建筑材料与构造-讲义

1建筑材料与构造笔记第二十章建筑材料1、建筑工程的三大材料：水泥、钢材、木材。其费用常占建筑总造价的50%左右。2、建筑材料按化学组成分类：有机材料、无机材料、复合材料。3、建筑材料按使用功能分类：建筑结构材料、墙体材料、建筑功能材料、建筑器材。第一节建筑材料的基本性质1、建筑材料的物理性质：（1）材料的密度、表观密度、堆积密度①密度：材料在绝对密度状态下单位体积的重量。不包括孔隙体积，测定体积时需将材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定。②表观密度：材料在自然状态下单位体体积的质量。包含内部孔隙体积，通常指气干状态下的表观密度③堆积密度：散粒材料（粉状或粒状）在堆积状态下单位体体积的质量。与材料内部孔隙和颗粒之间的空隙都有关。（2）材料的孔隙率空隙率①孔隙率：材料体积内空隙体积所占的比例。与空隙率相对应的是密实度，一般孔隙率越大，强度越低。②空隙率：散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。在混凝土中，可作为控制砂石级配及计算混凝土砂率的依据。（3）材料的亲水性和憎水性材料能被水润湿的性质称为亲水性，不能被水润湿的性质称为憎水性，一般可按润湿边角的大小将材料分为亲水性材料（如混凝土、木材、砖等）和憎水性材料（如沥青、石蜡等）。2（4）材料的吸水性和吸湿性①吸水性：在水中能吸收水分的性质。工程用建筑材料一般采用质量吸水率。吸水性与材料的亲水性、憎水性、孔隙率、孔隙特征有关。具有很多微小孔隙的亲水性材料吸水性特别强。②吸湿性：材料吸收空气中水分的性质。常用含水率表示。含水率随空气湿度和环境温度变化而变化，与空气湿度平衡时称为平衡含水率。（5）材料的耐水性：材料长期在饱和水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。采用软化系数表示。对于经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，软化系数≥0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数≥0.75。（6）材料的抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质。一般用渗透系数k或抗渗等级Pn表示，n表示最大水压力的0.1Mpa的倍数。抗渗性是决定材料耐久性的主要因素。（7）抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏、强度又不明显降低的性质，常用抗冻等级Fn表示。Fn指材料在经受n次冻融循环后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%时，抗冻性合格。孔隙率小及具有封闭孔的材料有较高的抗渗性和抗冻性；具有细微而连通的空隙对材料的抗渗性和抗冻性不利。抗冻性还包括抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用。抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。（8）材料的导热性：材料传倒热量的性质。用导热系数表示。导热系数的因素：①材料的组成与结构；②孔隙率；③孔隙特征；④含水情况。2、建筑材料的力学性能①强度与比强度强度是材料抵抗外力破坏的能力。强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。孔隙率越大，强度越低。比强度是按单位重量计算的材料强度，等于材料的强度与其表观密度之比。②弹性与塑性⑴弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。⑵塑性：当外力去除后，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质。⑶徐变：材料受到某一载荷的长期作用，其变形会随时间延长而增加。普通混凝土在长期载荷下会产生徐变。③脆性与韧性⑴脆性：材料在外力作用下，无明显变形而突然破坏的性质。具有这种性质的材料为脆性材料，如砖、石材、玻璃、陶瓷、铸铁等。⑵韧性：材料在冲击或震动载荷下能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。钢材和木材等均属于韧性材料。3、建筑材料的耐久性材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质统称材料的耐久性，受到物理作用、化学作用、生物作用等影响，是一种复杂、综合的性质。4、材料的结构①微观结构：物质的原子、分子层次的微观结构。材料的结构可以分为晶体、玻璃体和胶体。晶体分为原子晶体、分子晶体、金属晶体和离子晶体。②亚微观结构：用光学显微镜所能观察的材料结构。③宏观结构：用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织。第二节气硬性无机胶凝材料建筑上凡是经过一系列物理、化学作用，能将松散物质粘结成整体的材料为胶凝材料。无机胶凝材料按照硬化条件分为气硬性和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持或发展其强度，如石灰、石膏、水玻璃等。水硬性胶凝材料可在空气和水中硬化，3并保持和继续发展强度，如水泥。1、石灰①石灰的生产⑴石灰的原材料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，如石灰石、白云石、白垩/转自考易网/等。将石灰石在适当温度下煅烧，碳酸钙分解，释放二氧化碳，得到氧化钙。MgO含量≤5%为钙质生石灰，MgO5%为镁质生石灰。⑵石灰的熟化：石灰使用前，一般先加入水，使之消解为熟石灰，其主要成分为氢氧化钙。在熟化过程中，放出大量的热，而且体积增大1-2倍。⑶石灰的硬化包括结晶作用和碳化作用两个同时进行的过程，是一个相当缓慢的过程。⑷石灰的技术性质：生石灰熟化后形成的石灰浆具有良好的可塑性，用于配制建筑砂浆可显著提高砂浆的和易性；石灰不宜长期在潮湿环境中或有水的环境中使用；石灰在使用过程中一般要掺入砂、麻刀等材料，可限制收缩，并节约石灰。⑸石灰的应用：石灰乳涂料、石灰土、硅酸盐制品、碳化石灰板材等。建筑工程中所用石灰为建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。产品各项技术指标需达到相应要求，一项低于合格产品则为不合格产品。2、石膏石膏具有凝结、硬化速度快，导热性低、吸声性强等特点。①石膏胶凝材料的生产原料是天然二水石膏CaSO4.2H2O，还有天然无水石膏等。生产石膏胶凝材料的主要工序是破碎、加热与磨细，生产原理是二水石膏脱水生成半水石膏或无水石膏。根据加热方式不同可得到α型和β型两种形态的半水石膏，建筑工程常用的是β型半水石膏。②建筑石膏的硬化机理：建筑石膏的凝结和硬化主要是由于半水石膏与水相互作用还原成二水石膏。③建筑石膏的技术性质：密度、品种、强度测试条件、产品标记、储存等。④建筑石膏的应用：用装饰、保温绝热、吸声、阻燃等，石膏具有长期徐/转自考易网/变的性质，在潮湿的环境中更严重，不宜用于承重结构。⑤其他品种的石膏材料：⑴高强度石膏；⑵无水石膏水泥；⑶高温煅烧石膏3、水玻璃水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细空隙而防止水渗透的作用，可涂刷于粘土砖及混凝土等制品表面，提高其表层密实度与抗风化能力。硬化后的水玻璃耐碱性差。4、菱苦土菱苦土地面保温性好，无噪声、不起灰、弹性良好、防火、耐磨，宜用于纺织车间及民用建筑等，但不适用于经常受潮、遇水和遭受酸类侵蚀的地方。第三节水泥常用水泥主要品种有：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、复合硅酸盐水泥。1、水泥基本组成①熟料基本组成：主要包括硅酸三钙C3S、硅酸二钙C2S、铝酸三钙C3A、铁铝酸四钙C4AF⑴C3S含量通常为50%左右。28天或一年后的强度，在四种矿物中最高。水化凝结时间正4常，水化热较高。⑵C2S在熟料中以β型存在，含量为20%左右。β-C2S水化热较小，水化较慢，在一年后强度可以超过C3S。⑶C3A含量7-15%。水化迅速，放热量大，凝结时间很快，需加石膏作缓凝剂，防止水泥的急凝。硬化块，强度3天就发挥出来。C3A含量高的水泥浆体干缩变形大，抗硫酸盐性能差。⑷C4AF含量10-18%，水化速度介于C3A和C3S。C4AF抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，水化热较C3A低。②水泥混合材⑴活性混合材：粒化高炉矿渣（化学成分主要为CaO、Al2O3、SiO2，含量达90%）、火山灰质混合材（分为天然和人工两类，天然的含有大量的酸性氧化物，SiO2+Al2O3含量占75-85%）/转自考易网/、粉煤灰（主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，其中CaO10%为低钙粉煤灰，CaO15-30%为高钙粉煤灰）⑵非活性混合材：磨细的石英砂、石灰石等③石膏：用于水泥的石膏一般是二水石膏或无水石膏。2、水泥的水化硬化水泥加水拌合后，随着水化反应的进行，水泥浆逐渐变稠失去流动性而具有一定的塑性强度，称为水泥的凝结。随着水化进程的推移，水泥浆凝固具有一定的机械强度并逐渐发展而成为坚固的水泥石，这过程称为硬化。①硅酸盐水泥的水化硬化；②矿渣水泥的水化硬化；③火山灰水泥的水化硬化3、水泥品质的要求①凝结时间：分为初凝和终凝⑴初凝时间：水泥加水拌合始至标准稠度净浆开始，失去可塑性所经历的时间。⑵终凝时间：浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经历的时间国家标准规定：常用水泥的初凝时间不得早于45min；终凝时间硅酸盐水泥不得迟于6h30min，复合水泥不得迟于12h，其他品种不得迟于10h。一般要求混泥土搅拌、运输、浇捣应在初凝之前完成。因此初凝时间不宜过短；当施工完毕则要求尽快硬化并具有强度，故终凝时间不宜过长。②强度：由按质量计的一份水泥、三份中国ISO标准砂，用0.5的水灰比拌制的一组4cm×4cm×16cm塑性胶砂，在20±1℃水中养护，再测定3d和28d的强度。③体积安定性：已硬化水泥石产生不均匀的体积变化现象。引起体积安定性的因素：过量f-CaO、过量f-MgO和过多石膏掺量。④细度：水泥颗粒粒径越细，与水起反应得表面积越大，水化越快，其早期强度和后期强度都较高。⑤水化热：水泥水化过程放出的热。水化热对大体积混凝土是有害的因素。水泥的水化放热量大部分在3-7d放出，以后逐渐减少，水化热和放热率为C3A〉C3S〉C4AF〉C2S⑥水泥化学品质指标⑴不溶物；⑵烧失量；⑶氧化镁；⑷SO3；⑸碱含量⑦抗蚀性：对水泥石耐久性有害的环境介质主要为：⑴淡水，主要考虑Ca（OH）2的溶解；5⑵酸与酸性水；⑶硫酸盐（硫酸钡除外）；⑷含碱溶液二、常用水泥的基本特性与用途1、硅酸盐水泥与普通水泥：用于重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程；适用于要求早期强度高、凝结快的工程、有抗冻融要求和冬季施工的工程。不宜用于水工和海港工程、大体积混凝土工程。2、矿渣水泥：宜用于水工和海港工程、耐热混凝土工程。其抗冻性、抗渗性等均不及硅酸盐水泥与普通水泥。3、火山水泥：适宜地下或水下工程、适用于地面工程、宜用于浇筑大体积混凝土工程、宜蒸汽养护、不宜低温（冬季）施工。4、粉煤灰水泥：适宜承受载荷较迟的工程、适用大体积混凝土工程、适用于水工和海港工程。其抗碳化能力差，抗冻性较差。5、复合水泥：性能取决于其所掺两种混合材的种类、掺量及相对比列等。6、白色硅酸盐水泥：主要用于建筑物的内外装饰工程。第四节混凝土普通混凝土的组成材料由胶凝材料将粗、细骨料胶结而成的固体材料为混凝土。按表观密度可分为重混凝土、普通混凝土、轻混凝土。普通混凝土是以水泥为胶结材料，以天然砂、石为骨料，加水拌合，经浇筑成型，凝结硬化形成的固体材料。水泥占10-15%，其余为砂、石骨料，砂石比例为1∶2左右，孔隙体积约为1-5%。1、水泥：①根据工程特点和所处环境条件选择水泥的品种；②应与混凝土的设计强度等级相适应。一般水泥强度等级28天抗压强度指标值为混凝土强度等级的1.5-2倍。2、细骨料：骨料粒径在0.16-5mm之间的细天然砂。质量要求：①限制有害杂质含量，如粘土、云母、硫化物、硫酸盐等；②颗粒形状及表面特性；③砂的坚固性；④砂的颗粒级配及粗细程度3、粗骨料：粒径大于5mm的碎石或卵石。质量要求：①有害杂质含量；②颗粒形状及表面特性；③最大粒径及颗粒级配：⑴最大粒径：混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面尺寸的1/4，/转自考易网/同时不得大于钢筋间最小净距的3/4。⑵颗粒级配二、混凝土的性能1、新拌混凝土的性能①新拌混凝土的和易性⑴概念：新拌混凝土是一种将水泥、砂及粗骨料用水拌合而成的尚未凝固的混合物。和易性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性、保水性。⑵测定方法：通常采用测定混凝土拌合物的流动性，辅以其他方法综合评定混凝土拌合物的和易性。采用坍落度试验法测定流动性。影响和易性的因素：混凝土拌合物单位用水量、水泥浆的数量、水灰比、砂率、组成材料特性、外加