土木工程材料讲义

《土木工程材料》教案（高峰，2008.8.）课程说明本课程适用于高等院校工科土建类专业，属专业基础课。要求先修课程：普通化学、普通物理、材料力学；后续课程：工程材料学、胶凝材料学、无机非金属材料学、钢筋混凝土学等。注册建筑师、结构工程师资格考试中部分内容涉及本课程。教学安排课时：16周×2学时/周+期末测验。2008.9.9.~12.30.，考查课，2学分。上课时间地点：周二3、4节，北楼418。实验时间地点：周五1、2节，工程试验馆。教材：《土木工程材料》，吴科如、张雄主编，同济大学出版社，2003年6月第1版。参考书目：1.《新编建筑工程材料》，李铭臻主编，中国建材工业出版社98.1.版。TU5/ZL411-22.《建筑材料学》，徐家宝主编，华南理工大学出版社95.4.版。TU5/ZX572a课时安排：第1讲：绪论，建筑材料的基本性质第2讲：建筑材料的基本性质（续），建筑钢材第3讲：木材，石材第4讲：气硬性无机胶凝材料第5讲：水泥第6讲：混凝土第7讲：混凝土（续1）第8讲：混凝土（续2）第9讲：建筑砂浆第10讲：建筑塑料第11讲：建筑塑料（续）第12讲：墙体材料和屋面材料第13讲：防水材料第14讲：绝热材料和吸声隔声材料第15讲：建筑装饰材料第16讲：复习===========第1讲==========绪论一．教学目的对建筑材料的基本知识（品种、材性、应用）有一般了解，能合理选择、使用常用的建筑材料，满足实际应用要求。说明1．针对某一具体应用，能合理选择所需建筑材料。2．针对某一具体建筑材料，能合理使用，满足实际需要。二．建筑材料的分类1．按组成：无机材料、有机材料、复合材料。2．按性能：结构材料（钢筋混凝土、钢材）、功能材料（装饰、防水、绝热、隔声）。3．按使用部位：承重材料、屋面材料、墙体材料、地面材料。说明1．目前，全世界注册的正式材料已超过25万种，并以每年5%的速度增长。2．材料的分类：按组成分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料；按使用领域分为：建筑材料、航空材料、电子材料、医用材料等。3．在学科上，一般按化学组成分类。4．无机非金属材料是由一百多种元素按不同组合构成的庞大家族，最主要的是由硅、铝、氧元素组成的硅酸盐材料，分为水泥、陶瓷、玻璃三大类。5．在建筑材料中，胶凝材料具有很重要的作用。6．材料学或材料工程学涉及材料的性能研究、测试、人工合成、应用。7．材料科学是从化学、物理学的角度研究材料的组成、结构与性能的关系，以此为材料的合成与应用提供科学依据。材料科学是介于基础科学与应用科学之间的基础应用学科。三．建筑材料的发展从天然材料发展到人造材料，从无机材料发展到有机材料，从单一材料发展到复合材料，从传统材料发展到新型材料。建筑材料的发展趋势是：轻质、高强、耐久、多功能。建筑材料的生产将越来越注重保护自然资源、利用再生资源、减少能源消耗和环境污染。建筑材料的发展与建筑设计、施工以及材料科学的发展有着密切联系。一个国家使用的材料品种和数量的多寡是衡量其科学技术和经济发展水平的重要标志。回顾材料及材料科学发展的历史：人类利用石块、树枝作工具的时期叫旧石器时代；约50万年前，人类学会了用火，由此进入新石器时代，此间有两件重大发明：制陶（历史上第一个人造材料）、冶铜（历史上第二个人造材料）；青铜时代，我国的殷、西周时期对青铜冶炼已达到很高水平；铁（历史上第三个人造材料）的熔点更高、冶炼技术更复杂，至今，钢铁产量仍是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志，可以说铁器时代延续至今。十八世纪工业革命（1789年）以后，机器战胜了手工劳动，对材料、特别是钢铁的需求急剧增长，在化学、物理学、材料力学等学科的基础上产生了一门新的科学——金属学。进入二十世纪后，在材料中非金属材料发展迅速，尤以人工合成高分子材料的发展最快，在金属学、陶瓷学、高分子科学及现代物理、化学的基础上，于六十年代发展起一门新兴科学——材料科学。目前材料研究面临的问题包括：轻质、腐蚀、磨损、老化、废物利用。建筑材料的发展历史：胶凝材料经历了从泥土到气硬性胶凝材料石膏、石灰，到水硬性胶凝材料水泥；结构材料经历了从最初的石块、树枝、泥土，到木结构、砖石结构使用的木材、石材、烧结或非烧结砖，到目前的钢铁、混凝土；功能材料经历了从最初的茅草、兽皮、木材，到目前品种繁多的装饰材料、防水材料、绝热材料等。四．建筑材料的技术标准1．国内：国家标准（GB）、部标准（JC、LG等）、企业标准（QB）。2．国际：国际标准化组织（ISO）、美国（ASTM）、英国（BS）、德国（DIN）等。说明所采用标准应现行有效。思考题1．建筑材料的研究在现代建筑业中有何意义？2．建筑材料可分为哪几类？3．选用建筑材料的基本原则是什么？4．对于传统建筑材料与新品种材料的使用应抱什么态度？第一章建筑材料的基本性质第一节建筑材料的基本物理性质包括与重量、构造状态有关的性质（密度、孔隙率）；与水有关的性质（亲水性、吸水性、耐水性）；与热有关的性质（导热性）；与声有关的性质（吸声性）。一.密度、表观密度、堆积密度定义1．密度：材料在绝对密实状态下，单位体积的重量。ρ=m/V，单位：g/cm3。2．表观密度：材料在自然状态下，单位体积的重量。ρ0=m/V0，单位：g/cm3或kg/m3。3．堆积密度：散粒状材料在堆积状态下，单位体积的重量。ρ0’=m/V0’，单位：kg/m3。说明1．物理概念上的“质量”，在工程上常称为“重量”，以区别于品质意义上的“质量”。2．测定密度、表观密度、堆积密度时，重量指干燥至恒重时的重量（否则须注明含水情况）；体积有不同含义：绝对密实状态下，应排除材料中任何孔隙（有孔隙材料应将其磨细、干燥后，用比重瓶测定。）；自然状态下，应包含材料内部孔隙（用排水法测定）；堆积状态下，应包含材料内部孔隙及颗粒间空隙（用容量筒测定）。3．表观密度建立了材料自然体积与重量之间的关系，在工程上可用来计算材料用量、构件自重、材料堆放空间等。4．应使用我国法定计量单位。按现行规范，不使用容重（现为表观密度）、比重（现为密度）的称呼。二.孔隙率、空隙率定义1．孔隙率：材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。P=（V0-V）/V0×100%=（1-ρ0/ρ）×100%2．空隙率：散粒状材料颗粒间空隙体积占其自然堆积体积的百分率。P’=（V0’-V0）/V0×100%=（1-ρ0’/ρ0）×100%说明1．孔隙率直接反映材料的密实程度，孔隙率高，则密实程度小。2．有关材料内部孔隙的大小、形状、数量、分布、连通与否等，统称为孔隙特征。工程上主要指孔隙的连通性，分为连通孔（开孔）、封闭孔（闭孔）。3．开孔不仅彼此贯通还与外界相通，如毛细孔。开孔能提高材料的吸水性、透水性、吸声性，降低抗冻性。4．闭孔不仅彼此不连通还与外界隔绝。闭孔能提高材料的隔热保温性能和耐久性。5．孔隙率和孔隙特征与材料的强度、吸水性、保温性、耐久性等有密切关系。6．空隙率可用于控制砂、石级配及计算混凝土配合比。三.亲水性、憎水性定义1．润湿角：在材料、水、空气的三相交界处，沿水滴表面的切线与水和材料的接触面之间的夹角。2．亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。亲水性材料的润湿角θ≤90°。3．憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。憎水性材料的润湿角θ90°。说明1．亲水性材料能被水润湿，即水可在材料表面铺展开，而且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部，如右图（a）所示。憎水性材料不能被水润湿，水分不易渗入材料毛细管中，如右图（b）所示。2．憎水性材料常用作防水材料。亲水性材料表面作憎水处理，可提高其防水性能。四.吸水性、吸湿性定义1．吸水性：材料在水中吸收水分的性质。以吸水率表示。2．吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。以含水率表示。3．吸水率：重量吸水率指材料在吸水饱和状态下，所吸水重量占材料绝干重量的百分率。体积吸水率指材料在吸水饱和状态下，所吸水体积占绝干材料自然体积的百分率。工程上常用重量吸水率。4．含水率：材料所吸收水分的重量占材料绝干重量的百分率。说明1．材料的吸水率反映材料吸收水分的能力，是固定值。2．材料的含水率表示材料在某一时间的含水状态，不是固定值，随环境温度和空气湿度的变化而改变。与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。3．材料的吸水性和吸湿性，取决于材料的亲水性、孔隙率、孔隙特征。一般地，孔隙率大，则吸水性大。材料具有微小而连通的孔隙（如毛细孔），其吸水性和吸湿性较强。4．材料吸水后，对材料性能有不利影响：表观密度增大，体积膨胀，强度下降，保温性能下降，抗冻性变差。五.耐水性、抗渗性、抗冻性定义1．耐水性：材料长期在饱和水作用下不破坏，且强度也不显著降低的性质。常用软化系数表示。2．抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质。常用渗透系数或抗渗标号表示。3．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，强度又不显著降低的性质。常用抗冻标号表示。4．软化系数：材料在吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。软化系数越小，表示材料的耐水性越差。5．渗透系数：根据达西定律，K=Q*d/（A*t*H）。渗透系数越大，表示材料的抗渗性越差。6．抗渗标号：材料在标准试验方法下进行透水试验，以试件在透水前所能承受的最大水压力来确定。抗渗标号越大，表示材料的抗渗性越好。7．抗冻标号：材料在标准试验方法下进行冻融循环试验，以重量损失不超过5%、强度下降不超过25%时，所能经受的最大冻融循环次数来确定。抗冻标号越大，表示材料的抗冻性越好。说明1．工程上，将软化系数不低于0.85的材料称为耐水性材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，必须选用耐水材料；用于受潮较轻或次要结构的材料，其软化系数不应低于0.75。2．材料的耐水性主要与其组成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有关。如金属材料的软化系数为1，粘土为0。3．防渗、防水材料（如油毡、瓦、水工沥青混凝土）的防水性常用渗透系数表示。建筑工程材料（如砂浆、混凝土）的抗渗性常用抗渗标号表示，如P4、P6。4．材料的抗渗性与其亲水性、孔隙率和孔隙特征有关。亲水性材料的毛细孔有利于水的渗透；开口大孔最易渗水。5．材料的抗冻性与其孔隙率、孔隙特征、吸水饱和程度、强度及冻结条件有关。六.导热性、热容量定义1．导热性：材料传导热量的性质。用导热系数表示。2．热容量：材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。用比热表示。3．导热系数：单位厚度的材料，当两侧温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。λ=Q*δ/（（τ1-τ2）*F*Z），单位：W/（m·K）。4．热阻：材料的导热系数与材料层厚度之比的倒数。R=δ/λ，单位：（m2·K）/W。5．比热：单位重量的材料，温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。c=Q/(m*(τ1-τ2))，单位：J/（kg·K）。说明1．热阻说明材料层抵抗热流通过的能力。热阻越大，表示材料层的保温绝热性能越好。2．导热系数的影响因素：材料的组成与结构（金属材料＞非金属材料，无机材料＞有机材料，晶体材料＞非晶体材料），表观密度，孔隙率（因为空气的导热系数很低），孔隙结构（由于对流传热，粗大、开孔材料＞细小、闭孔材料），含水状态（冰＞水＞空气），温度（高温＞低温，但金属材料除外）。3．比热反映材料吸热或放热能力的大小。4．热容量大，可长时间保持室内温度的稳定，因此，在建筑设计、热工计算时，应选用导热系数小、热容量大的材料。七.吸声性、隔声性定义1．吸声性：材料吸收声音的性质。用吸声系数表示。2．隔声性：材料隔绝声音的性质。用隔声量表示。3．吸声系数：声波在材料表面被吸收的声能与入射总声能之比。α=E1/E04．隔声量：R=10*lg(E0/E2)，单位：dB。说明1．吸声系数与声音的频率和入射方向有关。2．平均吸声系数不小于0.2的材料称为吸声材料。吸声材料多为轻质、疏松、多孔的材料，空隙率常在70%以上。如玻璃棉、岩棉、矿棉等纤维材料及其板、毡制品，开口石膏板、软质纤维板等。3．吸声效果的影响因素