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建筑材料知识
建筑材料
第一章建筑材料的基本性质
Chapter1BasicPropertiesofBuildingMaterials
建筑材料使用在不同的建筑物中,处于不同的环境,起着各种不同的作用,要求具有相应的性质。
承重构件要求材料有足够的强度;保温隔热的屋顶和墙面要求材料有热容量大且不易传热的性质;挡水、蓄水或防水的建筑物要求材料有一定的抗渗性或不透水性;受水流泥沙冲刷的建筑物要求材料能抗冲耐磨。
同时建筑物在使用过程中还会长期受到环境因素的影响,如大气因素引起的热胀冷缩、干湿变化、冻融循环、化学侵蚀以及昆虫和菌类等的生物危害,因此还要求建筑材料具有与环境相适应的耐久性。
正确合理选择和使用稠料是保证建筑物经久耐用的关键,而材料的性质是选择和使用材料的重要依据,为此我们必须研究和掌握材料的有关性质。
建筑材料的性质是多方面的,不同材料又具有不同的特殊性。
本章只研究和讨论建筑材料共同的、基本的物理性质和力学性质,各类材料的技术性质和特殊性质,分别在以后相应的章节小讨论。
第一节材料的物理性质
Section1ThePhysicalPropertiesofBuildingMaterials
一、建筑材料的基本物理,睦质ThebasicphysicalpropertiesofBuildingMaterials
(一)密度Density
材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度,用ρ表示。
其计算公式为
材料的绝对密实体积,指不包括材料孔隙在内的体积。
钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积,按式(1—1)求得密度。
大多数有孔隙的材料,在测定材料的密度时,应把材料磨成细粉,干燥后用李氏瓶测定其体积。
材料磨得越细,测得的密度数值就越精确。
砖、石等块状材料的密度即用此法测得。
在测定某些致密材料(如卵石、碎而等)的密度时,直接以颗粒状材料为试样,用排水法测定其体积,材料中部分与外部不连通的封闭的孔隙无法排除,这时所求得的密度称为视密度或近似密度,通常也就称为密度。
(二)表观密度Apparentdensity
材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度,用ρo表示。
其计算公式为
第一章建筑材料的基本性质
Chapter1BasicPropertiesofBuildingMaterials
建筑材料使用在不同的建筑物中,处于不同的环境,起着各种不同的作用,要求具有相应的性质。
承重构件要求材料有足够的强度;保温隔热的屋顶和墙面要求材料有热容量大且不易传热的性质;挡水、蓄水或防水的建筑物要求材料有一定的抗渗性或不透水性;受水流泥沙冲刷的建筑物要求材料能抗冲耐磨。
同时建筑物在使用过程中还会长期受到环境因素的影响,如大气因素引起的热胀冷缩、干湿变化、冻融循环、化学侵蚀以及昆虫和菌类等的生物危害,因此还要求建筑材料具有与环境相适应的耐久性。
正确合理选择和使用稠料是保证建筑物经久耐用的关键,而材料的性质是选择和使用材料的重要依据,为此我们必须研究和掌握材料的有关性质。
建筑材料的性质是多方面的,不同材料又具有不同的特殊性。
本章只研究和讨论建筑材料共同的、基本的物理性质和力学性质,各类材料的技术性质和特殊性质,分别在以后相应的章节小讨论。
第一节材料的物理性质
Section1ThePhysicalPropertiesofBuildingMaterials
一、建筑材料的基本物理,睦质ThebasicphysicalpropertiesofBuildingMaterials
(一)密度Density
材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度,用ρ表示。
其计算公式为
材料的绝对密实体积,指不包括材料孔隙在内的体积。
钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积,按式(1—1)求得密度。
大多数有孔隙的材料,在测定材料的密度时,应把材料磨成细粉,干燥后用李氏瓶测定其体积。
材料磨得越细,测得的密度数值就越精确。
砖、石等块状材料的密度即用此法测得。
在测定某些致密材料(如卵石、碎而等)的密度时,直接以颗粒状材料为试样,用排水法测定其体积,材料中部分与外部不连通的封闭的孔隙无法排除,这时所求得的密度称为视密度或近似密度,通常也就称为密度。
(二)表观密度Apparentdensity
材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度,用ρo表示。
其计算公式为
第4页
第二章天然石材
Chapter2NatliralDimensionStones
天然石材是从天然岩石山开采得到的毛石,经过加工后成为料石,板材和颗粒状等材料,统称为天然石材。
由于天然岩石的分布较广,符合就地取材的经济原则。
义由于天然岩石的质地坚硬、抗压强度高和耐久性好等,不仅广泛地用于房屋建筑工程中,而且也广泛地用于水利工程、道路和桥梁等。
第一节天然岩石的组成及分类
Seclion1TheCompositionandClassificationofNaturalRock
一、天然岩石的组成Thecompositionofnaturalrock
天然岩石是由各种不同的地质作用所形成的天然固态矿物的集合体。
组成岩石的矿物称为造岩矿物,主要的造岩矿物有长石、石英、云母、辉石、角闪石、橄榄石和方解石等30多种。
由一种矿物组成的岩石称为单矿岩,如石灰岩和白色大理石等,这种岩石的性质由矿物和结构来决定。
由多种矿物组成的岩石称为多矿岩,如花岗石、长石、石英和云母等,这种岩石的性质由组成矿物的相对含量和结构构造来决定。
不同种类的岩石其矿物、结构和构造均不相同,其物理力学性能也不相同。
同种类的岩石其产地不同时,其矿.物组成和构造也不尽相同,其物理力学性能也有差异。
二、天然岩石的分类Theclassificationofnaturalrock
天然岩石根据生成的地质条件分为三大类,即岩浆岩、沉积岩和变质岩。
(一)岩浆岩Magmaticrock
1.岩浆岩的形成Theformofmagmaticrock
岩浆岩义称为火成岩。
由地壳内部熔融岩浆上升冷凝而成,是组成地壳的主要岩石。
根据岩浆冷却的条件不同,岩浆岩又可分为以下三类:
(1)深成岩深成岩是地壳深处的岩浆,受上部覆盖层的压力作用,缓慢地较均匀地冷却而形成的岩石。
其特点是矿物全部结晶,晶粒较粗,结构致密,抗压强度高,吸水率小,表观密度大,抗冻性好等。
有花岗岩、正长岩和闪长岩等。
(2)喷出岩喷出岩是岩浆喷出地表冷却而成。
当岩浆喷出地农时,压力骤减迅速冷却,因此大部分结晶不完全,多呈细小结晶(隐晶型)或玻璃质(非晶质)结构。
当岩浆喷出形成较厚的岩层时,其结构与深成岩相似;当岩浆喷出形成较薄的岩层时,由于冷却较快,岩浆中气体压力减低而膨胀,形成多孔结构与火山岩相似。
有玄武岩、安山岩和辉绿岩等。
(3)火山岩火山岩是火山爆发时,岩浆被喷到空中,急速冷却后形成的岩石。
由于冷却极快而形成玻璃质结构,表观密度小。
有火山灰、火山砂、浮石和火山凝灰岩等。
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2.岩浆岩的种类Theclassificationofmagmaticrock
岩浆岩的矿物成分是岩浆化学成分的反映。
其化学成分很复杂,但含量最大的为SiO2。
根据SiO2含量分为:
(1)酸性岩类(SiO2>65%)由石英、正长石及少量的黑云母和角闪石等组成。
有花岗岩、花岗斑岩和流纹岩等。
其颜色较浅,密度较小。
(2)中性岩类(SiO2为52%~65%)由正长石、斜长石、角闪石及少量的黑云母和辉石等组成。
有正氏岩、正长斑岩、闪长岩、闪长斑岩和粗面岩等。
其颜色较深,密度较大。
(3)基性岩类(SiO2为45%~52%)由斜长石、辉石及少量的角闪石和橄榄石等组成。
有玄武岩、辉长岩和辉绿岩等。
其颜色深、密度大。
(4)超基性岩类(SiO2<45%)由橄榄石、辉石及角闪石组成,一般不含硅铝矿物。
其颜色很深,密度很大,是沥青混凝土的优选骨料,因为沥青属酸性材料。
3.常用的岩浆岩Commonlyusedmagmaticrock
(1)花岗岩花岗岩是岩浆岩中分布较广的一种岩石,由长石、石英及少量云母或角闪石等组成。
花岗岩为全晶质结构,其颜色一般为灰白、微黄和淡红色等。
花岗岩构造致密,孔隙率和吸水率都很小,表观密度大于2700kg/m3,抗压强度为10~250MPa,抗冻性为100~200次冻融循环,硬度大耐磨性好,耐久性为75~200年,对硫酸和硝酸有较强的抵抗性。
但在高温作用下发生晶型转变,体积膨胀而破坏,其耐火性不好。
在土木工程中花岗岩可用于基础、闸坝、桥墩、墙石、勒脚、台阶、路面和纪念性建筑等。
经加工后的板材色泽美观、华丽典雅等,是非常优良的室内外装饰材料。
(2)玄武岩玄武岩是喷出岩中分布较广的一种岩石,由斜长石、橄榄石和辉石组成。
玄武岩常为隐晶质或玻璃质结构,有时也为多{L状或斑形构造。
表观密度为2900~3500k8/m3,抗压强度为100~500MPa,硬度高脆性大,抗风化能力强。
常用于高强混凝土的骨料、道路路面和水利上程等。
(3)浮石、火山灰浮石是颗粒状的火山岩。
粒径大于5mm的多孔结构,表观密度300~600kg/m3,可作为轻混凝土的骨料。
火山灰是粉状火山岩。
粒径小于5mm,在常温水中能与石灰反应生成水硬性胶凝材料。
可作为水泥的混合材和混凝土的外掺料。
(二)沉积岩SOlimcnturyrock
1.沉积岩的形成Theformofsedimentaryrock
沉积岩又称为水成岩。
由地表的各类岩石经自然界的风化作用破坏,被风力、水流和冰川搬迁后再沉淀堆积,在地表或地表下不太深的地方形成的岩石。
沉积岩多呈层状结构,每层岩石的构造、成分、颜色和性能均不相同。
沉积岩的孔隙率和吸水率大,表观密度小,抗压强度低,耐久性差。
沉积岩按生成条件可分为三类:
(1)机械沉积是岩石经自然风化而松散破碎后,经风力、水流和冰川等搬运、沉积、重新压实或胶结而成的岩石,有砂岩和页岩等。
(2)化学沉积是岩石中易溶于水的矿物,经聚集沉积而成的岩石,有石膏、白云岩和菱镁石等。
(3)生物沉积是各种生物死亡后的残骸沉积而成的岩石,有贝壳石灰岩、白垩和硅藻
第三章气硬性胶凝材料
Chapter3AirHardeningBindingMaterials
胶凝材料是指在,一定条件下,通过自身的一系列变化而把其他材料胶结成具有强度的整体的材料。
胶凝材料分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两类。
有机胶凝材料是以天然或人工合成的高分子化合物为主要成分的胶凝材料,常用的有沥青,各种合成树脂。
无机胶凝材料是以无机矿物为主要成分的胶凝材料。
无机胶凝材料分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料只能在空气中硬化,也只能在空气中保持和发展其强度,如石灰、石膏、水玻璃。
水硬性胶凝材料不但能在空气巾硬化,而且能更好的在水中硬化,并保持和发展其强度,如各种水泥。
气硬性胶凝材料只能用于地面以上处于干燥环境的建筑物;水硬性胶凝材料既可用于地上也可用于地下或水中的建筑物。
第一节石灰
Section1Lime
石灰是——种较古老的建筑材料,具原料来源广,生产工艺简单,使用方便,被广泛用于建筑工程。
用石灰岩、白垩、白云质石灰岩或其他含碳酸钙为主的天然原料,纤煅烧而得的块状产品,称为生石灰。
生石灰的主要成分是CaO,煅烧时的反应为
石灰煅烧的温度一般高达1000~1100℃,煅烧时温度的高低,对石灰质量有很大影响。
若温度太低或煅烧时间不足,碳酸钙不能完全分解,则产生欠火石灰;若温度太高或煅烧时间过长,则产生过火石灰。
煅烧良好的石灰,质轻色匀,密度约为3.28/cm3,堆积密度介于800—1000kg/m3之间。
按MgO含量的多少,生石灰又分为钙质石灰和镁质石灰,当MgO含量小于或等于5%时,称为钙质石灰;当MgO含量大于5%时,称为镁质石灰。
根据成品的加工程度不同,除了块状生石灰外,石灰还有磨细生石灰、熟石灰粉、石灰浆等。
磨细生石灰是将生石灰磨成细粉,不经消解,直接使用,其细度为通过0.08mm方孔筛筛余量不大于15%;熟石灰粉是将牛石灰用适量的水消化而得的粉末,密度约为2.1s/cnl3,松散状态下的堆积密度为400—450kg/m3;石灰浆是用较多的水将石灰拌和而成的膏体,堆积密度为1300~1400kg/m3。
如果加更多的水,还可形成石灰乳、石灰水。
一、石灰的熟化和硬化AgingandHardeningoflime
生石灰在使用前,一般要加水熟化,具主要成分变为Ca(OH)2。
化学反应为
其特点为,反应迅速,放热量大,体积膨胀大(约1.5--2.0倍)。
石灰的硬化是指石灰浆体的于燥、结晶、碳化三个交错进行的作用形成Ca(OH):
结晶结构网的结果。
硬化过程的特点是体积收缩大。
二、石灰的特性Characteristicoflime
石灰具有如下特性:
(1)塑性和保水性较好。
石灰浆是珠状细颗粒高分散度的胶体,表面附有较厚的水膜,降低了石灰颗粒间的摩擦力,故可塑性和保水性较好。
(2)石灰熟化时放热量大,体积膨胀大。
过火石灰使用时,由于表面覆盖厂一层致密的碳酸钙,阻碍厂氧化钙与水接触及时发生熟化反应,当表层的碳酸钙逐渐溶解后,可能继续熟化并产生体积膨胀,从而引起结构或砌体开裂或脱落的现象,这是过火石灰在使用过程中的危害。
为消除过火石灰的危害,石灰浆应在消解坑中存放两星期以上(称为“陈伏”),使未熟化的颗粒充分熟化。
如果使用磨细生石灰,可消除过火石灰的危害,并可提高石灰硬化体的强度。
(3)硬化缓慢。
由于石灰硬化过程中伴有碳化作用,它主要发生在与空气接触的表面,当表层生成致密的碳酸钙薄壳后,阻碍了内部水分的蒸发,从而影响了Ca(OH)2结晶的速度,所以石灰浆的硬化是一个较缓慢的过程。
(4)硬化时体积收缩大,硬化后强度低。
生石灰熟化的理论加水量,仅为CaO质量的32%,为了满足石灰的和易性要求,实际加水量常为60%-80%。
硬化时大量的游离水蒸发,导致内部毛细管失水紧缩,硬化体结构差,强度低。
所以在工程上常配成石灰砂浆使用,也可在砂浆中加入适量的纤维材料来减少和避免开裂。
(5)耐水性差。
石灰为气硬性胶凝材料,硬化后的主要化学成分为Ca(OH)2,其在水中有一定的溶解度,使石灰硬化体遇水后产生溃散,故石灰不宜用于潮湿环境。
镁质石灰的熟化与硬化均较慢,产浆量较少,但硬化后孔隙率较小,强度较高。
三、石灰的技术指标Technicalindexesoflime
根据建筑石灰标准,建筑石灰分为钙质石灰、镁质石灰及白云石石灰。
其分类标准见表3—1,各类石灰技术指标见表3—2。
第四章水泥
ChaptCr4Cement
水泥是一种水硬性胶凝材料,能在空气中,潮湿环境和水中凝结、硬化、发展和保持强度。
由于本身的工程性能决定,不仅是工业与民用建筑丁程中不可缺少的胶凝、结构材料,而且也广泛地用于道路、桥梁、水利、海洋和国防工程中。
水泥按矿物组成可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐水泥等。
其中硅酸盐类水泥使用最多,也最广泛。
水泥按性能和用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。
通用水泥为硅酸盐类的水泥,主要用于土木建筑工程。
专用水泥为砌筑水泥、道路水泥、防射线水泥和油井水泥等。
特性水泥为快硬水泥、无收缩快硬水泥、中热和低热水泥、膨胀水泥和抗硫酸盐水泥等。
不同种类的水泥其用途不同,而同一种类的水泥,调整具矿物组成可配制成不同品种、不同强度等级的水泥,以满足工程中不同的需要。
因此,只有充分掌握各种水泥的特性和应用,根据不同的丁程和环境条件,合理地选用水泥,才能使其达到技术经济的效果。
本章重点讲解硅酸盐类水泥,介绍其他品种的水泥。
第一节硅酸盐水泥
Section1PortlandCement
一、硅酸盐水泥的定义DcfinitionofPortlandCement
凡以适当成分的生料,烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料,并掺人0%~5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(即波特兰水泥)。
硅酸盐水泥为两种类型:
未掺入石灰石或粒化高炉矿渣混合材的称为I型硅酸盐水泥,代号P·I;掺人不超过熟料5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材的称为Ⅱ型硅酸盐水泥,代号P·Ⅱ。
二、硅酸盐水泥的原料、生产RawmaterialsandproductionOfPortlandcelncnt
(一)硅酸盐水泥的原料RawmaterialsOrportlandcement
(1)石灰质原料:
如石灰石、大埋石、贝壳和白垩等。
主要成分为CaCO3,主要提供CaO。
(2)粘土质原料:
如粘土、粘土质页岩和黄土等。
主要成分为SiO2·Al2Os·Fe2O3,主要提供SiO2、Al2O3和少量的Fe2Os。
(3)校正材料:
如铁矿粉、河砂、硅藻土和矾土等,以补充SiO2、Al2O3和Fe2O3的不足。
(二)生产ProductionOfportlandcement
硅酸盐水泥的生产工艺,如图4—1所示:
第35页
日前生产硅酸盐水泥的煅烧设备有立窑和回转窑,还有“窑外分解”的先进设备。
生料的配制有湿法和干法,湿法是把生料加水磨成生料浆;干法是把原料烘干磨成生料粉。
要求配料准确、细度符合要求、搅拌均匀,使煅烧时各成分之间能充分反应。
我国的大型水泥厂大多数采用回转窑生产,例如湿法生产,生料在煅烧时要经历干燥、预热、分解、烧成和冷却等阶段:
干燥阶段100~200℃,生料水分逐渐蒸发干燥;
预热阶段300~500℃,生料被预热;
分解阶段500~900℃,粘土质原料脱水分解成为尤定型的AlzO3和SiO2,在600℃以上石灰质原料分解成为CaO和CO2;
烧成阶段1000~1200℃生成铝酸三钙、铁铝酸四钙和硅酸二钙,1300~1450~C生成硅酸三钙;
冷却阶段烧成后迅速冷却,即成为熟料。
将熟料加入适量石膏共同磨细,即得到硅酸盐水泥P·I型;
将熟料加入适量石膏和混合材共同磨细,即得到硅酸盐水泥P·Ⅱ型。
硅酸盐水泥的生产工艺也可以概括为“两磨一烧”,即生料的配制磨细,生料煅烧至部分熔融为熟料,熟料的磨细。
(三)硅酸盐水泥的矿物组成及特性MineralcompositionandcharacteristicOfPortlandcement
1.硅酸盐水泥的矿物组成Mineralcompositionofportlandcement
硅酸盐水泥由四种主要矿物组成,其名称、化学成分、代号和含量,见表4—1。
熟料巾的硅酸三钙和硅酸二钙称为硅酸盐矿物,含量约占70%左右;铝酸三钙和铁铝四钙称为溶剂性矿物,含量占18%~25%。
由于煅烧不充分等原因,还存有少量的有害成分:
如游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)、含碱矿物和玻璃等(约占百分之几)。
这些成分过多,会降低水泥的质量,甚至成为废品。
由于在水泥熟料中硅酸钙约占?
o%左右,因此我国称为硅酸盐水泥。
又由于硅酸盐水泥为英国人约瑟夫·阿斯普丁(JosephAspdin)在1824年取得专利,开创了水泥工业的历
第五章混凝土
Chapter5Concrete
第一节概述
Section1Outlines
凡由胶凝材料、骨料和水等按适当比例配合拌制的混合物,再经浇筑成型硬化后得到的人造石材,统称为混凝土。
目前,工程上使用最多的是以水泥为胶凝材料,以砂石为骨料,加水等拌制的水泥混凝土,通常也就简称为混凝土。
当用其他胶凝材料拌制的混凝土,往往需在其前加上胶凝材料的名称,如沥青混凝土、树脂混凝土、水玻璃混凝土等。
一、混凝土的分类Theclassificationofconcrete
(1)混凝土按强度等级高低分类强度等级为C10-C60的,称为普通混凝土;强度等级为C60~C100的,称为高强混凝土;强度等级≥C100的称为超高强混凝土。
(2)混凝土按表观密度的大小分类干表观密度在2100~2500kg/m3的称为普通混凝土,是用天然(或人22)砂、石作骨料配制的,一般干表观密度在2400kg/m3左右,为土木工程中最常用的混凝土;干表观密度大于2600kg/m3的称为重混凝土,是用重晶石或钡水泥、锶水泥等配制的,其表观密度可达3200~3400kg/m3,重混凝土能防射线、防辐射,故又称为防辐射混凝土;干表观密度小于1950kg/m3的称为轻混凝土,多采用陶粒等轻质多孔的骨料或掺人加气剂、泡沫剂等形成多孔结构的混凝土,常用于轻质结构、保温隔热工程。
(3)混凝土按用途或施工方法的不同分类如水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防水混凝土、耐酸混凝土,耐热混凝土、喷射混凝土、泵送混凝土、碾压混凝土等多种。
二、混凝土的特点ThecharacteristicOfconcrete
普通混凝土是目前用量最大的土木工程结构材料。
因为混凝土有如下优点:
(1)可就地取材,成本低。
(2)具有良好的可塑性与町模性。
(3)与钢筋有牢固的粘结力,且能保护钢筋不锈蚀。
(4)具有较高的抗压强度。
(5)耐久性好,维护和保养费用极低。
混凝土的主要缺点是:
(1)自重大,比强度小。
(2)抗拉强度低,一般抗拉强度仅为抗压强度的1/10~1/20,因此受拉时易产生脆裂。
(3)生产周期长,施工过程质量难以控制。
第二节普通混凝土的基本组成材料
Section2TheprimaryconstructionalmaterialOfordinaryconcrete
普通混凝土主要由水泥、砂、石子及水四种基本材料所组成。
各种材料的作用如下:
砂子填充石子的空隙;水泥和水形成水泥浆而填充砂、石的空隙,并包裹在砂、石表面,将砂石紧紧粘结在—起,硬化后形成混凝土。
水泥浆发挥厂填充、润滑、胶结三方面的作用。
混凝土中的砂称为细骨料(或细集料),石子称为粗骨料(或粗集料)。
粗、细骨料一般不与水
泥起化学反应,主要起骨架、抑制水泥石的体积变形两方面的作用。
图5—1为混凝土的结构示意图,混凝土是由水泥石、石子,砂子、孔隙等组成的一个宏观均匀,微观非均匀的堆聚结构。
混凝土的质量在很大程度是由原材料的性质及相对含量所决定,为此,必须首先了解其组成材料的性质、作用及技术要求,合理选择原材料,才能保证混凝土的质量。
一、水泥Cement
水泥在混凝土中起胶结作用,是最主要的材料。
正确、合理地选择水泥的品种和强度等级是保证混凝土质量的重要因素。
配制混凝土时一般用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿碴硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
水泥质量应符合国家现行标