建筑材料理论(1)

建筑材料理论第一章建筑材料基本性质本章为全书重点之一。在讨论具体性质之前，要求同学理解不同材料，在结构物中的功用不同，所处的环境不同，对其性质的要求也不同。本章所讨论的各种性质都是建筑材料经常要考虑的性质。掌握或了解这些性质的概念（包括定义、表示方法、实用意义等）对以后讨论各种材料意义重大。建筑材料的性质可归纳为：物理性质、力学性质、化学性质、耐久性等。第一节材料的组成与结构一、材料的组成材料的组成是决定材料性质的内在因素之一。主要包括：化学组成和矿物组成。二、材料的结构材料的性质与材料内部的结构有密切的关系。材料的结构主要分成：宏观结构显微结构微观结构。第二节材料的物理性质一、表示材料物理状态特征的性质1、体积密度：材料在自然状态下单位体积的质量称为体积密度。2、密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度。3、堆积密度：散粒材料在规定装填条件下单位体积的质量称为堆积密度。注意：密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积；自然状态下的体积是指固体物质的体积与全部孔隙体积之和；堆积体积是指自然状态下的体积与颗粒之间的空隙之和。4、表观密度：材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积加闭口孔隙体积，此体积即材料排开水的体积。5、孔隙率：材料中孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。6、开口孔隙率：材料中能被水饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。7、闭口孔隙率：材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。即闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率。8、空隙率：散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒材料在自然状态下的体积之比的百分率。二、与各种物理过程有关的材料性质1、亲水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）大于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面吸附水分，即被水润湿，表现出亲水性，这种材料称为亲水材料。2、憎水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）小于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面不吸附水分，即不被水润湿，表现出憎水性，这种材料称为憎水材料。3、吸水性：材料吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示。吸水率有两种表示方法：质量吸水率体积吸水率质量吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的质量与材料在绝对干燥状态下的质量之比。体积吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比。4、含水率：材料在自然状态下所含的水的质量与材料干重之比例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40立方厘米，质量为85.50克，吸水饱和后的质量为89.77克，烘干后的质量为82.30克。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、含水率。解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40×（1-0.24）=2.7克/立方厘米开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积=（89.77-82.3）÷1/40=0.187闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.24-0.187=0.053表观密度=干质量/表观体积=82.3/40×（1-0.187）=2.53含水率=水的质量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.039第三节材料的力学性质一、材料在外力作用下的变形性质1、弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力消除后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。2、塑性变形：材料在外力作用下产生变形而不出现裂缝，当外力消除后，不能够自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种变形称为塑性变形。二、强度材料抵抗在应力作用下破坏的性能称为强度。强度通常以强度极限表示。强度极限即单位受力面积所能承受的最大荷载。有关材料的力学性质，在《材料力学》中有详尽的论述，本书不作要求。注意：对于以力学性质为主要性能指标的材料，通常按其强度值的大小划分成若干等级或标号。脆性材料（混凝土、水泥等）主要以抗压强度来划分等级或标号，塑性材料（钢材等）以抗拉强度来划分。强度值和强度等级或标号不能混淆，前者是表示材料力学性质的指标，后者是根据强度值划分的级别。第二章石材本章的重点内容为常用建筑石材，其他内容不作要求。一、砌筑用石材的规格1、料石：截面的宽度、高度不小于200毫米，且不小于长度的1/4。2、细料石：叠砌面的凹入深度不大于10毫米。3、粗料石：叠砌面的凹入深度不大于20毫米。4、毛料石：外形大致方正，一般不加工，高度不小于200毫米，叠砌面的凹入深度不大于25毫米5、毛石：形状不规则，中部厚度不小于200毫米。主要用于基础、毛石混凝土。二、常用建筑石材1、花岗岩：主要矿物组成是长石、石英，为全晶制，块状结构，通常有灰、白、黄、红等多种颜色，具有很好的装饰性。抗风化性及耐久性高，耐酸性好，使用年限高。2、石灰岩：主要由方解石组成，常呈灰、白等颜色，可用于基础、挡土墙等石砌体，破碎后可用于配制混凝土。它也是生产石灰和水泥等的原料。3大理石：主要矿物组成是方解石和白云石。构造致密，呈块状，常呈白、浅红、浅绿等斑纹，装饰效果好。其吸水率小、杂质少、质地坚硬。第三章气硬性胶凝材料本章的重点是建筑石膏和石灰。第一节石膏一、石膏的化学组成生产石膏的原料主要为含硫酸钙的天然石膏（又称生石膏）或含硫酸钙的化工副产品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等废渣，其化学式为CaSO4.2H2O,也称二水石膏。将天然二水石膏在不同的温度下煅烧可得到不同的石膏品种。如将天然二水石膏在107~1700c的干燥条件下加热可得建筑石膏。二、建筑石膏的凝结与硬化将建筑石膏加水后，它首先溶解于水，然后生成二水石膏析出。随着水化的不断进行，生成的二水石膏胶体微粒不断增多，这些微粒比原先更加细小，比表面积很大，吸附着很多的水分；同时浆体中的自由水分由于水化和蒸发而不断减少，浆体的稠度不断增加，胶体微粒间的黏结逐步增强，颗粒间产生摩擦力和黏结力，使浆体逐渐失去可塑性，即浆体逐渐产生凝结。继续水化，胶体转变成晶体。晶体颗粒逐渐长大，使浆体完全失去可塑性，产生强度，即浆体产生了硬化。这一过程不断进行，直至浆体完全干燥，强度不在增加，此时浆体已硬化人造成石材。浆体的凝结硬化过程是一个连续进行的过程。从加水开始拌合一直到浆体开始失去可塑性的过程称为浆体的初凝，对应的这段时间称为初凝时间；从加水拌合开始一直到浆体完全失去可塑性，并开始产生强度的过程称为浆体的硬化，对应的时间称为终凝时间。三、建筑石膏的特性、质量要求与应用（一）建筑石膏的特性建筑石膏与其他胶凝材料相比有以下特性：1、结硬化快2、凝结硬化时体积微膨胀3、孔隙率大与体积密度小4、保温性与吸声性好5、强度较低6、具有一定的调温与调湿性能7、防火性好但耐火性较差8、耐水性、抗渗性、抗冻性差（二）建筑石膏的质量要求建筑石膏的质量要求主要有强度、细度和凝结时间。按强度和细度划分为优等品、一等品和合格品。各等级建筑石膏的初凝时间不得小于6min,终凝时间不得大于30min。（三）建筑石膏的应用建筑石膏的应用很广，主要用于室内抹灰、粉刷、生产各种石膏板等。第二节石灰一、石灰的原料与生产生产石灰的原料主要是含碳酸钙为主的天然岩石，如石灰石、白垩等。将这些原料在高温下煅烧，即得生石灰，主要成分为氧化钙。正常温度下煅烧得到的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，晶体粒小，体积密度小，与水作用快。注意：生产时，由于火候或温度控制不均，常会含有欠火石灰或过火石灰。欠火石灰中含有未分解的碳酸钙内核，外部为正常煅烧的石灰，它只是降低了石灰的利用率，不会带来危害。温度过高得到的石灰称为过火石灰。过火石灰的结构致密，孔隙率小，体积密度大，并且晶粒粗大，表面常被熔融的黏土杂质形成的玻璃物质所包覆。因此过火石灰与水作用的速度很慢，须数天甚至数年，这对石灰的使用极为不利。为避免过火石灰在使用以后，因吸收空气中的水蒸气而逐步熟化膨胀，使已硬化的砂浆或制品产生隆起、开裂等破坏现象，在使用以前必须使过火石灰熟化或将过火石灰去除。常采用的方法是在熟化过程中，利用筛网除掉较大尺寸过火石灰颗粒，而较小的过火石灰颗粒在储灰坑中至少存放二周以上，使其充分熟化，此即所谓的“陈伏”。陈伏时为防止石灰炭化，石灰膏的表面须保存有一层水。二、石灰的特性1、保水性与可塑性好2、凝结硬化慢、强度低%3、耐水性差4、干燥收缩大本章的其他内容一般了解。第四章水泥本章以硅酸盐水泥和掺混合材料的硅酸盐水泥为重点，是全书重点之一。第一节硅酸盐水泥一、酸盐水泥的矿物组成国家标准规定：凡以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5%以下的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，统称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的主要矿物组成是：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。硅酸三钙决定着硅酸盐水泥四个星期内的强度；硅酸二钙四星期后才发挥强度作用，约一年左右达到硅酸三钙四个星期的发挥强度；铝酸三钙强度发挥较快，但强度低，其对硅酸盐水泥在1至3天或稍长时间内的强度起到一定的作用；铁铝酸四钙的强度发挥也较快，但强度低，对硅酸盐水泥的强度贡献小。二、硅酸盐水泥的凝结与硬化（一）硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥与水拌合后，熟料颗粒表面的四种矿物立即与水发生水化反应，生成五种水化产物：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙晶体。其中，水化硅酸钙凝胶约占50%，氢氧化钙晶体约占20%。水泥早期强度增长快，后期强度增长缓慢，若温度和湿度适宜，其强度在几年或十几年后仍可缓慢增长。（二）水泥石及影响其凝结硬化的因素硬化后的水泥浆体，称为水泥石，是由胶凝体、未水化的水泥颗粒内核、毛细孔等组成的非均质体。水泥石的硬化程度越高，凝胶体含量越多，水泥石强度越高。影响水泥石凝结硬化的因素有：1、水泥熟料的矿物组成和细度2、石膏掺量：掺入石膏可延缓其凝结硬化速度3、养护时间：随着养护时间的增长，其强度不断增加4、温度和湿度：温度升高，硬化速度和强度增长快；水泥的凝结硬化必须在水分充足的条件下进行，因此要有一定的环境湿度5、水灰比：拌合水泥浆时，水与水泥的质量比，称为水灰比。水灰比愈小，其凝结硬化速度愈快，强度愈高三、酸盐水泥的技术要求1、细度：水泥颗粒越细，比表面积越大，水化反应越快越充分，早期和后期强度都较高。国家规定：比表面积应大于300平方米/千克，否则为不合格。2、凝结时间：为保证在施工时有充足的时间来完成搅拌、运输、成型等各种工艺，水泥的初凝时间不宜太短；施工完毕后，希望水泥能尽快硬化，产生强度，所以终凝时间不宜太长。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于390分钟。3、体积安定性：水泥浆体在凝结硬化过程中体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。如体积变化不均匀即体积安定性不良，容易产生翘曲和开裂，降低工程质量甚至出现事故。四、水泥石的腐蚀与防止1、水泥石受腐蚀的基本原因：水泥石中含有易受腐蚀的成分，即氢氧化钙和水化铝酸钙等；水泥石不密实，内部含有大量的毛细孔隙。2、易造成水泥石腐蚀的介质：软水及含硫酸盐、镁盐、碳酸盐、一般酸、强碱的水。3、防止腐蚀的措施：合理选用水泥的品种；掺入活性混合材料；提高水泥密实度；设保护层。五、硅酸盐水泥的性质、应用与存放（一）硅酸盐水泥的性质与应用1、早期及后期强度均高：适用于预制和现浇的混凝土工程、冬季施工的混凝土工程、预应力混凝土工程等。2、抗冻性好：适用于严寒地区和抗冻性要求高的混凝土工程。3、耐腐蚀性差：不宜用于受流动软水和压力水作用的工程，也不宜用于受海水和其它腐蚀性介质作用的工程。4、水化热高：不宜用于大体积混凝土工程。5、抗炭化性好：适合用于二氧化碳浓度较高的环境，如翻砂、铸造车间等。6、耐热性差：不得用于耐热混凝土工程。7、干缩小：可用于干燥环境。8、耐磨性好：可用于道路与地面工程。（二）酸盐水泥的运输与储存水泥在运输过程中，须防潮与防水。散装水泥须分库储存，袋装水泥的堆放高度不得超过十袋；水泥不宜久存，超过三个月的水泥须重新试验，确定其标号。第二节掺混合材料的硅酸盐水泥一、混合材料1、非活性混合材料：常温下不与