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1、 土木工程材料 绪 论 第一章 建筑材料的基本性质 绪 论 一 建筑材料在建筑工程中的重要作用 1 建筑材料的含义 建筑材料是指组成建筑物或构筑物个实体部分的 材料 简言之 就是建筑结构物中使用的各种材料及其制品 它是一 切建筑工程的物质基础 2 建筑材料与文明发展的关系 建筑材料是随着人类的进化而发展的 它和人类文明有着十分密切的关 系 人类历史发展的各个阶段 建筑材料都是显示它的文化的主要标志 之一 原始社会 古代社会 在隋唐时期 中国古建筑材料的发展已经较为成熟 砖 的应用逐步增多 砖墓 砖塔的数量增加 琉璃的烧制 比南北朝进步 使用范围也更为广泛 金属材料的应用 也仅限于一些农具以及装
2、饰品等小范围之内 近代与现代 3 建筑材料在工程中的重要作用 建筑材料是建筑工程的物质基础 不论是高达420 5m的上海金贸大厦 还是普通的一幢 临时建筑 都是由各种散体建筑材料经过缜密的设计和复杂的 施工最终构建而成 建筑材料的物质性还体现在其使用的巨量 性 一幢单体建筑一般重达几百至数千t甚至可达数万 几十 万t 这形成了建筑材料的生产 运输 使用等方面与其他门 类材料的不同 建筑材料的发展赋予了建筑物以时代的特性和风格 西方古典建筑的石材廊柱 中国古代以木架构为代表 的宫廷建筑 当代以钢筑混凝土和型钢为主体材料的超高层建 筑 都呈现了鲜明的时代感 建筑设计理论不断进步和施工技术的革新不但
3、受到建筑材料 发展的制约 同时亦受到其发展的推动 大跨度预应力结构 薄壳结构 悬索结构 空间网架结 构 节能型特色环保建筑的出现无疑都是与新材料的产生而 密切相关的 建筑材料的正确 节约 合理的运用直接影响到建筑工程的 造价和投资 在我国 一般建筑工程的材料费用要占到总投资的 50 60 特殊工程这一比例还要提高 对于中国这样一个发 展中国家 对建筑材料特性的深入了解和认识 最大限度地 发挥其效能 进而达到最大的经济效益 无疑具有非常重要 的意义 4 建筑材料的资源化问题 目前 随着国家可持续战略的实行 建筑材料的发展 在资源化利用方面面临着诸多需要解决的问题 如何从根本 上改变我国建材工业发
4、展中存在的高投入 低产出 高消耗 低效益的粗放式生产方式 选择资源节约型 污染最低型 质量效益型 科技先导型的发展方式 把建材的发展和资 源利用 生态保护 污染治理有机地结合起来 是21世纪我 国建筑材料发展的战略目标 发展趋势如下 用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源 采用传统工 艺制作生态建材 用粉煤灰 煤矸石 页岩 矿渣 煤渣等 工业废渣中之一种或两种 代替全部粘土或掺少量粘土仍采 用烧结法制造空心砖或实心砖 用化学石膏 磷石膏 氟石膏 排烟脱硫石膏 代替天然石膏制造石膏制品 用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源 采用新工艺制 作生态建材 利用固体废弃物为原料 采用免烧或低温烧成技
5、术 生产建筑砌块 多功能墙体材料 绿化铺地材料及水泥等 生态建材是节能 保护土地 变废物为有用资源 综合治理环 境污染 从而实现经济 社会 资源和环境协调发展的极好途 径 采用高新技术制作有益于人体健康 多功能的生态建材 高 新技术生态建材 包括常温远红外建筑陶瓷 灭菌健康建筑卫 生陶瓷 电磁波屏蔽材料 防辐射内墙涂料及电致自然光发生 材料等 工业废渣的综合利用 粉煤灰综合利用 城市固体废 弃物的综合利用 磷石膏及脱硫石膏等的应用 建材生产的生 态化 它包括 建材生产中富氧煅烧技术 废气净化与利用 建材环境负担与性能评价系和数据库 绿色标志 建材论证体 系 二 建筑材料的分类 根据化学成分建筑
6、材料可分为无机材料 有机材料和复合 材料 见表1 建筑材料分类 按功能可以分为建筑结构材料 墙体材料和建筑功能材料 见表2 建筑材料分类 建 筑 材 料 无 机 材 料 非金属材料天然石材 石子 砂 毛石 料石 烧土制品 黏土砖 瓦 空心砖 建筑陶瓷 玻璃 窗用玻璃 安全玻璃 特种玻璃 胶凝材料 石灰 石膏 水玻璃 各种水泥 混凝土及砂浆 普通混凝土 轻混凝土 特种 混凝土 各种砂浆 硅酸盐制品 粉煤灰砖 灰砂砖 硅酸盐砌 块 绝热材料 石棉 矿棉 玻璃棉 膨胀珍珠岩 金属材料黑色金属 生铁 碳素钢 合金钢 有色金属 铝 锌 铜及其合金 有 机 材 料 植物质材料木材 竹材 软木 毛毡 沥青材
7、料石油沥青 煤沥青 沥青防水制品 高分子材料塑料 橡胶 涂料 胶粘剂 复 合 材 料 无机非金属材料和有 机材料的复合 金属材料与无机非金 属材料复合 金属材料与有机材料 复合 玻璃纤维增强塑料 混合物水泥混凝土 沥青 混合料等 钢纤维 增强混凝土等 返回键 轻质金属夹芯板 建 筑 材 料 建筑结构材料 砖混结构 石材 砖 水泥混凝土 钢筋 钢木结构 建筑钢材 木材 墙体材料 砖及砌块 普通砖 空心砖 硅酸盐及砌块 墙板 混凝土墙板 石膏板 复合墙板 建筑功能材料 防水材料 沥青及其制品 绝热材料 石棉 矿棉 玻璃棉 膨胀珍珠岩 吸声材料 木丝板 毛毡 泡沫塑料 采光材料 窗用玻璃 装饰材料
8、涂料 塑料装饰材料 铝材 返回键返回键 三 建筑材料的发展趋势 世界建筑材料的发展趋势 1 根据建筑物的功能要求研发新的建筑材料 2 高分子建筑材料应用日益广泛 3 用复合材料生产高性能的建材制品 4 充分利用工业废渣及廉价原料生产建筑材料 四 建筑材料的技术标准 本课程重要依据的是国内标准 行业建材标准 JC 建工标准 JG 工程建设标准 CECS 石油标准 SY 中国国标 GB 五 本课程的学习目的及方法 本课程的学习目的是掌握建筑材料基本知识 和试验的基本性能 为学习有关基础技术课程打 下基础 并在工程实践中 具有选择与使用建筑 材料的能力 在理论学习方面 要重点掌握材料的组成 技术性质
9、和特征 外界因素对材料性质的影响和 应用原则 各种材料都应遵循这一主线来学习 返回键返回键 第二章 建筑材料的基本性质 2 2 材料的物理性质 2 3 材料的力学性质 2 4 材料的耐久性 2 1 材料的化学组成 结构和构造 2 1 材料的化学组成 结构和构造 一 材料的化学组成 材料化学组成的不同是造成其性能各异的主要原因 化学组成通常从材 料的元素组成和矿物组成两方面分析研究 材料的元素组成主要是指其化学元素的组成特点 材料的矿物组成主 要是指元素组成相同 但分子团组成形式各异的现象 建筑材料主要元素组成矿物组成 水泥Si Al Fe Mg Ca S O 硅酸二钙 硅酸三钙 铁铝 酸四钙
10、铝酸三钙 钢材Fe Ca 还有少量的 Si Mn S P等 陶瓷Si Al O Fe Mg Ca 莫来石晶体 绿泥石 伊利石 高岭石 叶蜡石 等 玻璃Ca Si O Na Na2SiO3 CaSiO3 3SiO 2 几种常见建筑材料的化学组成 二 材料的微观结构 2 1 材料的化学组成 结构和构造 材料的微观结构主要是指材料在原子 离子 分子层 次上的组成形式 材料的许多性质与材料的微观结构都有 密切的关系 较为常见的例子有C SiO2 Al2O3等 金刚石晶体 属于立方晶系 抗压强度高 耐磨性能好 而且具有抗腐蚀 抗辐射等优良性能 是天然存在最硬的物 质 碳原子以平面三角形的成键方式 组成由
11、六元环拼接的无限平面层 形分子 这些分子再堆叠成石墨 晶体 层间易于滑动 很软 是 良好的固体润滑剂 氧化铝有十多种同素异构体 但常见的主要有三种 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3属于尖晶石型 立方 结构 高温时不稳定 在1600 转 变为 Al2O3 Al2O3 属于六方系 稳定性好 在熔点2050 之 前不发生晶型转变 Al2O3的结构 a 晶格结构 b 密堆积模型 晶体 组成物质的微观离子在空间 的排列有确定的几何位置关系 具有强度高 硬度较大 有确 定的熔点 力学性质各向异性 材料的微观结构 玻璃体 组成物质的微观离子在空间 的排列呈无序状态 具有化 学活性高 无确定的熔
12、点 力学性质各向同性 胶体 极细微的固体颗粒均匀分 布在液体中所形成 呈分散 相和网状结构两种结构形式 称溶胶和凝胶 建筑材料的微观结构主要有晶体 玻璃体 和胶体等形式 三 材料的构造 材料在宏观可见层次上的组成形式称为构造 按照材料宏观组织和孔隙 状态的不同可将材料的构造分为以下类型 致密状构造 钢材 玻璃 多孔状构造 混凝土 材料的构造 微孔状构造 石膏制品 颗粒状构造 砂 石 纤维状构造 木材 层状构造 胶合板 四 建筑材料的孔隙 材料实体内部和实体间常常部分被空气所占据 一般称材料实体内部 被空气所占据的空间为孔隙 而材料实体之间被空气所占据的空间称为空 隙 材料的空隙状况由孔隙率 空
13、隙连通性和空隙直径三个指标来说明 孔隙率是指空隙在材料中所占的比例 一般孔隙率越大 材料的密度 越低 保温隔热性越好 吸声隔声能力越高 空隙按其连通性可分为连通孔和封闭空 前者指孔隙之间 空隙和外 界之间都连通的空隙 后者指孔隙之间 空隙和外界之间都不连通的空隙 孔隙按其直径的大小可分为粗大孔 毛细孔 极细微孔三类 粗大孔 指直径大于毫米级的孔隙 其主要影响材料的密度 强度等性能 毛细孔 指直径 在微米到毫米级的孔隙 主要影响材料的吸水性 抗冻性等性能 极细微孔直径在微米级以下的孔隙 其直径微小 对材料的性能影响反而 不大 返回键返回键 一 材料的体积 体积是材料占有的空间尺寸 由于材料具 有
14、不同的物理状态 因而表现出不同的体积 2 2 材料的物理性质 2 2 材料的物理性质 2 2 材料的物理性质 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 2 2 材料的物理性质 绝对密实体积 干燥材料在绝对密实状态下的体积 即材料内部固 体物质的体积 或不包括内部孔隙的材料体积 一般以 表示 一般将材料磨成规定细度的粉末 用排开液体的方法得到 其体积 表观体积 对于比较密实 孔隙较少的散粒状材料 不必磨细 直接用排开液体的方法测定的体积 一般以 表示 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 材料的自然体积 材料在自然状态下的体积 即整体材料的外观体积 含 内部孔隙和水分
15、 一般以V0 表示 形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积 形状不规则 的材料可先在材料表面涂腊 然后用排开液体的方法得到 其体积 材料的堆积体积 粉状或粒状材料 在堆积状态下的总体外观体积 松散 堆积状态下的体积较大 密实堆积状态下的体积较小 一 般以 表示 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 二 材料的密度 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 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 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 2 表观密度 材料单位表观体积的质量
16、 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 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 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 因此 材料的表观 密度与其内部构成状态 及含水状态有关 工程中砂石材 料 直接用排 水法测定其表 观体积 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 3 体积密度 体积密度是指材料在自然状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 0 材料的体积密度 g cm3 或 kg m3 m 材料的质量 g 或 kg V0 材料的自然体积 cm3 或 m3 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 4 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 0 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 一 与质量状态有关的物理性质 2 2 材料的物理性质 几种密度的比较 比较项目 实际密度 表
