土木工程材料

1、第1章 b土木工程材料的基本性质密度：指材料在绝对密实状态下，单位体积的重量。表观密度：指材料在自然状态下，单位体积的重量。堆积密度：指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的重量。密实度：是指材料的体积内被固体物质充实的程度。孔隙率：是指材料的体积内，孔隙体积所占的比例。填充率：是指在某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度。空隙率：是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体积所占的比例。含水率：材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。吸水性：材料与水接触吸收水分的性质。吸水率：当材料吸水饱和状态下的含水率。吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。材料的耐水性：材料抵抗水的破坏作用

2、的能力。水的破坏作用：定向吸附，劈裂破坏；吸水膨胀，开裂破坏；物质抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。用抗渗系数来表示。抗渗等级的分类。 强度：材料破坏时所承受的极限应力值。单位：MPa外力作用方式不同：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度；抗弯强度。砖、石、混凝土：抗压强度较高，抗拉强度较低。钢材：抗压强度及抗拉强度均较高。同一种材料的强度分级：C30（强度为30MPa的混凝土），C50，HPB235（强度为235MPa的热轧光圆钢筋），HRB335（强度为335MPa的热轧带肋钢筋）。弹性变形：可恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形脆性：达到破坏荷载时变形很小。韧性：达到破坏荷载时变形较大。

3、材料的耐久性：是指材料在使用过程中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、不变质的性质。 第2章 建筑钢材 211 金属的微观结构概述1、金属的晶体结构2、金属晶体结构中的缺陷：（1）、点缺陷，（2）线缺陷，（3）面缺陷，3、金属强化的微观机理（1）细晶强化，（2）、固溶强化，（3）弥散强化，（4）变形强化。 212 钢材的化学组成按化学成分，钢可以分为：碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢。合金钢：低合金钢、中合金钢、高合金钢。钢材中除了主要化学成分铁（Fe）以外，还含有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）等元素，这

4、些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响。1、 碳：碳是决定钢材性能的最重要元素。碳对钢材性能的影响如教课书中图2-8所示：当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。 一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0.25%；工程所用低合金钢，

5、其含碳量小于0.52% 。 2、硅（Si）：硅是作为脱氧剂而残留于钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度和硬度以及耐蚀性，而对塑性和韧性无明显影响。但当硅含量超过1.0%时，将显著降低钢材的塑性和韧性，增大冷脆性实效敏感性，并降低可焊性。 3、锰（Mn）：锰是炼钢时用来脱氧去硫而残留于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，大大改善钢材的热加工性能，同时能提高钢材的强度和硬度，但塑性和韧性略有降低。但钢材中含锰量太高，则会降低钢材的塑性、韧性和可焊性。锰是我国低合金结构钢中的主要合金元素。 4、钛（Ti）：钛是强脱氧

6、剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。 5、钒（V）：钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。 6、铌（Nb）：细化晶粒，提高强度。 7、磷（P）：磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，显著加大钢材的冷脆性。磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，故在经过合理的冶金工艺之后，低合金钢中也将磷可配合其他元素作为合金元素使用。 8、硫（S）：硫是钢中很有害的元素。硫的

7、存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。为消除硫的这些危害，可在钢中加入适量的锰。 9、氧（O）：氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。 10、氮（N）：氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性、特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。 11、氢（H）： 钢中溶有氢则会引起钢的白点（圆圈状的断裂面）和内部裂纹，断口有白

8、点的钢一般不能用于建筑结构。 22 建筑钢材的主要力学性能221 抗拉性能1、主要测试指标： 屈服强度 ，抗拉强度 ，伸长率（断面收缩率）等 。2、钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括： 弹性阶段（O-A） ，弹塑性阶段（A-B），塑性阶段（B-C），强化阶段（C-D），颈缩阶段（D-D）。低碳钢的受拉过程分为四个阶段，如教课书中图2-9所示： 断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距长度的百分率称为断后伸长率。 222 冷弯性能1、定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。 2、弯曲测试：弯曲心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a越小，弯曲角度越大，说明试件受

9、弯程度越高，对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格。3、冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。 223 冲击韧性1、定义：冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 2、冲击韧性指标：是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈

10、好。3、 钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。 4、时效：随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小

11、的钢材。 224 硬度1、定义：硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。 建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球，以荷载P(N)将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为d(mm)的压痕，以压痕表面积A(mm2)除荷载P，即得布氏硬度(HB)值，此值无量纲。材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系：无损检测。 225 耐疲劳性1、定义：疲劳破坏是钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称

12、为疲劳破坏。若max越大，则次数N越小。疲劳极限（ r ）：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。 疲劳寿命（n）：疲劳试验中，试件在规定最大应力和应力循环作用下，不发生断裂所能承受的极限循环次数。 23 钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接231 钢材的冷加工强化及时效强化冷加工的主要目的：提高屈服强度，节约钢材。其副作用会往往导致塑性、韧性及弹性模量的降低。 冷加工形式：冷拉、冷拔、冷轧。 1、 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，使钢筋产生一塑性变形达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材的目的。2、 冷拔是将低碳钢

13、丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸长的工艺过程。 3、 冷轧是使低碳钢丝通过硬质轧辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。4、时效处理：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520，或加热到100200度并保持一段时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。强度较低的钢筋：自然时效。强度较高的钢筋：人工时效。 232 钢材的热处理钢材的热处理是将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，从而改变其晶相组织和显微结构组织，获得需要

14、性能的一种综合工艺。 热处理的方法有：退火、正火、淬火、回火。 1、 退火：是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却（随炉冷却）的一种热处理工艺，按加热温度可分为低温退火和完全退火。常用于钢材冷加工后，减少冷加工中产生的缺陷，消除内应力。退火目的：是细化晶粒，改善组织，降低硬度，提高塑性，消除组织缺陷和内应力，防止变形、开裂。2、正火：是退火的一种变态或特例，两者主要是冷却速度不同，正火是在空气中冷却。与退火相比，正火后钢的硬度、强度较高，而塑性减少。正火目的：是细化晶粒，消除组织缺陷等。3、淬火：是将钢材加热到相变临界点以上（一般为900以上），保温后放入水或油等冷却介质中快速冷却的一种热处理

15、操作。淬火与回火是两道相连的处理过程。淬火目的：是得到高强度、高硬度的组织，并结合回火获得综合力学性能较高的钢材。淬火会使钢的塑性和韧性显著降低。4、回火：是将钢材加热到相变温度以下，保温后在空气中冷却的热处理工艺。回火目的：消除淬火产生的很大内应力，降低脆性，改善机械性能等。 我国生产的热处理钢筋，即系采用中碳低合金钢经油浴淬火和铅浴高温（500-650）回火制得的。233 钢材的焊接焊接是钢结构的主要连结方式(90%)，在钢筋混凝土结构中也大量应用。 建筑钢材焊接的主要方法是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的电渣压力焊。焊接缺陷：裂纹、缺口、脆化。 焊接质量的检验方法：取样试件试验和原位非

16、破损检测。 钢材电弧焊如下图所示： 电渣压力焊如下图所示： 24 钢材的防火和防腐蚀 241 钢材的防火钢材是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。在200 以内，可以认为钢材的性能基本不变；当温度超过300 以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；当温度至达600 时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。钢材防火措施：在钢结构中设置防火板或涂刷防火涂料；在钢筋混凝土结构中，钢筋应有一定厚度的保护层厚度。 242 钢材的锈蚀与防止1、钢材的腐蚀包括：化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀。 （1）化学腐蚀化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化

17、硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。（2）电化学腐蚀钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。钢铁本身是铁和铁碳化合物以及其他杂质化合物的混合物，它们之间形成以铁为负极、以碳化铁为正极的原电池，由于电化学反应而形成铁锈。（3）应力腐蚀钢材在应力状态下腐蚀加快的现象，称为应力腐蚀。 2、混凝土中钢筋的防腐蚀措施主要有：提高混凝土密实度、确保保护层厚度、限制氯盐外加剂、加入防锈剂等。 预应力钢筋应特别注意防腐蚀。

18、钢结构中型钢的防锈，主要采用表面刷漆的方法。25 建筑钢材的品种与选择 251 建筑钢材的主要钢种1、碳素结构钢碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度代号等四部分按顺序组成。 例如：Q235A·F 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。随着牌号的增大，钢材强度提高，塑性和韧性降低。一般而言，碳素结构钢塑性较好，常用于热轧钢筋。Q235强度与塑性均较好，是最常用的牌号。沸腾钢如下图所示 镇静钢如下图所示2、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素钢的基础上添加总量小于5合金元素的钢材，具有较高的

19、强度，塑性、韧性其可焊性也较好。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中。 252 常用建筑钢材1、 钢筋（1）低碳钢热轧圆盘条建筑用的低碳钢热轧圆盘条由Q215和Q235碳素结构钢经热轧而成，其强度较低，但塑性好，伸长率高，便于弯折成形，焊接容易。常用种类：HPB235 。可用作中、小型钢筋混凝土结构的受力钢筋或箍筋，以及作为冷加工的原料。圆盘条钢筋如下图所示：（2）钢筋混凝土用热轧带肋钢筋钢筋混凝土用热轧带肋钢筋采用低合金钢热轧而成，表面带有纵肋和横肋，其种类有HRB335、HRB400、和HRB500三种。热轧带肋钢筋具有较高强度和握裹力，塑性和可焊性也较好。普通钢筋混凝土结

20、构的受力钢筋主要采用热轧带肋钢筋。热轧带肋钢筋如下图所示：(a)月牙肋钢筋 (b)等高肋钢筋 （3）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋采用热轧圆盘条经冷轧而成，表面带有沿长度方向均匀分布的二面或三面的月牙肋。公称直径范围4-12mm。适用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。冷轧带肋钢筋如下图所示：（4）预应力混凝土热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋指用热轧带肋中碳低合金钢钢筋经淬火和回火调质处理而成的钢筋。其特点是：塑性降低不大，但强度提高很多，综合性能比较理想。热处理钢筋采用弹性盘条供应，开盘后可自行伸直。主要用于预应力混凝土结构。热处理钢筋如下图所示： （5）预应力混凝土用钢丝预应

21、力混凝土用钢丝是用优质碳素钢，经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝。分为消除应力光圆钢丝、消除应力刻痕钢丝、消除应力螺旋肋钢丝和冷拉钢丝四种 。应力松弛：普通松弛（1000小时应力损失率4.5%-12%) 。 低松弛（1000小时应力损失率1%-4.5%) 。（6）预应力混凝土用钢铰线预应力混凝土用钢铰线以2根、3根或7根圆形断面的钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。预应力混凝土用钢丝和钢铰线抗拉强度远远超过热轧钢筋，并具有较好的柔韧性，应力松弛率低。弹性盘条供应，开盘后可自行伸直，适用于大荷载、大跨度及需曲线配筋的预应力混凝土结构。 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）：

22、钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。 2、型钢（1）热轧型钢型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，所以它是钢结构中采用的主要钢材。钢结构用钢的钢种和钢号，主要根据结构与构件的重要性、荷载性质、连接方法、工作条件等因素进行选择。热轧型钢如下图所示：（2）冷弯薄壁型钢通常用薄钢板冷弯或模压而成，可用于轻型钢结构。冷弯薄壁型钢如下图所示： （3）钢板和压型钢板钢板按轧制温度可分为热轧、冷轧两类。按

23、厚度分，热轧钢板可分为厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度0.354mm）；冷轧钢板只有薄板（厚度0.24mm）。 用途：常用作屋面板、墙板及装饰板等。钢板如下图所示：压型钢板如下图所示：复习第2章内容：1、钢材的化学组成及对钢材性质的影响。2、钢材的主要力学性能：抗拉性能、冷弯性能、冲击韧性、硬度、 耐疲劳性。3、钢材的冷加工强化、钢材的热处理与焊接、钢材的防火、防腐蚀。常用钢种、常用建筑钢材：钢筋、型钢的种类。作业：见教课书P43，思考题2.6 ；2.12 。 第3章 无机胶凝材料 教学目的：让学生了解胶凝材料的种类、特性。特别是要求学生掌握水泥在建筑工程中的应用，为今后的学习和在施工中水泥

24、的合理选用打下前期基础。教学重点：学习硅酸盐水泥的技术性质、工程应用等技术方法。教学难点：理解和掌握建筑水泥材料的应用性质、工程技术特点等。教学学时：4教学过程：31 气硬性胶凝材料胶凝材料：凡是经过一系列的物理、化学变化，能将散粒状材料或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，称为气硬性胶凝材料。如：石膏、石灰、水玻璃如下图所示。311 石膏石膏材料：以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。其性质优良，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建筑工程中应用广泛。1、石膏胶凝材料的生产原料：主要是天然二水石膏（CaSO4

25、·2H2O）矿石，也可利用化工石膏。生产工序：破碎、加热煅烧、磨细。加热方式和煅烧温度： 不同性质的石膏胶凝材料产品。建筑石膏：型半水石膏，即建筑石膏。晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，强度较低。 高强石膏：0.13MPa、124的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮型半水石膏，即高强石膏。其特点：晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小，因而强度较高。2、建筑石膏的凝结硬化： 建筑石膏的凝结硬化示意图见教课书中图3-1所示：3、建筑石膏的技术性质与应用(1) 建筑石膏的性质：初凝和终凝时间都很短；硬化后孔隙率较大，表观密度小；强度较低；导热系数小，吸声性强，吸湿性大，可

26、调节室内的温度和湿度；耐水性和抗冻性差；防火性能较好；硬化时体积微膨胀，可装饰性好。(2) 建筑石膏的技术要求：强度、细度、凝结时间。分为优等品、一等品和合格品。(3)建筑石膏的应用：石膏抹灰材料、各种墙体材料（纸面石膏板、石膏空心条板等）、各种装饰石膏板、浮雕花饰、雕塑制品等。纸面石膏板与龙骨组成轻质墙体：美国，70以上的民用住宅内隔墙、 轻钢龙骨石膏板墙体体系(简称QST)具有以下优点： (1)质轻，强度较高。 (2)尺寸稳定。 (3)抗震性好。 (4)自动调湿性好。 (5)装饰方便。 (6)占地面积少。 (7)便于管道及电线等埋设。 (8)施工简便，进度快。艺术装饰石膏制品：石膏注模成型

27、。建筑石膏注意防潮：储存期超过三个月应重新进行质量检验，以确定其等级。吸潮结粒，对凝结硬化性能及强度均有影响。 312 石灰1、生石灰的生产原料:石灰石、白云石、白垩、贝壳等。钙质石灰，镁质石灰：MgO含量。块状生石灰加热分解生成：生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。2、生石灰的熟化（1）熟化成石灰膏（用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时） 在化灰池中熟化成石灰浆，在储灰坑中沉淀并去除上层水分，得到石灰膏。熟化时要控制温度，防止过高或过低。 石灰浆应在储灰池中“陈伏”两星期以上，其作用是消除过火石灰的危害。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。石灰浆熟化过程见下图所示：石灰浆在储灰

28、池中“陈伏”期不够示意图见下图所示：（2）熟化成消石灰粉（用于拌制石灰土、三合土时） 控制加水量:充分消解而又不过湿成团。 3、石灰的硬化 结晶作用：表层、内部。 碳化作用：表层、内部。 4、石灰的技术性质和要求（1）性质：良好的可塑性、硬化缓慢、强度低（28d抗压强度仅0.20.5Mpa）、耐水性差（不宜在潮湿环境下使用）、吸湿性强（注意防潮）、硬化时体积收缩大 ，不宜单独使用。（2）技术指标要求：按规定的指标要求分为优等品、一等品和合格品。优等品适用于饰面层和中间涂层、合格品仅适用于砌筑。5、石灰在土木工程中的应用 （1）制作石灰乳涂料和砂浆。（2）配制石灰土和三合土：612 。（3）生产

29、硅酸盐制品：如灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。313 水玻璃水玻璃（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的。1、水玻璃的生产水玻璃（泡花碱）：碱金属氧化物二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。有干法和湿法两种方式生产。建筑中常用：硅酸钠(Na2O·nSiO2) 水玻璃。2、水玻璃的硬化水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化。3、水玻璃的性质：良好的粘结性能和防水止渗作用、不燃烧、高度耐酸性能。4、水玻璃的硬化应用：涂刷材料表面（石膏制品、铝合金不可使用）、 提高抗风化能力、配制快凝堵漏防水剂、加固土壤

30、 。 32 硅酸盐水泥我国水泥年产量约16.3亿吨(2009年)，占全世界产量的一半。对环境污染、影响较大。水泥品种及组分如下表所示： 321 硅酸盐水泥的生产及矿物组成凡是由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。1、硅酸盐水泥的生产原料：石灰质原料（如石灰石、白垩等，主要提供氧化钙）、粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供氧化硅及氧化铝与氧化铁）、少量校正原料（包括铁质校正原料和硅质校正原料）、石膏（煅烧所得的熟料还要加入石膏作缓凝剂）。生产工艺：“两磨一烧” 生产工艺见下图所示：2、硅酸盐水泥熟料矿物组成见下表所示：名称 矿物成分简 称

31、 含量（%） 密度（g/cm3） 硅酸三钙3CaO·SiO2C3S37-603.25硅酸二钙2CaOSiO2C2S15-373.28铝酸三钙3CaOAl2O3C3A7-153.04铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3C4AF10-183.77少量矿物：游离氧化钙和游离氧化镁及碱。 322 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化1、硅酸盐水泥的水化（1）C3S的水化：C3S+H C-S-H+CH水化硅酸钙凝胶(C-S-H)：无固定组成，几乎不溶于水，具有较高的强度，是硬化后水泥的主要强度组分。生成的氢氧化钙晶体CH数量比C-S-H少，通常起填充作用，因其具有层状构造，层间结合较弱，在受力较大时是

32、裂缝策源地。（2）C2S的水化：C2S+H C-S-H+CHC2S的水化与C3S相似，但水化速度慢，且生成的CH较少。（3）C3A的水化：其水化速度极快，主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6和水化铝酸四钙C4AH13晶体，强度较低。在碱性介质中，C4AH13数量增长迅速，试验认为是水泥浆体产生瞬凝（急凝）的主要原因，因此，在水泥粉磨时，需加入石膏作缓凝剂。C4AH13与石膏反应，生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）针状晶体（含大量结晶水，体积增加1.5倍以上，难溶于水，包裹在熟料颗粒周围，延缓水化）；石膏耗尽后，部分钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙晶体。（4）C4AF的水化：与C3A的水化相似，主要

33、水化产物为水化铝酸三钙C3AH6晶体、水化铝酸四钙C4AH13晶体和水化铁酸一钙凝胶。各种熟料矿物单独与水作用时表现出来的性质如下表所示： 水泥熟料的主要水化产物：C-S-H约占70% ，CH约占20% ，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7% ，其他：水化铁酸钙、水化铝酸钙占3% 。2、硅酸盐水泥的凝结硬化凝结：水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程。硬化：水泥凝结后逐渐产生强度并发展成为坚硬的水泥石的过程。水泥的凝结硬化过程示意见教课书图33所示：水泥的水化速度和强度增长规律是开始较快，然后逐渐减慢，硬化后的水泥石中，同时包含：水化凝胶体和结晶体、未水化

34、的水泥颗粒、水（自由水和吸附水）和孔隙（毛细孔和凝胶孔）。它们在不同时期相对数量的变化 ，使水泥石的性质随之改变。3、影响水泥凝结硬化的因素：养护时间 、温度和湿度、石膏掺量、熟料矿物组成 、细度、用水量 。323 硅酸盐水泥的技术性质1、细度水泥颗粒越细，其表面积就越大，因而水化较快而且较完全，早期强度和后期强度都较高，但标准稠度用水量及在空气中的硬化收缩也越大，成本也越高。水泥细度可用筛析法和比表面积法检验。硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg 。2、凝结时间初凝：水泥加水拌合起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间。 终凝：水泥加水拌和起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所

35、需的时间。国标规定（GB）：硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min 。凝结时间的影响因素：C3A含量、石膏掺量、细度、水灰比、温度、混合材料掺量。 3、体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。体积安定性不良的原因：水泥熟料中游离氧化钙过多、氧化镁过多、石膏量过多。 4、强度及强度等级根据测定的3d和28d的强度，硅酸盐水泥共分为六个强度等级。硅酸盐水泥的强度主要决定于熟料的矿物成分和细度。水泥强度及强度等级见下表所示：5、碱含量：Na2O+0.658K2O若使用活性骨料，碱含量过高将引起碱骨料反应。如用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或

36、由供需双方商定。6、水化热水化放热量和放热速度不仅决定于水泥的矿物成分，而且与水泥细度、混合材料掺量及外加剂的品种、数量有关。7、密度及堆积密度硅酸盐水泥的密度为3.03.15g/cm3，平均可取3.10g/cm3；其堆积密度按松紧程度在10001600kg/m3之间。324 水泥石的腐蚀与防止1、软水的侵蚀（溶出性侵蚀）在静水及无水压的情况下，溶出的CH易饱和，使溶解中止，溶出仅限于表层，影响不大；在流水及压力水作用下，CH不断溶解流失，同时，由于CH浓度的继续降低，还会引起其他水化物的分解溶蚀，使水泥石结构受到进一步的破坏。2、盐类腐蚀（1）硫酸盐的腐蚀硫酸盐与水泥石中的CH反应，生成硫酸

37、钙。硫酸钙与水泥石中固态水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀，使水泥石胀裂。硫酸盐浓度较高时，硫酸钙在孔隙中直接结晶成二水石膏，体积膨胀，导致水泥石破坏。（2）镁盐的腐蚀MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2生成的Mg(OH)2松软而无胶结能力，CaCl2易溶于水，CaSO4·2H2O则引起硫酸盐的破坏。硫酸镁对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用。3、酸类腐蚀水泥石呈碱性，各种酸类（碳酸、盐酸、硫酸、有机酸）与水泥石中的CH作用生成的化合物，或易溶于水，或体积膨胀，使水泥石结构破坏。4、

38、强碱的腐蚀碱类溶液在浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也会破坏（生成易溶的铝酸钠）；当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥时，与空气中CO2作用生成碳酸钠，碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉积，使水泥石胀裂。5、腐蚀的基本原因与防止措施水泥石中存在引起腐蚀的组分氢氧化钙和水化铝酸钙根据环境特点选择合适的水泥品种。水泥石本身不密实，有很多毛细通道，侵蚀介质易于进入其内部提高水泥石的紧密程度，或加做保护层。325 硅酸盐水泥的应用与存放特性：强度较高，凝结硬化较快，耐冻性好；水化热大，耐腐蚀性差。应用：适用于要求凝结快、早期强度高，冬季施工及严寒地区遭受反复

39、冻融的工程；不适用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程、受海水、矿物水作用的工程和大体积砼工程。存放：要按不同品种、强度等级及出厂日期存放，存放时注意防潮和防碳化。强度降低。33 掺混合材料的硅酸盐水泥331 水泥混合材料1、水泥混合材料的类别（1）活性混合材料活性混合材料是指具有潜在水硬性的混合材料。常用活性混合材料有：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰 。（2）非活性混合材料非活性混合材料是指与水泥化学成分不起化学作用（即无化学活性）或活性很小的混合材料，如磨细的石英砂、石灰石、慢冷矿渣等。332 普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材

40、料，称为硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号PO。水泥中混合材料掺加量按质量百分比计。333 矿渣硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥），代号PS。334 火山灰质硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号PP 。335 粉煤灰硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号PF 。336 复合硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝

41、材料称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号PC 。34 其他水泥341 白色和彩色硅酸盐水泥凡以适当成分的生料烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量很小的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，共同磨细制成的水硬性胶凝材料称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥） 。342 快硬水泥凡由硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的以三天抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥） 。343 膨胀水泥及自应力水泥1、膨胀机理2、膨胀水泥及自应力水泥的应用344 道路硅酸盐水泥凡由道路硅酸盐水泥熟料，0%10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水

42、泥） 。目前，硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥是我国广泛使用的六种水泥（通用硅酸盐水泥）。复习第3章内容：1、气硬性、胶凝材料。2、建筑石膏的化学成分。3、石膏、石灰的凝结硬化时间。4、生石灰、熟石灰、石灰土、三合土、陈伏。5、硅酸盐水泥主要成分及其强度、硬化速度、水化热。6、水泥中掺加石膏。7、水泥细度、初凝、终凝、体积安定性。8、水泥的强度与强度等级、水化热。9、六大常用水泥品种。作业：见教课书P75，思考题3.10；3.11 。第4章 水泥混凝土 教学目的：让学生了解水泥混凝土、砂浆的性质及工程技术应用。掌握混凝土的配合比施工设计、计算方法；为今后的工程设

43、计打下前期基础。教学重点：学习普通混凝土的技术控制、配合比设计等技术方法。教学难点：理解和掌握普通混凝土配合比设计、工程技术应用特点等。教学学时：4教学过程：混凝土的概述1、定义：混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。2、分类：按表观密度可分为重混凝土、普通混凝土和轻混凝土；按胶凝材料种类可分为水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等；按性质和用途可分为普通混凝土与各种特种混凝土（如高强混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土等）。3、优点：可塑性好，抗压强度高，耐久性好，与钢筋有良好的粘结性能，耐火性好，可就地取材。4、缺点：自重大，抗

44、拉强度低，易开裂。5、基本要求：强度、和易性和耐久性。41 普通混凝土的组成材料普通混凝土由水泥、砂、石和水所组成（简称混凝土）。为改善混凝土的某些性能常加入适量的外加剂和掺合料。411 混凝土中各组成材料的作用在混凝土中，砂、石起骨架的作用，称为骨料。混凝土中各组成材料的作用：骨料（砂+石 ）：骨架作用。水泥浆（水泥+水 ）：润滑作用（硬化前）、 胶结作用（硬化后）。外加剂和掺合料：改善混凝土的强度、和易性和耐久性。混凝土结构见下图所示： 412 混凝土组成材料的技术要求1、水泥（1）水泥品种选择 根据混凝土工程特点和所处的环境条件进行选择。（2）水泥强度等级选择 应与混凝土设计强度等级相适

45、应 ，根据经验一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.52.0倍为宜。2、细骨料（砂）（1）有害杂质有粘土、淤泥、泥块、粉砂、云母等，妨碍水泥与砂的粘结，降低砼强度，增加砼用水量，加大砼收缩，降低抗冻性和抗渗性。有机杂质、硫化物、硫酸盐等对水泥有腐蚀作用；活性SiO2，水泥中的碱性氧化物与起碱骨料反应，生成膨胀性的碱-硅酸凝胶，使水泥石胀裂。氯盐对钢筋有锈蚀作用。（2）颗粒形状和表面特征细骨料的颗粒形状和表面特征会影响其与水泥的粘结及砼拌合物的流动性山砂其棱角多，表面粗糙，比表面积大，与水泥粘结较好，用它拌制的砼强度较高，但拌合物的流动性较差。河砂、海砂其颗粒多呈圆形，表面光

46、滑，与水泥粘结较差，用它拌制的砼强度较低，但拌合物的流动性较好。（3）砂的颗粒级配及粗细程度颗粒级配：粒径大小不同的砂相互搭配的情况。粗细程度：不同粒径的砂粒混合在一起后的总体粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。颗粒级配与粗细程度两个因素：应同时考虑。砂的颗粒级配及粗细程度，常用筛分析的方法（筛析法）进行测定。砂的粗细程度用细度模数µf表示。µf越大，表示砂越粗。混凝土拌制宜优先采用中砂和粗砂。砂的颗粒级配用级配区表示。根据0.63mm筛孔的累计筛余量分成三个级配区，混凝土用砂的颗粒级配，应处于其中任意一个级配区以内，否则应采用人工级配。配制混凝土时宜优先选用2区砂。砂的

47、级配区曲线如下图所示：3、粗骨料（石）（1）有害杂质有粘土、淤泥、泥块、粉砂、云母等，妨碍水泥与石的粘结，降低砼强度，增加砼用水量，加大砼收缩，降低抗冻性和抗渗性。（2）颗粒形状和表面特征 粗骨料的颗粒形状和表面特征会影响其与水泥的粘结及砼拌合物的流动性。碎石：有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好，用它拌制的砼强度较高，但拌合物的流动性较差； 卵石（砾石）：多为圆形，表面光滑，与水泥粘结较差，用它拌制的砼强度较低，但拌合物的流动性较好；如要求流动性相同，用水量可少些，结果强度不一定低。 针状、片状粗骨料：使混凝土强度降低。粗骨料的颗粒形状如下图所示：（3）最大粒径及颗粒级配在条件许可下，粗骨料最大

48、粒径应尽量选用得大些。最佳的最大粒径取决于混凝土的水泥用量。最大粒径还受结构型式和配筋疏密限制，国标规定：最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的3/4。对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/2板厚的骨料，但最大粒径不得超过50mm。泵送混凝土：最大粒径与输送管的管径之比应符合规定要求。石子级配好坏对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大关系。石子级配分连续粒级和单粒级。当采用连续粒级时，混凝土和易性较好，不易产生离析，较常用；当采用单粒级时，石子组合密实，可节约水泥，但混凝土拌合物易产生离析现象，泵送混凝土不宜采用。（4）强度粗骨料：起骨架作用 ，必须具

49、有足够的强度。粗骨料的强度可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。 当混凝土强度等级为C60以上时，应进行岩石抗压强度检验。（5）坚固性有抗冻要求的砼所用粗骨料，要求测定其坚固性。用硫酸钠溶液检验质量损失率。4、骨料的含水状态及饱和面干吸水率骨料含水状态：全干、气干、饱和面干、湿润。计算混凝土中各项材料的配合比时，若以饱和面干状态为基准，则不会影响混凝土的用水量和骨料用料。因此，一些大型水利工程、道路工程常以此为基准。但一般工民建工程中混凝土配合比设计，常以干燥状态为基准。当砂被水湿润有表面水膜时，常会出现砂的堆积体积增大的现象，称为砂的湿胀。砂的湿胀在验收材料和配制混凝土按体积定量配料时具

50、有重要意义。5、混凝土拌合及养护用水 水的分类：饮用水、地表水、地下水、海水、经适当处理过或处置后的工业废水。水的质量要求：试验判断（凝结时间、强度）。6、混凝土外加剂：指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5%。在混凝土中应用外加剂，具有投资少、见效快，技术经济效果显著的特点。为适应混凝土工程的现代化施工工艺要求，混凝土外加剂已成为混凝土必不可少的“第五组分”。（1）混凝土外加剂的分类：A、改善混凝土拌合物流变性能的外加剂：减水剂、引气剂、泵送剂等； B、调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂：早强剂、缓凝剂、速凝剂等； C、改善混凝土耐久性的外加剂：引

51、气剂、防冻剂、阻锈剂、防水剂等； D、改善混凝土其他性能的外加剂。常用混凝土外加剂有：（1）减水剂减水剂：在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。减水剂按功能可分为：普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂和引气减水剂。减水剂作用机理：分散作用、润湿作用、润滑作用。减水剂使用效果：改善和易性、减水增强、提高耐久性，节约水泥。掺入方法：先掺法、回掺法、后掺法、滞水法。（2）早强剂常用早强剂：氯盐类(CaCl2)、硫酸盐类(NaSO4)、有机胺类(三乙醇胺)及复合类。早强剂作用机理：加快水泥水化及硬化( CaCl2 、 NaSO4 )或有利于早期骨架的形成(三乙醇胺)。早强

52、剂使用要点：含有NaSO4的粉状早强剂应加入水泥中，不能先与潮湿的砂石混合；氯盐类早强剂一般应与阻锈剂复合使用，以防止对钢筋的锈蚀。（3）引气剂引气剂：在混凝土搅拌过程中，能引入大量分布均匀、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。常用引气剂：松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。对混凝土性能的影响：改善混凝土拌合物的和易性、提高混凝土的抗渗性和抗冻性、降低混凝土的强度、弹性模量和耐磨性。（4）缓凝剂缓凝剂：能延长混凝土凝结时间，而不显著降低混凝土后期强度的外加剂。（5）速凝剂速凝剂：能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。（6）防冻剂防冻剂：能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。（7）

53、膨胀剂膨胀剂：使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。（8）泵送剂泵送剂：能改善混凝土拌合物泵送性能的外加剂。7、混凝土掺合料混凝土掺合料：为节约水泥、改善混凝土性能，在拌制混凝土时掺入的矿物粉状材料。常用的混凝土掺合料：粉煤灰、硅粉、沸石粉、超细矿渣粉等。其中以粉煤灰的应用最为普遍。合理使用掺合料不仅可以利用工业废弃物、节省水泥，还可以改善混凝土的性能。掺合料已成为有发展前途的混凝土的“第六组分”。（1）掺粉煤灰：粉煤灰 ：从煤粉炉排出的烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑。作用与效果：改善混凝土和易性；减水；提高混凝土密实度和抗渗性；降低水化热；抑制碱-骨料反应等。掺入方法：等量取代法、超量取代法、外加法、双掺技术。（2）掺硅粉：（3）掺沸石粉：42 普通混凝土的主要技术性质421 混凝土拌合物的和易性1、和易性的概念和易性是指混凝土拌合物易于施工操作并能获得质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三