土木工程材料重点总结.doc
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1、建筑材料第一章 绪言1.1土木工程材料的分类按材料的化学成分分类:无机材料。金属材料。钢、铁、铝等。 非金属材料。石、玻璃、水泥、混凝土等。 金属-非金属复合材料。钢筋混凝土等。有机材料。木材、石油沥青、塑料等。有机-无机复合材料。无机非金属-有机复合材料。 金属-有机复合材料。按功能分类;结构材料重要作用承重的材料,如梁、板、柱所用材料。功能材料重要运用材料的某些特殊功能,如用于防水、保温、装饰等的材料。1.2材料的基本状态参数1.2.1材料的密度、表观密度和堆积密度1.2.1.1密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量,称为密度。=m/V。材料的密度,g/cm;m材料在干燥状态下的质量,g;
2、V材料在绝对密实状态下的体积,cm。绝对密实状态下的体积,是指不涉及材料内部孔隙的固体物质的实体积。常用的土木工程材料中,除了钢、玻璃、沥青等认为不含孔隙外,绝大多数都具有孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简朴方法,是将该材料磨成细粉,干燥后用排液法测得的粉末体积,即为绝对密实体积。一般规定细粉的粒径至少小于0.20mm。1.2.1.2表观密度材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度。o=mVo。o材料的表观密度,kg/m;m材料的质量,kg;Vo材料在自然状态下的体积,m。所谓自然状态下的体积,是指涉及材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。测定材料自然状态下的体积,若材料外观形状规则,可
3、直接度量外形尺寸,按几何公式计算。若外观形状不规则,可用排液法求得,为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值,应在材料表面涂蜡。1.2.1.3堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量,称为堆积密度。o=mVo。o散粒材料的堆积密度,kgm;m散粒材料的质量,kg;Vo散粒材料的自然堆积体积,m。散粒材料堆积状态下的外观体积,既包含了颗粒自然状态下的体积,又包含了颗粒之间的空隙体积。散粒材料的堆积体积,常用其所填充满的容器的标定容积来表达。1.2.2材料的孔隙和空隙1.2.2.1材料的孔隙孔隙从两个方面对材料产生影响:孔隙的多少孔隙的特性材料中具有孔隙的多少常用孔隙率表征。孔隙率是材料内部
4、孔隙体积VP占材料总体积VO的百分率。孔隙率p=(VO-V)VO *100%.与孔隙率相相应的是密实度,即材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率。密实度D=VVO *100% =o *100% =1-材料的孔隙特性。按孔隙尺寸的大小。分为微孔、细孔和大孔。按孔隙之间是否互相贯通。分为孤立孔和连通孔。按孔隙与外界之间是否连通。分为开口孔和封闭孔。1.2.2.2材料的空隙散粒材料颗粒间的空隙体积VS占堆积体积的百分率。空隙率 p=(VO-Vo)Vo*100% =(1-oo)*100%与空隙率相相应的是填充率,即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。填充率D=VoVo*100% =oo *10
5、0% =1-1.3材料的力学性质1.3.1强度与比强度材料的抗拉、抗压、抗剪强度,可用下式计算:f=PA 。式中 f抗拉(或抗压或抗剪)强度,MPa; P材料破坏时的最大荷载,N; A受力面面积,mm。材料的抗弯强度计算。一种是试件在二支点的中间受一集中荷载作用,公式为:ff=3PL2bh。式中ff抗弯强度,MPa; P试件破坏时的最大荷载,N; L二支点之间的距离,mm; b,h试件截面的宽度和高度,mm。另一种是在试件两支点的三分点处作用两个相等的集中荷载,公式为:ff=PLbh。影响材料强度的因素,除了材料的组成外,材料的孔隙率增长,强度将减少;材料的含水率增长,温度升高,一般强度也会减
6、少;此外,试件尺寸大的比小的强度低,加荷速度较慢或表面不平等因素均会使强度值偏低。承重的结构材料,除了承受外荷载力,尚需承受自身重力。因此不同强度材料的比较,可采用比强度指标。比强度是指单位体积质量的材料强度,它等于材料的强度与其表观密度之比。它是衡量材料是否轻质、高强的指标。1.3.2材料的弹性与塑性材料在外力作用下产生变形,当外力去除后,能完全恢复本来形状的性质,称为弹性。这种可恢复的变形称弹性变形。材料在外力作用下产生变形,若去除外力,材料仍保持变形后的形状和尺寸,且不产生裂缝的性质,称为塑性。此种不可恢复的变形称为塑性变形。1.3.3脆性和韧性材料在外力作用下,无明显塑性变形而忽然破坏
7、的性质,称为脆性。材料在冲击或振动荷载作用下,能吸取较大的能量,产生一定的变形而不破坏的性质,称为韧性。1.4材料与水有关的性质1.4.1材料的亲水性与憎水性图中材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线,此切线与材料和水接触面的夹角,称为润湿边角。当90时,材料能被水润湿而表现出亲水性;当90时,材料不能被水润湿而表现出憎水性。=0时,材料完全被水润湿。1.4.3材料的吸湿性和吸水性吸湿性亲水材料在潮湿空气中吸取水分的性质,称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表达:含水率Wh=(ms-mg)mg *100% 。式中 Wh材料含水率,%;ms材料吸湿状态下的质量,g;mg材料干燥状态下的质量,g
8、。材料的开口微孔越多,吸湿性越强。吸水性材料在水中吸水的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表达。质量吸水率Wm=(mb-mg)mg *100%式中 Wm材料的质量吸水率,%; mb材料吸水饱和时的质量,g; mg材料在干燥状态下的质量,g。体积吸水率Wv=(mb-mg)vo * 1w *100% 式中 w水在常温下的密度(w=1gcm); vo干燥材料在自然状态下的体积,cm。质量吸水率和体积吸水率两者存在以下关系:Wv=Wm*o 式中o材料干燥状态时的表观密度,gcm。影响吸水性的因素:亲憎水性、孔隙大小、孔隙特性。开口细微连通孔越多,吸水量越大。1.4.4耐水性耐水性是指材料长期在水作用
9、下不破坏,强度也不明显下降的性质。耐水性用软化系数表达。KR=fbfg式中 KR材料的软化系数; fb材料在饱和吸水状态下的抗压强度,MPa; fg材料在干燥状态下的抗压强度,MPa.一般材料吸水后,强度均会有所减少,强度减少越多,软化系数越小,说明材料的耐水性越差。工程中将KR0.85的材料,称为耐水材料。长期处在水中或潮湿环境中的重要结构,所用原材料必须保证KR0.85,用于受潮较轻或次要结构的材料,其值也不宜小于0.75.1.4.5抗渗性材料的抗渗性,是指其抵抗压力水渗透的性质,材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级表达。1.4.6抗冻性抗冻性是指材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破
10、坏,强度也不显著减少的性质。材料的抗冻性常用抗冻等级F表达。1.5材料的热性质材料的热性质重要涉及热容性、导热性和热变形性。1.6材料的耐久性材料的耐久性,是指用于构筑物的材料在环境的各种因素的影响下,能长期地保持其性能的性质。影响因素有物理作用、化学作用、机械作用、生物作用。第二章 气硬性胶凝材料建筑上用来将砂子、石子、砖、石块、砌块等散粒材料或块状材料粘结为整体的材料,称为胶凝材料。胶凝材料分为有机胶凝材料和无机胶凝材料。无机胶凝材料则按硬化条件不同,分为气硬性和水硬性两种。气硬性胶凝材料是只能在空气中硬化,也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料,只合用于地上或干燥环境,如石膏、石灰
11、、水玻璃等。水硬性胶凝材料是不仅能在空气中硬化,并且能更好地在水中硬化,并保持和继续发展其强度的胶凝材料,如各种水泥。2.1石灰2.1.1石灰的特性可塑性和保水性好。生石灰(CaO)水化时水化热大,体积增大。生石灰加水进行水化的过程,称为石灰的熟化或消化。生石灰熟化时放出大量的热,且体积增大1.02.5倍。 生石灰常具有过火石灰,水化极慢,当石灰变硬后才开始熟化,产生体积膨胀,引起已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过火石灰的危害,需将石灰浆至于消化池中23周,即所谓陈伏。陈伏期间,石灰浆表面应保持一层水,隔绝空气,防止Ca(OH)2和CO2发生碳化反映。硬化缓慢。石灰水化后的逐渐凝结硬化,
12、重要涉及两个同时进行的过程:结晶过程,碳化过程。硬化时体积收缩大。硬化后强度低。耐水性差。2.1.2石灰的应用制作石灰乳涂料。配制砂浆。石灰浆和消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成砂浆,前者简称石灰砂浆,后者称混合砂浆,用于墙体的砌筑和抹面。为了克服石灰浆收缩性大的缺陷,配制时常要加入纸筋等纤维质材料。拌制石灰土和石灰三合土。消石灰粉与粘土拌合,称为灰土,若再加入砂(或碎石、炉渣等)即成三合土。灰土和三合土在夯实或压实下,密实度大大提高,并且在潮湿的环境下,粘土的抗渗能力、抗压强度耐水性得到改善。三合土和灰土重要用于建筑物基础、路面和地面的垫层。2.2石膏石膏是一种以硫酸钙为重要成分的气硬性胶凝
13、材料。建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。由于建筑石膏粉易吸潮,会影响其以后使用时的凝结硬化性能和强度,长期储存也会减少强度,因此建筑石膏粉贮藏运送时必须防潮,储存时间不得过长,一般不得超过三个月。2.2.1建筑石膏的特性凝结硬化快。通过初凝、终凝,最终硬化。建筑石膏凝结硬化过程不久,其终凝时间不超过30min,在室内自然干燥的条件下,一星期左右完全硬化,所以根据实际需要,往往加入适量缓凝剂。硬化时体积微膨胀。石灰和水泥等胶凝材料硬化时往往产生收缩,而建筑石膏却略有膨胀(膨胀率为0.05%0.15%),这能使石膏制品表面光滑饱满,棱角清楚,干燥时不开裂。硬化后
14、孔隙率较大,表观密度和强度减少。建筑石膏在使用时,为获得良好的流动性,加入的水量往往比水化所需的水分多,石膏凝结后,多余水分蒸发,在石膏硬化体内留下大量孔隙(孔隙率高达50%60%),故表观密度小,强度低。隔热、吸声性良好。石膏硬化体孔隙率高,且均为细微的毛细孔,故导热系数小,具有良好的绝热能力;石膏的大量微孔,特别是表面微孔使声音传导或反射的能力也显著下降,从而具有较强的吸声能力。防火性能良好。遇火时石膏硬化后重要成分里的结晶水蒸发并吸取热量,制品表面形成蒸汽幕,能有效阻止火势蔓延。具有一定的调温调湿性。耐水性和抗冻性差。加工性能好。2.3水玻璃水玻璃俗称泡花碱,是一种能溶于水的硅酸盐,以硅
15、酸钠水玻璃最为常用。水玻璃具有良好的粘结性能。水玻璃的模数越大,胶体组分越多,越难溶于水,粘结能力越强。在水玻璃溶液中加入少量添加剂,如尿素,可以不改变粘度而提高粘结能力。工程中常用的水玻璃模数为2.62.8,密度为1.31.4gcm。水玻璃中总固体含量增多,则冰点减少,性能变脆。冻结后的水玻璃溶液,再加热融化,其性质不变。水玻璃具有很强的耐酸性能,能抵抗多种无机酸和有机酸。水玻璃耐热温度可达1200,在高温下不燃烧,不分解,强度不减少,甚至有所增长。水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶能堵塞材料的毛细孔隙,起到阻止水分渗透的作用。第三章 水泥水泥不仅能在空气中硬化,并且在水中能更好的硬化,并保持和发展
16、其强度。因此,水泥是一种水硬性胶凝材料。3.1常用水泥我国常用水泥的重要品种有硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。常用水泥的生产环节:硅酸盐水泥熟料的烧成。磨制硅酸盐系列水泥成品。3.1.1.1水泥熟料的烧成烧制硅酸盐水泥熟料的原料重要是提供CaO的石灰质原料,如石灰石,以及提供SiO2、Al2O3和少量Fe2O3的粘土质原料,如粘土、页岩等。此外,有时还配入铁矿粉等辅助原料。将上述几种原材料按适当比例混合后在磨机中磨细,制成生料,再将生料入窑进行煅烧,便烧制成黑色球状的水泥熟料。硅酸盐水泥熟料重要由四种矿物组成,其名称、含量范围如下:硅酸三钙(简写为C3S),含
17、量36%60%;硅酸二钙(简写为C2S),含量15%37%;铝酸三钙(简写为C3A),含量7%15%;铁铝酸四钙(简写为C4AF),含量10%18%。前两种矿物称硅酸盐矿物,一般占总量的75%82%. 3.1.1.2磨制水泥成品磨制水泥成品时的原材料涉及水泥熟料、石膏和混合材料。用于水泥中的石膏一般是二水石膏或无水石膏。用于水泥中的混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料。活性混合材料是指那些与石灰、石膏一起,加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性混合材料中的重要活性成分是活性氧化硅和活性氧化铝。水泥生产中常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。非活性混合材料掺入
18、水泥中仅仅起调节水泥性质,减少水化热,减少强度等级和增长产量的作用。把水泥熟料、适量石膏,分别和不同种类、数量的混合材料,混合在一起磨细,即可制成以下六大常用水泥:硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣及适量石膏组成。分两种类型,不掺混合材料的为型,掺不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的为型。普通(硅酸盐)水泥。由硅酸盐水泥熟料、5%20%混合材料及适量石膏,经磨细制成的水硬性胶凝材料。矿渣(硅酸盐)水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%70%的粒化高炉矿渣和适量石膏组成。火山灰质(硅酸盐)水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%40%火山灰质混合材料和适量石膏组成。粉煤灰(硅酸盐
19、)水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%40%粉煤灰和适量石膏组成。复合(硅酸盐)水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%50%的两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。硅酸盐水泥重要生产流程:石灰 石膏粘土 按比例混合磨细 生料 煅烧 熟料 磨细 水泥铁矿粉 混合材料3.1.2常用水泥的特性3.1.2.1硅酸盐水泥水化凝结硬化快,强度高,特别初期强度高。水泥加水拌合后,分散在水中的水泥颗粒开始与水发生水化反映,在水泥颗粒表面逐渐形成水化物膜层,此阶段的水泥浆既有可塑性又有流动性。随着水化反映的发展,膜层长厚并互相连接,浆体逐渐失去流动性,产生“初凝”,继而完全失去可塑性,并开始产生结构强度,即为“终凝”。水化反
20、映进一步发展,水化产物不断填充毛细孔,水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体,即为“硬化”。由于硅酸盐水泥熟料四种重要矿物中C3A的水化、凝结和硬化不久,因此若水泥中没有石膏时,C3A会使水泥瞬间产生凝固。但是,石膏掺量不能过多,否则不仅缓凝作用不大,并且还会引起水泥的体积安定性不良硅酸盐水泥中C3S的含量高,有助于28天内的强度快速增长,同时较多的C3A也有宜于水泥石13天或稍长时间内的强度增长。C2S的强度发挥有助于硅酸盐水泥后期强度的增长。因此,硅酸盐水泥适宜配制高强混凝土及合用于规定初期强度高的混凝土。水化热大。水泥的水化反映为放热反映,硅酸盐水泥的C3S和C3A含量高,所以水化热
21、大,放热周期长,一般水化3天的放热量约为总水化热的50%,7天为75%,3个月达90%。故硅酸盐水泥不适宜在大体积工程中应用。耐腐蚀性差。硅酸盐水泥的抗侵蚀性在六大常用水泥中是最差的,但与钢材、木材相比其耐腐蚀性能还是较好的。硅酸盐水泥硬化后,在一般使用条件下有较高的耐久性。水泥石的水化产物中存在大量Ca(OH)2,使水泥石处在一定的碱度中,从而各水化产物能稳定存在,保持良好的胶结能力。水泥石发生破坏的因素: 假如水泥石长期处在流水和压力流水的作用下,水泥石中的Ca(OH)2就会不断溶出流失,使水泥碱度不断减少,当Ca(OH)2的浓度下降到水泥石中水化产物能稳定存在的极限浓度时,水化产物将分解
22、或被溶解,从而胶结能力减少,强度不断下降,最终使水泥石发生破坏。 假如水泥石长期处在某些盐类或酸类环境中,也会导致Ca2+流失,出现胶凝性减少的现象。 水泥石受侵蚀破坏的另一种典型现象,是水泥石中的 Ca(OH)2与环境介质中的硫酸盐发生反映,生成硫酸钙,硫酸钙将和水泥石中的水化铝酸钙反映生成钙矾石,钙矾石比原体积增长1.5倍以上,因此会对水泥石导致极大的膨胀破坏作用。 产生水泥石腐蚀的主线因素:外部是存在侵蚀介质;内部是由于水泥石中存在易被腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙,以及水泥石自身不密实,存在很多侵蚀性介质宜于进入内部的毛细孔道。抗冻性好,干缩小。硅酸盐水泥硬化水泥石较致密,抗冻性优于其他常
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