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建筑工程材料第一节材料的基本性质建筑材料的基本性质是指组成建筑物的各种建筑材料之间存在的普遍的共性。处于不同部位和环境的材料要求有不同的性质。一、建筑材料的组成和结构㈠材料的组成材料的组成是指材料的化学成分和矿物成分。它影响材料的化学性质和物理力学性质㈡材料的结构材料的结构是指从物质的原子、分子层次的微观结构到宏观结构的各个层次的构造状况。材料的结构分为宏观结构、亚微观结构和微观结构三个层次。1、宏观结构指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。⑴致密结构无孔隙存在的材料⑵多孔结构具有粗大孔隙的结构⑶微孔结构细微的孔隙结构⑷聚集结果骨料和胶凝材料结合而成的材料⑸纤维结构纤维材料特有的结构⑹层状结构采用粘接或其他方法结合而成的材料⑺散粒结构松散粒状结果2、亚微观结构光学显微镜能观察到的结构3、微观结构原子、分子层次的结构⑴晶体：内部指点成规则排列的物体⑵玻璃体：质点排列无规律，具有各向异性⑶胶体：细小固体粒子分散在介质中组成的结构二、材料的物理性质㈠与质量有关的性质1.实际密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：式中：ρ——实际密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；V——材料的绝对密实体积，cm3或m3。Vm2.表观密度材料单位表观体积的质量。按下式计算：式中：——体积密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；——材料的自然体积，cm3或m3。Vm'V材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。3.堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：式中：ρ0——材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；——材料的堆积体积，cm3或m3。'0'0Vm0V㈡材料的密实度和孔隙率密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：式中：ρ——密度；ρ0——材料的表观密度。对于绝对密实材料，因ρ0=ρ，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0＜ρ，故密实度D＜1或D＜100%。％％10010000VVD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。孔隙率P按下式计算：式中：V——材料的绝对密实体积，cm3或m3；V0——材料的表观体积，cm3或m3；ρ0——材料的表观密度,g/cm3或kg/m3；ρ——密度,g/cm3或kg/m3。％）（％1001100000VVVP㈢材料与水有关的性质1、吸水性和吸湿性材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（1）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：式中：mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。%100ggbmmmmW（2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：式中:mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。V0——材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）；ρw——水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3。%10010WgbvVmmW材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，其计算公式为：式中：ms——材料吸湿状态下的质量（g或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。%100ggshmmmW2、耐水性、抗渗性和抗冻性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：式中：KR——材料的软化系数；fb——材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。gbRffK抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算:式中：K——渗透系数,（cm/h）;Q——渗水量，（cm3）；A——渗水面积,（cm2）；H——材料两侧的水压差，（cm）；d——试件厚度（cm）；t——渗水时间（h）。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。AtHQdK抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。◇材料的抗冻等级可分为D15、D25、D50、D100、D200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。三、材料的基本力学性质材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f——材料强度，MPa；F——材料破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2。AFf抗弯强度的计算：中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中：fm——材料的抗弯强度，MPa；F——材料受弯破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2L、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。2m23bhFLf变形性质（1）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。（2）塑性材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。第二节水泥水泥的特点◇水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。水泥适用范围◇不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。一、硅酸盐水泥㈠硅酸盐水泥的原材料◇生产硅酸盐水泥熟料的原材料•石灰质原料天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、石灰华等。•粘土质原料主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。•铁矿粉采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。◇石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。◇混合材料包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺◇生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种；硅酸盐水泥分为：P.Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和P.Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。石灰石粘土铁矿粉生料石膏硅酸盐水泥混合材料熟料按比例混合磨细1350℃～1450℃煅烧磨细熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙硅酸三钙碱类及杂质2CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AFf－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S化学式及简写水泥熟料矿物的主要特性熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙含量范围（质量％）37～6715～307～1510～18水化反应速度快慢最快快强度高早期低，后期高低低（含量多时对抗折强度有利）水化热较高低最高中㈡凝结硬化的概念◇凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程；◇硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。◇水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。熟料矿物的水化反应◇硅酸三钙2（3CaO·SiO2）＋6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2◇硅酸二钙2（2CaO·SiO2）＋4H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2◇铝酸三钙3CaO·Al2O3＋H2O==3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O==3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O◇铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O==3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O熟料矿物的水化反应过程◇水化初期•熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。◇水化中期•以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。◇水化后期•由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅酸钙凝胶）；B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D——未水化的水泥颗粒●水泥石的结构◇水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。◇水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。DABC㈢硅酸盐水泥的主要技术性质技术性质质量标准密度，kg/m33100～3200堆积密度，kg/m31300～1600不溶物Ⅰ型：不溶物不得超过0.75％；Ⅱ型：不溶物不得超过1.50％烧失量Ⅰ型：烧失量不得大于3.0％；Ⅱ型：烧失量不得大于3.5％氧化镁水泥中氧化镁含量不宜超过5.0％。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化镁含量可放宽至6.0％三氧化硫3.5％碱含量水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定注：表中百分数均为质量百分数。2.细度◇细度是指水泥颗粒的粗细程度。◇水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。◇国家标准中规定，水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2/kg。3.凝结时间◇凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。◇水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。◇国家标准GB175－1999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。4.体积安定性◇体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性。水泥在硬化过程中体积变化不稳定，即为体积安定性不良。◇水泥安定性不良的原因：•熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）；•生产水泥时掺入的石膏过量。◇国家标准GB175－1999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。◇体积安定性不良的水泥严禁用于工程中。5、强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R共六个等级。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.542.5R52.552.5R62.562.5R17.022.0