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1、土木工程材料同济大学材料科学与工程学院 建筑材料研究所 张晏清,绪论,意义：用、买、卖、研发 特点：浅、广、杂；学习方法： 基本性能 水泥及胶凝材料 混凝土 钢材 沥青防水材料 其余,第一章 材料的物理性质,1.密度性质：4项 定义：材料在-状态下，单位体积质量 1.密度：=m/V； 材料属于绝对密实状态：颗粒内无孔、外无孔 测定：磨细，排水法测定,表观密度：=m/V； 定义：材料在近似绝对密实状态下，单位体积质量。 材料内有微孔、表面无孔 测定方法:单块材料,排水法求体积：不涂蜡,体积密度（容积密度、容重）：0=m/V0； 定义：材料在自然状态下，单位体积质量。 自然状态：单一材料内有孔、表
2、面有孔 体积密度与含水率有关。一般指干燥状态。 V0：求法 量尺寸、计算 排水法：涂蜡,堆积密度（松散容重）：0=m/V0； 定义：材料在自然堆积状态下，单位体积质量。 自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒内有孔、表面有孔、颗粒之间存在空隙。 单位体积：1m3,比较,密度：材料内无孔、表面无孔 表观密度：材料内有孔、表面无孔 体积密度：材料内有孔、表面有孔 堆积密度：材料内有孔、表面有孔；颗粒之间有空隙。 计算方法、比较,2.孔隙与孔隙率,孔隙率公式： （总体积-固体体积）/总体积 P=（1-0/） 密实度D=1-P,空隙率公式： P=（1-0/） 一堆石子、砂,V0体积求算,规则物体：量尺寸
3、、计算求之 不规则物体：排水法求之 不涂蜡：表观密度 涂蜡：体积密度。,堆积密度（松散容重）：0=m/V0； 定义：材料在自然堆积状态下，单位体积质量。 自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒内有孔、表面有孔、颗粒之间存在空隙。,用途,密度（比重）：科研、配料计算； 表观密度：可近似取代密度或体积密度（依题意而定） 体积密度（容重）：荷载计算； 堆积密度：筒仓等体积计算,研究材料孔隙率： 保温材料； 吸声材料； 高强混凝土 习题：某材料，已知其密度为2.7，在水饱和状态下，体积密度为1.862，体积吸水率为46.2%。求：材料孔隙率。,3.材料与水有关的性质,表面物理化学讨论的重点之一 3.1亲
4、水性：混凝土要求质量优化，亲水性应好。 亲水性：润湿角90 润湿角：液气固三相交界处，液体表面切线与固体表面夹角。,材料的亲水性质,无机材料多为亲水性 玻璃、混凝土、砖瓦、钢铁、 有机物：憎水材料 有机硅、橡胶,憎水性：润湿角90 石蜡、沥青、有机硅、硬脂酸（盐）。 保温材料:保温砂浆为了提高抗渗性，配方中加入硬脂酸（盐）:硬脂酸钠、钙 新型防化服；防水材料 润湿角=90,3.2吸水性,定义：材料在水中吸收水分的能力。 用吸水率表示。 2个指标： 质量吸水率：g/g 体积吸水率g/cm3,1.体积吸水率=开口孔隙率。 2.体积吸水率100% 3.质量吸水率可大于、等于、小于100%。 4.材料
5、总孔隙率=开口孔隙率+闭口孔隙率。,3.3吸湿性,定义：材料在空气中吸收水分的能力。 用含水率表示。 与环境湿度有关，变量！ 平衡含水率！ 含水率极限即为吸水率,3.5耐水性,定义：饱水材料与干燥材料强度之比 原土建筑：黄土； 石膏制品：不可用于潮湿环境。 耐水性差 软化系数：K软 K软0.85,3.6抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质。 用2个指标表示： 1渗透系数：适于结构疏松材料：土、砂、砖； 流沙现象： 2）抗渗等级P：适于结构密实材料：混凝土；砂浆 P6P10；C30、,3.7抗冻性,定义：饱水试件承受多次冻-融循环而不破坏的性质。-2020；8h 饱、循、正常 用抗冻等级F-表
6、示。F100 F100抗冻性一般。 通常F300,材料受冻破坏原因 ：材料中水结冰，体积膨胀导致破坏。 抗冻性影响因素： 闭口小孔，孔隙率高，材料抗冻性好。,四、与热有关的性质,1.导热性：材料传递热量的能力。（保温/绝热性） 用导热系数表示。 材料导热系数影响因素：化、孔、水。 化：化学组成； 孔：孔隙率、孔隙形状：闭口小孔，孔隙率高，材料保温性好。小。 水：含水率高，材料保温性差。大。,2.热阻：导热系数的倒数。计算房屋保温性能时，累计计算即可 3.热容c：反映温度的稳定性： 用比热表示。水的比热最大。砂石比热小。 理想建筑材料,应当是： 导热系数应小、热容c大; 实际不存在,例题,理想建
7、筑材料,应当是：C A.大、c大; B.小、c小 C.小、c大 D.大、c小,五、与声有关性质,吸声性：细微、开口、连通孔，孔隙率大，吸声性好:稻草板。 隔声性：材料的质量有关(重量)：厚重、密实材料，隔声性好。,思考题,试述材料孔隙率、孔隙结构对材料性能的影响 试述含水率对材料性能的综合影响,第二节 材料的力学性质,所有材料的力学性质包括：强度、变形 1.强度：材料抵抗荷载破坏的能力。 强度分类：抗拉强度；抗压强度；抗剪强度；弯曲抗压强度（抗弯强度）=抗折强度 三点弯曲与四点弯曲实验 荷载：load；加载：loading、,钢：抗拉强度； 混凝土：抗压强度； 岩石：抗压强度,抗剪强度； 混凝
8、土：弯曲抗压强度（抗弯强度） 水泥胶砂：抗压强度,抗折强度,比强度=强度/体积密度 比强度大，表示材料轻质高强。 比强度大材料：钛合金；硼、碳纤维增强树脂、芳纶增强树脂-凯芙拉 建筑材料中比强度大者：木材、玻璃钢（玻璃纤维增强树脂）,比强度大： 钛合金： 玻璃钢：玻璃（碳、硼）纤维增强树脂；,二、变形,1.弹性：材料在荷载作用下产生变形，荷载与变形呈线性关系；除去荷载，变形完全消失。（胡克定律） 2.塑性：材料在荷载作用下产生变形，两者无线性关系；除去荷载，变形不能完全消失 对于防水材料，良好塑性极为重要。,3.脆性：材料在破坏（尤其指冲击性的荷载）前无显著塑性变形的现象。 玻璃：在荷载作用下
9、产生变形至破坏，两者为线性关系。 4.韧性：材料/结构抵抗（冲击）荷载破坏的能力。,（二）影响材料强度试验的因素：,1.试件尺寸大，测得的强度低；（可能的缺陷尺寸大） 2.试件高宽比大，测得的强度低；轴心抗压强度fc小于立方体抗压强度fcu 3.试件加载面光滑，测得的强度低（界面约束小） 4.加荷速度快，测得的强度高； 5.含水率高、温度高，测得的强度低。温度高：木材、钢、沥青强度低,第三节 耐久性,要素： 1.在规定使用期限内（时间）， 2.在所处工作环境条件下， 3.材料/结构正常发挥使用功能的性质。,第四节 材料组成与结构,1.材料组成：化学组成；矿物组成。 2.材料结构： 宏观：目视
10、细观：显微镜； 微观：电镜、XRD 晶体：有固定熔点、尺寸：单晶体（各向异性）、多晶体（各向同性） 玻璃体无固定熔点、有活性 胶体,第二章 石材,基本知识 1.岩石是矿物的集合体。 石英、长石、方解石、暗色矿物、 2.岩石结构,岩石的分类,1.岩浆岩（火成岩）： 3种： 深成岩（花岗岩）； 喷出岩（玄武岩、安山岩、辉绿岩）；强度高；铸石 火山岩（火山灰、沸石）强度低,2.沉积岩（水成岩）： 石灰岩：强度较高 砂岩：易于风化3.变质岩：2种 正变质岩：由岩浆岩转变片麻岩，劣化 副变质岩：大理石，性能优化,二、用途,1.岩浆岩：花岗岩（类）：强度极高、耐磨、耐化学腐蚀（耐酸）；风格粗犷；不耐火（5
11、73石英相转变，体积膨胀）；易于抛光但表面多裂隙；某些品种有一定放射性：含氡 适用于室外、交通流量大场合,2.（变质岩）大理石CaCO3：强度高、易于抛光且表面光滑；风格细腻；不耐磨、不耐化学腐蚀（酸）；无放射性；用于室内、交通流量不大场合；3.（沉积岩）石灰石CaCO3：一般石材，烧制水泥、石灰、混凝土骨料。,青石板 砂岩：疏松、易于风化 文物保护：乐山大佛 石材性质 砌筑用石材的抗压强度用70mm立方体试件测试,第三章 气硬性无机胶凝材料,胶凝材料：“胶水”：能将固体材料粘结形成整体的材料。 无机胶凝材料：气硬性（4）；水硬性：水泥（1） 有机胶凝材料：树脂。 气硬性胶凝材料：只能在空气中
12、硬化并在空气中保持强度的胶凝材料：石灰、石膏、水玻璃、菱苦土 水硬性胶凝材料：既可以在空气中硬化、也可以在水中硬化并保持强度的胶凝材料。,第一节 石灰（传统、价廉）,生产 石灰石CaCO3煅烧 CaCO3 CaO+CO2 温度：9001100 CaO：生石灰 过火石灰：焙烧温度过高所制得的石灰； 欠火石灰：焙烧温度过低所制得的石灰。,石灰的消化（熟化）,CaO+H2OCa(OH)2+Q Ca(OH)2：熟石灰、石灰膏（乳）、石灰浆体。 1.体积膨胀过程 2.放热反应 3. Ca(OH)2保水性好！ 熟化反应（消化反应）。,过火石灰与水反应速度极慢，使用时在空气中吸收水分，逐渐水化反应生成Ca(
13、OH)2。体积膨胀导致石灰表面爆裂 石灰爆裂,名词：石灰爆裂，砖的性能指标之一 反应一般硬化1年以上出现。,为防止过火石灰危害，采用陈伏工艺解决 陈伏：为防止过火石灰危害，石灰使用前在水中浸泡一段时间使之充分水化。此工艺称为；此段时间称为陈伏期。 重点！,石灰的硬化,分为两步： 1.干燥硬化：Ca(OH)2结晶析出； 2.碳化硬化Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3CaCO3 CaO+CO2 CaO+H2OCa(OH)2+Q Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3,石灰特点,1、凝结硬化速度慢；石灰硬化速度极慢，表面结硬一般23月完成。 2、硬化后体积收缩大、开裂严重；必须加入纸筋、麻纤
14、维、砂 3、保水性好；（水泥砂浆加入石灰即利用此特性） 4、耐水性差,用途：砌墙砂浆、三合土、加气混凝土砌块； 必须加入：砂（石灰砂浆）；纸筋（纸筋灰）；麻纤维,第二节 石膏（传统、时尚）,生产：天然二水石膏焙烧（炒石膏）、磨细即可 质量与温度、压力、水分有关 Ca(SO)42H2OCa(SO)40.5H2O 温度：107 170 - Ca(SO)40.5H2O （-半水石膏；建筑石膏）,温度124、1.3atm蒸汽+催化剂： Ca(SO)42H2O - Ca(SO)40.5H2O （-半水石膏；高强石膏）；1525Mpa左右； 温度800：生成Ca(SO)4；无水石膏、硬石膏。,二、水化反应
15、,半水石膏与水混合，重新生成二水石膏 Ca(SO)40.5H2O+H2OCa(SO)42H2O 反应特点：凝结速度快：530min硬化 原因： Ca(SO)40.5H2O溶解度大，生成的 Ca(SO)42H2O溶解度小，结晶析出导致反应快速、完成。 缓凝剂：柠檬酸、硼砂、,名词解释：适用于石膏、水泥、混凝土,初凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至浆体初步失去流动性所经历的时间； 终凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至浆体完全失去流动性所经历的时间。 何谓初步失去流动性？用扩展度表示,三、石膏特点（/石灰）,1.凝结硬化速度快（/慢）； 2.硬化后体积略膨胀，不开裂（/收缩大）； 3.防火性好（/保
16、水性好）； 4.耐水性差（/相同）（不易用于潮湿环境） 5.孔隙率高：吸湿性好；吸声性可 石膏板：纸面石膏板，吊顶、吸声板 石膏粉：腻子、粉刷浆料 石膏条板,化学石膏、脱硫石膏属于工业废渣 用于建筑，减少污染，符合可持续发展战略,第三节 水玻璃,硅酸钠：Na2OnSiO2 钠水玻璃 硅酸钾、硅酸锂（质优、价高、少用） n：水玻璃模数，重要！ n大，水玻璃溶液粘度大，粘结力强，耐酸性、耐热性好、强度高；不易溶解，施工略困难。,水玻璃密度（浓度）大，粘结力强，耐酸性、耐热性好、强度高；施工略困难。 水玻璃在空气中生成SiO2 SiO2紧密聚集，形成无机网络。具有强度、耐酸、耐高温；不耐碱。 水玻璃硬化缓慢，加入氟硅酸钠可以加速硬化。 氟硅酸钠是促硬剂。单氟磷酸钠,水玻璃特点：,耐酸: 制备耐酸混凝土（有施工规范） 耐高温: 耐受1000。耐高温混凝土；砌筑窑炉 可作为无机涂料。墙面，价廉，性能一般。耐水性差。工业地坪中有一种液体硬化剂： 硅酸锂为主。 加固土壤 水玻璃耐水性差、不耐碱,
