材料；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减小而减小；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。1.5 材料的热物理性质1.5.1 导热性 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。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热

25、量称为热容量系数或比热容。比热容的计算式如下所示：1.5 材料的热物理性质1.5.2 热容量和比热容式中C材料的比热，J/（gK）Q材料吸收或放出的热量(热容量)m 材料质量，g（t2 - t1） 材料受热或冷却前后的温差，K 比热容是反映材料的吸热和放热能力的物理量。不同材料的比热容不同，它对保持建筑物内部温度温度有很大的意义，比热容大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。1.5 材料的热物理性质1.5.2 热容量和比热容1.5 材料的热物理性质1.5.3 热阻热阻是材料抵抗热量传递的能力，与热导相对电阻、电导热阻的倒数称为材料的传热系数，是材料两面温度差为1k时，

26、单位时间内通过单位面积的热量。 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（）。1.5 材料的热物理性质1.5.3 温度变形性材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：L =（t2 - t1） L式中L线膨胀或线收缩量 （mm 或 cm）(t2-t1） 材料升（降）温前后的温度差（）- 材料在常温下的平均线膨胀系数() L 材料原来的长度（或） 建筑工程中，对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化，因此，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。材料的线膨胀

27、系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。1.5 材料的热物理性质1.5.3 温度变形性第一章 土木工程材料的基本性质1.7 材料的耐久性耐久性：材料在各种环境因素作用下，在长期使用过程中保持其性能稳定的性质。说明：环境因素是多种多样的，有物理 (如温度、湿度、机械力等)、化学(大气、光、酸、碱、盐等作用)以及生物(细菌、昆虫等)等方面的作用。耐久性是一个综合性能，包括抵抗上述各类因素的长期作用。对砼材料，与耐久性有关的主要有抗渗性、抗冻性、碱骨料反应、碳化、钢筋锈蚀等。第三章 气硬性无机胶凝材料本章知识点：胶凝材料的概念，石灰、石膏的生产原理、凝结硬化过程、技术

28、性质要求、特性及应用重点及难点：石膏、石灰的原料与生产、凝结硬化原理、技术性质要求、特性及应用第二章 气硬性无机胶凝材料一、胶凝材料的定义 指经过自身的物理、化学作用后，由液态或半固态变成坚硬的固态，并能将散粒状材料（砂、石等）或块状材料（砖、石块等）粘结成为一个整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料有机胶凝材料无机胶凝材料基本成分为天然的或合成的有机高分子化合物，如沥青、树脂。基本成分为无机化合物气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持和发展强度如：石膏、石灰、水玻璃、菱苦土等。能在空气和水中硬化、保持和发展强度。如：水泥。二、胶凝材料的分类气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，保持并发

29、展其强度的材料。适合：地上和干燥环境水硬性胶凝材料：既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并发展其强度的材料。适合：既适宜于地上，也可用于地下和水中环境。二、胶凝材料的分类第一节 石 灰 石灰的制备 石灰的熟（消化）和硬化 石灰的技术性质 应用石灰原料来源广泛，生产工艺简单，成本低廉，胶结性能较好，广泛用于建筑中。一、生石灰的生产 根据MgO的含量，生石灰分为两种： 钙质生石灰 MgO5 镁质生石灰 MgO5 生产石灰的原料主要是以碳酸钙为主要成分的矿物、岩石或贝壳等。高温煅烧碳酸钙尽可能分解，并排出二氧化碳得到氧化钙。生石灰 MgCO3 700 MgO+CO2根据石灰制备的温度和时间，

30、生石灰可分为两种：过火石灰欠火石灰一、生石灰的生产 煅烧时间过长或温度过高过火石灰；粘土杂质熔融、填充或包裹石灰表面密实度高 石灰消解慢 温度过低或煅烧时间不足欠火石灰； CaCO3分解不足、产率低。 欠火石灰：欠火石灰的中心部分仍是碳酸钙硬块，不能熟化，形成渣子。 过火石灰：过火石灰结构紧密，熟化很慢，当用于建筑后，可能继续熟化产生体积膨胀，引气隆起、鼓包和开裂。 石灰浆的陈伏：为消除过火石灰的危害，石灰浆需在消解坑里存放两星期以上（称为“ 陈伏”），使未熟化的石灰充分熟化。陈伏期间石灰浆表面应覆盖一层水，以免石灰浆碳化。石灰的陈伏生石灰（块灰）：石灰石煅烧而成。 生石灰粉（磨细生石灰）：块

31、灰破碎、磨细而成。消石灰粉（熟石灰）：块灰淋水消解而得。石灰膏：块灰加入足量的水，淋制熟化而成（膏状）。石灰乳（石灰水）：石灰膏用水冲淡而成（浆液状）。二、石灰的品种 石灰乳石灰膏三、石灰的熟（消化）和硬化 1、生石灰的熟化（消化）： 熟石灰 反应： 特点：放热量大、快（1h放热是混凝土1d放热量的9倍多）体积增大：12.5倍 熟石灰2、石灰的硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化是由两个同时进行的过程完成的：结晶作用和碳化作用。 结晶过程中产生Ca(OH)2，反应快。 在碳化过程中，Ca(OH)2吸收空气中的CO2生成CaCO3，由内向外反应缓慢。二、石灰的熟（消化）和硬化 硬化过程结晶碳化Ca(O

32、H)2 结晶析出Ca(OH)2 结晶析出主要变化特征内部反应快由表及里2、石灰的硬化1. 建筑生石灰 产品标准：建筑生石灰（JC/T 479-92）钙质生石灰（MgO5%），镁质生石灰（MgO5%） 。建筑生石灰的技术指标 项目钙质生石灰 镁质生石灰 优等品一等品 合格品 优等品一等品合格品CaO+MgO含量 ，（%）908580858075CO2含量 ，（%）5796810未消解残渣含量（5mm圆孔筛余） ，（%）5101551015产浆量 ，（L/kg）2.82.32.02.82.32.0 三、石灰的技术性质2.建筑生石灰粉 产品标准：建筑生石灰粉（JC/T 480-92）；分类：钙质生石

33、灰粉（MgO5%），镁质生石灰粉（MgO5%） 。建筑生石灰粉的技术指标 项目钙质生石灰 粉镁质生石灰粉 优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量,（%） 908580858075CO2含量,（%）5796810细度0.90mm筛的筛余,（%）0.20.51.50.20.51.50.125mm筛的筛余,（%）7.012.018.07.012.018.0 3.建筑消石灰粉 产品标准：建筑消石灰粉（JC/T 481-92）；分类：钙质消石灰粉（MgO4%），镁质消石灰粉（4%MgO24%），白云石消石灰粉（24%MgO30%）。建筑消石灰粉的技术指标 项目钙质消石灰 粉镁质消石灰粉

34、白云石消石灰粉优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量,（%）706560656055656055游离水（%）0.42体积安定性合格合格合格合格合格合格细度0.90mm筛的筛余,(%)000.5000.5000.50.125mm筛的筛余,(%)310153101531015 1.可塑性和保水性较好高度分散的Ca(OH)2胶体表面吸附较厚水膜。2. 生石灰水化时水化热大，体积增大（增大1.02.5倍）石灰的“熟化”或“消化” 过火石灰：硬化后慢慢水化膨胀局部隆起和开裂需“预水化”（陈状）二周左右。 陈伏：为保证石灰完全熟化，石灰必须放入坑中以水覆盖保存两星期以上，

35、这个过程称为 “陈伏”。否则，未水化的石灰颗粒将混入砂浆中，在砂浆应用之后熟化，体积膨胀，致使已硬化的砂浆产生“崩裂”或“鼓包”现象，影响工程质量。四、石灰的特性石灰砂浆膨胀性开裂3. 硬化缓慢石灰浆的硬化过程：结晶作用。水分蒸发，Ca(OH)2逐渐结晶析出。碳化作用。表层以CaCO3为主，内层以Ca(OH)2晶体为主，内部水分脱出缓慢，因而石灰凝结硬化缓慢。 4.硬化时体积收缩大 游离水分蒸发所致。除调成石灰乳做薄层粉刷外，不宜单独使用。施工时常加入骨料或纤维材料（如麻刀、纸筋）。 6. 耐水性差大部分尚未碳化的Ca(OH)2易溶于水所制。 石灰不宜用于潮湿环境。7. 吸湿性强，是传统的干燥

36、剂5. 硬化后强度低生石灰消化理论需水量32.13%，实际消化用水量很大，多余水分在硬化后蒸发留下大量孔隙。 1:3石灰砂浆28d抗压强度只有0.20.5MPa。 五、石灰的应用品种适用范围生石灰配置石灰膏；磨细成生石灰粉。生石灰粉（磨细生石灰粉）调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；配置无熟料水泥（石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥、石灰火山灰水泥等）；制作硅酸盐制品（如灰砂砖等）；制作碳化制品（如碳化石灰空心板）；石灰土（灰土）和三合土 。消石灰粉制作硅酸盐制品；石灰土和三合土 。石灰膏调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；稀释成石灰乳（石灰水）涂料。 石灰乳用于内墙和平顶刷白抹面砂浆。 第二节 石 膏石膏生产简介

37、石膏的凝结与硬化石膏的技术要求和性质建筑石膏的应用第二节 石 膏一、建筑石膏的原料与生产（一）建筑石膏的原料 1、天然二水石膏 CaSO42H2O(生石膏） 2、化工石膏 含有二水硫酸钙CaSO4.2H2O和CaSO4的混合物、废渣(磷石膏、氟石膏、硼石膏)。天然二水石膏 （二）建筑石膏的生产 建筑石膏是以型半水石膏为主要成分，不加任何外加剂的白色粉状胶结料。由天然二水石膏经低温煅烧、脱水、磨细而成。二水石膏 型半水石膏为建筑石膏，又称熟石膏。 为高强石膏。 二、石膏的凝结与硬化 1、水化：半水石膏和水反应生成二水石膏的过程。 由于半水石膏的溶解度比二水石膏的大（约四倍），所以二水石膏处于过饱

38、和状态，不断从溶液中析晶，水解反应不断右移，直至半水石膏全部转变成二水石膏。 2、凝结：可塑性浆体失去可塑性，开始产生强度的过程。 生成二水石膏用水吸附水水分蒸发溶液中的自由水浆体变稠摩擦力粘结力失去可塑性二、石膏的凝结与硬化 3、硬化：失去可塑性浆体强度增加的过程。 石膏晶体数量增加，晶体长大，彼此连生，相互交错，形成结晶网，产生强度。 以上三个过程是相互交错，连续进行的。 二、石膏的凝结与硬化 三、石膏的技术要求产品标准：建筑石膏（GB 9776-88）分为优等品、一等品和合格品。建筑石膏技术指标技术指标优等品 一等品 合格品 抗折强度，MPa，2.52.11.8抗压强度，MPa， 4.9

39、3.92.9细度（0.2mm方孔筛筛余，%）， 5.010.015.0凝结时间 初凝时间6min；终凝时间30min。 1.凝结硬化快。凝结硬化原理 的溶解度很小，约为半水石膏的1/5，很快达到饱和析出晶体，晶体长大、连生、交错，并产生强度。 三、石膏的技术要求常温下完全水化的时间为515min，终凝时间不超过30min，7d左右完全硬化。建筑石膏凝结硬化示意图石膏缓凝剂：硼砂、酒石酸钾钠、柠檬酸、聚乙烯醇、石灰活化动物骨胶或皮胶等。作用：降低半水石膏的溶解度和溶解速度。1半水石膏；2二水石膏胶粒；3二水石膏晶体；4交错的晶体 胶化 结晶开始 结晶长大与交错 2.硬化时体积微膨胀膨胀率约为0.

40、05%至0.15%；石膏制品表面光滑饱满、棱角清晰，表面洁白细腻，适用于浇注各种建筑花饰和雕塑；干燥时不开裂。 5.防火性好，耐火性差石膏制品遇火时，二水石膏的结晶水蒸发，吸收热量，并在表面形成蒸汽幕和脱水物隔热层。蒸汽幕可阻止火势蔓延，能起到防火作用。不宜长期靠近65以上高温的部位，以免脱水分解。二水石膏脱水分解，强度降低，因而不耐火。3.孔隙率大，表观密度小，强度低。半水石膏水化，理论需水量18.6%，实际加水量约为6080%，多余水分硬化后蒸发，留下孔隙。 4.隔热、吸声性良好。孔隙率高，且为微细的毛细孔。 7.耐水性和抗冻性差。潮湿条件晶粒间的结合力减弱，强度下降；水中浸泡水化物二水石

41、膏晶体逐渐溶解而破坏；吸水受冻空隙中水分会结冰膨胀破坏。提高石膏耐水性加入水硬性材料，如水泥、矿渣。加入水溶性树脂氨基、密胺、聚乙烯醇等加入有机乳液，如沥青、石蜡6.具有一定的调温、调湿性。热容量大，吸湿性强，可以保持室内“小气候”均衡状态。8.加工性能好。 可锯，可刨，可钉，可打眼。四、建筑石膏的应用1.制备粉刷石膏。2.石膏砂浆。室内抹灰与粉刷；3.建筑石膏制品。如石膏墙板、石膏砌块；4.艺术装饰石膏。如装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕塑制品；5.用作石膏板:纸面石膏板、纤维石膏板、空心石膏板； 纸面石膏板装饰石膏制品壁花天花板装饰花装饰石膏制品梁托线条拐角、线条艺术镜框罗马柱第三章水 泥本章

42、主要知识点：水泥的定义、原料及生产工艺流程；水泥熟料的矿物组成及其对水泥性质的影响；水泥的水化、凝结、硬化过程，影响水泥凝结硬化及强度发展的因素。重点：水泥的矿物组成及特性，影响水泥凝结与硬化的 因素。难点：水泥的凝结硬化及水化产物与水泥性能的关系。水 泥 1824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的水泥匠阿斯普丁（J.Aspdin）获得英国第5022号“波特兰水泥”专利证书，从而一举成为流芳百世的水泥发明人。 强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈墨绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件

43、确保了“波特兰水泥”质量，解决了阿普斯丁无法解决的质量不稳定问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。1824年，英国石匠阿斯普丁偶然发现粘土+石灰+水人造石（波特兰水泥）特点：强度高、耐久性好、防水、防火。水泥，是一种无机、粉末状材料，与水拌合能形成具有流动性、可塑性的浆体水泥浆，随着时间延长，水泥浆体经自身的物理和化学作用，由可塑性的浆体变成坚硬的固体，具有一定的强度，并能将块状或颗粒状材料胶结成整体。 水泥不仅能在空气中硬化，产生强度，还能在水中硬化，并能很好地保持和发展强度，是一种水硬性胶凝材料。水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。多样性低成本可塑性工艺简单耐久性与

44、钢筋粘结性好水硬性水泥的优点3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的原材料与生产工艺 硅酸盐水泥的组成 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 硅酸盐水泥的技术要求 水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥的特性、应用及储存 硅酸盐系水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。 通用水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合水泥专用水泥砌筑水泥油井水泥道路水泥特性水泥快硬水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥硅酸盐系水泥的分类水泥按矿物成分可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥和硫铝酸盐类水泥等。硅酸盐水泥一般工程铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥快硬、早强。主要用于紧急抢修工程、早强工程、冬季施工、抗蚀、

45、抗冻等工程。早强、膨胀。适用于抢修工 程、锚固和地下工程等。 Back常用的彩色掺加颜料有氧化铁（红、黄、褐、黑），二氧化锰（褐、黑），氧化铬（绿），钴蓝（蓝），群青蓝（靛蓝），孔雀蓝（海蓝）、炭黑（黑）等3.1.1 硅酸盐水泥的原材料及生产工艺1.原料 （1）石灰质原料：主要提供CaO。采用石灰岩、凝灰岩和贝壳等。 （2）粘土质原料：主要SiO2、Al2O3及Fe2O3。采用粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。主要原料（3）校正原料（辅助原料）：为满足成分要求用。如：铁矿粉的铁质原料补充氧化铁的含量。 砂岩的硅质原料增加二氧化硅的成分等。3.1.1 硅酸盐水泥的原材料及生产工艺 生产水泥

46、的基本工序可以概括为“两磨一烧”：先将原材料破碎并按化学成分配料后，在球磨机中研磨成生料，然后入窑煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合料在球磨机中再研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。3.1.1 硅酸盐水泥的原材料及生产工艺图4.2 硅酸盐水泥的生产工艺流程磨细PP石灰石或粒化高炉矿渣石灰石黏土铁矿粉磨细均化1450生料熟料石灰两磨一烧：制备生料（一磨） 煅烧熟料（一烧） 粉磨水泥（二磨）3.510m中卸烘干磨（生料粉磨 ）生料粉磨工艺熟料煅烧工艺 五级旋风预热器CDC窑外分解系统电收尘器3.350m旋转窑篦式冷却机水泥粉磨及包装 3.813m水泥磨水泥皮带输送

47、机八嘴回转式微机包装机水泥库3.1.2 硅酸盐水泥的组分硅酸盐水泥一般有硅酸盐水泥熟料、石膏调凝剂和混合材料三部分组成。1.熟料硅酸盐水泥的矿物组成主要包括：硅酸三钙：C3S硅酸二钙：C2S铝酸三钙：C3A铁铝酸四钙：C4AF矿物组成的技术特性见表4.1表3.1 硅酸盐水泥的矿物组成组成化学分子式缩写硅酸三钙3CaOSiO2C3S硅酸二钙2CaOSiO2C2S铝酸三钙3CaOAl2O3C3A铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3C4AF水泥熟料的显微影像C3S: 黑色颗粒C2S: 圆形的多彩颗粒C3A and C4AF: 灰色部分(edge length = 0.21 mm)表3.2 水泥熟料

48、的矿物特性矿物种类硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙缩写C3SC2SC3AC4AF含量（%）36-6015-377-1510-18水化速度快慢最快快水化热多少最多较多强度高早低后高低高抗腐蚀性差好最差中收缩中较大大小3.1.2 硅酸盐水泥的组分硅酸盐水泥一般由硅酸盐水泥熟料、石膏调凝剂和混合材料三部分组成。2.石膏 延缓水泥的凝结硬化速度掺量较少：凝结硬化时间很快，但水化不充分；适量（水泥的3%5%）：与C3A反应生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石），覆盖在水泥颗粒表面，延缓水泥进一步水化；超量：水泥安定性不良硅酸盐水泥一般有硅酸盐水泥熟料、石膏调凝剂和混合材料三部分组成。3.混合料 活性与非活性

49、两类常用的活性类：粒化高炉矿渣、火山灰质材料及粉煤灰非活性类：石灰石、石英砂、黏土等3.1.2 硅酸盐水泥的组分3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的原材料与生产工艺 硅酸盐水泥的组成 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 硅酸盐水泥的技术要求 水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥的特性、应用及储存凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或熟化高炉矿渣、适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥代号P、PP表示不掺混合材料的硅酸盐水泥P表示混合材料掺量不超过5%的硅酸盐水泥熟料波特兰水泥掺合料石灰生料3.1.3 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化一、水化 水化机理 石膏调节凝结时间的原理 水化产物二、凝结与硬

50、化 何为凝结、硬化？ 凝结硬化过程 影响因素3.1.3 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化水泥+水拌合可塑性具（水泥石）水化的水泥浆凝结硬化流动性水化（一）水化机理2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 硅酸三钙 水化硅酸钙C-S-H 氢氧化钙CH2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙3CaOAl2O3+6H2O =3CaOAl2O36H2O 铝酸三钙 水化铝酸三钙4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O 铁铝酸四钙 水化铁酸钙3CaO

51、Al2O36H2O + CaSO43CaOAl2O33CaSO432H2O水化铝酸钙 石膏 或3CaOAl2O3CaSO412H2O 水化硫铝酸钙或单硫型水化硫铝酸钙水化铝酸钙（一）水化机理 水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。 硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度快，形成早期强度并生成早期水化热。 3CaOSiO2+H2O 3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2 C-S-H CHMicro level硬化水泥浆的微观形貌 硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度慢，对后期

52、龄期混凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。 产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。 2CaOSiO2+H2O 3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2（一）水化机理 C-S-H CH 铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。 3CaOAl2O3+H2O 3CaOAl2O36H2O（一）水化机理 铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶 该水化反应的速度和水化放热量均属中等。4CaOAl2O3Fe2O3+H2

53、O 3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O（一）水化机理 石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了水泥熟料水化产生闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。 3CaOAl2O36H2O+ 20H2O+3（CaSO42H2O ） 3CaOAl2O33CaSO432H2O 钙矾石AFt（二）石膏调节凝结时间的原理水化硅酸钙(70%) 氢氧化钙 (20%) 水化铝酸钙水化铁酸钙水化硫铝酸钙(7%) 水泥熟料水化后的主要水化产物有：（三）水化产物是水泥石形成强度的

54、最主要化合物水化反应为放热反应，其放出的热量称为水化热。其水化热大，放热的周期也较长，但大部分（50%以上）热量是在3天以内。特别是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。 不同水化程度水泥石的组成（a）水灰比：0.4；（b）水灰比：0.71. 水灰比相同时，水化程度愈高，则水化物愈多，而毛细孔和未水化水泥的量相对减少。水泥石结构密实、强度高、耐久性好。 2.水化程度相同而水灰比不同的水泥石结构，水灰比越大，毛细孔所占比例相对增加，水泥石的强度和耐久性下降。 凝结 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变稠失去可塑性的过程。 硬化 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生

55、明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。(四）凝结与硬化（五）凝结硬化过程初始反应期初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。潜伏期流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长，1h 凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进一步水化，6h。多孔的空间网络凝聚结构，失去可塑性凝结期凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状体密实空间网硬化期加水初凝终凝凝结硬化诱导期稠硬不流动浆体刚性固体随时间增强塑性流动浆体初凝时间终凝时间水泥凝结时间与水泥浆体状况的关系 水泥石的结构A-未水化水泥颗粒；B-胶体粒子（C-S-H等）；C-晶体粒子（Ca(OH)2等）;D-毛细孔（毛细孔水）；E-凝胶孔水泥石的组成：凝胶体（

56、水化硅酸钙凝胶和氢氧 化钙晶体）未水化的水泥颗粒内核毛细孔及凝胶孔 它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之而改变。（六） 影响水泥凝结硬化的因素 影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。影响水泥凝结硬化的因素Back1.熟料矿物组成的影响 硅酸盐水泥熟料矿物组成，是影响水泥的水化速度、凝结硬化过程及产生强度等的主要因素。硅酸三钙（C3S）：Tricalcium sillicate；硅酸二钙（ C2S）：Dicalcium sillicate铝酸三钙（ C3A）： Tricalcium aluminate；铁铝酸四钙 （C4AF ）：Tetria

57、calcium aluminoferrie （四种主要熟料矿物中，C3A是决定性因素。） 2. 水泥细度的影响 直接影响：水化，凝结硬化，强度，干缩及水化热。 水泥越细:凝结速度越快，早期强度越高。但过细易与空气中的水分及二氧化碳反应，并且硬化时收缩也较大，且成本高。3. 拌合加水量的影响 影响硬化水泥石强度的主要因素。 拌合加入水量越大，硬化水泥石中毛细孔就越多。水泥石的强度随其毛细孔隙率的增加呈线性关系下降，从而强度低。4. 养护湿度和温度的影响 （1）湿度应该保持潮湿状态 （2）温度提高温度也可以加速水化反应。在0以下，当水结成冰时，水泥的水化、凝结硬化作用将停止，因而，在冬季施工时，需

58、要采取保温等措施。5. 养护龄期的影响 水泥水化硬化是一个较长时期不断进行的过程。随着龄期的增长水泥石的强度逐渐提高。水泥在314d内强度增长较快，28d后增长缓慢。养护到 28d。6. 水泥受潮与久存的影响 水泥也不可储存过久三个月后其强度降低约10 20% 半年后降低约15 30% 一年后降低约25 40%受潮水泥颗粒重磨可使其暴露出新鲜表面而恢复部分活性。对于微结块的水泥，强度约降低1020%适当方式压碎后用于次要工程。 一般，南方，水泥放不能过雨季3.1.4 硅酸盐水泥的技术要求通用硅酸盐水泥 GB175-2007对水泥的主要技术性质要求如下：细度凝结时间体积安定性强度水化热细度与水接

59、触的表面积凝结和硬化速度性质100m小低低 水泥的细度是指水泥的磨细程度或分散度。 细度决定了水泥与水接触的表面积。从而影响水泥的水化和凝结速度和性质。 水泥的细度和性质(一)细 度比表面积硅酸盐水泥的细度用比表面积表示按照 GB175-2007的规定硅酸盐水泥的比表面积 300 m/kg比表面积可采用比表面积仪测定 比表面积测定仪(一)细 度（二）凝结时间标准稠度及标准稠度用水量凝结时间测定初凝时间终凝时间标准稠度试锥下沉深度为282mm时的稠度标准稠度用水量P(%)按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。P%=水量ml/水泥1g。标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调

60、整水量法2种。初学者多用前者，有争议时以后者为准。 标准稠度及标准稠度用水量不变(固定)水量法初学者采用有争议时多采用此法调整水量法不变(固定)水量法固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆称取500g水泥加入500P%ml水采用标准稠度测定仪测量 P%P=33.4-0.185S标准稠度测定仪 通过水泥净浆凝结时间测定仪测定标准稠度水泥净浆的凝结时间。测定方法 凝结时间测定仪概念从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间，加水起至试针距底板为41.0mm.标准要求45min国产水泥一般为1-3h实验测试时以试针距底板2-3mm为准。工程意义水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充