1、建筑材料,树玉秀 2010.10,绪论（introduction),一、土木工程材料分类 1、定义：土木工程中所使用的一切材料及制品。 分类 （1）按来源分 天然材料：竹、木等 人造材料：砖、瓦、水泥、砼、钢材等 （2）按化学成分 无机材料：金属材料（钢、铁、铝、铜等）；非金属材料(水泥、玻璃、砖瓦、石材） 有机材料：木、竹、沥青、塑料等 复合材料：玻璃纤维增强材料、钢纤维增强砼等,二、土木工程材料在土木工程中作用及重要性 1、土木工程材料是构成土木工程的物质基础。 2、直接影响着或决定着土木工程一些重要性质。 （1）结构形式：山西应县佛宫寺木塔（1055年）高66米；马来西亚石油双塔楼（砼结
2、构）高452米；上海金茂大厦（钢砼混合材料结构）高420.5米； 上海电视塔（预应力砼结构）468米；旧金山金门大桥（悬索桥）主跨1280.2米；苏通大桥（斜拉桥）主跨1088米、主塔300多米；大跨度的钢结构展览馆；体育馆；机场航站楼。07年有39人在金门大桥自杀，当局准备化费5000万装防护网。-08-10-12京华时报。 （2）安全性 唐山地震 重庆彩虹桥事件（99年1月4日晚6时50分40多人伤亡）,（3）功能、适用性 绝热材料、吸声隔声材料、装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料、耐磨耐腐蚀材料、防爆防辐射材料。 （4）经济性 优良的建材能满足： 足够的强度（承载） 较轻（减轻地基负荷
3、） 相应的耐久性（降低维修费） 美观 功能要求 低能耗 环保,三、土木工程材料的发展趋势 1、上古时期人类野处穴居 旧石器时代的北京猿人（69万年前）住天然岩洞。 北京周口店龙骨山山顶洞人（18000年前）住天然岩洞。 巢氏教民构木为巢，居于树上。 2、砖木房屋 土坯（8000年欧洲） 凿琢自然石（50006000年前） 砖（3000年前） 秦砖汉瓦（2000年前） 钢筋混凝土（19世纪） 化学建材具有特殊功能的新型建材,3 、展望 发展方向：环保、节能、轻质高强、多功能、结构功能一体化、构件化、单元化。 （1）墙体材料 非黏土砖的应用 （2）轻质高强混凝土、改性混凝土、预应力混凝土 四、本课
4、程的主要内容及学习方法 水泥、混凝土、钢材、沥青、塑料的生产、性能及应用是重点。 听课、作业、实验。 闭卷考试（考试成绩占80%、平时成绩20%）。,第一章 土木工程材料的基本性质,土木工程材料受到诸多因素的影响： 力学作用（外力、自重、风力、地震） 物理作用（雨、雪、霜、干湿循环、冻融循环、火） 化学作用（风化、酸碱盐侵蚀） 材料的性能是多方面的，必须与使用环境相适应。1.1.1材料的组成 1、化学组成（化学元素、化合物种类及数量） 决定材料的：抗酸碱侵蚀性、可燃性、耐火性、钢材的锈蚀等。 2、矿物组成（矿物种类和数量）,1-1材料科学的基本理论,3、 相组成（结构相近性质，相同的均匀部分）
5、 气相、液相、固相：一般材料 铁素体、渗碳体、珠光体：钢 集料相、基相、界面相：砼1.1.2材料的结构和构造 1、宏观结构 （1）宏观结构的孔隙特征 致密结构：金属、玻璃、塑料 多孔结构：加气混凝土、泡沫混凝土、轻质多孔材料 微孔结构：石膏制品,（2）按组织构造特征 堆聚结构：混凝土、砂浆、沥青混合料 纤维结构：木材、玻璃钢 层状结构：胶合板 散粒结构：混凝土集料 2、细观结构（以光学显微镜观察） 混凝土的基相、集料相、界面相 钢铁的铁素体、珠光体、渗碳体 木材的木纤维、导管髓线、树脂道 3、微观结构（用中子显微镜或x射线分析) 晶体：钢铁材料 玻璃体：火山灰 、炉渣、玻璃 胶体：胶粒 （粒径
6、 10-7-10-10）作为分散相，分散在连续相（水、气、溶剂）中 形成的分散体。,1.2材料的基本物理性质,1.2.1材料的密度、表观密度、堆积密度 1.密度 绝对密实状态下，材料单位体积的质量。=m/v-g/cm3m-g V-cm3 近似密度a ：用排液置换法直接测得的砂、碎石的密度,有的教科书称为碎石等的表观密度。 2.表观密度 在自然状态下，材料单位体积的质量。 0 =m/v0 V0-表观体积（包含内部孔隙的体积） 3.堆积密度 0 =m/v0,1.2.2材料的密实度与孔隙度 1.密实度 材料的体积内被固体物质充实的程度 D=v/v0*100% 或D=0/*100% 2.孔隙率 P=（
7、v0-v）/v0=1-D 1.2.3材料的填充率与空隙率 1.填充率：某堆积体中，被散粒材料的颗粒所填充的程度 D=v0/v0*100% 或D= 0/0*100% 2.空隙率 P =1-D,1.2.4材料与水的关系 1. 材料的亲水性与憎水性 亲水材料90 憎水材料 90 -润湿边角 石灰岩、玄武岩属于憎水岩石，与沥青粘结力强，常用来做铺路材料。 花岗岩属亲水岩石，与沥青粘结力不强，遇水易剥落，即水稳定性差不宜用做铺路材料。 2.材料的吸水性与湿性 （1）含水率 所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比 W=（m1-m）/m*100% m-材料干燥状态下的质量，g m1-材料在含水状态下的质量，
8、g,（2）吸水性 吸水率：材料吸水饱和时的含水率。 致密岩石：0.5-0.7% 混凝土：2-3% 粘土砖：8-20% 木材等：100% （3）吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质，具有 可逆性。 影响：木制门窗、保温材料 3.材料的耐水性：材料抵抗水破坏作用的能力。 （1）破坏作用 力学性质方面 光学性质方面 装饰性质方面,（2）软化系数 材料在吸水饱和状态下抗压强度/材料在干燥状态下的抗压强度 长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑，其材料的软化系数0.85。 4.材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质。 K=Qd/AtH K-渗透系数，cm/h Q-透水量，cm3 D-试件厚度，cm A
9、 -透水面积，cm2 t-时间，h H-静水压力水头，cm K越小，抗渗性越好。,1-3 材料的基本力学性质,1.3.1材料的强度(strength) 材料在外力作用下，抵抗破坏的能力 抗压强度 、抗拉强度 、抗剪强度 f=Fmax/A 抗弯强度 f=3FmaxL/2bh2 (单点集中加荷）；f=FmaxL/bh2 (三分点集中加荷） 土木工程材料常根据其强度划分为若干不同的等级。1.3.2弹性与塑性(elasticity and plasticity) 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即消失，完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。 塑性：材料在外
10、力作用下，当压力超过一定限值时产生显著变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形。,1.3.4脆性与韧性(shortness/brittleness and toughness) 脆性：材料发生突然破坏之前无明显的塑性变形。 如陶瓷、玻璃、石材、砖瓦、铸铁。 韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量不发生破坏的性质。也称冲击韧性。如.建筑钢材（软钢），木材等。 桥梁、吊车梁及有抗震要求的工程中，结构材料要有较好的韧性。 1.4材料的耐久性(durability) 定义：材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其
11、原有性能而不破坏、不变质的能力。 内容：抗风化、抗酸碱盐侵蚀、抗渗、耐水、抗冻等性能，属于综合指标。,第二章建筑钢材(steel material),建筑钢材包括：钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构各种型钢如钢管、槽钢、工字钢、角钢等。2-1 钢材的化学组成 1、主要成分：铁、碳、合金元素、杂质。 2、分类 按化学成分分为碳素钢和合金钢 （1）碳素钢 低碳钢 含碳量小于0.25% 中碳钢 含碳量0.25%，0.6%） 高碳钢 含碳量大于0.6% （2）合金钢 低合金钢 合金元素含量小于 5% 中合金钢 合金元素含量 5%，10%,高合金钢：合金元素含量大于 10% 建筑钢材含碳量一般为不超
12、过0.8%的碳素钢及低合金钢。 3、各元素对钢材性能的影响 （1）碳它与铁原子的结合方式有： 固溶体：形成铁素体，含碳量极少。 化合物（Fe3C）：形成渗碳体，含碳量较高。 机械混合物：形成珠光体，含碳量在二者之间。 含碳量，珠光体，强度，塑性、韧性、可焊性（0.6%时，可焊性很差）。 （2）合金元素 硅 含量低于1%时，能提高钢材的强度。 锰 含量1%-2%，提高钢材的强度。 钛 强度 ，韧性、可焊性。,其化学性质稳定，耐腐蚀(抵抗海水腐蚀能力很强），主要用于飞机、火箭、导弹、飞船等，少量用于冶金、能源、交通医疗及石化工业。 矾 强度 铌 强度 （3）杂质元素 磷 强度 ，可焊性 ，冷脆性
13、。有益作用：提高强度、硬度、耐磨性、改善切削性，耐大气腐蚀性强，在低合金钢中可配合其它元素做合金元素用，军事上利用其脆性制造炮弹增大杀伤力。 普通碳素钢 磷含量0.045% 优质碳素钢 磷含量0.035% 高级优质碳素钢 磷含量0.030%,硫 极有害元素 可焊性 ，热脆性，热加工性 普通碳素钢 硫含量0.055% 优质碳素钢 硫含量0.040% 高级优质碳素钢 硫含量 0.02%-0.03% 氧 韧性、可焊性 氮 强度 ，塑性、韧性包括：抗拉、冷弯、冲击韧性、硬度和耐疲劳性。 2.2.1抗拉性能(tensile strength) 属最重要的性能，主要技术指标有：屈服点、抗拉强度、伸长率。,
14、2-2建筑钢材的主要力学性能,1、-图 OA：弹性阶段 AB：弹塑性阶段 BC：塑性阶段 CD：强化阶段 DD：破坏阶段（颈缩、断裂）插图p24,2、指标(indexes) 弹性极限p 弹性范围内，所能承受最大的力。 弹性模量E 弹性模量大，抗变形能力强。 上屈服点su 屈服阶段，所能承受最大的力。 下屈服点sl 对试验条件较不敏感。 屈服强度s 取为下屈服点 抗拉强度b 抗拉试验中，所能承受最大的力。 强屈比b / s 大于1.2，影响材料安全及利用率。 硬钢的屈服点 0.2 产生残余变形达到原始长度0.2% 时所对应的应力。 断后伸长率 =（l1-l0）/l0*100% 对于钢筋一般 8-
15、27%。反映钢材的塑性。 510 (5，10为试件的长、径直比）。 工程上把105%的材料成为塑性材料； 105%的为脆性材料。,2.2.2 冷弯性能(cold bending property) 1、定义 钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 2、物理意义 一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力、夹杂物未融合及微裂纹等缺陷，能反映冶金质量和焊接质量。 3、冷弯实验 试件长度 L=5a+150(mm);试验角度180； 弯心直径d=0,0.5a,a,2a,3a a-试件厚度或直径； 试验温度10-35； 缓慢加载。 4、指标 弯曲角度，弯心直径/试件厚度或直径,2.2.3冲击韧性(im
16、pact toughness) 1、定义：钢材抵抗冲击载荷的能力。 2、冲击韧性试验 3冲击韧性值：k=Ak/F Ak冲断试件所消耗的功；F试件断口处截面面积。 4、冷脆性：钢材在低温下，呈现脆性的现象。 5、脆性临界温度：钢材在降到某一温度范围时，冲击韧性急剧下降，而呈现脆性，该温度即为脆性临界温度。 6、时效：钢材随时间延长强度提高、塑性和韧性下降的现象。 7、时效敏感性：因时效而导致性能改变的程度。受动载的结构物如桥梁等，应选用时效敏感性小的钢材。,8、实例(instances) 国外一钢桥在夜间温度骤降下，因冷脆而塌落。 Poland 一跨度76.6米的钢梁组合桥（composite
17、bridge)于1987.1.8在温度-35发生塌毁事故。 我国北方60年代初，一钢筋混泥土梁，因钢筋焊接接头冷脆而塌落的事故。 选用钢材时，在负温使用下的结构应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材。 2.2.4硬度(hardness) 1、定义 指钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。是钢材弹性、塑性、强度、韧性及变形强化率等的综合反映。 2、布氏硬度(Brinell hardness) HB=P/（Dh) P-压入载荷，N;D-钢球直径，mm;H-压入深度，mm。,F,D是定值，只要测出d,再查表即可。 硬度计压头为淬火钢球时用HBS表示适用于HB450的材料；压头为硬质合金钢
18、球时用HBW表示，适用于450HB650的材料。 标注方法：170HBS10/3000/30 170-布氏硬度值 10-钢球直径(mm) 3000-试验力F值（kgf) 30-加压持续时间（s) 3、布氏硬度值与抗拉强度的相关性 碳素钢： HB175时，b=3.6HB HB175时，b=3.5HB 根据以上关系，可在钢结构上原位测得的HB值估算b。,4、洛氏硬度(Rockwell hardness) 根据压头压入试件的深度大小确定材料的硬度值。一般用于判断机械零件的热处理效果。数值可直接从硬度计仪表盘读出。 1）包括4种类型: HRA:120金刚石圆锥压头，测量范围6085HRA,试验力588
19、.4N; HRB:直径1.588mm钢球压头，25100 HRB,980.7N; HRC:金刚石圆锥压头,2067 HRC,1471N;（生产中使用最多） HRD:金刚石圆锥压头,4077 HRC,980.7N. 2）标注：60HRC 3）HRC:HB=1:10(当HBS220时） 5、维氏硬度（Vickers hardness)压头为金刚石正四棱锥，用HV表示。 2.2.5 耐疲劳性 1、钢材的疲劳破坏：指在交变应力作用下，钢材在应力远小于b时发生断裂的现象。 2、疲劳极限r 在疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。,3、应力比值 =min/ ma
20、x 测定钢筋疲劳极限时，通常采用拉应力循环。 非预应力筋 =0.1-0.8 预应力筋 =0.7-0.85 周期基数 200万次或400万次以上。 4、钢材疲劳破坏的原因,微小缺陷，表面质量不好,裂纹形成,裂纹扩展,断裂,2.3 钢材的冷加工强化、时效强化、热处理和焊接,1、钢材的冷加工强化 指将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧 （热轧：12001300），产生塑性变形 屈服强度 ：塑性、韧性、弹模,2、时效处理 将经过冷加工后的钢材于常温下存放15-20天，或加热到 100-200，并保持一段时间，这一过程就是时效处理。 前者称自然时效，后者为人工。 一般强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高
21、的钢筋应采用人工时效处理。,时效处理,抗拉强度略有提高,塑性、韧性下降,弹模基本恢复,屈服强度提高,2.3.2钢材的热处理 1、退火：用于冷加工后的钢材处理，以减少冷加工产生的各种缺陷，消除内应力。分为： 低温退火：加热温度在铁素体等转变温度以下，是少量位错重新排列。 完全退火：加热温度高于相变温度，达到800850度，在经适当保温后缓慢冷却，使钢材再结晶。 2、淬火和回火（二者通常相连） （1）淬火：加热到相变温度（723度）以上，保温使组织完全转变，即投入冷却介质（水或矿物油）中急冷，使转变为不稳定介质：强度、硬度，塑性、韧性。 （2）回火：在淬火之后进行，加热温度在转变温度以下（1506
22、50度），保温后按一定速度冷却至室温。消除淬火内应力，硬度，塑性、韧性。,我国生产的热处理钢筋采用中碳低合金钢经油浴淬火和铅浴高温（500-600度）回火制得。其组织为铁素体和均匀分布的细颗粒渗碳体。 2.3.3钢材的焊接 1、焊接方法 （1）电弧焊（钢结构）焊条与焊件之间产生高温电弧，将焊条与焊件金属熔化，凝固后形成焊缝。 （2）电渣压力焊（钢筋） 电流通过渣池产生电阻热将钢筋端部熔化，施加压力使钢筋焊合。 2、焊接质量的检验 取样试件试验（钢筋接头） 原位非破损检测（钢结构） 超声波、射线、磁力、荧光等。 3、实例：鸟巢体育场钢结构（钢号Q460）焊缝总长300Km，超声波检验合格率100
23、%。,2-4钢材的防火与防腐,2.4.1钢材的防火 1、高温对钢材的性能有很大影响（高温蠕变）: 250度时，b,k,称蓝脆现象。 大于300度时，b， s . 600度时，强度 （-2/3），不能承载。 2、防火措施 （1）设置防火板 （2）涂刷防火涂料 非膨胀型防火涂料 难(不) 燃性树脂+难燃剂+防火填料。 膨胀型防火涂料难(不) 燃性树脂+难燃剂+成碳剂+脱水成碳催化剂+发泡剂,2.4.2钢材的锈蚀与防止 1、主要原因 （1）化学锈蚀钢材与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。主要是氧化作用引起，环境干燥时较慢而在潮湿的环境，和温度较高时则速度较快。空气中的二氧化碳，二氧化硫也能引起。
24、 （2）电化学腐蚀金属在潮湿的气体中或导电溶液（电解质）中，形成微电池而引起的腐蚀，是最主要的腐蚀形式。 1）钢的表面在电解质溶液中形成微电池： 铁素体-阳极，失去电子成为Fe2+进入水膜； 渗碳体-阴极，溶于水中的氧被还原成OH-;,二者反应最终产物为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe(OH)3随暴露出的渗碳体越来越多，微电池也越来越多，锈蚀也日益加速。 2）铁铜接触形成微电池(二者之间存在电解质） 铁的电极电位低(-0.44v)，为阳极不断失去电子而被溶解；铜的电极电位高(+0.33v)为阴极在其上放出氢气。 抗电化学腐蚀的措施： 提高电极电位-在钢中加入Cr、Ni、Si等合金，如在铁中加铬11.
25、7%时，可把合金的电位提高到+0.2v,能有效地抵抗空气、水、酸碱盐腐蚀； 尽量获得单相组织-在钢中加入Cr、Ni、Si等合金，使之在常温下形成单相铁素体、奥氏体、马氏体，难以形成微电池； 形成氧化膜（钝化膜）-在钢中加入Cr、Si、Al等合金,在钢的表面形成一层致密、牢固的氧化膜，把钢与周围介质隔开。 （3）应力腐蚀 指应力状态下腐蚀加快的现象。由于应力大的地方形成阳极，易于腐蚀。预应力钢筋因应力存在更易腐蚀，要给予足够的关注。,2、防止措施 （1）钢筋的防腐混凝土中的钢筋因处于碱性环境中，一般不致腐蚀。但有时会由于掺加掺合料，或碳化反应（CO2与水泥石中的Ca(OH)2反应）使混凝土中Ca
26、(OH)2含量减少，降低了碱性。或由于添加了含有氯离子的外加剂，也会使钢筋锈蚀。 提高混凝土的密实度 确保保护层厚度 限制氯盐外加剂 采用环氧树脂涂层 （2）钢结构防腐 刷漆（包括底漆和面漆） 热浸镀锌或铬，镀锌后加涂塑料复合层,特殊工程用不锈钢（加铬、镍） 牺牲阳极 如用电位较低的镁合金、锌合金、铝合金作阳极和地下钢管连起来，形成微电池，不断消耗阳极以保护钢管。,用废钢铁作阳极通过电池与要保护的钢管连起来。,2-5建筑钢材的品种与选用 2.5.1主要钢种基本上是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。 1、建筑用碳素结构钢(属普通碳素钢） (1)牌号：有5个牌号：Q195,Q215,Q235,Q25
27、5,Q275 含碳量：0.06%-0.38% 质量等级：A、B、C、D（由低到高） 脱氧程度：F(沸腾钢），Z（镇静港），b（半镇静钢），TZ（特殊镇静钢) (2)Q235-BZ的意义,(3)特点：塑性较好，适于各种加工，在焊接、冲击及适当超载的情况下也不会突然破坏，对轧制 、加热、骤冷的敏感性较小，因而常用于热轧钢筋。 2、低合金高强结构钢 （1）牌号 5个牌号：Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 质量等级：A B C D E 含碳量： 0.1%0.25% 屈服点：比碳素钢高25%50%以上，屈强比较高 (2)特点：采用低合金钢的目的是减轻结构的重量，节约钢材和延长使用寿命。此
28、类钢材具有较高的屈服强度和抗拉强度，也有良好的塑性和韧性（尤其是低温韧性）及耐腐蚀性，尤其适用于大跨度承受动载荷和冲击载荷的结构物。,2.5.2常用建筑钢材 1、钢筋（reinforcing bar, rebar ) 钢筋公称直径：6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、50mm. (1)低碳钢热轧圆盘条：由Q215,Q235热轧而成(级钢筋） 含碳量：0.17%-0.25%；公称直径：820mm 特点：强度较低，但塑性好，伸长率高，便于弯折成形和焊接。用作中小型结构的受力钢筋或箍筋，及冷加工原料。 (2)热轧带肋钢筋（hot rolled ribbed
29、 steel bar) 采用低合金钢热轧而成，表面有两条纵肋及沿长度方向均匀分布的横肋。 含碳量：0.17%-0.25%;公称直径：650mm. 牌号：HPB235 HRB335 HRB400 HRB500 特点：强度较高，塑性、可焊性也较好。用于受力钢筋和预应力钢筋。 HPB235:热轧光面钢筋.(plain bar ),（3）冷轧带肋钢筋（cold rolled ribbed steel bar) 采用热轧圆盘条经冷轧而成。 牌号：CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170(指抗拉强度）；公称直径412mm特点：冷轧后，.2，但保证 .2.05,适用于中小预应力
30、钢筋混凝土和普通钢筋混凝土结构。 (4)预应力混凝土热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢筋经淬火，回火调制处理的钢筋。 规格：直径6，8.2，10mm. 技术指标：b 1500MPa 10 6% 0.2 1350MPa 特点: 设纵肋和横肋，以D1.2-2.0m圆盘条供应，不用电焊切割、焊接。,（5）预应力混凝土用钢丝与钢绞线采用优质碳素钢或其他性能相应的钢种，经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强钢丝。 规格：钢丝直径4.5，6，7，8，9mm等钢绞线 2根，3根，7根捻成一束 指标：钢丝 b =1470-1770MPa 0.2=1250-1500MPa 4%钢绞线 7根钢丝捻成的钢绞线最大负荷可
31、达 300KN,屈服负荷255KN,伸长率小于3.5% 特点：没有屈服点，抗拉强度很大，较好的柔韧性，应力松弛率低。盘条供应，松卷后可自行弹直。适用于大跨度、大载荷及需要曲线配筋的预应力混凝土结构。 2、型钢 （1）热轧型钢：角钢，工字钢，槽钢，T、H、Z型等 钢种及钢号选择依据：,构件重要性 荷载性质（动、静） 连接方法 工作条件（ 温度、介质）常用钢种 碳素结构钢中Q235-A(含碳量0.14-0.22%），强度石中，塑性好，可焊性好，成本低。 低合金钢 Q345,Q390( 鸟巢用钢Q460），用于大跨度、承受动在的钢结构。 （2）冷弯薄壁型钢2-6mm薄板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢以
32、及方形、矩形空心薄壁型钢等，用于轻型结构。 （3）钢板 定义：用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板。 分类：冷轧钢板（厚度0.2-4mm），热轧钢板（厚板 d4mm;薄板）,应用：厚板：型钢的连接，薄板：屋面、墙面围护材料第三章无机胶凝材料(non-organic cementing material) 1、胶凝材料的定义：能经过一系列物理、化学作用， 将散粒状或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。 2、分类 按成份分为： （1）有机胶凝材料（如沥青，树脂）， （2）无机胶凝材料（如水泥，石灰，石膏）。气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结硬化（石灰，石膏）。水硬性胶凝材料： 在空气和水中均能
33、凝结硬化，如水泥。,3-1气硬性胶凝材料 3.3.1石膏(plaster) 石膏是以CaSO4为主要成分的胶凝材料，成本低，应用广泛。常用的产品有建筑石膏，高强石膏，无水石膏水泥。 1、石膏的生产 原料：矿石（ CaSO42H2O),化工副产品和废渣。 主要工序：破碎 加热煅烧 磨细 化学反应：CaSO42H2O 107-170CaSO41/2H2O+3/2H2O 产品： （1）高强石膏（型半水石膏）加热条件：0.13MPa,120过饱和蒸汽下蒸炼，或在盐类溶液中沸煮。晶粒粗，强度大。 （2）建筑石膏 （型半水石膏）加热条件：在非密闭窑炉中加热脱水。用水量大，晶粒细，强度低。,2、建筑石膏的凝
34、结与硬化 CaSO41/2H2O+3/2H2O CaSO42H2O （化学反应） 二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1/5左右，反应总向右进行，溶液中，不断析出二水石膏的胶粒。 水化过程：胶粒 晶体 固体 3、建筑石膏的技术性质与应用 （1）技术性质 颜色：白色粉末 密度：=2.6-2.75，0=800-1000Kg/m3 凝结时间：t初6min, t终30min,要延长凝结时间可加入缓凝剂，如硼砂，酒石酸碱钠，柠檬酸，聚乙烯醇。 硼砂：Na2B4O710H2O（十水四硼酸钠），用于搪瓷、玻 璃工业，以提高产品的热稳定性、 光泽、透明度、抗冲击性及抗腐蚀性。,孔隙率：P=50-60%,导热系数小，
35、吸声性强，吸湿性大，可调节室内湿度。 装饰性：质地洁白细腻， 因硬化时体积略有膨胀，可浇铸出纹理细致的浮雕花饰。 耐水性和抗冻性：较差，不宜用于潮湿的部位。 抗火性：较好，因为遇火能放出结晶水，形成蒸汽幕。但也不能长期用于65以上环境，以免脱水而失去强度。 储存：注意防潮，储存3月后，强度降低30%左右，要重新进行质量检测。 （2）应用1）抹灰材料：即石膏砂浆（石膏+砂+缓凝剂+水）2）墙体材料：石膏板，石膏砌块3）装饰材料,装饰石膏板：用作墙面和吊顶，尺寸5005009，60060011 (mm),嵌装式装饰石膏板：用于吊顶，嵌固在龙骨上。尺寸有50050025（以上）， 60060028（
36、以上） 普通纸面石膏板：用于室内隔断，吊顶，要经过表面处理才能做装饰材料，如抹腻子、刷漆。尺寸： 长度 1800，2100，2400，2700，3000，3300，3600 宽度 900，1200 厚度 9，12，15，18 也可定做尺寸。 吸声用穿孔石膏板：用于音乐厅，影剧院，会议室的吊顶、墙面材料。尺寸500500/600600）（9/12） 耐水纸面石膏板：（添加耐水外加剂），用于厨房、卫生间。 耐火纸面石膏板：（添加无机耐火纤维），用于公共建筑，如影剧院、体育馆、展馆、幼儿园、商场的吊顶、墙面、隔断。,特种耐火石膏板 (1h)用于防火等级要求高的建筑物。 艺术浮雕装饰制品 石膏角线 石
37、膏造型 石膏壁画 艺术顶棚，灯圈，角花 艺术廊柱（罗马柱） 3.3.2 石灰（lime) 属于应用较早的胶凝材料，用于内外墙刷白，抹灰。目前，在道路施工中，多用作基层材料。原料来源广，生产简单，成本低廉，得到了广泛的应用。 工程中常用的产品有：磨细生石灰粉，消石灰分，石灰膏。 1、石灰的生产,原料：石灰石，白云石，白垩，贝壳等。 主要工序：破碎加热、煅烧磨细 化学反应：CaCO3 CaO+CO2 产品：因原料中常含MgCO3 ,所以石灰中含有MgO ,按其含量，建筑生石灰和消石灰分为： 钙质石灰（MgO含量不超5%) 镁质石灰（MgO含量超5%) 钙质消石灰粉（MgO含量小于4%) 镁质消石灰
38、粉（MgO含量4-24%) 白云石消石灰粉（MgO含量24-30%) 2、石灰的熟化与硬化 （1）熟化 化学反应：CaO+H2O Ca（OH）2+64.9*103J 熟化后，体积增大1-2.5倍。熟化方法根据用途不同有：,900以上,用于拌制砌筑砂浆或抹灰砂浆： 生石灰石灰浆（化灰池中完成）石灰膏（储灰坑沉淀） 石灰的陈伏：石灰浆应在储灰坑中储存两周以上，以充分熟化过火石灰，防止使用时抹灰隆起或开裂。 用于拌制石灰土（石灰+粘性土），或三合土（石灰+粘土+砂石/粉煤灰/矿渣/炉渣/碎砖）： 向石灰堆中，用水管分层注水，加水量为生石灰重量的60-80% ，使其充分消解，又不过湿成团。用前，往往要
39、闷几天，类似于石灰浆的陈伏。 （2）石灰的硬化 石灰浆体在空气中的硬化，包括两个同时进行的过程： 结晶作用 ：Ca(OH)2从饱和溶液中，结晶而出。 碳化作用：Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1) H2O 碳化作用长时间内仅限于表层， 结晶作用主要在内部发生。硬化过程产生了两种晶体。,过筛,3、石灰的技术性质与应用 技术性质 石灰浆具有良好的可塑性。可作为掺加料加入水泥砂浆中形成混合砂浆，提高和易性。 硬化慢、强度低。石灰砂浆28天强度0.2-0.5MPa。 不能用于潮湿地点，也不能单独用于建筑基础。CaCO3+CO2+H2O Ca(HCO3)2（具有可溶性） 硬化过程中，
40、体积显著收缩。使用中，常掺入砂、纸筋。 储存要防潮，使用要注意安全。 质量分三级：优等品、一等品、合格品。 （2）应用 石灰乳刷白（内墙、顶棚、外墙）。加入高炉矿渣/粉煤灰可提高耐水性；加入聚乙烯醇、干酪素、氯化钙、明矾减少涂层粉化；加入耐碱颜料，可提高装饰性。 石灰砂浆（石灰膏+砂+水）砌墙，抹灰。,混合砂浆（水泥+石灰膏+砂+水）砌墙。 石灰土（消石灰粉/生石灰粉+粘性土+水）作一般道路基层，或高等级道路的底基层。石灰能显著提高粘性土的强度和耐水性，原因是：1）离子交换：石灰浆中的游离钙离子和氢氧根离子与细粒粘土矿物中的钠离子、氢离子发生交换，减薄粘土颗粒吸附水膜厚度，使土粒凝聚，形成稳定
41、团粒结构，使石灰土获得初期强度。2）石灰硬化过程中生成的氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体相互结合，并把土粒结成整体，提高了石灰土的稳定性。3）粘土中少量的活性氧化铝与氧化硅与氢氧化钙反应生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙 （粘土主要成分为Al2O32SiO22H2O）。在土中形成凝胶结构，使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳定性不断提高。影响石灰土强度的因素：1）石灰细度越大，稳定效果越好。2）对粉质粘土稳定效果明显优于沙质粘土，对均质砂的稳定效果较差，塑性指数小于12的土则不宜用石灰稳定，最好用水泥来稳定。3）石灰稳定土在最佳含水率条件下压实获得最大密实度，从而提高其强度和刚度。,4）较高的温度与适
42、当的湿度的养生有利于其强度增长。 三合土（石灰+粘性土+粉煤灰/矿渣/砂石/碎砖/炉渣+水）用于铺设道路基层，、建筑物基础、简易路面。 二灰（石灰+粉煤灰）稳定土1）二灰稳定细粒土-二灰土2）二灰稳定砂砾、碎石、矿渣、煤矸石等-二灰稳定集料 生产硅酸盐制品 原料：生石灰粉/消石灰粉+硅质材料（粉煤灰/粒化高炉矿渣/浮石、砂子）+水（有时加石膏）。 工序：配料 成型 蒸养 产品：墙板、砌块、灰砂砖等隔热保温制品。,高炉矿渣：即高炉铁渣，主要成份：CaO，SiO2 ，MgO， Al2O3 SiO2 ,FeO 经水结、碾压后，易形成板体，整体强度高。 浮石 ：属火山熔岩 ，多孔轻质、保温、隔热隔音。
43、成份： SiO2 ，Al2O3 ， Fe2O3 可作活性混合料。 3.1.3 水玻璃（泡花碱） 常用硅酸钠水玻璃（Na2OnSiO2)和硅酸钾水玻璃（K2OnSiO2). 1、水玻璃的生产 原料: 石英砂+苛性钠溶液 工序： 湿法 + 干法 +,石英砂,苛性钠溶液,2-3大气压蒸气加热,液体水玻璃,石英砂,碳酸钠,磨细、加热1300-1400,固体水玻璃,化学反应 Na2CO3 +nSiO2 Na2O nSiO2+CO2 水玻璃的模数 n=1.5-3.5 n=1时，能溶于常温的水中，模数加大，只能溶于热水。 n3时，要在4个大气压以上的蒸气中才能溶解。 n越大，水玻璃的粘结性越强，在液体水玻璃
44、中加入尿素著可提高其粘结力。 2、水玻璃的硬化 液体水玻璃吸收空气中的CO2，形成无定型硅酸，并逐渐干燥而硬化。 Na2O nSiO2+CO2+mH2O Na2CO3+ nSiO2mH2O 加入水玻璃质量12-15% 的硅氟酸钠（Na2SiF6）能显著加速硬化。 3、性质与应用,具有良好的粘结性，硬化时析出硅酸凝胶，能堵塞毛细孔具有抗渗性能。 良好的耐高温性。在高温下，强度不降低。 高度的耐酸性。 （1）涂刷建材表面可提高抗风化能力 用其水溶液（比重约1.35） 涂刷黏土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土及石灰石等。但不能用于石膏。 （2）配制快凝堵漏防水剂 以水玻璃为基料加入2、3、4种矾配制。如四
45、矾防水剂： 蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）、紫矾（铬矾）各1份，溶于60份100C的水中，降温至50C，加入到400份水玻璃溶液搅拌而成。 其凝结很快，不超过1分钟，与水泥浆调和，可堵塞漏洞与裂缝。,（3）用于土壤加固 将模数为2.5-3的液体水玻璃和氯化钙溶液交替压入土体，二者反应，生成硅酸胶体，包裹土粒并填实空隙。 加固砂土，使其强度可达 3-6MPa。 （4）配制耐酸、耐热砂浆和混凝土3-2硅酸盐水泥 硅酸盐产品： 陶瓷、玻璃、水泥等。 硅元素占地壳的26.3%，仅次于氧的48.6%。其氧化物、硅酸盐构成岩石、砂子、土壤占地壳质量的90%以上。 水泥是最主要的水硬性胶凝
46、材料。 3.2.1硅酸盐水泥的生产及矿物组成 定义： 凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%石灰石或粒化高炉矿渣、,适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（Portland cement),不掺加混合料的称型硅酸盐水泥，掺加混合料的称型硅酸盐水泥。分别记为P和P。 1、硅酸盐水泥的生产,石灰石,黏土,铁矿粉,磨细,生料,1400-1450,c,石膏,熟料,P,磨细,以上过程简称“两磨一烧”。 2、水泥熟料主要矿物： 硅酸三钙 3CaOSiO2 简写为C3S 含量 37-60% 硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S 15-37% 铝酸三钙 3CaOAl2O3 C3A 7-15% 铁铝酸四钙 4C
47、aOAl2O3Fe2O3 C4AF 10-18% 少量的游离CaO和MgO及碱，总量不超过水泥量的10%。 3.2.2 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 1、硅酸盐水泥的水化 水化：熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称水化。 水泥水化生成水化物并放出热量。 2(3CaOSiO2)+ 6H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2,水化硅酸钙,2（2CaOSiO2）+ 4H2O = 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 3CaOAl2O3 + 6H2O = 3CaOAl2O36H2O （水化铝酸三钙） 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O = 3CaOAl2O36H2O
48、 +CaOFe2O3H2O3CaOAl2O36H2O+3（CaSO42H2O）+19H2O = 3CaOAl2O33 CaSO431H2O （高硫型水化硫铝酸钙，即钙矾石） 充分水化后的主要的水化产物： 水化硅酸钙凝胶 (不溶于水） C-S-H 含量 约70% Ca(OH)2 （微溶于水） 约20% 钙矾石及单硫型水化硫铝酸钙（3CaOAl2O3CaSO412H2O）约7% (不溶于水）,水化铁酸一钙,各熟料矿物单独与水作用时的特性,2、水泥的凝结与硬化 凝结： 水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具强度的过程。 硬化： 水泥浆开始产生强度并逐渐发展成为坚硬的人造石的过程。 水泥的凝结与硬化理论由Le Chatelier于1882年创立。目前的理论认为：,水泥颗粒表面,具有可塑性,凝聚结构,初凝,凝聚-结晶网状结构,终凝,砼,3、影响cement凝结硬化的因素 矿物成分 C3S及 C3A,setting 0.1mm以上的活性很小。,
