建筑材料交通工程专业

1、绪论 为什么要学习建筑材料课程？ 什么是建筑材料？ 如何学习建筑材料课程？ 为什么要学习建筑材料课程？ 重要性 安全、舒适的需要 经济性 什么是建筑材料？ 定义： 材料科学是一门由基础科学相互渗透而成的新科 学，它主要是研究材料的内部结构与材料性能的关系， 探索相变、位错、缺陷以及材料变形时引起的内部结构 变化对材料性能的影响，了解外界因素（物理的、化学 的、生物的）改变材料性能的机理。 建筑材料的发展： 木材、土、石砖瓦和石灰 建筑钢材、水泥、 混凝土、钢筋混凝土 预应力混凝土 什么是建筑材料？ 建筑材料今后的发展有着以下一些趋向： 在产品性能方面：要求轻质、高强、耐火、高效能和多功能； 在

2、制品型式方面：要求预制化、构件化、单元化和增大尺寸； 在生产工艺方面：要采用现代技术，改造和淘汰陈旧设备， 提高劳动生产率和产品质量，降低能耗； 在资源利用方面：要充分利用地方材料和工业废料。 建筑材料的分类 非金属材 料 无机材 料 天然石材（砂子、石子、各种岩石加工的石材）、烧土制品 （粘土砖、空心砖、棉砖、瓦）、胶凝材料（石灰、石膏、 水玻璃、水泥、菱苦土）、混凝土（普通混凝土、干硬性混 凝土、加气混凝土、轻骨料混凝土、特种混凝土）、砂浆 （抹面砂浆、砌筑砂浆） 硅酸盐制品（粉煤灰砖、粉煤灰砌块）、炭化制品（炭化砖 、炭化板等）、煤矸石制品（煤矸石砖、煤矸石砌块等）、 保温材料（石棉、矿

3、物棉、玻璃棉、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩 等）、玻璃 有机材 料 木材，竹材 胶结材料（石油沥青、煤沥青） 保温材料（软木板、毛毡） 涂料 塑料（壁纸、地板） 金属材料 黑色金 属 生铁 碳钢、合金钢 有色金 属 钢、锌、铅、铝、锡及其合金 如何学习建筑材料课程？ 掌握共性，区别个性 理论与实践相结合 第一章 建筑材料的基本性质 第一节 材料的组成、结构和构造 第二节 材料的基本物理性质 第三节 材料的基本力学性质 第四节 材料的耐久性 第一节 材料的组成、结构和构造 一、 材料的组成 材料的组成是指材料的化学成分或矿物成分而言。它不仅影 响材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要 因素。

4、 （一）化学组成 （二）矿物组成 二、材料的结构与构造 建筑材料的性质与其结构、构造有着密切关系。材料的结构、 构造是决定建筑材料性质极其重要的因素。 研究材料的结构大体上可以划分为：宏观结构、亚微观结构和 微观结构三个层次。 二、材料的结构与构造 （一）宏观结构（构造） 建筑材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗 大结构。其尺寸为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。 建筑材料的宏观结构（构造），按空隙尺寸可以分为： 1、致密结构 基本上是无空隙存在的材料。如钢铁、有色金属、 致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。 2、多孔结构 是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫 混凝土、泡沫塑料

5、及人造轻质材料等。 3、微孔结构 是指细微的孔隙结构。如石膏、木材等。 二、材料的结构与构造 按构成形态可分为： 1、聚集结构 是由骨料与胶凝材料结合而成的 材料。有各类混凝土、建筑砂浆、烧土制品等。 2、纤维结构 是指木材纤维、玻璃纤维及矿物 棉等纤维材料所具有的结构。其特点是强度及 导热性等性质都具有明显的各向异性。 3、层状结构 采用粘结或其它方法将材料迭合 成层状的结构。如胶合板、纸面石膏板、层状 填料塑料等。 4、散粒结构 是指松散颗粒状结构。如混凝土 骨料、用做绝热材料的粉状或粒状的填充料等。 二、材料的结构与构造 （二）亚微观结构 亚微观结构也称为细观结构。一般指用光学显微镜所能

6、 观察到的材料结构。数量级为千分之一毫米。可分辨出材料 的矿物组成。材料内部各种组织的性质不同，对建筑材料的 整体性质起着重要的影响作用。 （三）微观结构 微观结构是指物质的原子、分子层次的结构，研究其要 用电子显微镜，扫描电子显微镜和X-射线衍射仪的。其分辨 程度是以“埃”（）来计的。 材料的许多基本物理性质，如强度、硬度、熔点、导热 性、导电性都是由材料内部的微观结构所决定的。 材料的微观结构，基本上可分为晶体与非晶体。晶体按 质点及结合键可分为原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属 晶体。它们有一定的熔沸点。非晶体的结合键为共价键与离 子键。 第一节 材料的组成、结构和构造 几种材料迭合在一

7、起，可以避免单一材料的缺点，而制成具有 特殊性能的建筑材料。这种由两种或两种以上不同化学组成或 组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料称为复合 材料。这就避免单一材料缺点，改善了材料性能。 第二节 材料的基本物理性质 一、材料的密度、表观密度与堆积密度 （一）密度 密度是指材料在绝对密实状态下， 单位体积的质量，按下式计算： V m （二）表观密度（俗称“容重”） 表观密度是指材料在自然状态下 ，单位体积的质量，按下式计算： 0 0 V m （三）堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的 重量，按下式计算： 0 0 V m 常用建筑材料的密度、表观密度及堆积密度

8、材 料 密度表观密度堆积密度 石灰岩 2.6016002600 花岗岩 2.8025002900 碎石（石灰岩） 2.6014001700 砂 2.6014501650 粘 土 2.6016001800 普通粘土砖 2.5016001800 粘土空心砖 2.5010001400 水 泥 3.10 12001300 普通混凝土 21002600 轻骨料混凝土 8001900 木 材 1.55400800 钢 材 7.857850 泡沫塑料 2050 第二节 材料的基本物理性质 二、材料的密实度与孔隙率 （一）密实度 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度， 按下式计算： （二）孔隙率 孔隙率是

9、指材料体积内，孔隙体积所占的比例，用下式计算 ： 孔隙率 即D+P=1 或 密实度 + 孔隙率 = 1 孔隙率的大小直接反映了材料的密实程度。孔隙的大小及其 分布对材料的性能影响较大。 %100 0 V V D %100 0 D %100)1 (1 0 00 0 V V V VV P 第二节 材料的基本物理性质 三、材料的填充率和空隙率 （一）填充率 填充率是指散粒材料在某堆积体积中， 被其颗粒填充的程度，按下式计算： （二）空隙率 空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积 所占的比例，用下式计算： 即： 或 填充率 + 空隙率 = 1 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致

10、密程度。 空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。 %100 0 0 V V D%100 0 0 D %100)1 (1 0 0 0 0 0 0 0 V V V VV P 1 PD 第二节 材料的基本物理性质 四、材料的亲水性与憎水性 0 0 在材料、水和空气的交点处，沿 水滴表面的切线与水和固体接触 面所形成的夹角（润湿边角） 愈小，浸润性愈好。如果润湿 边角为零，则表示该材料完全 被水所浸润； 当润湿边角90时，如图1-1a所示，水分子之间的内聚力小于水分 子与材料分子之间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材料。当 90时，如图1-1b所示，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分 子之

11、间的相互吸引力，则材料表面不会被水浸润，此种材料称为憎 水性材料。 0 0 这一概念也可应用到其它液体对固体的浸润情况，相应的称为亲液 性材料或憎液性材料。 第二节 材料的基本物理性质 五、材料的吸水性与吸湿性 （一）吸水性 材料能够吸收水分的性质称为吸水性，吸水性的大小用吸水 率表示，用下式计算： %100 1 m mm W （二）吸湿性 材料不但在水中能够吸收水分，在空气中也能够吸收空气中 的水汽，并随着空气湿度的大小而变化，也就是水分可以被吸收， 也可以向外界扩散，最后与空气湿度达到平衡。 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。 材料孔隙中含有一部分水时，则这部分水中占材料干重的百分

12、数叫 做材料的含水率。如果是与空气湿度达到平衡时的含水率则称为平 衡含水率。 第二节 材料的基本物理性质 六、材料的耐水性 材料在饱水作用下而不破坏，其强度也不明显降低的性 质称为耐水性。 一般材料随着含水量的增加，回减弱其内部结合力，强度都 有不同程度的降低，即使致密的石料也不能完全避免这种影 响，花岗岩长期浸泡在水中，强度会下降3%，普通粘土砖和 木材所受影响更为显著。材料的耐水性用软化系数表示。 软化系数=（材料在饱水状态下的抗压强度/干燥状态下 的抗压强度） 软化系数的范围波动在0至1之间。软化系数的大小，有 时成为选择材料的重要依据。受水浸泡或处于潮湿环境的重 要建筑物，则必须选用软

13、化系数不低于0.85的材料建造，通 常软化系数大于0.85的材料，可认为是耐水的。 第二节 材料的基本物理性质 七、材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性）。材 料的抗渗性用渗透系数K来表示。 AtH Qd K 第三节 材料的基本力学性质 一、材料的理论强度 二、材料的强度 材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。 根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强 度、抗弯强度及抗剪强度等。 第三节 材料的基本力学性质 材料的抗压、抗拉及抗剪强度的计算公式如下： A P R 材料的抗弯强度与受力情况有关，如图中间荷载情况下计算公式： 2 2 3 bh PL R

14、三分点上作用荷载，抗弯强度用下式计算： 2 bh PL R 常用材料的强度，Mpa 材 料抗 压 抗 拉 抗 弯 花 岗 岩 普通粘土砖 普通混凝土 松木（顺纹） 建筑钢材 100250 520 560 3050 2401500 58 19 80120 2401500 1014 1.64.0 60100 第三节 材料的基本力学性质 三、弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够恢复到原来形状的性质称为弹性， 其变形称为弹性变形。 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，仍保留变形后的形状和尺寸，并不产 生裂缝的性质称为塑性，其变形称为塑性变形。 第三节 材料的基本力学性质 四、脆

15、性与韧性 当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏前并无明显 的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。其特点是材料破坏时 变形很小。 在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，产生 变形而不破坏的性质称为韧性。用作路面、桥梁等结构都要考 虑到材料的韧性。 第四节 材料的耐久性 材料在建筑物之中，除受到各种外力作用之外，还经常受到 环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理的、 化学的及生物的作用。 物理作用包括干湿变化、温度变化及冻融变化等； 化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液及有害气体的浸蚀 作用；生物作用包括虫、菌的作用。 材料的耐久性是指材料在上述作用下，能够经久不变质、不

16、 破坏，尚能保持原有性能的性质。常用抗冻性来代表。 材料的抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻 融循环而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。冰冻的破 坏作用是由孔隙中的水分结冰体积膨胀9%，对孔壁产生很大 压力，多次冻融循环对材料产生破坏。 第二章 砂石材料 第一节 砂石材料的基本性质 第二节 矿质混合料的组成设计 第一节 砂石材料的基本性质 一、力学性质 1、抗压强度 石料的抗压强度，是将石料制成505050mm的正 立方体或直径和高度均为50mm的圆柱体试件，经饱水后，测其抗 压强度。 2、磨耗率 磨耗率是石料抵抗撞击、剪切和摩擦等综合作用的性 能。 石料磨耗率的试验方法有两种：一种

17、是双筒式磨耗机试验法 ，即将100块单粒径（5070mm）试样放在磨耗机中，高速旋转一 定转数，使石料相互摩擦、撞击，再通过2mm滤筛，测其质量损失 百分数表示。磨耗率按下式计算。 %100 1 21 m mm Qab 双筒式磨耗机的主要缺点是，石料为单粒径的试样与实际情况不一 样，试验费时。 第一节 砂石材料的基本性质 另 一 种 是 搁 板 式 磨 耗 机 试 验 法 ， 它 是 一 个 直 径 711mm、长为508mm的圆鼓，和鼓中的一个搁板 组成。试验时将一定质量的石料和一定数量的钢珠放 在鼓中，开动机器使搁板转动钢珠与石料撞击，再测 其磨耗率。 这种试验方法大大减少了旋转次数，也较

18、符合实际， 故我国标准规定以搁板式磨耗机试验法为标准方法。 磨耗试验是路用石料的一个综合指标，也是评估 石料等级的依据之一。 第一节 砂石材料的基本性质 3、磨光性 在现代高速交通的行车条件下，对路面的粗糙度提出更高的 要求。因此要求路面石料在车辆轮胎的作用下，不仅不要产 生较大的磨损，同时要求不要被磨光。 磨光性试验的方法是将粒径16mm的石料试样，埋置与装有 水泥砂浆的样品盒内，待固结后安装于加速磨光机上的直径 406mm的磨轮的周边上，然后用一个直径为203mm 的充气 轮胎对其进行加速磨耗试验。共磨耗6小时，前3小时用 0.300.15mm的标准砂为磨料；后3小时用金刚砂为磨料。 轮胎

19、充气压力为0.3Mpa，轮胎对试件的压力0.5Mpa。以 24km/h的速度进行磨耗。待6h后取下试件，安装在摆式摩 擦系数仪上，测定石料磨光系数。 通常磨光系数在0.30.8之间。几种典型石料的磨光系数见 表（2-1）。 必须指出，磨光系数只是石料磨光性能的相对指标，并非路 面的摩擦系数。 第一节 砂石材料的基本性质 几种典型石料的磨光系数 表2-1 岩石名称石灰岩角页岩 斑 岩 石英岩花岗岩玄武岩砂岩 磨光系数 0.430.46 0.56 0.580.590.620.72 第一节 砂石材料的基本性质 4、撞击韧度。石料抵抗多次连续的重复冲击荷载作用的性能称为撞击韧度。道路建筑用石 料因受到

20、车辆动荷载的重复作用，所以它必须具备能承受由于动荷载产生变形而不破坏的 性能。 石料的撞击韧性取决于岩石的矿物成分、晶体的粗度，胶结物质的结构等因素。 计算石料的韧度 Nim=(Vs/Vp)n 计算石料的韧度 Nim=(Vs/Vp)n 第一节 砂石材料的基本性质 耐磨硬度。石料抵抗外界物体压入其本体的性能称为硬度。 岩石硬度愈高则愈耐磨损。用于道路路面的石料，经 常受到车辆轮胎的摩擦，因此要求石料有一定耐磨性 能；以便使路面不致磨损过大。 硬度系数是一种表示石料硬度的经验系数。硬度系 数愈大，表示石料的耐磨损性能愈好。 硬度系数表示，按下式计算。 Kh=20-(m0-m1)/3 式中： Kb石

21、料的硬度系数， mo石料试件在试验前的质量(g)， m1石料试件在试验后的质量(g)。 第一节 砂石材料的基本性质 二、化学性质 在道路与桥梁的建筑中，各种矿质集料是与结合料（水泥或沥 青）组成混合料而使用于结构物中的。矿质集料在混合料中与结合 料起着复杂的物理-化学作用，矿质集料的化学性质很大程度地影响 着混合料的物理-力学性质。 第一节 砂石材料的基本性质 在沥青混合料中，由于矿质集料的化学性质变化，对沥青混合料的 物理-力学性质起着极为重要的作用。例如，在其它条件完全相同的 情况下，采用3种矿物成分不同的矿质集料，与同一种沥青组成的 沥青混合料，它们的强度和浸水后强度比较如表2-2。 不

22、同矿物成分集料组成的沥青混合料强度比较 表2-2 编 号 矿质混合料 名称 干燥抗压强度 （20） Rc(d) (kN) 浸水后抗压强度 （浸水72h， 20）Rc(w) (kN) 浸水后强度降低 St (%) 1 石灰石 2,058 1,893 8.01 2花岗石 1,372 1,166 15.01 3 石英石 1,17691722.08 第一节 砂石材料的基本性质 注：表中沥青混合料为细粒式密级配，沥青针入度60（1/10mm），沥青 用量7%。 从表中可以看出，在其它条件完全相同的情况下，仅矿质集料的矿物成分 不同时，沥青混合料的强度和浸水后强度以及强度降低均有显著的差别。 将上述三种矿

23、质混合料的矿物进行化学组分分析结果列如表2-3。 第一节 砂石材料的基本性质 3种典型石料的化学组分分析 表2-3 2 SiO 通常，岩石化学组成中SiO2含量大于65%的石料称为酸性石料；小 于52%的石料称为碱性石料，二者之间的石料称为中性石料。为了 确定石料与沥青的粘附性，我国现行方法有水煮法（适用于粗骨料 ）与亲水系数法（适用于矿粉），测的粘附性与亲水系数见表2-4。 岩石名 称 化 学 组 分 （%） CaOFe2O 3 Al2O3 MgOMnOSO3P2O3 灼热减量 石灰石1.0055.570.270.270.060.010.0142.81 花岗石76.72 1.992.8717

24、.290.020.020.150.020.92 石英石98.25 0.211.230.090.010.21 第一节 砂石材料的基本性质 不同矿物组成石料的粘附性和亲水系数 表2-4 岩石名称 水煮法粘附性（按剥 落面积等级） 亲水系数 石灰石V级0.79 花岗石II级0.98 石英石I级1.06 第一节 砂石材料的基本性质 三、石料的技术性质 按我国标准，路用石料按其技术性质的不同分为4个等级。对 各种不同组成结构的岩石技术性质要求是不同的，因此，在 分级之前首先应按其造岩矿物的成分、含量以及组织结构来 确定岩石名称，然后划分其所属岩类。现将各岩类划分及主 要代表性岩石分类如下： I、 岩浆岩

25、类：花岗岩、正长岩、辉长岩、辉绿岩、闪长岩、 橄榄岩、玄武岩、安山岩、流纹岩等。 II、石灰岩类：石灰岩、白云岩、泥灰岩、凝灰岩等。 III、砂岩和片岩类：石英岩、砂岩、片麻岩、花岗片麻岩等。 IV、卵石类。 第一节 砂石材料的基本性质 以上各岩组按其物理-力学性质各分为以下4个等级： 1级最坚强的岩石； 2级坚强的岩石； 3级中等强度的岩石； 4级较软的岩石。 路用岩石根据上述分类和分级的方法，对各岩类的各级岩石的技术指标要求列表 第一节 砂石材料的基本性质 四、集料的技术性质 集料包括岩石天然风化而成的漂石、砾石（卵石） 和砂等，以及岩石人工轧制的各种尺寸的碎石。 在天然风化的矿质混合料中

26、，粒径大于80mm者 为漂石；540mm者为砾石（卵石），小于5mm者 为砂。砾石又分为粗砾石、中砾石和细砾石。 碎石按粒径粗细分为粗碎石、中碎石、细碎石和石屑 等。 不同粒径的石料在水泥（沥青）混合料中起的作 用不同，因此对它们的技术要求也不同。不论天然的 或人工轧制的集料，凡粒径小于5mm者称为细集料， 大于5mm者称为粗集料。 第一节 砂石材料的基本性质 （一）级配 级配是集料各级粒径颗粒的分配情况，集料的级配可 通过筛析试验确定，取试样500g，在一整套筛的标准筛上进行筛析， 分别求出试样存留在各筛上的质量。然后按下述方法计算其级配有 关参数： 1、分计筛余百分率在某号筛的筛余质量站试

27、样总质量的 百分率。可按下式计算。 100 M m a i i 2、累计筛余百分率某号筛的分计筛余百分率和大于某号筛 的各筛分计筛余百分率总和，可按下式计算。 i aaaAi 21 3、通过百分率通过某号筛的质量占试样总质量的百分率，可 按下式计算。 Pi=100-Ai 例1 现有某砂样筛析结果列于下表2-6，求该砂样的分计筛余、累 计筛余和通过百分率。 筛孔尺寸 （mm） 10.0 5.0 2.5 1.25 0.63 0.31 5 0.16 0.16 存留各筛质 量（g） 02535901401157025 砂的标准筛规格按国标规定，筛孔2.5mm以上孔型为圆孔，1.25mm 以下孔型为方孔

28、。 解按题给筛析结果计算如表 筛孔尺寸 （mm） 10.0 5.0 2.5 1.25 0.63 0.31 5 0.16 0.16 存留各筛质 量（g） 02535901401157025 分计筛余 （%） 057182823145 累计筛余 （%） 051230588195100 通过百分 率（%） 100958870421950 第一节 砂石材料的基本性质 （二）粗度 粗度是评价砂粗细程度的一种指标。通常用细度模数表示。细度模 数亦称为细度模量，是各号筛的累计筛余百分率之和除以100之商。 按下式计算： ).5( 100 1 ).( 100 1 100 16. 05 . 2 16. 025.

29、 15 . 2 aa AAA Ai Mf 注意：按砂的定义，当砂中含有5mm粒径时，各筛的分计筛余百分 率应为各筛的存留量占（100-A5）的百分率，故按下式计算： 5 516. 0315. 063. 025. 15 . 2 100 5)( A AAAAAA M f 第一节 砂石材料的基本性质 按细度模数划分砂的粗度： 3.13.7为粗砂； 2.33.0为中砂； 1.62.2为细砂； 0.71.5为特细砂。 第一节 砂石材料的基本性质 例2 求例1筛分结果的细度模数。 解根据表计算所得的结果有： 64. 2 5100 55)9581583012( f M 第二节 矿质混合料的组成设计 路用矿质

30、混合料应满足下列基本要求： 1、最小空隙率 不同粒径的各级矿质集料，按一定的比例配合，使组 成一种具有“最小空隙率”（亦即“最大密实度”） 的矿质混合料。 2、最大摩擦力 按前述所组成的矿质混合料中，任何一级集料应不 干涉（或很少干涉）其它各级集料的紧密排列，使其 形成一个多级空间骨架的结构，具有最大的摩擦力。 为达到上述要求，对矿质混合料必须进行组成的 设计，其内容包括： 1、级配理论和级配范围的确定； 2、基本组成的设计方法。 第二节 矿质混合料的组成设计 一、矿质混合料的级配理论和级配曲线范围 （一）矿质混合料的级配理论 各种不同粒径的集料，按照一定的比例搭配起来， 以达到最大的密实度（

31、或最大摩擦力），可以采用两 类级配： 1、连续级配 连续级配是某一混合料在标准筛孔 配成的套筛中进行筛析时，所得的级配曲线平顺圆滑， 具有连续的（不间断的）性质，相邻粒径的粒料之间， 有一定的比例关系（按重量计）。这种由大到小，逐 级粒径均有，按比例互相搭配组成的矿质混合料，称 为连续级配混合料。 2、间断级配 间断级配是在矿质混合料中剔除其 一个分级或几个分级不连续的混合料。这种混合料称 为间断级配混合料。 第二节 矿质混合料的组成设计 连续级配曲线和间断级配曲线示如图 第二节 矿质混合料的组成设计 目前用于计算连续级配的理论有：（1）W.B.富勒理论；（2）A.N. 泰波公式；（3）我国简

32、化公式等。 （1）富勒最大密度曲线 W.B.富勒根据试验提出一种理想级配，认 为：“级配曲线越接近抛物线时，则密实度越大。”因此，当级配 曲线为抛物线时为最大密度曲线（如图）并可表示如下。 第二节 矿质混合料的组成设计 D d P100 式中：P通过d级筛孔的通过百分率，（%）； D矿质混合料的最大粒径，（mm）； d欲计算的某级矿质集料粒径，（mm）。 计算公式： 第二节 矿质混合料的组成设计 （2）泰波公式 A.N.泰波认为一种理想曲线，实际矿料应允有一定 的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为n次幂的通式，即如下式。 n D d P)(100 第二节 矿质混合料的组成设计 (3) 我国简化

33、公式。我国在实践的基础上，提出 直接以通过百分率的递减率i为参数的计算公式。 1 )(100 x iP 式中： P第x级通过量()， x级数，最大粒径为D时，x=1，直径按12递减，则D2时， x=2，D4时，x=3，余类推， i通过百分率的递减率。即集料中最大粒径为D时，其通过百 分率为100，则D2时，其通过量为100i，04时为100i%*i ，余类推。 第二节 矿质混合料的组成设计 （4) 魏矛斯粒子干涉理论。CAG魏矛斯(Weymouth)提出的粒 子干涉理论，认为颗粒间的空隙，应由次小一级颗粒所填充，其所 余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒不得大于其间隙之距 离，否则大小颗粒

34、粒子之间势必发生干涉现象，(如图)。为避免干 涉起见，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉的情况下 可导出前分级粒度的间距计算公式。 第二节 矿质混合料的组成设计 第二节 矿质混合料的组成设计 （二）级配曲线范围的绘制 按前述级配理论公式计算出各级集料在矿质混合 料中的通过百分率，以通过百分率为纵坐标，以粒径 （mm）为横坐标，绘制成曲线，即为理论级配曲线。 但由于矿料在轧制过程中的不均匀性，以及混合料配 制时的误差等因素影响，使所配制的混合料往往不可 能与理论级配完全相符合。因此，必须允许配料时的 合成级配在适当的范围波动，这就是“级配范围”。 常用筛孔是按1/2递减的，筛分曲线如按常

35、坐标 绘制，则必然造成前疏后密，不便于绘制和查阅。为 此，通常用半对数坐标代替，即横坐标颗粒粒径采用 对数坐标，而纵坐标通过百分率采用常坐标。如图所 示。 第二节 矿质混合料的组成设计 二、矿质混合料的组成设计方法 天然或人工轧制的一种集料的级配很难符合某 一级配范围的要求，因此必须采用二种或二种以上的 集料配合起来才能符合级配范围的要求。因此矿质混 合料配合组成设计的任务就是确定组成混合料各集料 的比例。确定混合料配合比的方法很多，但归纳起来 主要分为数解法与图解法两种。 第二节 矿质混合料的组成设计 一、数解法 数解法常用的有“试算法”和“正规方程法” 两 种，现我们只简单介绍“试算法”。

36、 试算法基本原理是：设有几种矿质集料，欲配成 某一种一定级配要求的混合料。在决定各组成集料在 混合料中的比例时，先假定混合料中某种粒径的颗粒 是由某一种对这一粒径占优势的集料所组成，其它各 集料不含这种粒径。这样根据各主要粒径取试探各集 料在混合料中的大致比例。如果比例不合适，则稍加 调整，这样逐步渐进，最终达到符合混合料级配要求 的各集料配合比例。 第二节 矿质混合料的组成设计 例如现有A、B、C三种矿质集料，欲配成M级配的矿质混合 料。 设X、Y、Z为A、B、C三种集料组成矿质混合料的配合 比例。则X+Y+Z=100 又设，混合料M中某一级粒径要求的含量为 M(i), A、B、 C三种集料

37、在某一级粒径的含量为 ma(i),mb(i),mc (i)。则 可按下列步骤求得A、B、C三种集料在混合料中的比例： 1）计算A料在矿质混合料的用量：按A料占优势含量的某一 级粒径计算，忽略其它集料对此粒径的含量。 设按粒径尺寸为i（mm）进行计算，而令 mb(i),mc (i)=0，有 ，故可计 算出X。 2）同理计算另一种料在矿质混合料中的用量，B或C的用量。 3）另一种材料的用量可通过下式计算。 Y=100-X-Z 或Z=100-X-Y )()()()(iicibia MZmYmXm )()(iia MXm 例5现有碎石、砂和矿粉三种材料，经筛析试验各集料的分计筛余 百分率与要求级配范围

38、列于表2-8。试求三种集料在混合料中的比例。 原有集料的分计筛余百分率和混合料要求级配范围 表2-8 筛孔尺 寸（mm） 碎石分计筛 余（%） 砂分计筛 余（%） 矿粉分计 筛余（%） 要求级配范围通过 百分率P（%） 150.8100 560.06378 2.523.510.54063 1.2514.422.13053 0.631.319.44.02245 0.31536.04.01535 0.167.05.51230 0.083.03.21025 解 矿质混合料中各集料用量配合组成按下式计算： （1）先将表2-8中矿质混合料要求级配范围的通过百分率换算为累 计筛余百分率，然后计算分计筛余百

39、分率。计算结果列表2-9。 筛孔尺 寸 （mm） 碎石分计 筛余（%） 砂分计筛 余（%） 矿粉分计 筛余（%） 累计筛余 计级配范 围（%） 累计筛余 百分率中 值（%） 分计筛余 百分率中 值（%） 150.8 560.0372229.529.5 2.523.510.5603748.519.0 1.2514.422.1704758.510.0 0.631.319.44.0785566.68.1 0.31536.04.0856575.08.4 0.167.05.5887079.04.0 0.083.03.2907582.53.5 5%的称为镁质石灰。镁质石灰熟化较慢， 但硬化后强度较高。 3

40、 第二节 石灰 一、建筑石灰的四种形态 块状生石灰 由石灰石煅烧后所得的白色或 灰色石灰块体。 生石灰粉 把块状生石灰加工磨细，使呈粉 状的气硬性胶凝材料。 消石灰粉 生石灰淋以适量的水后形成的粉 末状材料，其主要成分是Ca(OH)2，又称熟石灰 粉。 石灰膏 生石灰加入足量的水后，经过消解 熟化所得到的膏状成品。 第二节 石灰 二、生石灰的熟化 烧制的生石灰为块状，在使用时必须加水使其消解为粉末状 的“消石灰”，这一过程称为“熟化”。其反应方程式为： kJOHCaOHCaO9 .64)( 22 石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增加12.5倍， 按石灰用途，我国工地上熟化石灰的方法有两种： （

41、1）用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆时，需将生石灰熟 化成石灰浆。生石灰在化灰池中熟化后，通过筛网流入储灰坑。 加水时应控制加水速度，避免出现“过烧”或“过冷”现象 。生石灰中常含有欠火石灰和过火石灰。欠火石灰降低石灰的利用 率；过火石灰颜色深，密度大，表面被一层釉质包覆，熟化慢。当 石灰已经硬化后，其过火石灰才开始熟化，体积膨胀。引起隆起和 开裂。为了消除过火石灰的危害，将石灰浆在储灰池中“陈伏”两 星期以上。陈伏期间，石灰浆表面应保有一层水，与空气隔绝，以 免碳化。 第二节 石灰 （2）用于拌制石灰土（石灰、粘土）、三合土（石灰、粘土、 砂石或炉渣等）时，将生石灰熟化成消石灰粉。生石灰熟化成

42、 消石灰粉时，理论需水32.1%，但实际加水量常为6080%， 应以能充分消解而又不过湿成团为宜。工地上常采用分层浇水 法。 第二节 石灰 三、石灰的硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进 行的过程来完成的： （1）结晶作用游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和 溶液中结晶。 （2）碳化作用氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合成 碳酸钙结晶，释放出水分并被蒸发： OHnCaCOOnHCOOHCa 23222 ) 1()( 这一作用必须在有水参加的状态下进行。而且，碳 化作用在长时间内只限于表层，氢氧化钙的结晶作用则主 要在内部发生。所以，浆体硬化后，是由表里两种不同的 晶体组成。 第二节 石灰

43、 四、石灰的技术性质 生石灰熟化成石灰浆后，有良好的可塑性。并 且，由于碳化是从外向内进行，硬化速度较慢。同 时，石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后强度较 低，1：3石灰砂浆28天抗压强度通常为0.2 0.5MPa，受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会 溃散。所以，石灰不宜在潮湿环境下应用，也不宜 用于重要建筑物基础。 石灰的硬化过程，蒸发大量的水分而引起显著 的收缩，所以不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸 筋等以减少收缩和节约石灰。 生石灰在空气中放置不宜太久，否则失去胶凝 能力。所以，不但要防止受潮，而且不宜久存。 第二节 石灰 五、石灰的应用 石灰的用途非常广泛，除了可以制造各种水泥、无熟

44、料水泥 及碳化制品和硅酸压盐制品外，在建筑施工中还可以用来配制 各种砂浆，用于抹面或砌筑，还可以用来配制石灰土、三合土、 二灰土等地面材料。 第三节 菱苦土和水玻璃 一、菱苦土 菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末，其主要成分是氧化镁 （MgO）。密度3.13.4g/cm3 ，堆积密度为800 900Kg/m3。按地面与楼面工程施工及验收规范，菱苦土 用比重为1.2的氯化镁溶液调成标准稠度的净浆，初凝时间不 早于20min，终凝时间不迟于6h；体积变化必须安定，硬化 一昼夜的抗拉强度不应小于1.5MPa。菱苦土中氧化镁含量应 不小于75%。 菱苦土硬化与石灰非常相似，有两种结晶作用。用水调 拌菱苦土

45、时，将生成Mg(OH)2，浆体凝结很慢，硬化后强度 很低。加入氯化镁溶液，硬化后强度最高（可达4060MPa） 但吸湿性大，抗水性小。提高温度，可使硬化加快。 菱苦土与植物纤维能很好粘结，而且碱性较弱，不会腐 蚀纤维。建筑中常用来制造菱苦土木屑地面、木屑板和木丝 板。这些地面能防爆（碰撞不发火星）、防火，导热性小， 表面光洁，不产生噪音和尘土，但不应用于经常潮湿的处所。 第三节 菱苦土和水玻璃 二、水玻璃 水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属和二氧 化硅所组成。最常用的是硅酸钠水玻璃Na2OnSiO2。 水玻璃有固体和液体水玻璃两种。液体水玻璃因所含杂质不同，而呈青灰色

46、、 绿色或浅黄色，以无色透明的液体水玻璃为最好。 222232 COnSiOONanSiOCONa 第三节 菱苦土和水玻璃 1、水玻璃的硬化 液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形 成无定型硅酸，并逐渐干燥而硬化。这一过 程进行很慢，加入硅氟酸钠作为促凝剂加速 硬化。硅氟酸钠的用量以1215%为宜，太 少不但硬化速度缓慢，强度降低，而且未经 反应的水玻璃易溶于水，耐水性差；用量太 高，又会引起凝结过速，使施工困难，而且 渗透性大，强度也低。 第三节 菱苦土和水玻璃 2、水玻璃的性质与应用 水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸 凝胶有堵塞毛细孔隙而防止水渗透的作用。水玻璃 不燃烧，在高温下硅酸凝

47、胶干燥的更加强烈，强度 并不减低，甚至有所增加。水玻璃具有高度的耐酸 性能，能抵抗大多数的无机酸和有机酸的作用。 水玻璃主要用来处理建材表面，提高抗风化能 力和修补砖墙裂缝，用于土壤加固。水玻璃的另一 个重要作用是配制防水剂，加入蓝矾、明矾、红矾 和紫矾制成的四矾防水剂，凝结速度不超过一分钟， 适用于与水泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。 第四章 水泥 水泥呈粉末状，与水混合后，经过物理化学作用能由可塑性 浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体，所 以水泥是一种良好的无机胶凝材料。就硬化条件而言，水泥浆 体不但能在空气中硬化，还能更好的在水中硬化，保持并继续 增长其强度，故水泥属

48、于水硬性胶凝材料。 第一节 硅酸盐水泥 一、硅酸盐水泥生产概念及其矿物组成 凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为 主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水 硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。 （一）硅酸盐水泥生产 硅酸盐水泥的原料是石灰质原料和粘土质原料两类。石 灰质原料主要提供CaO，它可以采用石灰石、白垩等。粘土 质原料主要提供SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，它可以采用粘 土、黄土等。还配有适当的铁矿粉。此外，为了改善煅烧 条件，常常加入少量的矿化剂如萤石等。 硅酸盐水泥的生产的大体步骤是：先把几种原料按适当 比例配合后在磨机中磨成生料，然后将制得的

49、生料入窑进行 煅烧，再把烧好的熟料配以适当的石膏在磨机中磨成细粉 （两磨一烧），即得到水泥。 第一节 硅酸盐水泥 水泥的煅烧过程要经历干燥、预热、分解、熟料烧成及冷却 等几个阶段。 100200左右，生料被加热，自由水逐渐蒸发而干燥。 300500，生料被预热。 500800，粘土质原料脱水并分解为无定形的A12O3和 Si02，在600以后，石灰质原料中的CaCO3。开始微弱分解 成CaO和CO2。800左右生成铝酸一钙，也可能有铁酸二钙 及硅酸二钙开始形成。 9001100铝酸三钙和铁铝酸四钙开始形成。 900CaCO3。进行大量分解，直至分解完毕。 11001200大量形成铝酸三钙和铁铝

50、酸四钙，硅酸二 钙生成量最大。 13001450铝酸三钙和铁铝酸四钙呈熔融状态，产生 的液相把CaO及部分硅酸二钙溶解于其中，在此液相中，硅 酸二钙吸收CaO化合成硅酸三钙。这一过程是煅烧水泥的关 键，必须有足够的时间，以保证水泥熟料的质量。 烧成的水泥熟料经迅速冷却，即得到水泥熟料块。 第一节 硅酸盐水泥 （二）水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥的主要熟料矿物的名称和含量范围如下： 硅酸三钙3CaOSiO2，简写为C3S，含量3637%； 硅酸二钙2CaOSiO2，简写为C2S，含量1537%； 铝酸三钙3CaOAl2O3，简写为C3A，含量715%； 铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3，简

51、写为C4AF，含量 1018%。 各成分单独与水作用时表现出的特性 表4-1 C3SC2SC3AC4AF 硬化速度 快慢最快快 28天放出热量 多少最多中 强度 高先低后高低低 第一节 硅酸盐水泥 二、硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥加水拌和后，制成可塑性浆体，水泥浆逐渐变稠失去塑 性，但还不具有强度的过程，称为水泥“凝结”。 随后产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬人造石，这一过程 称为“硬化”。其实凝结硬化是连续的物理化学变化。 第一节 硅酸盐水泥 （一）硅酸盐水泥的水化 水泥颗粒与水接触，其表面熟料成分立即与水发生水解或水化，并 释放一定热量： 2（3CaOSiO2）+ 6H2O=3CaO2SiO

52、2H2O + 3Ca（OH）2 水化硅酸钙 2（2CaOSiO2）+ 4H2O=3CaO2SiO2H2O +Ca（OH）2 3CaOAl2O3+ 6H2O=3CaOAl2O36H2O 水化铝酸三钙 4 C a O A l 2 O 3 F e 2 O 3 + 7 H 2 O = 3 C a O A l 2 O 3 6 H 2 O + CaOFe2O3H2O 水化 铁酸一钙 第一节 硅酸盐水泥 C3S水化很快，生成的水化硅酸钙不溶于水， 而立即以胶体微粒析出，逐渐凝聚成凝胶，称为 S-C-H凝胶。水化生成的Ca（OH）2与水化铝酸 三钙反应生成水化铝酸四钙。 为了调节凝结时间，加入适量（3%）石膏

53、， 又与铝酸三钙反应生成水化硫铝酸钙，难溶于水。 硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化物有： 水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙，水化 铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在充分水化的水泥 石中，C-S-H凝胶约占70%，Ca（OH）2约占 20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%。 第一节 硅酸盐水泥 （二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程 1、初始反应期。 2、潜伏期。 3、凝结期。 4、硬化期。 第一节 硅酸盐水泥 硅酸三钙最初大约四星期内对水泥石强度起决定作用；硅酸 二钙则四星期后才发挥强度，一年后与硅酸三钙发挥相等的作 用；而铝酸三钙强度在3天对水泥强度起有益作用，稍后便起反 作用。 在水泥熟料中

54、。铝酸三钙水化速度最快，所以加入石膏，形 成钙矾石难溶于水，阻碍铝酸三钙的水化反应，因而控制了铝 酸三钙的反应速度，延缓了水泥的凝结。 第一节 硅酸盐水泥 三、硅酸盐水泥的技术要求 按国标规定硅酸盐水泥应有以下要求： 1、细度 水泥颗粒的粗细对水泥的性质有很大影响。 粒径一般在720m，颗粒越细，与水反应表 面积越大，水化反应越完全，早期与后期强度 就越高，但硬化收缩性大，成本较高。 一般认为，颗粒小于40m具有较高活性， 大于100m活性就很小了。国标规定水泥粒径 用筛析法检验。在80m方孔筛筛余量不得超 过10%为标准。或45m方孔筛筛余不大于30%。 第一节 硅酸盐水泥 2、凝结时间 凝

55、结时间分初凝和终凝。初凝为水泥加水拌和起 至开始失去塑性止的时间，终凝是水泥加水拌和起至 完全失去塑性开始产生强度止。为了混凝土与砂石有 充分的时间进行搅拌、运输、浇筑、砌筑，初凝时间 不宜太短，当施工完毕，则要求尽快硬化产生强度， 终凝时间不能太长。 国标规定：水泥的凝结时间以标准稠度的水泥净 浆，在规定的温度与湿度环境下，用水泥净浆凝结时 间测定仪测定的。硅酸盐水泥标准规定，初凝时间不 早于45min，终凝时间不迟于390min 。实际上我国 水泥一般初凝时间在13h，终凝在58h。 第一节 硅酸盐水泥 影响水泥凝结因素： a、水泥熟料中C3A含量高，石膏掺量不足，使水泥快凝； b、水泥颗

56、粒越细，凝结速度越快； c、水灰比越小，凝结速度越快； d、混合材料掺量越大，凝结速度越慢。 第一节 硅酸盐水泥 3、体积安定性 水泥硬化后产生不均匀的体积变化，称为体积安 定性不良，使物件产生膨胀裂缝，强度降低，发生破 坏。 产生体积安定性不良的原因： （1）由于熟料中游离CaO过多； （2）由于熟料中游离MgO或石膏过多。 这些物质与水反应体积膨胀，使已经凝固的水泥 石开裂。 国标规定：水泥熟料中游离MgO含量不超过 5.0%，SO3不超过3.5%，来控制水泥的体积安定性。 第一节 硅酸盐水泥 4、强度 强度是水泥的主要技术指标之一。它决定与熟料 的矿物成分和细度。 根据国标规定，水泥和标

57、准砂按1：2.5混合，按 规定方法加入定量水，在标准温度（202）的水 中养护，测定3，7，28天的抗压强度。按照测定结 果将水泥分为42.5，52.5，62.5四个强度等级， 42.5R、52.5R、62.5R标号按早期强度分为两种类 型。 第一节 硅酸盐水泥 强度等 级 抗压强度 （MPa） 抗折强度 （MPa） 3d28d3d28d 42.5 17.7 （180） 42.53.3（34）6.3（64） 42.5R 22.0 （224） 42.54.1（42）6.3（64） 52.5 22.6 （230） 52.54.1（42）7.1（72） 52.5R 27.0 （275） 52.54.

58、9（50）7.1（72） 62.5 28.4 （290） 62.54.9（50）7.8（80） 62.5R 32.0 （326） 62.55.5（56）7.8（80） 2 第一节 硅酸盐水泥 5、水化热 水泥在水化过程中放出的热量称为水泥水化热。 水泥水化放热多少与速度取决于水泥的矿物成分、水 泥的细度、掺加的混合材料及外加剂的品种、数量等。 水泥中C3A放热最大，速度也最快；C2S放热最 低，速度最慢。 水泥水化释放热量大部分在早期放出。13天内 水化放热量为总热量的50%，7天为75%，六个月为 8391%，以后逐渐减少。 水化热对大体积混凝土是有害的。水化热积聚在 水泥石内部不易扩散，内

59、部温度可达5060以上， 内外温差引起应力使混凝土产生裂缝，故大体积混凝 土不宜采用硅酸盐水泥。 第一节 硅酸盐水泥 四、水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥硬化后，在通常条件下有良好的耐久性。但 在某些腐蚀性液体或气体的介质中会逐渐受到腐蚀。水泥石 腐蚀的原因很多，作用也很复杂，下面介绍几种典型介质的 腐蚀作用。 （一）软水浸蚀 （二）盐类腐蚀 1、硫酸盐的腐蚀 2、镁盐的腐蚀 （三）酸类腐蚀 1、碳酸腐蚀 2、一般酸腐蚀 这些酸主要有：盐酸、氢氟酸、硝酸、醋酸、蚁酸、乳 酸等。 （四）强碱的腐蚀 初上述腐蚀外，还有其它物质也对水泥石有腐蚀作用。 如糖、氨盐、动物脂肪、含环烷酸的石油产品等。 第一

60、节 硅酸盐水泥 产生水泥石腐蚀的基本原因是： 1、水泥石中存有腐蚀成分的Ca（OH）2与水化铝酸钙； 2、水泥石本身不致密，有毛细孔隙。 由此可见，干的固体化合物对水泥石不起浸蚀作用，腐蚀性 化合物必须呈溶液状态并有一定浓度才对水泥石有腐蚀作用。 第一节 硅酸盐水泥 （五）腐蚀的防止 为了防止水泥石的腐蚀，可采用下列措施： 1、根据浸蚀环境特点，合理选用水泥品种。 2、提高水泥石的紧密程度 3、加做保护层 第一节 硅酸盐水泥 五、硅酸盐水泥的应用与存放 硅酸盐水泥标号较高，主要用于重要结构的 高强度混凝土和预应力混凝土工程中。硅酸盐 水泥凝结硬化速度较快，耐冻性能好，适用于 早强、快凝及冬季施