土木工程材料

土木工程材料,建筑材料是一切建筑工程的物質基礎。建筑材料工業(yè)推動著建筑業(yè)的發(fā)展，是國民經(jīng)濟的重要基礎工業(yè)之一。建筑材料是房屋建筑工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。本課程主要講解建筑材料的品種、組成、性能與應用及技術標準、檢驗方法等知識。理論聯(lián)系實際，重點突出水泥、普通混凝土及材料基本性質的基礎上，廣泛地介紹目前國內已有的各種建筑材料及發(fā)展中的新材料、新技術，合理選擇建筑材料。盡量引用了最新技術標準和規(guī)范。,前言,1.緒論 2.建筑材料的基本性質 3.氣硬性膠凝材料 4.水泥 5.混凝土 6.建筑砂漿 7.砌筑材料 8.瀝青及瀝青混合物 9.金屬材料 10.木材及其制品 11.建筑功能材料 12.土木工程材料試驗,緒論,一.建筑材料的分類 用于土建工程的材料總稱為建筑材料或土木工程材料。 1.按化學成分分類： 1.1 無機材料：金屬材料： 黑色金屬材料鋼、鐵 有色金屬材料鋁、銅、 合金 非金屬材料：天然石材大理石、花崗石 陶瓷和玻璃磚、瓦、衛(wèi)生陶瓷、 玻璃,無機膠凝材料石灰、石膏、水玻璃 砂漿、混凝土水泥、砂漿、混凝土 1.2 有機材料： 木材、瀝青、塑料、涂料、油漆 1.3 復合材料：金屬與非金屬復合 鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土 有機與無機復合 玻璃鋼、瀝青混凝土、聚合物混凝土,2. 按用途分類 結構材料：磚、石材、砌塊、鋼材、混凝土 防水材料：瀝青、塑料、橡膠、金屬、 聚乙烯膠泥 飾面材料：墻面磚、石材、彩鋼板、 彩色混凝土 吸音材料：多孔石膏板、塑料吸音板、 膨脹珍珠巖 絕熱材料: 塑料、橡膠、泡沫混凝土 衛(wèi)生工程材料：金屬管道、塑料、陶瓷,二.建筑材料的發(fā)展： 隨生產(chǎn)力發(fā)展而發(fā)展 原始時代天然材料：木材、巖石、竹、粘土 石器、鐵器時代 金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 萬里長城 （200 BC):條石、大磚、石灰砂漿 布達拉宮 ：石材、石灰砂漿 羅馬圓形劇場 （70-80 AC):石材、石灰砂漿,18世紀中葉鋼材、水泥 (J.Aspdin,1824） 19世紀鋼筋混凝土（1890-1892）； 中國，1898 20世紀預應力混凝土、高分子材料 21世紀輕質、高強、節(jié)能、高性能綠色建材,胡夫金字塔，高146.59m, 底部232m建方，用 230多萬塊、每塊重2.5T的巖石砌成，,萬里長城 （200 BC):條石、大磚、石灰砂漿,布達拉宮 ：石材、石灰砂漿,羅 馬斗獸場 （70-80 AC):石材、石灰砂漿,三. 建筑材料在國民經(jīng)濟中的地位和作用 1.建筑材料是發(fā)展建筑業(yè)的物質基礎 材料費用一般占建筑工程總造價的50-70%； “十五”期間我國全社會固定資產(chǎn)投資總規(guī)模為2224萬億元。固定資產(chǎn)投資的6070將用于建筑設施建設或工程安裝，從而轉化為建筑業(yè)的產(chǎn)值，而建筑業(yè)產(chǎn)值中的3040又要轉化為對建材業(yè)的需求，尤其是對水泥產(chǎn)品的需求。2002年，我國共生產(chǎn)水泥約70000萬噸，比2001年大幅增長了12. 7%，占世界產(chǎn)量的三分之一左右，超過亞洲產(chǎn)量的50%強。我國水泥行業(yè)，為我國 經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展做出了重要貢獻。,2002年水泥產(chǎn)量的大幅度增長與我國持續(xù)快速穩(wěn)定增長的宏觀經(jīng)濟形勢密切 相關。今年我國經(jīng)濟增長速度將達到 8，GDP將突破10萬億元大關。建筑材料工業(yè)在國民經(jīng)濟建設中意義重大 2.必須恰當選擇和合理使用原材料 材料質量的優(yōu)劣，配制是否合理，選用是否恰當直接影響建筑工程質量 3.發(fā)展綠色建材,四.建筑材料課程的作用、任務和學習方法 1.作用 1.1 為后續(xù)課程的學習提供必要的知識 1.2 為今后從事專業(yè)技術工作時，合理選擇和使用建筑材料打下基礎 2.任務 2.1 了解材料在建筑物上所起的作用和要求 2.2 了解常用材料的生產(chǎn)、成分和構造 2.3 掌握常用材料的技術性質， 以及影響材料性質的主要因素及其相互關系 2.4 掌握常用材料的標準，熟悉其分類、分等和規(guī)格,2.5 熟悉常用材料的測試儀器，掌握測試方法和技術。 2.6 掌握常用材料的選用原則和方法。 2.7 掌握工地配置材料的配置原理及方法，了解這些材 料的施工注意事項 3.學習方法 3.1 重點掌握材料的基本理論、基本知識、基本技能 常用材料水泥、砼、石灰、石膏、砂石、玻璃、鋼材、木材、瀝青、高分子材料 主要的水泥、（混凝土）砼、鋼材、砂石,每種材料：原料生產(chǎn)工藝組成成分構造性質應用檢驗儲存以及它們之間的相互關系 重點：性質和應用， 質檢的基本原理（引起材性變化的內因和外因） 3.2 學習材料的技術標準:國家標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準 GB-國家標準 GBJ-建筑工程國家標準 JGJ-建設部行業(yè)標準 JC-國家建材局行業(yè)標準 YB-冶金部行業(yè)標準 JTJ-交通部行業(yè)標準 SD-水電行業(yè)標準 ZB-國家級專業(yè)標準,例：國家標準硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥GB175-1999 標準名稱部門代號編號批準年份 ASA- American Standard Association 美國標準 ASTM American Society for Testing Materials BS- British Standard 英國標準 DIN Deutsch Industrie Normen 德國標準 ISO-International Standard Organization 國際標準協(xié)會,3.2 重視學好試驗 學習常用建筑材料的檢驗方法合格性判斷和驗收 對實驗數(shù)據(jù)、試驗結果進行分析判別 培養(yǎng)從事科學研究的能力,2019/9/26,22,第1章材料的基本性質,一、材料與質量有關的性質,材料的體積構成 體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。,材 料 內 部 體 積 構 成,閉口孔隙（體積為Vb ）,開口孔隙 (體積為Vk),材料內部固體物質體積（V）,材料單位總體積V0 = V + VP （VP為材料孔隙總體積）（VP = Vb + Vk）,干燥材料在絕對密實狀態(tài)下的體積。即材料內部固體物 質的體積，或不包括內部孔隙的材料體積。一般以 表 示。 一般將材料磨成規(guī)定細度的粉末，用排開液體的方法得 到其體積。 實際工程中所使用的鋼材、玻璃等材料一般情況下認為 是絕對密實狀態(tài)。,絕對密實體積,一、材料與質量有關的性質,材料在自然狀態(tài)下的體積，即整體材料的外觀 體積（含內部孔隙）。一般以V0 表示。 形狀規(guī)則的材料可根據(jù)其尺寸計算其自然體 積；形狀不規(guī)則的材料可先在材料表面涂臘，然 后用排開液體的方法得到其自然體積。,材料的自然體積,一、材料與質量有關的性質,材料的堆積體積 定義：粉狀或粒狀材 料，在堆積狀態(tài)下的 總體外觀體積。 特征：松散堆積狀態(tài) 下的體積較大，密實 堆積狀態(tài)下的體積較 小。一般以 V1 表示。,一、材料與質量有關的性質,幾種密度的比較,一、材料與質量有關的性質,二、材料的孔隙率和空隙率,孔隙對材料性能的影響,材料的孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料 總體積的百分率。 空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒互相填充 的致密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配與 計算砂率的依據(jù)。,二、材料的孔隙率和空隙率,孔隙率與空隙率的區(qū)別,1、材料的親水性與憎水性 與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質稱為親水性； 材料表面不能被水潤濕的性質稱為憎水性。,（）親水性材料 （）憎水性材料,三、材料與水有關的性質,材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材 料的分子結構。親水性材料與水分子之間的分子 作用力，大于水分子相互之間的內聚力；憎水性 材料與水分子之間的作用力，小于水分子相互之 間的內聚力。,三、材料與水有關的性質,2、材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率來表示。 （1） 質量吸水率 質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占 材料在干燥狀態(tài)下的質量百分比，并以Wm表示。,三、材料與水有關的性質,（2） 體積吸水率 體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占 材料自然體積的百分率，并以WV表示。,三、材料與水有關的性質,（3）影響材料吸水性的因素 材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔隙特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。,3、材料的吸濕性 材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的 性質。用含水率h表示,三、材料與水有關的性質,當空氣中濕度在較長時間內穩(wěn)定時，材料的吸濕和 干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時材料的含水率保持不 變，其含水率稱為平衡含水率。,吸水率與含水率的區(qū)別,三、材料與水有關的性質,4、 材料的耐水性 材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞， 強度也不顯著降低的性質。材料耐水性的指標用軟化系數(shù) KR表示： 式中： KR 材料的軟化系數(shù)； fb 材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）； fg 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。,三、材料與水有關的性質,軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。 一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。,三、材料與水有關的性質,軟化系數(shù)的波動范圍在0至1之間。工程中通常將KR0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75 。,三、材料與水有關的性質,5、抗凍性 （1）抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。 （2）材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內應力 增大，會使材料遭到局部破壞。 隨著凍融循環(huán)的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。,三、材料與水有關的性質,（3）抗凍性以試件在凍融后的質量損失和強度損失不超過一定限度時所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級。 （4）材料的抗凍等級可分為F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。,三、材料與水有關的性質,影響抗凍性的因素 1、密實度（孔隙率） 密實度越高則其抗凍性越好。 2、孔隙特征 開口孔隙越多則其抗凍性越差。 3、材料的強度 強度越高則其抗凍性越好。 4、材料的耐水性 耐水性越好則其抗凍性也越好。 5、材料的吸水量大小 吸水量越大則其抗凍性越差。,三、材料與水有關的性質,6、材料的抗?jié)B性 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲 透系數(shù)或抗?jié)B等級表示。 （1）滲透系數(shù)K : 式中：K滲透系數(shù)（cm / h）; Q滲水量（cm3 ）; A滲水面積(cm2)； H材料兩側的水壓差（cm） d試件厚度 （cm）；t滲水時間 （h）。 材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強。,三、材料與水有關的性質,（2） 抗?jié)B等級 材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水試驗時，材 料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母 P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等 級。如P4、P6、P8、P10等，表示試件能承受逐步增 高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水壓而 不滲透。,三、材料與水有關的性質,（3）影響材料抗?jié)B性的因素 材料親水性和憎水性 通常憎水性材料其抗?jié)B性優(yōu) 于親水性材料； 材料的密實度 密實度高的材料其抗?jié)B性也較高； 材料的孔隙特征 具有開口孔隙的材料其抗?jié)B性較 差。,三、材料與水有關的性質,1、導熱性 當材料兩面存在溫度差時，熱量通過建筑材料傳遞的 性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù) 表示： 式中：導熱系數(shù)，W/（mK）；Q傳導的熱量，J； a材料厚度，m； Z熱傳導時間，h； （t2t1）材料兩面溫度差，K； A材料傳熱面積，m,導熱系數(shù)的物理意義：單位厚度（1m）的材料、兩面 溫度差為1K時、在單位時間（1s）內通過單位面積（1 m2 ）的熱量。 導熱系數(shù)越小表明材料越不易導熱，通常將導熱系數(shù) 0.23的材料稱為絕熱材料。,四、材料的熱工性質,四、材料的熱工性質,石膏板因其具有良好的保溫隔熱、吸音阻燃等功能在建筑中廣泛使用,2、熱容量和比熱 材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱 為材料的熱容量。用熱容量系數(shù)或比熱表示。比熱的 計算式如下所示： 式中：C材料的比熱，J/（g K）； Q材料吸收或放出的熱量( J )； m材料質量，g； （t2t1）材料受熱或冷卻前后的溫差，K。,四、材料的熱工性質,3、熱阻和傳熱系數(shù) 熱阻是材料層（墻體或其它圍護結構）抵抗熱流通 過的能力，熱阻的定義及計算式為： 式中： R材料層熱阻，（m2 K）/W； d材料層厚度，m； 材料的導熱系數(shù)，W/（m K）。,四、材料的熱工性質,熱阻的倒數(shù)稱為材料層（墻體或其它圍結構） 的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1 時，在單位時間內通過單位面積的熱量。,四、材料的熱工性質,4、材料的溫度變形性 材料的溫度變形是指溫度升高或降低時材料的體積 變化。用線膨脹系數(shù)表示。 L =（t2 t1） L 式中：L線膨脹或線收縮量 ，mm 或 cm； （t2t1）材料前后的溫度差，K； 材料在常溫下的平均線膨脹系數(shù)，1/K L材料原來的長度，mm或m。,四、材料的熱工性質,材料的線膨脹系數(shù)與材料的組成和結 構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對 溫度變形的要求。如鋼筋和混凝土的結合。,四、材料的熱工性質,1、材料的強度 材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的 能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有 抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。,五、材料的力學性質,（1）彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。,2.彈性和塑性,彈性材料的-曲線圖,1,2,3,1,1,2,3,五、材料的力學性質,（2）塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形(或永久變形)。,b a 變形,荷載,0,A,ab彈性變形,ob塑性變形,五、材料的力學性質,大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。 脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。,3.脆性和韌性,材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。,荷載,A,變形,五、材料的力學性質,（1）硬度 材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它硬物刻 劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法， 回彈法和壓入法測定材料的硬度。,4.硬度和耐磨性,五、材料的力學性質,刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方 解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石 的順序，分為10個硬度等級。 回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土 的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬 等的表面硬度并間接推算其強度。,五、材料的力學性質,（2）耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性 用磨耗率表示，計算公式如下： 式中：G 材料的磨耗率， （g/cm2）； m1 材料磨損前的質量，（g）； m2 材料磨損后的質量，（g）； A材料試件的受磨面積 ，（cm2）。,五、材料的力學性質,材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內在或外來自然因素及有害介質的作用，能長久地保持其使用性能的性質。 材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。,物理作用 有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。 化學作用 包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對材料的侵蝕作用。 機械作用 包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。 生物作用 包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。,六、材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性,環(huán)境協(xié)調性 對資源和能源消耗少，對環(huán)境污染小，循環(huán)再生利用率高。 目前，提倡“綠色建材”,六、材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性,1、材料的組成對性質的影響 化學組成化學元素及化合物的種類與數(shù)量。 礦物組成天然的，人工燒制的。 相組織均勻的物質。,七、材料的組成、結構、構造及其對性能的影響,2、材料的結構對性質的影響 （1）宏觀結構 （2）亞微觀結構 包括納米微觀結構 （3）微觀結構 晶 體 按一定的規(guī)則在空間呈有規(guī)律的排列。 非晶體 不定形。 原因：熔融物質急冷，來不及成晶而成。 如玻璃體(粉煤灰、?；郀t礦渣、火山灰)， 化學潛能大，一定條件下發(fā)生化學反應。,七、材料的組成、結構、構造及其對性能的影響,3、材料的構造對性能的影響 具有特定性質的材料結構單元間的相互組合搭配情況。 與結構的區(qū)別： 構造更強調相同材料或不同材料間的搭配組合關系。 如材料的孔隙、層理、紋理、疵病等。,七、材料的組成、結構、構造及其對性能的影響,2019/9/26,73,第2章 氣硬性膠凝材料,2019/9/26,74,掌握：膠凝材料的定義、分類；建筑石灰、 石膏技術要求、性質,熟悉：石灰的、石膏的的熟化、硬化和應用,了解：石灰的生產(chǎn)、石灰的品種,本章教學目標,2019/9/26,75,膠凝材料：指經(jīng)過自身的物理化學作用后，能夠由漿體變成固體，并在變化過程中把一些散粒材料或塊狀材料膠結成具有一定強度的整體的材料。,定義與分類,2019/9/26,76,膠 凝 材 料,無機膠凝材料,有機膠凝材料：瀝青、樹脂、橡膠等,氣硬性膠凝材料,水硬性膠凝材料：各種水泥,石灰 石膏 水玻璃,2019/9/26,77,氣硬性膠凝材料：只能在空氣中凝結硬化， 保持并發(fā)展其強度的膠凝材料。,水硬性膠凝材料：既能在空氣中硬化，又能 更好地在水中硬化，保持 并繼續(xù)發(fā)展其強度的膠凝材料。,2019/9/26,78,氣硬性膠凝材料與水硬性膠凝材料的區(qū)別,水硬性膠凝材料不僅可以在 凝結硬化，還可以 得到更好的凝結硬化。,氣硬性膠凝材料 在 凝結硬化。,只能,空氣中,空氣中,在水中,1、石灰-石膏時期,2019/9/26,79,2、石灰-火山灰時期,3、水泥時期,2019/9/26,80,2.1 石 膏,2019/9/26,81,石膏是以硫酸鈣為主要成分的礦物，當石膏中含有結晶水不同時可形成多種性能不同的石膏。 2.1.1 石膏的原料、生產(chǎn)及品種 1.石膏的原料 根據(jù)石膏中含有結晶水的多少不同可分為： （1）無水石膏（CaSO4）：也稱硬石膏，它結晶緊密，質地較硬，是生產(chǎn)硬石膏水泥的原料。,2019/9/26,82,（2）天然石膏（CaSO42H2O）：也稱生石膏或二水石膏，大部分天然石膏礦為生石膏，是生產(chǎn)建筑石膏的主要原料。 （）建筑石膏 （CaSO41/2 H2O） 也稱熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根據(jù)其內部結構不同可分為型半水石膏和型半水石膏。 （4）化工石膏：指含有CaSO42H2O成分的化學工業(yè)副產(chǎn)品。,2019/9/26,83,天然二水石膏,2019/9/26,84,脫硫石膏,2019/9/26,85,1）.建筑石膏,2）.高強石膏,2.石膏的生產(chǎn)與品種,型半水石膏,型半水石膏,2019/9/26,86,型半水石膏與型半水石膏相比，結晶顆粒較粗，比表面積較小，強度高，因此又稱為高強石膏。,3）.可溶性硬石膏 當加熱溫度升高到170200時，半水石膏繼續(xù)脫水，生成可溶性硬石膏（CaSO4）。此無水石膏就具有良好的凝結硬化性能。當加熱溫度升高到200250時，石膏中殘留的水很少，凝結硬化非常緩慢，但遇水后還能逐漸生成半水石膏直至二水石膏。,2019/9/26,87,4）.死燒石膏 當加熱溫度高于400時，石膏完全失水，成為不溶性硬石膏（CaSO4）。此無水石膏就失去了凝結硬化性能。但當加入激發(fā)劑混合磨細后，又可恢復水化硬化能力，成為無水石膏水泥。它可制作石膏灰漿、石膏板和其它石膏制品。 5）.高溫煅燒石膏 溫度高于800時，部分硬石膏分解出中CaO，磨細后的產(chǎn)品即為高溫煅燒石膏。,2019/9/26,88,1.石膏的水化,2.1.2 石膏的水化與硬化 建筑石膏與適量水拌合后，能形成可塑性良好的漿體，隨著石膏與水的反應，漿體的可塑性很快消失而發(fā)生凝結，此后進一步產(chǎn)生和發(fā)展強度而硬化。,此反應實際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應，因為二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反應總體表現(xiàn)為向右進行，二水石膏以膠體微粒自水中析出。,2019/9/26,89,2.石膏的凝結硬化,干燥硬化和結晶硬化兩個過程交錯進行，隨著二水石膏沉淀的不斷增加，就會產(chǎn)生結晶，結晶體的不斷生成和長大，晶體顆粒之間便產(chǎn)生了摩擦力和粘結力，造成漿體的塑性開始下降，這一現(xiàn)象稱為石膏的初凝；而后隨著晶體顆粒間摩擦力和粘結力的增大，漿體的塑性很快下降，直至消失，這種現(xiàn)象為石膏的終凝。 石膏終凝后，其晶體顆粒仍在不斷長大和連生，形成相互交錯且孔隙率逐漸減小的結構，其強度也會不斷增大，直至水分完全蒸發(fā)，形成硬化后的石膏結構，這一過程稱為石膏的硬化。石膏漿體的凝結和硬化，實際上是交叉進行的。,2019/9/26,90,（）凝結硬化速度快 建筑石膏的漿體，凝結硬化速度很快。一般石膏的初凝時間僅為10min左右，終凝時間不超過30min，這對于普通工程施工操作十分方便。有時需要操作時間較長，可加入適量的緩凝劑，如硼砂、動物膠、亞硫酸鹽、酒精廢液等。,2.1.3 石膏的性質 1. 石膏的特性,2019/9/26,91,（）凝結硬化時體積微膨脹 建筑石膏凝結硬化是石膏吸收結晶水后的結晶過程，其體積不僅不會收縮，而且還稍有膨脹（0.2%1.5%），這種膨脹不會對石膏造成危害，還能使石膏的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥時的開裂。,2019/9/26,92,（3）硬化后孔隙率大，表觀密度和強度較低 建筑石膏在使用時，為獲得良好的流動性，通常加入的水要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化過程中由于水分的蒸發(fā)，使原來的充水部分空間形成孔隙，造成石膏內部形成大量微孔，使其重量減輕，但是抗壓強度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為800kg/31000 kg/3，抗壓強度約為Pa5Pa。,2019/9/26,93,（）良好的隔熱、吸音和“呼吸”功能 石膏硬化體中大量的微孔，使其傳熱性顯著下降，因此具有良好的絕熱能力；石膏的大量微孔，特別是表面微孔對聲音傳導或反射的能力也顯著下降，使其具有較強的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開口孔結構， 使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。,2019/9/26,94,（）防火性好，但耐水性差 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢的蔓延，具有良好的防火效果。 由于硬化石膏的強度來自于晶體粒子間的粘結力，遇水后粒子間連接點的粘結力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產(chǎn)生局部潰散，所以建筑石膏硬化體的耐水性較差。,2019/9/26,95,（6）具有一定的調溫調濕性 主要是因為其導熱系數(shù)小、熱容量大和孔隙率大。,（7）耐水性和抗凍性差 主要是因為其孔隙率大、吸水性強。,（8）有良好的裝飾性和可加工性 石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾性。微孔結構使其脆性有所改善，硬度也較低，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘。具有良好的可加工性。,2019/9/26,96,2. 石膏的技術要求,1）.強度:抗折強度、抗壓強度 2）.細度：0.2mm方孔篩篩余（10%） 3）.凝結時間:初凝時間（3min）、終凝時間（30min） 見表21（P12）,2019/9/26,97,eg:建筑石膏2.5GB9776,2019/9/26,98,2.1.4 建筑石膏的應用,（1） 石膏砂漿及粉刷石膏。 （2） 建筑石膏制品：石膏板、石膏砌塊等:如紙面石膏板、裝飾石膏板、吸聲用穿孔石膏板。 (3） 制作石膏藝術制品建筑雕塑和模型。,2019/9/26,99,紙面石膏板,2019/9/26,100,裝飾石膏板,2019/9/26,101,吸聲用穿孔石膏板,2019/9/26,102,吸聲用穿孔石膏板,2019/9/26,103,石膏藝術制品,2019/9/26,104,石膏藝術制品,2019/9/26,105,2.2 石 灰,2019/9/26,106,大型石灰窯,2019/9/26,107,小石灰窯,2019/9/26,108,生石灰,2019/9/26,109,生石灰粉,2019/9/26,110,正火石灰,欠火石灰,過火石灰,因煅燒溫度過高使粘土雜質 融化并包裹石灰，從而延緩 石灰的熟化，導致已硬化的 砂漿產(chǎn)生鼓泡、崩裂等現(xiàn)象,碳酸鈣沒有完全 分解，降低了生 石灰的產(chǎn)量,如何解決它的危害？,2.2.1 石灰的生產(chǎn),氧化鈣含量高、表觀密度小，孔隙率高。,煅燒石灰石、白云石、或白堊,內含CaCO3,將煅燒成的塊狀生石灰經(jīng)過不同的加工，還可得到石灰的另外三種產(chǎn)品： 1）、生石灰粉 2）、消石灰粉 3）、石灰膏,2019/9/26,111,2019/9/26,112,水化過程中體積增大12.5 倍，迅速放出大量熱,2.2.2 石灰的水化與硬化 1、生石灰的熟化,生石灰+水,熟石灰,工程上使用的石灰大都是熟石灰，有時需要使用 石灰膏，有時使用熟石灰粉。,2019/9/26,113,熟化為石灰膏：,將生石灰放入水 中，注意水要過量,池中透明液體為氫氧 化鈣飽和溶液，下部 沉淀即為熟石灰,生石灰要在水中放置兩周以上，此過程 即為“陳伏”。在這段時間里生石灰會完 全和水反應，不會因含有過火石灰造成 熟化推遲而導致墻面鼓泡的現(xiàn)象。,2019/9/26,114,將生石灰塊淋水，使石灰充分熟化，又 不會過濕成團，此時得到的產(chǎn)品就是熟 石灰粉（消石灰粉）。,熟化為熟石灰粉（水要適量）：,生石灰燒制過程中，往往由于石灰石原料的尺寸過大或窯中溫度不均勻等原因，生石灰中殘留有未燒透的的內核，這種石灰稱為“欠火石灰”。,由于燒制的溫度過高或時間過長，使得石灰表面出現(xiàn)裂縫或玻璃狀的外殼，體積收縮明顯，顏色呈灰黑色，這種石灰稱為“過火石灰”。過火石灰表面常被粘土雜質融化形成的玻璃釉狀物包覆，熟化很慢。當石灰已經(jīng)硬化后，過火石灰才開始熟化，并產(chǎn)生體積膨漲，引起隆起鼓包和開裂。,2019/9/26,115,包含結晶、碳化兩個過程,2、石灰的硬化,結晶：石灰漿體在干燥過程中，游離水分蒸 發(fā)，使Ca(OH)2從飽和溶液中逐漸結晶析出。,碳化：,2019/9/26,116,結晶和碳化兩個過程同時進行，但極為緩慢。碳化過程長時間只限于表面，結晶過程主要在內部發(fā)生。,原因,空氣中CO2含量稀薄，使碳化反應進展緩慢，同時表面的石灰漿一旦硬化就形成外殼，阻止了CO2的滲入，同時又使內部的水分無法析出，影響硬化過程的進行。,2019/9/26,117,a、可塑性好和保水性好 b、水化時水化熱大，體積增大 c 、吸濕性好 d 、凝結硬化慢,Ca(OH)2粒子表 面可以吸附水膜,2.2.3 石灰的性質,1.石灰的特性,生石灰可以用來做干燥劑,2019/9/26,118,e、強度低 f 、體積收縮大 g、耐水性差,2019/9/26,119,2、石灰的技術要求,見表22、23（P15）,見表24（P15）,2019/9/26,120,2.2.4 石灰的應用 1、常用建筑石灰的品種,2019/9/26,121,石灰?guī)r,生石灰塊,熟石灰粉,生石灰粉,石灰膏,石灰乳,多用來拌制灰土和三合土,使用時可以不進行陳伏,用來拌制砌筑砂漿或抹面砂漿,粉刷墻壁,2019/9/26,122,2.石灰的應用,三合土用作鋪筑步道磚的墊層,三合土樁,灰 土 樁,配制石灰砂漿、石灰乳 配制石灰土、三合土 生產(chǎn)碳化石灰板 加固含水的軟土地基,2019/9/26,123,3、石灰的儲存,1.防潮、防水; 2.不宜久存; 3.防火,注意安全.,2019/9/26,124,（2）過火石灰膨脹裂紋,（1）石灰網(wǎng)狀收縮裂紋,原因：（1）石灰在凝結硬化過程中產(chǎn)生較大收縮而引起的?？梢酝ㄟ^增加砂 用量、潤濕墻體基層、降低一次抹灰的厚度等措施加以改善。 （2）石灰中含有過火石灰。在砂漿硬化后，過火石灰吸收空氣中的水蒸 氣繼續(xù)熟化，體積膨脹，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。,2019/9/26,125,2.3 水玻璃,2019/9/26,126,水玻璃:俗稱泡花堿,是由不同比例的堿金 屬氧化物和二氧化硅結合而成的 可溶于水的一種硅酸鹽物質.,堿金屬氧化物,水玻璃模數(shù),2019/9/26,127,2.3.1 水玻璃的生產(chǎn),2019/9/26,128,生產(chǎn)水玻璃的方法分為濕法和干法兩種。 濕法生產(chǎn)硅酸水玻璃是將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內用蒸汽加熱。直接反應生成液體水玻璃。 干法生產(chǎn)硅酸鈉水玻璃是將石英砂和碳酸鈉磨細拌勻，在熔爐中于13001400C溫度下熔化，按下式反應生成固體水玻璃。固體水玻璃于水中加熱溶解而生成液體水玻璃。其反應式為：,其中，氧化硅與氧化鈉的分子比為水玻璃的模數(shù)，一般在1.53.5，模數(shù)越大，其水溶性越差。,2019/9/26,129,2.3.2 水玻璃的硬化,因上述過程反應慢,常需加入促硬劑氟硅酸鈉 ,適宜摻量為12%15%.,液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成無定形硅酸凝膠，并逐漸干燥而硬化：,2019/9/26,130,2.3.3 水玻璃的性質,1.粘結力強; 2.耐酸能力強; 3.耐熱性能好； 4.耐堿性和耐水性差。,2019/9/26,131,2.3.4 水玻璃的應用,1.配制耐酸砂漿和混凝土; 2.配制耐熱砂漿和混凝土; 3.涂刷于材料表面，提高抗風化能力; 4.加固地基; 5.修補裂縫、堵漏； 6.配制速凝防水劑,菱苦土，又稱鎂質膠凝材料，是以天然菱鎂礦（MgCO3）為主要原料，經(jīng)700850C煅燒后再經(jīng)磨細而得的以氧化鎂（MgO）為主要成分的氣硬性膠凝材料。 MgCO3 700850C MgO+CO2,2019/9/26,132,1.菱苦土能與植物纖維及礦物纖維很好的結合，因此可與刨花、木絲等復合成刨花板、木絲板等，作內、隔墻、天花板等用。 2.與木屑、顏料等配制成的板材，稱為菱苦土地板，具有保溫、防火、防爆及一定的彈性。 3.摻入一定的泡沫，可制成泡沫菱苦土，是一種多孔輕質的保溫材料。,2019/9/26,133,1.某單位宿舍樓的內墻使用石灰砂漿抹面,數(shù)月后,墻面上出現(xiàn)了 許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋,同時在個別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋,試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.,2019/9/26,134,2019/9/26,135,解： 石灰砂漿抹面的墻面上出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，引發(fā)的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化過程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起體積收縮的結果。 墻面上個別部位出現(xiàn)凸出的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時所用的石灰中混入了過火石灰。這部分過火石灰在消解、陳伏階段中未完全熟化，以致于在砂漿硬化后，過火石灰吸收空氣中的水蒸汽繼續(xù)熟化，造成體積膨脹。從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。,2.既然石灰不耐水,為什么由它配制成的灰土或三合土卻可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位?,2019/9/26,136,2019/9/26,137,解： 石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加適量的水充分拌合后，經(jīng)碾壓或夯實，在潮濕環(huán)境中石灰與粘土表面的活性氧化硅或氧化鋁反應，生成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣，所以灰土或三合土的強度和耐水性會隨使用時間的延長而逐漸提高，適于在潮濕環(huán)境中使用。 再者，由于石灰的可塑性好，與粘土等拌合后經(jīng)壓實或夯實，使灰土或三合土的密實度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大為減少。因此灰土或三合土可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位。,2019/9/26,138,3. 建筑石膏及其制品為什么適用于室內，而不適用于室外使用？,2019/9/26,139,解： 建筑石膏及其制品適用于室內裝修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝結硬化后具有以下的優(yōu)良性質： （1） 石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾性。加入顏料后，可具有各種色彩。建筑石膏在凝結硬化時產(chǎn)生微膨脹，故其制品的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整，形狀、尺寸準確、細致，裝飾性好； （2） 硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保溫性、吸聲性好。,2019/9/26,140,（3） 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢的蔓延，具有一定的防火性。 （4） 建筑石膏制品還具有較高的熱容量和一定的吸濕性，故可調節(jié)室內的溫度和濕度，改變室內的小氣候。 在室外使用建筑石膏制品時，必然要受到雨水冰凍等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗?jié)B性差、 抗凍性差, 所以不適用于室外使用。,2019/9/26,141,4. 水玻璃的化學組成是什么？水玻璃的模數(shù)、密度（濃度）對水玻璃的性能有什么影響？,2019/9/26,142,解： 通常使用的水玻璃都是Na2OnSiO2的水溶液，即液體水玻璃。 一般而言，水玻璃的模數(shù)n越大時，水玻璃的粘度越大。硬化速度越快、干縮越大，硬化后的粘結強度、抗壓強度等越高、耐水性越好、抗?jié)B性及耐酸性越好。其主要原因是硬化時析出的硅酸凝膠SiO2mH2O較多。 水玻璃的模數(shù)n為氧化硅和氧化鈉的分子比。同一模數(shù)的水玻璃，密度越大，則其有效成分Na2OnSiO2的含量越多，硬化時析出的硅酸凝膠也多，粘結力愈強。 然而如果水玻璃的模數(shù)或密度太大，往往由于粘度過大而影響到施工質量和硬化后水玻璃的性質，故不宜過大。,1.簡述氣硬性膠凝材料的特點及使用環(huán)境. 2.石膏制品有哪些特點?建筑石膏可用于哪些方面? 3.什么是欠火石灰和過火石灰?各有何特點?施工過程中如何防止其危害? 4.何謂陳伏,石灰在使用前為什么要進行陳伏?,2019/9/26,143,2019/9/26,144,第3章 水泥,1824年10月21日，英國利茲（Leeds）城的泥水匠阿斯普?。↗.Aspdin）獲得英國第5022號“波特蘭水泥”專利證書，從而一舉成為流芳百世的水泥發(fā)明人。,強生確定了水泥制造的兩個基本條件：第一是燒窯的溫度必須高到足以使燒塊含一定量玻璃體并呈墨綠色；第二是原料比例必須正確而固定，燒成物內部不能含過量石灰，水泥硬化后不能開裂。這些條件確保了“波特蘭水泥”質量，解決了阿普斯丁無法解決的質量不穩(wěn)定問題。從此，現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的基本參數(shù)已被發(fā)現(xiàn)。,1824年，英國石匠阿斯浦丁偶然發(fā)現(xiàn) 粘土+石灰+水人造石（波特蘭水泥） 特點：強度高、耐久性好、防水、防火。,我是建筑業(yè)的糧食！,水泥系列,通用水泥,下述百分含量為混合材料的摻量,按水泥的用途分類,在土木建筑工程中大量使用的水泥,按水泥的用途分類,彩色水泥,彩色水泥,彩色水泥,普通水泥,硅酸鹽水泥的定義、類型及代號,硅酸鹽水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R 六個強度等級（R代表早強型水泥）,第一節(jié) 硅酸鹽水泥,生產(chǎn)工藝概述 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝可概括為三個階段： 生料制備：以石灰石、粘土和鐵礦粉為主要原料（有時需加入校正原料），將其按一定比例配合、磨細，制得具有適當化學成分、質量均勻的生料。 熟料煅燒：將生料在水泥窯內經(jīng)1450高溫煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料。 水泥粉磨：將熟料加適量石膏和05的石灰石或?；郀t礦渣共同磨細得到硅酸鹽水泥。,硅酸鹽水泥的生產(chǎn)及主要礦物組成,1.原料 （1）石灰質原料：主要提供CaO。采用石灰?guī)r、凝灰?guī)r和貝殼等。 （2）粘土質原料：主要SiO2、Al2O3及Fe2O3。采用粘土、黃土、頁巖、泥巖、粉砂巖及河泥等。,主要原料,（3）校正原料（輔助原料）：為滿足成分要求用。 如：鐵礦粉的鐵質原料補充氧化鐵的含量。 砂巖的硅質原料增加二氧化硅的成分等。,硅酸鹽水泥的生產(chǎn),兩磨一燒： 制備生料（一磨） 煅燒熟料（一燒） 粉磨水泥（二磨）,2.生產(chǎn)過程,石灰石 粘土 按比例混合生料進窯熟料 輔助原料,煅燒,磨細,磨細,石膏,1450,水泥成品,3.生料 CaO： 62% 67% SiO2 : 20% 24% Al2O3 : 4% 7% Fe2O3： 2.5%6.0%,生料在窯內經(jīng)歷： 干燥預熱分解燒成冷卻,硅質 (粘土),鈣 質 (石灰石),1450,調節(jié) 原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“兩磨一燒”工藝流程,粉 磨,煅 燒,粉 磨,原料采掘,原料磨細,原料混合,反應物產(chǎn)物中間產(chǎn)物,預熱器 回轉窯,產(chǎn) 物,熟料冷卻,熟料儲存,3.510m中卸烘干磨（生料粉磨 ）,生料粉磨工藝,熟料煅燒工藝,3.350m旋轉窯,水泥粉磨及包裝,3.813m水泥磨,水泥皮帶輸送機,八嘴回轉式微機包裝機,水泥庫,硅酸鹽水泥熟料的礦物組成,1.主要成分：主要由四種礦物化學組成,硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及在水泥中的相對含量,2.其它成分: 游離CaO （=5%） 、MgO（=5%）及SO3 （1%-2%） ，其含量過高將造成水泥安定性不良。 堿礦物及玻璃體等，其中的Na2O和K2O含量較高時，遇到活性骨料時，易產(chǎn)生堿骨料反應，影響混凝土的質量。 3.石膏 輔助作用主要是緩凝作用，含量：2%5%。,硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化,（一）硅酸鹽水泥的水化,水泥和水拌合表面的熟料礦物立刻與水發(fā)生化學反應各組分開始逐漸溶解放出一定熱量固相體積也逐漸增加。其反應式如下：,2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2 硅酸三鈣 水化硅酸鈣 氫氧化鈣 2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2 硅酸二鈣 水化硅酸鈣 氫氧化鈣 3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O 鋁酸三鈣 水化鋁酸鈣 4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O 鐵鋁酸四鈣 水化鐵酸一鈣 3CaOAl2O36H2O + CaSO43CaOAl2O33CaSO431H2O 水化鋁酸鈣 石膏 或3CaOAl2O3CaSO412H2O 水化硫鋁酸鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣,主要水化產(chǎn)物（在完全水化的水泥石中 ）：,水化硅酸鈣 70%（凝膠） 氫氧化鈣 20%（晶體） 水化鋁酸鈣（晶體） 水化硫鋁酸鈣晶體（也稱鈣礬石）7%,是水泥石形成強度的最主要化合物,水化反應為放熱反應，其放出的熱量稱為水化熱。其水化熱大，放熱的周期也較長，但大部分（50%以上）熱量是在3天以內。特別是在水泥漿發(fā)生凝結、硬化的初期放出。,（二）硅酸鹽水泥的凝結硬化過程 分為：早、中、晚 三個時期 1.水化早期，初始反應期（凝膠膜的生成期）（誘導期） 20，3h,3.水化后期，硬化 更長時間 水化反應減慢水化產(chǎn)物填充由水占據(jù)的空間晶體相互搭接整體水泥石硬化 硬化：漿體的強度逐漸提高并變成堅硬的石狀固體水泥石,2.水化中期，凝結 20 30h，30%的水泥已經(jīng)水化 包裹膜增厚 凝結：水泥加水拌和初期形成具有可塑性的漿體，然后逐漸變稠并失去可塑性的過程。,水泥熟料礦物的水化是放熱反應，C3S和C3A放熱最大，最快；而C2S放熱最小，最慢。 水泥水化放熱有明顯的四個階段： 初始放熱水泥與水一接觸，立即放熱，放熱速度dQ/dt 很快，表明反應激烈。 放熱停滯期 放熱很慢，接近停滯，表明反應停頓。 放熱加速期 放熱速度逐漸加快，達到放熱峰值，表明反應逐漸加快。 放熱減速期 放熱達到峰值后，放熱速度逐漸減慢，表明反應逐漸減速。,加水,初凝,終凝,凝結,硬化,誘導期,稠硬不流動漿體,剛性固體隨時間增強,塑性流動漿體,初凝時間,終凝時間,水泥凝結時間與水泥漿體狀況的關系,水泥石的結構 A-未水化水泥顆粒； B-膠體粒子（C-S-H等）； C-晶體粒子（Ca(OH)2等）; D-毛細孔（毛細孔水）； E-凝膠孔,水泥石的組成： 凝膠體（水化硅酸鈣凝膠和氫氧 化鈣晶體） 未水化的水泥顆粒內核 毛細孔及凝膠孔 它們在不同時期相對數(shù)量的變化，使水泥石的性質隨之而改變。,水泥石的結構及影響其強度發(fā)展的因素,水泥石的結構,水泥石的工程性質(強度和耐久性)決定于水泥石的結構組成，即 水化物的類型 水化物的相對含量（可用水化程度表示） 孔的大小、形狀和分布,水灰比即拌和時用水量與水泥用量之比表示,水泥石的結構,不同水化程度水泥石的組成,1.水灰比相同時，水化程度愈高，則水化物愈多，而毛細孔和未水化水泥的量相對減少。水泥石結構密實、強度高、耐久性好。 2.水化程度相同而水灰