新型土木材料研究

1、材料的物理性质案例:一、孔隙对材料性质的影响 某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见图。请问选择何种材料？ 分 析:保温层的目的是外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，A适于作保温层材料。 案例一、加气混凝土砌块吸水分析 某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同析方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。分 析:加

2、气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。案例二、火灾中混凝土的破坏 某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见图，请分析原因。 分 析:混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。材料的力学性质案例:案例一、测试强度与加荷速度 人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。请分析原因。分 析:材料的强度除与其组成结构有关外

3、，还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷载的增长大于材料变形速度 ，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。案例二、砖浸水后强度下降 某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。 未烧透的红砖分 析:这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。 耐久性案例:案例、酸雨腐蚀建筑物 图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。 分

4、析:整体变黑是由于干性吸附的以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物造成的。由于雨水中硫酸的冲洗，使石材露出新表面，从而形成流迹线；同时石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，不久会出现建筑物的整体腐蚀。环境协调性案例:案例：室内空气污染 某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复正常，再进馆又开始哭闹。分 析: 该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、脲醛树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、恶心，刺激眼和鼻，严重是引起气喘、神志不清、呕吐和支气管炎。室

5、内没有明显污染的甲醛含量为0.134 mg/m30.670 mg/m3，使用各种装修材料后的游离甲醛含量可达2.3 mg/m3。石灰砂浆的裂纹:请观察图中A、B两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别，并讨论其成因。 石灰砂浆A石灰砂浆B分 析:石灰在制备过程中，采用石灰石、白云石、白垩、贝壳等原料经煅烧后，即得到块状的生石灰，反应式如下： CaCO3 CaO(生石灰)+CO2 在煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，使得CaCO3不能完全分解，将会生成“欠火石灰”。如果煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石灰”。过火石灰水化极慢，当石灰变硬后才开始熟化，产生体积膨胀，引起

6、已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过火石灰的危害，保持石灰膏表面有水的情况下，在贮存池中放置一周以上，这一过程称为陈伏。陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水，隔绝空气，防止Ca(OH)2与CO2发生碳化反应。 石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，制使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。石灰砂浆B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，石灰过多，易产生此类裂纹。内外墙粉刷层爆裂: 上海某新村四幢六层楼1989年911月进行内外墙粉刷，1990年4月交付甲

7、方使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质的部门供应，该部门由个人承包。对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。分析： 该“水灰“含有相当数量的粗颗粒，相当部分为CaO与MgO，这些未充分消解的CaO和MgO在潮湿的环境下缓慢水化，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。案例二：石灰的选用 某工地急需配制石灰砂浆。当时有消

8、石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。 石灰砂浆的膨胀性裂缝原因分析： 该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。防治措施： 因工程时间多，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。建筑石膏粉的质量问题:请观察

9、建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉作粘结或制作石膏制品。 分 析石膏粉吸潮结粒:从图可见该建筑石膏粉已吸潮结粒，对凝结硬化性能及强度均有影响，已不宜使用。由于建筑石膏粉易吸潮，影响其以后使用时的凝结硬化性能和强度，长期储存也会降低强度，因此建筑石膏粉存贮时必须防潮，储存时间不得过长，一般不得超过三个月。 建筑石膏与石灰的凝结硬化对比: 请观察与对比经过半小时后的建筑石膏与石灰的凝结录像，并分析两者凝结硬化的差别。分 析:从录像可见:建筑石膏凝结过程很快，终凝时间不超过30 min；而石灰凝结慢。此外，石灰硬化后体积收缩，而石膏则略有膨胀，膨胀率为0.050.15，此性质使石膏制品干燥时不开裂，

10、光滑饱满。石膏硬化后多孔，故强度较低。石灰水化形成Ca(OH)2，强度也不高，碳化后强度才能提高，但这是一个缓慢的过程。建筑石膏及石灰均为耐水性差的气硬性胶凝材料，且石膏吸湿、吸水性大。 硬化石膏的结构与性能: 请观察图中硬化石膏的结构特点，分析硬化石膏的结构与性能的关联。 建筑石膏制品分 析:图中可见建筑石膏制品的结构特点是多孔。取其隔热吸声性良好。因多封闭的细微孔，导热系数也就较低，且其大是微孔，尤为表面微孔会使声音反射或传导的能力显著下降从而有好的吸声性能。防火性能好。具一定的阻湿阻温性。耐水性及防冻性差。加工性能好。 工程案例:案例一：石膏饰条粘贴失效 某工人用建筑石膏粉拌水为一桶石膏

11、浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰条前后半小时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分析原因。分 析:建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆，即配即用。在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者，在粘结的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂。案例二：石膏制品发霉变形 某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。请分析原因。分 析:厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏

12、制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且还会发霉。建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用。欲提高其耐水性，可于建筑石膏中掺入一定量的水泥或其它含活性SiO2、Al2O3及CaO的材料。如粉煤灰、石灰。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。水玻璃与铝合金窗表面的斑迹：某些建筑物的室内墙面装修过程中我们可以观察到，使用以水玻璃为成膜物质的腻子作为底层涂料，施工过程往往散落到铝合金窗上，造成了铝合金窗外表形成有损美观的斑迹。试分析原因，应采取什么措施避免这类现象。分 析：原因分析：铝合金制品不耐酸碱；水玻璃呈强碱性。当含碱涂料与铝合金接触时，引起铝合

13、金窗表面发生腐蚀反应：Al2O3+2NaOH2NaAlO2+H2O 2Al+2H2O+2NaOH2NaAlO2+3H2使铝合金表面锈蚀而形成斑迹。预防措施：避免使用酸碱性比较大的涂料；铝合金表面涂塑保护；精心、文明施工。 工程案例：水玻璃表面处理 把水玻璃涂在粘土砖表面，可以提高抗风化能力；但涂在石膏制品表面则会使石膏制品破坏，请讨论其原因。分 析：水玻璃浸入粘土砖表面，可使材料更致密，提高风化能力；但浸入石膏制品，水玻璃与石膏反应生成硫酸钠晶体，在制品孔隙内产生体积膨胀，使石膏制品破坏。硅酸盐水泥主要水化产物有：水化硅酸钙凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体。

14、在完全水化的水泥中：水化硅酸钙约占70%氢氧化钙约占20%水化铝酸钙约占3钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7% 各种矿物的特性：表中所列各种矿物的放热量和强度，是指全部放热量和最终强度。挡墙开裂与水泥的选用：现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S： 61 ； C2S： 14 C3A： 14； C4AF： 11 原因分析： 由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿

15、型的纵向裂缝。防治措施： 首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。某停车场混凝土不耐磨 ：某施工队使用某立窑水泥厂生产的普通水泥铺筑停车场。该水泥颜色为较深的灰黑色，据了解是以煤渣作混合材，混凝土的水灰比为0.55。完工后一个月发现混凝土强度正常，边部切割后观察，混凝土基本无大的孔洞。但表面耐磨性差，且在局部低凹表面的颜色为明显不同的灰黑色，其耐磨性更差。水泥经检验强度及安定性等合格，但烧失量为6.3。请分析原因。 分析：该水泥烧失量不合格。造成烧失量高有几种可能：a.熟料烧不透；b.石膏杂质多；c.混合材本身烧失量大，且

16、掺量高。从现象来看，最后一点的问题估计是主要的。在局部低凹表面灰黑色的水泥浆含较多烧失量高的煤渣，而这些煤渣的耐磨性较差，使该停车场混凝土耐磨性差。另外，该混凝土水灰比过大，亦有利于混凝土的离析，煤渣的富集。从切割边部混凝土观察知混凝土基本无大孔洞，这可知混凝土的流动性较大，且振捣已相当充分。但对于水灰比较大的混凝土若振捣过度，更易离析、泌水，使煤渣在表面富集，使混凝土表面不耐磨。 钢筋混凝土开裂： 某钢筋混凝土基墩使用5年后出现大量裂纹。经检查混凝土环境水，其pH=5.5；SO42-含量为6000 mg/L；Cl-含量为400 mg/L。该混凝土采用普通硅酸盐水泥。请讨论此钢筋混凝土开裂的原因。分析：此混凝土产生裂纹的关键原因为硫酸盐腐蚀，所使用的水泥不当。该环境水pH=5.5，对于钢筋混凝土属弱腐蚀(pH=4.56为弱腐蚀)；Cl-含量<500 mg/L，环境水无氯离子腐蚀；而SO42-含量>4 000 mg/L，属强硫酸腐蚀。而仅使用普通硅酸盐水泥，这是选用水泥不当所致。应选用高抗硫酸盐硅酸盐水泥。膨胀水泥与膨胀剂的应用：硅酸盐水泥水化收缩，会产生裂缝。为此，引入膨胀组分如明矾石、石灰等以补偿收缩，或产生自应力。因大批量生产的膨胀水泥调节不同需求的膨胀量较困难。为适应不同工程的需求