建筑材料概念重点剖析.docx

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建筑材料概念重点剖析

固态物质

胶体物质：

（由气、液、固三种状态中的）两种构成的高分散体系

材料：

是由一定配比的若干相互作用的元素所构成，具有一定的结构层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。

材料的强度：

材料在外力作用下抵抗破坏的能力。

实际强度：

通过实验实际测定的

理论强度：

克服固体内部质点间的结合力，形成两个新表面时所需的应力。

实际强度远低于理论强度

金属---结构材料（主要）

连接材料

围护材料

饰面材料

在常温下金属一般是晶体物质

点缺陷：

在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

线缺陷：

两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，错位

面缺陷：

二维尺度很大而三维尺度很小的缺陷，小角晶界

延伸率δ：

试件拉断后，其弹性变形消失，塑性变形存留下来。

将拉断的试件对接在一起，若试件受力前的标距为L0，横截面积为A0，测量拉断后的标距长度L1和断口处的最小横截面积A1，

延伸率δ=

x100%

钢材的截面收缩率Ψ=

x100%

通常钢材拉伸试件取L0=5do或L0=10do,延伸率分别是δ5和δ10表示，同一钢材，δ5大于δ10。

（5do伸得多）

延伸率δ、截面收缩率Ψ是衡量材料塑性的两个重要指标。

δ与Ψ值越大，说明材料的塑性越好

低碳钢的延伸率=20%~30%，截面收缩率=60%~70%

2.2冲击韧性

冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。

用冲断试样所需能量的多少来表示、

钢材的冲击韧性实验是采用中间开有V形缺口的标准弯曲试样，置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。

当实验机的重摆从一定高度自由落下，将试样冲断是时，试样吸收的能量等于重摆所做的功W。

若试件在缺口处的最小横截面积为A，则冲击韧性αk=

Αk越大表示钢材抗冲击的能力越强

钢中磷、硫含量高，非金属夹杂物、焊接形成的微裂纹、存在偏析会使冲韧降低。

2.2.3耐疲劳性

钢材的疲劳：

钢材在交变荷载的反复作用下，在应力水平远小于其抗拉强度时就发生破坏。

2.2.4钢铁的工艺性能

1.冷弯性能

冷弯性能：

钢材在常温下承受弯曲变形的能力

以实验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示—弯曲角度越大，

弯心直径越小，冷弯性能越好。

2.焊接性能

低碳钢的可焊接性很好

随着碳含量和合金含量的增加，钢材的可焊性减弱

钢中含硫会使钢材在焊接时产生热脆性

2.3金属的强化

2.4金属的腐蚀与防护

2.4.1金属的腐蚀

1.化学腐蚀：

金属直接与周围介质发生化学反应而产生的腐蚀，多数氧化所致。

电化学：

电极电位不同的金属与电解质溶液接触形成微电池，产生电流而引起的腐蚀。

2.5金属在土木的应用

2.5.1化学成分对钢材性能的影响

钢的主要化学成分：

铁+碳

有利元素：

锰、硅

有害元素：

氧、磷、硫、氮（熔炼过程中难除尽或混入）

改善性能：

钒、钛

碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性影响。

随着碳增加，钢的抗拉强度和屈服强度上升，但其韧性、冷弯性能和冲击韧性能降低，焊接性变差。

锰：

能细化晶粒，提高钢材的屈服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲击韧性。

改善冷脆性能，1%~2%

硅：

主要合金，使铁素体结晶均匀，晶粒细化，底稿强度。

含量高会变脆降低可焊性和抗锈蚀能力。

含量低<1%

磷、硫：

两种有害。

硫降低钢材塑性与冲击韧性。

磷降低韧性并脆性破坏，降低可焊性。

土木工程用钢

钢结构用钢

型钢、钢板

钢筋混凝土结构用钢

钢筋、钢丝

建筑装饰用钢

不锈钢装饰制品、彩色涂层钢板、轻钢龙骨

（1）钢结构用钢

主要：

碳素结构钢、低合金结构钢

碳素结构钢：

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275

牌号增大，含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。

同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，Q235C、D比A、B好

2.5.2铝和铝合金材料

铝属于有色金属中的轻金属，钢的三分之一，熔点低，导电性、导热性好

纯铝的强度、硬度很低，塑性好，压延成铝箔，有极高的反射率，绝热、装饰、隔蒸汽

铝合金提高强度，极限抗拉强度400~500pa

混凝土

混凝土（广义上泛指）将一种具有胶结性质的材料和石、砂和粉细颗粒混合并成型后，经凝固硬化粘结成为整体的一系列建筑材料。

胶结材：

水泥、石灰、石膏、沥青及聚合物、硫磺、等

混凝土特点：

1.耐水性能好，用途广泛

2.生产主要组成材料——骨料、水泥的原料来源丰富，经济，就地

3.易成型为形状与尺寸变化范围大的构件

4.生产耗能比钢材低，可利用工业废料

5.与钢材复合，作钢筋混凝土、预应力混凝土

水泥：

一种灰色粉末，颗粒尺寸约在1~50μm，硅酸钙（主要矿物成分）与水化合（水化）后形成水化硅酸钙（CSH）

骨料：

骨料

粗骨料

大于5mm

石子

细骨料

小于5mm

砂子

天然骨料

卵石、河砂

加工骨料

碎石、人工砂

砂浆：

没有粗骨料的混凝土

水泥浆：

没有骨料的混凝土

水：

在混凝土中其双重作用：

1使水泥水化硬化

2使与水刚拌和时形成的新拌混凝土（拌合物）能够根据工程的要求成型为不同形状、不同尺寸的构件，梁、板、柱

混凝土的表观密度不同

混凝土的类型

表观密度

普通混凝土

2400kg/m3

轻混凝土

小于1950kg/m3

重混凝土

大于2600kg/m3

3.2混凝土组成材料

传统混凝土=水泥+砂+石+水

现代混凝土=水泥+砂+石+水+化学外加剂+矿物掺合料+纤维

C30：

30MPa≤抗压≤35MPa

影响混凝土强度等级的因素：

水泥等级水灰比、养护温度、湿度、集料、龄期、

3.2.1硅酸盐水泥

水泥：

凡是细磨成粉末，

加入适量水后成为塑性浆体，

既能在空气中、也能在水中硬化，

并能将砂、石等散粒、纤维状材料胶结在一起的水硬性胶凝材料

1.硅酸盐水泥的的生产

硅酸盐水泥熟料的基本化学成分：

钙、硅、铝、铁的氧化物，少量镁钠钾的氧化物。

生产过程：

两磨一烧

硅质原料（粘土或页岩）

原料破碎

粉磨

窖内煅烧

钙质原料（石灰石）

铁质原料

水泥熟料形成的大致过程

过程

温度范围/℃

反应产物

粘土脱水

25~600

H2O释出生成偏高岭石

2SiO2·Al2O3

碳酸盐分解

500~1000

CaO由小于2%增至17%

铝硅酸盐分解

固相反应

液相烧结

冷却结晶

硅酸盐水泥熟料由下列几种矿物组成

1硅酸三钙---Ca3Si

2硅酸二钙---Ca2Si

3铝酸三钙---Ca3Al

4铁氯酸四钙---Ca4ClFe

水泥熟料所含的各种矿物是在高温并且不平衡的条件下形成的，晶体结构发育不完善，对称性低

2.水泥的水化

水泥的水化活性：

结构不对称并有大量缺陷的水泥熟料矿物，能迅速与水产生化合反应的原因

水化是放热反应：

处于不稳的高能态的各种矿物与水反应，生成具有较稳定的低能态的水化产物。

影响水泥水化的因素：

1温度：

温度升高，反应加速;0℃一下水泥的水化反应继续

2水灰比：

水与水泥之比（W/C）。

W/C较大，水泥水化是有充足的水分供应，可促进水泥水化，提高水化程度。

当W/C为0.38时，水泥全部水化所生成的水化产物正好填满全部空隙；W/C继续增大，几时水泥全部水化，仍然不能填满全部空隙，会硬化水泥石内部留下毛细孔；W/C越大，毛细孔占据的提及越大。

如果W/C很低，可填充的时间太小，而水化产物生长需要空间，这样水化反应就会中途停止-水泥不可能完全水化。

水化产物包裹在未水化的坚硬熟料内芯外面，将其粘结成整体，这对水泥石的强度无害而可能有益。

（当硬化水泥浆体或混凝土暴露在环境中并开裂时，在周围有水分存在的条件下，未水化的熟料内芯可继续水化，新生成的水化物会封闭裂缝，恢复结构的整体性。

，自愈性能。

）

3.硬化水泥浆体的组成与结构

水泥石

硬化水泥浆体是⑴各种水化产物、

一非匀质的多相体系⑵残存的未水化熟料

固—液—气三相多空体⑶存在于空隙中的液体和空气所组成

空隙

在水泥的水化过程中，水化产物的体积大于参与反应的固相物质的体积，但小于参与反应的固相物质和水的总体积。

随着水化的进行，部分原由水占据的空间变成形状不规则的毛细孔。

（一情况下，这些毛细孔内部集聚着水分。

）

4.水泥的技术性质

⑴密度与表观密度

硅酸盐水泥的密度为3.0~3.15g/cm3，，表观密度1000~1600kg/m3

⑵细度

*水泥粉磨的粗细程度，影响水泥的水化速率、凝结时间、强度发展速率和生产能耗与成本

⑶标准稠度用水量

*水泥浆达到规定稠度时的用水量，检验凝结时间、体积安定性，水泥质量的23%~30%

⑷凝结时间

初凝时间不能过短---为了混凝土浇筑成型后尽快硬化，需要水泥初凝后迅速达到终凝

初凝时间

终凝时间

硅酸盐水泥

不小于45min

不大于390min（6.5h）

混合硅酸盐水泥

不小于45min

不大于600min（10h）

⑸体积安定性

*水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即体积的安定性不良

*指水泥凝结硬化过程中体积变化是否均匀的性能

水泥发生体积安定性不良，硬化后自身产生膨胀性开裂，甚至完全开裂。

⑹碱含量

⑺强度

3.混合硅酸盐水泥

㈠普通硅酸盐水泥：

硅酸盐水泥熟料、

（普通水泥）6%~20%的混合材料

适量石膏（磨细）=水硬性胶凝材料PO

㈡矿渣硅酸盐水泥:

硅酸盐水泥熟料、

21%~70%的粒化高炉矿渣

适量石膏（磨细）=矿渣水泥PS

㈢火山灰质硅酸盐水泥、

煤灰硅酸盐水泥：

硅酸盐水泥熟料、

21%~40%的火山灰质混合材料

适量石膏（磨细）=火山灰水泥PP

㈣复合硅酸盐水泥：

硅酸盐水泥熟料

√两种或两种以上规定的活性混合材料

或（和）非活性混合材料

适量石膏（磨细）=复合水泥PC

6.矿物掺和料对混凝土强度与其他性能的影响

在相同的水胶比（水/胶凝材料）的条件下，掺有矿物掺和料并减少了水泥用量的混凝土通常早起强度发展受影响。

--只有掺用硅粉时，由于其表面积巨大，各龄期的强度都会提高。

3.2.3骨料

硬化水泥浆体----有强度等性能---

----缺点---①体积稳定性差（收缩和徐变大）

②价格高

骨料克服缺点----①经济性填充料

②提高体积稳定性、耐磨性

骨料占混凝土体积的65%~80%，对混凝土结构和性能有重要影响

*如果骨料表面覆盖了杂质（淤泥、粘土、有机物），会影响骨料与水泥浆体的粘结效果，增加混凝土的需水量，有机物还可能影响水化。

用水冲淋石头

1.骨料的分类

天然：

砾石、河砂

加工：

碎石、人工砂

细骨料（砂）0.15~4.75mm粒径

粗骨料：

4.75mm以上粒径

（1）普通骨料：

天然岩石制造—河砂、卵石、花岗岩、石灰岩、

（2）轻骨料：

天然、人工—堆积密度小于1200kg/m3

（3）重骨料：

高密度骨料---钢球

2.骨料的分级与级配

分级*根据标准对骨料进行筛分，按照粒径的大小分级。

级配*分级为了满足不同混凝土的需要，优化各级别粒径颗粒的分布

粗骨料—2.36、4.75、9.50、19.0、26.5、31.5、37.5、63.0、75.0、90.0mm的筛子进行分级

细骨料—9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、150μm的方孔筛进行。

采用多种级配骨料复合的目的：

复合后的骨料获得尽量小的孔隙率，提高其传荷能力。

骨料的最大粒径越大，混凝土所需水泥浆量越少，有经济效益

但它受一下几方面限制：

（1）骨料的最大粒径不得大于构件最小断面尺寸的1/4和钢筋最小净间距的3/4.

（2）混凝土浇筑过程中避免与砂浆分离。

骨料粒径越大，级配越单一，容易与砂浆分离（离析），影响其均匀性、适用性能。

（3）提高混凝土强度和抗动载的性能。

在配制高强混凝土、受冲击与疲劳荷载的混凝土，骨料的最大粒径应该减小，而且要有尽量均匀的连续级配，以得到要求的强度。

离析：

混合物料中某一类分子由于物性相同而发生集聚的现象，

反：

混合

*混凝土拌合物组成材料之间的粘聚力不足以抵抗骨料下沉，混凝土拌合物成分相互分离，造成内部组成和结构不均匀的现象“骨肉分离”

3.2.4外加剂

1.减水剂

*塑化剂，有机高分子表面活性剂

-无，水泥聚集成胶束

-有，水泥分散开来

作用：

增大新拌水泥浆体或混凝土拌合物的流动性，或配出用水量减少（水灰比降低）而流动性不变的混凝土。

2.早强剂

*可促进水泥的水化与硬化、加速混凝土早期的强度发展，

适用于低气温条件下混凝土的浇筑，满足早拆模和缩短养护期

原理：

（缩短初凝时间，终凝时间）

3.缓凝剂（蔗糖、柠檬酸、木质硫酸钙）

*延缓水泥水化，延长混凝土拌合物的凝结时间、降低早起强度发展速率

作用:

①抵消热天由于高温促凝作用，长途运输

②大体积混凝土的浇筑可能要持续很长时间（要让先浇筑的混凝土不会过快凝固，造成冷缝与断层，使混凝土构件的整体性良好、强度发展均匀）

4.引气剂

作用：

能够改善混凝土抵抗冻融循环作用的能力

影响：

（1）由于气泡类似滚珠的润滑作用，有利于拌和物的流动性和粘聚性—改善泵送功能

（2）空隙率增大会引起混凝土抗压强度下降，含气量增加1%，强度损失3%~5%，工作性得到改善，再通过降低水灰比来维持原有的工作性，使混凝土强度不降低或得到补偿。

3.3混凝土的结构

混凝土的结构包括三个相——①骨料

②硬化水泥浆体

③过渡区（两者之间）

（物理学中，相是指一个宏观物理系统所具有的一组状态，通称“物态”。

）

过渡区的存在----过渡区是围绕骨料颗粒周边的一层薄壳，厚度约10~50μm。

（它的薄弱程度对混凝土性能的影响十分显著）

①骨料

骨料相主要影响混凝土的表观密度、弹性模量、尺寸稳定性

②硬化水泥浆体

硬化水泥浆体

硬化水泥浆中的固体

硬化水泥浆体的空隙

硬化水泥浆体的水

3过渡区（骨料颗粒外周的一薄层）

*与硬化水泥浆体的组成成分一样，但与其结构和性质存在很大差异，因此要作为单独一相来分析。

*微结构的特点：

①富集大晶粒的氢氧化钙

②空隙率大、大孔径的孔多

③存在大量原生微裂缝

3.4混凝土的强度与破坏

3.4.1空隙率和强度存在着反比关系

3.4.2混凝土的破坏模式

3.4.3抗压强度-其影响因素

混凝土的抗压强度

混凝土最适于承受压荷载，用抗压强度来表征它的承载力

影响抗压强度的因素

1.组成材料的特性与配比

1）水灰比（w/c）

硬化水泥浆的强度由空隙率控制

过渡区的强度和水灰比有关

↓

因此，混凝土强度与水灰比成反比

F=

当W/C增大时，孔隙率也增大，强度逐渐降低。

混凝土强度

有关

2）水泥等级和品种

3）骨料

骨料颗粒强度比硬化水泥浆和过渡区高几倍

配制高强度的混凝土时，应使用最大粒径较小的骨料—抗冲击与抗疲劳强度高

骨料的级配，颗粒分布较好—--填充骨料间隙所需要的水泥浆量较少→水灰比较低→得高强度

4）拌和水

5）外加剂

减水剂、

外加剂

减水剂

降低混凝土的水灰比

调凝剂

缓凝剂、早强剂

.6）矿物掺和料

*降低基体和过渡区的孔隙率，减少微裂缝

2.养护

*在混凝土硬化过程中，认为地变化混凝土体周围环境的温度、湿度，使其微结构和性能得以达到效果

1）时间

强度随龄期而增长，水泥生产时粉磨的越细，后期强度增长幅度越小

2）湿度

存放在水中的混凝土比在空气中存放一段时间，或一直放在空气中的混凝土强度高

硬化过程，主要初期保持7d潮湿状态。

3）温度

与化学反应一样，水化反应的速率随温度的升高而加快

抗压强度等级

我国C10~C60

边长150mm的立方体试件

在标准条件（20±2℃，相对湿度95%以上）下养护到28天龄期，

测得的抗压强度为立方体试件抗压强度

3.5.2配合比设计

骨料增加，水泥浆量减少

水灰比=

;用水量=

；砂率=

3.6新拌及早期混凝土的性能

3.6.1新拌混凝土的性能

1.浇筑时的性能

工作度：

新拌混凝土在浇筑时的性能——用硂拌合物浇筑、捣实、抹面时的性质和捣实过程密实化的能力来衡量

1）流动性

*硂克服内部阻力、与模板、钢筋之间的粘性力，产生流动，并填充模型与钢筋周围的能力

2）捣实性

*在振动捣实、加压作用下，排出拌和时带入气泡，达到密实的能力

3）稳定性、粘聚性

*、*是指其维持均匀的整体性的能力（砂浆骨料不离析；抵抗泌水、沉降分层）

各种颗粒都处于悬浮状态

2.工作都测定

1）两点实验法

2）单点实验法

坍落度：

最广泛的混凝土拌和物工作度测定方法。

1测定时首先将拌和物分三层浇灌到一平顶的截锥圆筒里，每层用钢棍插捣25次

2提升圆锥筒，量取拌和物坍落的高度---即为坍落度值

严格地说----只有当硂坍下后仍然保持原先的截锥体形状时才有可量测价值，因此测定工作度的上限——坍落度为0~175mm

原材料一定时，坍落度取决于水泥浆量的多少、粘度大小

只增大用水量是，坍落度加大，稳定性降低，（易于离析、泌水）

维勃稠度实验（VB）

测定VB稠度，就是测定拌和物试样从坍落度实验筒取走后，在振动台的振动力作用下，流平圆柱形外筒所需时间。

3.影响拌和物工作杜的因素

1）用水量、水泥浆量

最敏感的影响因素，增减1kg，意味增减1L水泥浆量，同时影响水泥浆粘度的大小

2）骨料的品种、品质

碎石比卵石粗糙，棱角多，内摩擦阻力大，流动性与压实性较差

石子最大粒径增大，需要包裹的水泥浆减少，流动性改善，易离析

细沙表面积大

3）砂率

硂拌和物种，砂子填充石子的空隙，水泥浆填充砂子的空隙，

最优砂率，在水泥浆量一定时，最优砂率拌出的混凝土坍落度最大

4）外加剂、矿物掺和物影响

引气剂可以增大拌和物和含气量

在加水一定的条件（胶凝材料用量少、细沙混凝土下）增加浆体体积，改善工作度，减小泌水、离析，提高粘聚性，

5）拌和条件

3.6.2拌和物浇筑后的性能

1泌水（浇筑、捣实后、凝结前，表面会出现一层水分、浮浆）

*原因：

骨料的级配不良，缺少300μm以下的颗粒，可通过增大砂率弥补

*

影响：

（混凝土体积减小）

1顶部、靠近顶部的混凝土含水多，形成疏松的水化物结构，对耐磨性有害

2部分上升的水积存在骨料下方形成水囊，削弱水泥浆与骨料间的过渡区，影响强度、耐久性

2.塑性沉降

沉降受到阻碍，产生塑性沉降裂缝，从表面向下直至钢筋上方

3.塑性收缩

干燥环境中，表面混凝土含水将减小，

温度高，相对湿度小、风大、太阳辐射强，混凝土容易开裂

4.含气量

混凝土的含气量：

拌好的混凝土含的空气是搅拌时带进去的，占0.5~2%,

5.凝结时间

*凝结是混凝土拌和物固化的开始

初凝：

硂不能再正常地浇筑、捣实

终凝：

硂强度开始以相当的速度增长

3.6.3强度增长与温度影响

温度升高，水化加快

不同养护期温度下混凝土个龄期的强度与23℃

（1）早期（一天）的强度发展随养护温度升高二提高

（2）养护温度低的混凝土后期强度相对较高，并与水化相联系

（3）混凝土在负温仍然水化，-10℃中止