建材专业基础与实务.docx
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建材专业基础与实务
一、无机非金属材料定义及分类
无机非金属材料（inorganicnonmetallicmaterials）是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。
无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。
二、胶凝材料及其分类
胶凝材料是：
在物理、化学作用下，由塑性浆体变成坚硬固体，并能胶结其他物料成为一定强度的复合固体的物质。
又称胶结材料。
胶凝材料分为有机和无机两类。
前者主要有沥青和各种树脂，后者按其硬化条件又分为水硬性和非水硬性两种。
水硬性胶凝材料和水成浆后，能胶结砂石等材料并在空气和水中硬化，通常称为水泥。
非水硬性胶凝材料只能在空气中硬化，又称气硬性胶凝材料，如石灰、石膏、镁质胶凝材料等。
三、建筑物理的基本知识
建筑物理，是研究声、光、热的物理现象和运动规律的一门科学，是建筑学的组成部分。
其任务在于提高建筑功能质量，创造适宜的生活和工作环境。
该学科形成于20世纪30年代。
其分支学科1、建筑声学，主要研究建筑声学的基本知识、噪声、吸声材料与建筑隔声、室内音质设计等内容；2建筑光学、主要研究建筑光学的基本知识、天然采光、建筑照面等问题；3建筑热工学，研究气候与热环境、建筑日照、建筑防热、建筑保温等知识。
四、材料力学基本知识
1、应力：
材料内部各部分之间相互作用的力 l
2、应变：
物体在外力作业下，其现状尺寸所发生的相对改变称为应变。
l
3、强度：
金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。
l
4、硬度：
是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。
l
5、塑性：
是材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的 能力。
l
6、冲击韧性：
是材料在外力冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征。
基本概念
1材料力学的任务是：
研究构件的强度、刚度、稳定性的问题，解决安全与经济的矛盾。
2强度：
构件抵抗破坏的能力。
3刚度：
构件抵抗变形的能力。
4稳定性：
构件保持初始直线平衡形式的能力。
5连续均匀假设：
构件内均匀地充满物质。
6各项同性假设：
各个方向力学性质相同。
7内力：
以某个截面为分界，构件一部分与另一部分的相互作用力。
8截面法：
计算内力的方法，共四个步骤：
截、留、代、平。
9应力：
在某面积上，内力分布的集度（或单位面积的内力值）、单位Pa。
10正应力：
垂直于截面的应力（σ）
11剪应力：
平行于截面的应力（t）
12弹性变形：
去掉外力后，能够恢复的那部分变形。
13塑性变形：
去掉外力后，不能够恢复的那部分变形。
14四种基本变形：
拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。
二、拉压变形
15当外力的作用线与构件轴线重合时产生拉压变形。
16轴力：
拉压变形时产生的内力。
17计算某个截面上轴力的方法是：
某个截面上轴力的大小等于该截面的一侧各个轴向外力的代数和，其中离开该截面的外力取正。
18画轴力图的步骤是：
①画水平线，为X轴，代表各截面位置；②以外力的作用点为界，将轴线分段；第一章绪论
§1.1材料力学的任务二、基本概念
1、构件：
工程结构或机械的每一组成部分。
（例如：
行车结构中的横梁、吊索等）材料力学—研究变形体，研究力与变形的关系。
2、变形：
在外力作用下，固体内各点相对位置的改变。
（宏观上看就是物体尺寸和形状的改变）
弹性变形—随外力解除而消失
塑性变形（残余变形）—外力解除后不能消失刚度：
在载荷作用下，构件抵抗变形的能力
3、内力：
构件内由于发生变形而产生的相互作用力。
（内力随外力的增大而增大）强度：
在载荷作用下，构件抵抗破坏的能力。
4、稳定性：
在载荷作用下，构件保持原有平衡状态的能力。
强度、刚度、稳定性是衡量构件承载能力的三个方面，材料力学就是研究构件承载能力的一门科学。
三、材料力学的任务
材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件，提供必要的理论基础和计算方法
研究构件的强度、刚度和稳定性,还需要了解材料的力学性能。
因此在进行理论分析的基础上，实验研究是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。
四、材料力学的研究对象
构件的分类：
杆件、板壳*、块体*
材料力学主要研究杆件﹜直杆——轴线为直线的杆曲杆——轴线为曲线的杆
扭转受力特点及变形特点:
杆件受到大小相等,方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用,杆件的横截面绕轴线产生相对转动。
1.材料力学就是研究构件强度、刚度、稳定性理论
2.变形性质分为弹性变形、塑性变形
3.研究内力的方法是截面法
4.表示内力密集的程度是应力
5.基本变形有：
轴向拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲
6轴力图是表示轴力与横截面积关系
7.平面假设是受轴向拉伸的杆件，变形后横截面积仍保持不变为平面，两平面相对位移了一段距离
8.应力集中是会在其局部应力骤然增大的现象
9低碳钢的四个表现阶段弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段
10.代表材料强度性能的主要指标是屈服强度和抗拉强度
11塑性指标主要是伸长率和断面收缩率
12.%为塑性材料为脆性材料
13连接杆主要有铆钉链接、螺栓链接、焊接、键连接、销轴链接
14剪切计算主要有安全计算、加工计算、运算安全计算
15焊接的对焊接和搭焊接两种，其中对焊接有对接、V型、
X型d³5d<5%
③计算各段上的轴力；
④在水平线上画出对应的轴力值。
（包括正负和单位）
19平面假设：
变形后横截面仍保持在一个平面上。
20拉（压）时横截面的应力是正应力，σ=N/A
21斜截面上的正应力：
σα=σcos²α
22斜截面上的切应力：
tα=σSin2α/2
23胡克定律：
杆件的变形时与其轴力和长度成正比，与其截面面积成反比，计算式△L=NL/EA（适用范围σ≤σp）
24胡克定律的微观表达式是σ=Eε。
25弹性模量（E）代表材料抵抗变形的能力（单位Pa）。
26应变：
变形量与原长度的比值ε=△L/L（无单位），表示变形的程度。
27泊松比（横向变形与轴向变形之比）μ=∣ε1/ε∣
28钢（塑）材拉伸试验的四个过程：
比例阶段、屈服阶段、强化阶段、劲缩阶段。
29比例极限σp：
比例阶段的最大应力值。
30屈服极限σs：
屈服阶段的最小应力值。
31强化极限σb：
断裂前能承担的最大应力值。
32脆、塑材料的比较：
①脆材无塑性变形，抗压不抗拉；塑材抗拉也抗压。
②脆材对应力的集中的反应敏感，塑材不敏感。
33应力集中：
在形状变化处，应力特别大的现象。
34延伸率：
拉断后，变形量与原长的比值（δ=△L1/L，≥5%为塑材）
35冷作硬化：
进入强化阶段后，卸载再重新加载，比例极限增大的现象。
38极限应力σjx：
失去承载能力时的应力
39许用应力〔σ〕:
保证安全允许达到的最大应力。
42计算思路：
外力内力应力。
43超静定问题：
未知力多于平衡方程个数的问题（用平衡方程不能或不能全部计算出构件的外力）。
44计算超静定问题：
除平衡方程以外，更需依据变形实际建立补充方程。
45剪力：
平行于截面的内力（Q），该截面称作剪切面。
46单剪：
每个钉有一个剪切面。
双剪：
每个钉有两个剪切面。
48挤压力：
两构件相互接触面所承受的压力。
三、扭转
1外力偶矩的矢量方向与杆件的轴线重合时杆件发生（扭转）变形。
杆件的两个相邻截面发生绕轴线的相对转动。
2传动轴所传递的功P（kw），转速n（r/min）,则此外力偶矩为Me=9.549P/n（N*m）。
3扭转变形时，杆件横截面上的内力称扭矩。
表示各截面上扭矩大小的图形，称作扭矩图。
4两正交线之间的直角的改变量（t），称为剪应变。
表示剪切变形的严重程度。
5剪切胡克定律τ=Gt，式中G称为材料剪切弹性模量。
6薄壁扭转构件横截面上某点的剪应力tttntttδ，式中tt为圆形横截面包围的面积，δ为该点处的壁厚。
7Ip=∫Aρ²dA称为截面的极惯性矩。
四、弯曲应力：
1梁弯曲时，作用线与横截面平行的内力，称为剪力。
数值上等于该截面之左侧或右侧梁上各个横向外力的代数和，绕截面顺转的力为正。
2梁弯曲时，作用面垂直于轴线的内力偶矩，称为弯矩。
数值上等于该截面之左侧或右侧梁上各个外力（包括力偶）对截面力矩的代数和，使截面处产生凹变形的力矩为正。
3无均布载荷梁段，剪力为水平直线。
无剪力（零）的梁段，弯矩为水平直线。
在集中力作用的截面，剪力图上发生转折，在集中力偶作用的截面，弯矩图上发生跃变。
在剪力为零的截面，弯矩有极大值。
最大弯矩发生在Q=0，集中力偶两侧、悬臂梁根部和集中力的截面上。
Iz=∫Ay²dA称为截面的轴惯性矩。
式中y是微面积dA到中性轴的距离。
中性轴通过截面的形心，是拉压区的分界线。
五、弯曲时的位移
1挠度是梁弯曲时横截面的形心在垂直于梁轴线方向的位移。
2转角是梁变形时横截面绕其中性轴旋转的角度。
六、超静定问题
1使用静力平衡方程不能求出结构或构件全部约束力或内力的问题。
2多余约束力：
解除维持构件平衡的多余约束后，以力代替该约束对构件的作用力。
变形协调方程
多余约束力与基本力共同作用的变形满足梁的约束条件。
七、应力状态和强度理论
1应力状态：
受力构件内部一点处不同方位截面应力的集合。
单元体：
围绕构件内一点处边长为无穷小的立方体。
主平面：
单元体上剪力为零的截面
4截面核心：
压力作用线通过此区域，受压杆横截面上无拉应力。
5弯矩扭合构件选用空心圆形截面比较合理。
九、压杆稳定
1稳定性：
受压杆件保持原有直线平衡形式的能力。
2临界力Pcr：
受压杆件能保持稳定的最大压力。
9提高稳定措施：
①环形截面；②减小长度；③固定牢固。
冷拉是在常温条件下，以超过原来钢筋屈服点强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形以达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材为目的。
冷拔-是材料的一种加工工艺，对于金属材料，冷拔指的是为了达到一定的形状和一定的力学性能，而在材料处于常温的条件下进行拉拔。
冷拔的产品较之于热成型有：
尺寸精度高和表面光洁度好的优点。
等截面杆——横截面的大小形状不变的杆变截面杆——横截面的大小或形状变化的杆
等截面直杆——等直杆
§1.2变形固体的基本假设
在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体。
在材料力学中，对变形固体作如下假设：
1、连续性假设：
认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质
灰口铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织2、均匀性假设：
认为物体内的任何部分，其力学性能相同
普通钢材的显微组织优质钢材的显微组织3、各向同性假设：
认为在物体内各个不同方向的力学性能相同
（沿不同方向力学性能不同的材料称为各向异性材料。
如木材、胶合板、纤维增强材料等）
4、小变形与线弹性范围：
认为构件的变形极其微小，比构件本身尺寸要小得多。
如右图，δ远小于构件的最小尺寸，所以通过节点平衡求各杆内力时，把支架的变形略去不计。
计算得到很大的简化。
§1.3外力及其分类
外力：
来自构件外部的力（载荷、约束反力）按外力作用的方式分类
体积力：
连续分布于物体内部各点的力。
如重力和惯性力表面力：
分布力：
连续分布于物体表面上的力。
如油缸内壁的压力，水坝受到的水压力等均为分布力
集中力：
若外力作用面积远小于物体表面的尺寸，可作为作用于一点的集中力。
按外力与时间的关系分类
静载：
载荷缓慢地由零增加到某一定值后，就保持不变或变动很不显著，称为静载
动载：
载荷随时间而变化。
如交变载荷和冲击载荷
§1.4内力、截面法和应力的概念
内力：
外力作用引起构件内部的附加相互作用力。
求内力的方法—截面法
（1）假想沿m-m横截面将杆切开
（2）留下左半段或右半段（3）将弃去部分对留下部分的作用用内力代替（4）对留下部分写平衡方程，求出内力的值。
§1.5变形与应变
1.位移：
MM'刚性位移；变形位移。
2.变形：
物体内任意两点的相对位置发生变化。
取一微正六面体两种基本变形：
线变形——线段长度的变化角变形——线段间夹角的变化
3.应变
正应变（线应变）
x方向的平均应变：
切应变（角应变）杆件的基本变形：
拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲第二章拉伸、压缩与剪切
（1）
§2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例
受力特点与变形特点：
作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。
§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力2、轴力：
截面上的内力
由于外力的作用线与杆件的轴线重合，内力的作用线也与杆件的轴线重合。
所以称为轴力。
4、轴力图：
轴力沿杆件轴线的变化
杆件的强度不仅与轴力有关，还与横截面面积有关。
必须用应力来比较和判断杆件的强度。
在拉（压）杆的横截面上，与轴力FN对应的应力是正应力。
根据连续性假设，横截面上到处都存在着内力。
观察变形：
平面假设—变形前原为平面的横截面，变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。
从平面假设可以判断：
（1）所有纵向纤维伸长相等
（2）因材料均匀，故各纤维受力相等（3）内力均匀分布，各点正应力相等，为常量
§2.3直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力
实验表明：
拉（压）杆的破坏并不总是沿横截面发生，有时却是沿斜截面发生的
§2.4材料拉伸时的力学性能
一试件和实验条件：
常温、静载
二低碳钢的拉伸明显的四个阶段
1、弹性阶段ob2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）4、局部径缩阶段ef
两个塑性指标:
断后伸长率断面收缩率δ＞5%为塑性材料δ＜5%为脆性材料低碳钢的S≈20-30%ψ≈60%为塑性材料
三卸载定律及冷作硬化
1、弹性范围内卸载、再加载2、过弹性范围卸载、再加载材料在卸载过程中应力和应变是线性关系，这就是卸载定律。
材料的比例极限增高，延伸率降低，称之为冷作硬化或加工硬化。
四其它材料拉伸时的力学性质
对于没有明显屈服阶段的塑性材料，用名义屈服极限σp0.2来表示。
对于脆性材料（铸铁），拉伸时的应力应变曲线为微弯的曲线，没有屈服和径缩现象，试件突然拉断。
断后伸长率约为0.5%。
为典型的脆性材料。
拉伸与压缩在屈服阶段以前完全相同三脆性材料（铸铁）的压缩
脆性材料的抗拉与抗压性质不完全相同压缩时的强度极限远大于拉伸时的强度极限一、安全因数和许用应力
变形特点：
位于两力之间的截面发生相对错动。
切应力强度条件：
[τ]许用切应力，常由实验方法确定第三章扭转
§3.1扭转的概念和实例
16按照强度条件设计的构件尺寸取大值，许应用荷载取小值，17切应力互等原理是在单元体互相垂直的平面上，垂直于两面交线的切应力数值相等，其方向均指向或背离该交线，
18脆性材料的抗拉能力低于其抗剪能力，塑性材料的抗剪能力则低于抗拉能力19纯弯曲是指梁横截面上只有弯矩无剪力的弯曲
20横力弯曲指的是梁横截面上既有弯矩又有剪力的弯曲变形
21材料力学的基本假设连续性假设、均匀性假设、各向同性假设
水泥的生产工艺过程
生产工艺硅酸盐水泥生产工艺流程可分为生料制备、熟料煅烧、水泥制成（粉磨）和包装等过程。
1.生料制备包括从原料破碎开始至成分调配到合乎要求的生料过程。
生料制备有干法和湿法两种方法。
在干法制备过程中,石灰石等大块硬质原料，按传统工艺是先经过一次破碎至大小在100mm左右的块料,或再经第二次破碎至小于25mm的块料（近年来已发展一次即破碎至小于25mm的块料工艺）。
粘土等含水原料则应经烘干再与石灰石、铁矿石等按比例送入磨机内，研磨成细的生料粉，输入搅拌库，在库中用压缩空气搅拌,并调整成分至合格的生料粉。
湿法制备生料过程与干法的主要区别，在于粘土是先用水淘洗成泥浆，与石灰石和铁矿石共同研磨至含水分约为35％的生料浆。
干法制备生料的主要优点是在煅烧水泥熟料时的热耗比湿法低,每千克熟料的热耗只需要3.6～4.6MJ，而湿法需要5.2～6.3MJ。
但湿法制备的生料成分较易均匀。
一些先进干法生产水泥厂，近年来采用原料预均化和生料成分自动控制等措施，以保证生料粉成分的均匀。
生料的研磨在不同类型的磨机中进行，主要有球磨、管磨、立式磨和烘干与研磨同时进行的中间卸料磨等。
为节约研磨过程的电能、提高磨机效率，生产中常采用闭路（圈流）式粉磨，即将出磨机物料先经过一个颗粒分级设备——选粉机，选出细颗粒部分作为产品，粗颗粒部分返回磨机内继续研磨。
闭路系统粉磨比开路粉磨（不经过选粉机分级）的产量约可提高15％～25％，并减少了过粉碎现象。
缺点是设备投资大、操作和管理较复杂。
近年来，又采用一种新型的带选粉机的立式辊轮磨,将破碎、研磨、干燥和分级在同一个装置内完成。
目前,最大的立式磨每小时产量可达400t。
2.熟料煅烧已制备好的生料在不同型式的窑内煅烧成水泥熟料。
一般生料粉或生料浆在回转窑内煅烧，中国大多数小型水泥厂均采用立窑煅烧，用立窑煅烧时生料粉中混入需要的煤粉，并加适量水混合制成直径为10～30mm的生料球。
立窑煅烧的水泥熟料质量略差，但煅烧温度低，耗煤量较小。
为了节约能耗、提高回转窑的生产能力，自70年代开始发展了窑尾带预热器和分解炉的窑外分解技术。
水泥生料在窑内受热过程中发生一系列物理和化学变化，如游离水的蒸发、粘土脱去结晶水、碳酸钙分解成氧化钙。
后者与粘土中的氧化硅和氧化铝及铁矿石间发生固相反应生成化合物，它们的存在形式主要有四种，即硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写C3S）、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写C2S）,铝酸三钙（3CaO·AI2O3，简写C2A）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3,简写C4AF）。
还有少量未化合的氧化钙和方镁石（MgO）。
有时还有硫酸盐、钛酸盐等,但数量更少。
由于熟料中还含有其他氧化物,上述各化合物并不是以纯的状态存在，往往固溶有其他各种氧化物。
故又将它们按照矿物相（即晶相）来命名，如硅酸三钙称阿利特，它在熟料中占50％以上；硅酸二钙称贝利特,约含有25％；铝酸三钙为铝酸盐;铁铝四钙称才利特。
从反光显微镜下观察到的水泥熟料结构可见到六方晶体是阿利特,圆粒晶体是贝利特。
晶体间的物质系由于物料在1450℃左右温度下有约30％熔融经冷却后形成，称中间相，其中亮的部分是才利特,又称白色中间相（即无定形的非晶相）,暗色的是铝酸盐,又称黑色中间相。
水泥熟料化学成分（％）有一定范围要求，氧化钙62～67，氧化硅20～24，氧化铝4～7，氧化铁3～5。
3.水泥制成和包装从窑内出来的水泥熟料经冷却后加入适量石膏（控制水泥中SO3≤3.5％），在磨机内研细，制成硅酸盐水泥。
水泥研磨的细度对水泥质量影响较大，提高细度，可提高水泥的强度，但相应的电耗也增大。
细度一般控制在0.08mm方孔筛上的筛余量不大于10％,或者比表面积在3000cm2/g左右。
水泥研磨过程中的粉尘较大，因此在设备进出口、输送过程及包装处均应安装收尘设备，如沉降室、旋风收尘器、袋收尘器等。
一些先进的工厂中均装有电除尘器。
在中国还利用含K2O高的粘土或钾长石代替粘土原料，在煅烧过程中使氧化物挥发至尘埃中，收集含K2O较高的粉尘,可以作钾肥使用。
水泥粉常用纸袋包装，但近年来已大量改用散装船、散装车输送，提高了装运效率，降低了成本。
用途广泛用于民用和工业用的建筑工程，例如油田和气田的固井、水利工程中的大体积坝体、军事抢修工程,还可用于作耐酸、耐火材料,坑道中喷射封顶以代替坑木。
水泥还可以代替木材和钢材用于多种场合，如电线杆、铁路枕轨、输油和输汽管道、贮原油和贮气罐等。
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