土木工程材料讲义

章土木工程材料讲义单位：陇东学院土木工程系教师：李平土木工程材料概述一、建筑材料的定义和分类建筑材料可分为1)结构承重材料；2)墙体维护材料；3)建筑功能材料按成分划分：无机材料(金属材料、非金属材料)有机材料(植物材料、沥青材料、高分子材料)复合材料(非金属+非金属、非金属+有机材料、非金属+金属材料、金属材料+有机材料)二、建筑材料在建筑工程中的地位。2、建材品种、质量及规格，直接影响工程的坚固、耐久、适用、美观和经济性，并在一定程度上影响工程结构形式与施工方法。3、建筑工程许多技术问题的突破，往往依赖于建材问题的解决。4、新材料的出现，又将促进结构设计及施工技术的革新。三、建筑材料的发展趋势会可持续发展。性能上，力求产品轻质、高强、耐久、美观，并高性能化和多功能化。第一章建筑材料的基本性质教学重点和难点：意义。2.各材料性质之间的相互关系及其在工程实际中的运用。ppmm密度p=；表观密度p=V0VV隙体积在内的固体所占有的实体积。V—材料在自然状态下的体积，或称表观体积，是指包括内部孔隙的体积。0测得含孔材料的V时，一般用磨细的方法来求得。000二、密实度与孔隙率3、堆积密度、填充率和空隙率堆积密度是指粉状、粒状和纤维材料在堆积状态下(包括了颗粒内部的孔隙和颗粒之m0Vp的大小，不仅取决于材料的p，而且还与0材料的疏密度有关，还受材料含水程度00填充率D是指散粒材料在堆积体积中，被颗粒填充的程度。空隙率p是颗粒之间的空隙所占堆积体积的比例。即VpVVpD=V0=p0；P=00V=1p0P和D从两个侧面反映材料颗粒0互相填0充的疏密程度0一、变形性质弹性变形：外力除去后可完全消失的变形。塑性变形：外力除去后不能消失的变形。脆性材料：材料在破坏前有明显的塑性变形者。塑性材料：材料在破坏前无明显的塑性变形者。徐变与松弛：在长期不变外力作用下，变形逐渐增大的现象叫徐变；在长期荷载作用下，如总变形不变，而引起应力逐渐降低的现象，成为应力松弛。二、材料的强度部都存在很多缺陷。通常意义上的强度是指材料的实际强度，常用强度有：压、拉、弯、剪强度。三、其他性质脆性：外力下，直到断裂前都不出现明显塑性变形性质。韧性：在冲击、振动荷载下，材料能承受很大变形而不致破坏的性质。会造成材料的破坏，这个限度叫做疲劳极限。硬度：受外界物质的摩擦作用而减小质量和体积的现象。磨损：同时受摩擦和冲击两种作用，而减小质量和体积的现、亲水性与憎水性材料很快将水吸入内部或使水在材料表面散开来，这种与水的亲和性称为亲水性。材料不吸水或使水呈珠状存在于材料表面，这种不易被润湿的性质成为憎水性。2、吸水性与吸湿性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性，用吸水率表示；质量吸水率表达式体积吸水率表达式材料在空气中,能自发地吸收空气中的水分的性质称为吸湿性,用含水率表示材料在气干状态下的含水率,称为平衡含水率,在饱和面干状态状下的含水率即为吸水率。3、耐水性是指材料长期处于水的作用下不破坏，其强度也不严重降低的性质，用软化系数表示：一般认为，R的材料是耐水性的，一般认为，R的材料是耐水性的，要求长期受水浸泡或潮湿环境中的重要建筑物K>0.85K>0.70R，次要建筑物R。4、抗渗性与抗冻性抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质，表示方法有二：一是渗透系数k；二是抗渗标号。抗渗性主要与材料的孔隙率和孔隙特征有关。抗冻性示方法也有二：D、DD一是抗冻标号2550......300。二是冻融15次失重率是否满足要求。。材料传导热量的性能称为导热性。其大小用导热系数表示：比热表示1g材料温度升高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量。出的热量。热容量大的材料便于调节室温，缓和室内温度波动。四、材料的耐久性是指材料在使用过程中，能长期抵抗各种环境因素而不破坏，且能保持原有性质的性能,它是一个综合指标。提高耐久性措施：一是提高材料本身的密实性；二是在材料表面覆盖。选用装饰材料要考虑颜色、光泽、透明度、表面组织、形状尺寸、成本造价以及多功能性。防火性能3、放射性材料中放射性元素放出的射线，会对人的健康产生影响，这种性能称为材料的放射性。第二章气硬性胶凝材料教学重点和难点：1.如何防止过火石灰、欠火石灰的生成。2.石灰的硬化机理、性质、使用要点基本概念：胶凝材料是指经过自身的物理化学作用后，能够由浆体变成固体的物质。使用的目的主要是胶结散粒材料和块体材料。水硬性胶凝材料：不仅在空气中，而且在水中也能硬化。(1)生产：注意欠火石灰与过火石灰形成及危害。(2)熟化：注意“陈伏”作用。根据“有效钙+镁”含量，生石灰及消石灰粉分为钙质和镁质两种石灰，每种石灰又分为一、(3)硬化Ca(OH)+CO+nHOCaCO+(n+1)HO22232注意：硬化是由碳化和结晶析水两个过程完成的。而且两个过程都是在空气中进行的。(4)应用粉配制三合土做基础垫层。(1)生产114242222(2)硬化3CaSO.HO+HOCaSO.2HO2242建筑石膏按强度、细度、凝结时间分为优等、一等、合格三个等级。(3)应用一种装饰、绝热、吸声材料。(1)水玻璃，又名泡化碱，主要成分22。(2)影响水玻璃粘性和强度的主要因素一是硅酸盐模数n，(3)水玻璃应用：；2、涂刷材料表面，提高建筑物抗风化能力；4、配制水玻璃矿渣砂浆，修补砖墙裂缝；5、配制专门用途的砂浆和砼。第三章水泥教学重点和难点：1.常用水泥的特性(主要是体积安定性)，性能的影响因素。2.常用水泥的的选用及其技术要求。3.硅酸盐水泥强度发展的规律和主要影响因素。4.活性混合材料和非活性混合材料的概念及其在水泥中的作用如何。5.高铝水泥、膨胀水泥的主要应用。构件，用来做灌浆材2、硅酸盐水泥(1)定义CCS2慢少早低、后高矿物成分水化速度CA3低3快多高CAF4水泥石结构：未水化的水泥颗粒+水泥凝胶+毛细孔(含水)影响因素：矿物成分、细度、用水量、养护温度、湿度、时间。②细度⑥水化热：对大体积砼有要求。⑦强度与强度等级：强度是选用水泥的重要技术指标。止原因：外因，水中的侵蚀性介质；内因，水泥石中的水化铝酸钙和氢氧化钙。类型：溶出型，硫酸盐、镁盐、碳酸盐、酸性，强碱防止：提高水泥密实度、选择合适的水泥品种1、掺混合材料的硅酸盐水泥水用工业废常用活性混合材有矿渣、火山灰、粉煤灰。(1)普通硅酸盐水泥代号P.O，生产特点：在硅酸盐水泥熟料中加入6%15%的混合材。技术要求：终(2)矿渣水泥(3)火山灰水泥(4)粉煤灰水泥(1)特性水泥适用于抢修、军工、堵漏及冬季施工。②抗硫酸盐水泥适用于有硫盐侵蚀的工程。③白色及彩色水泥适用于装饰及装修工程。④膨胀水泥和自应力水泥膨胀水泥用于补偿收缩砼、防渗层、构件接缝、加固、修补等。砼压力管及配件。⑤低热水泥砼工程。⑥高铝水泥适用于抢修工程、冬季施工、耐腐蚀工程、耐热砼。特别要注意：高铝水泥不能高温养护。不能与硅酸盐类水泥混用。(2)专用水泥①大坝水泥中热水泥：用于大坝溢流面。低热矿渣水泥：用于大体积砼内部。②道路水泥用于机场跑道、道路路面等工程。③砌筑水泥适用于工民建砌筑砂浆。(1)水泥品种选择考虑：(1)环境条件。(2)工程特点。(3)砼部位。(2)水泥强度等级选择原则：高标号水泥用于配制高强砼，低标号水泥用于配制低标号砼或砌筑砂浆。一般：f标号(水泥)=1.52.5f标号(砼)时，砼工作性较好，也比较经济。(3)水泥的验收包括标志验收、数量验收、外观质量验收。(4)水泥的运输与保管②不同品种、标号和出厂日期的水泥应分别储运，并应考虑先存先用。(5)受潮鉴别和处理。④结块坚硬，烧矢量大于8%，表明水泥已失效。(6)水泥质量的仲裁处理d厂同一编号水泥封存样进行。第四章混凝土1.掌握筛分析方法在细骨料粗细程度与颗粒级配中的运用。2.掌握粗骨料的最大粒径对混凝土性能的影响。3.掌握混凝土的和易性的概念、测定方法、主要影响因素。4.掌握硬化混凝土的抗压强度。5.掌握混凝土配合比设计基本要点。6.掌握混凝土配合比设计的方法和步骤以水泥为胶凝材料，与水和骨料按适当比例配合，拌制成拌和物，经浇筑、成型、硬化(2)分类(3)特点①原料丰富，价格低廉；②良好的可塑性；③性能可以调整；④可用钢筋增强；⑤良好(4)基本要求①拌和物具有与施工条件相适应的和易性；②养护到规定龄期，应达到设计要求的强度等级；③硬化后砼具有与使用环境相适应的耐久性；④配合比经济合理，砼水泥用量少，成本低，能耗小。(1)基本组成材料；(2)辅助材料；(3)细骨料(砂)a、有害物质：含泥量、云母、轻物质、有机物和硫化物、氯盐。xx③细度与级配Mx=3.02.3中砂级配是指粒径大小不同的砂粒互相搭配的情况。用级配曲线来表示。线在二区的砂,才是质量好的砂。④物理性质a、物理参数：b、含水状态：四种：干燥、气干、饱和面干、湿润。注意：以饱和面干最好用。(4)粗骨料(石子)②质量要求活性物质③颗粒形状与表面状态颗粒形状：针、片状颗粒要少；强度和坚固性；方体强度和压碎值。④分等：粗骨料亦分为三等，应用同砂。⑤最大粒径与级配较细分档(筛分)：,5mm,10mm,16mm,20mm,25mm,,40mm,50mm,63mm,80mm,100mm。注意：a、连续粒级(又称连续级配)：颗粒大小连续分级，每一级都占有适当比例。c、间断级配：人为地剔除某些中间粒径颗粒。(5)最大粒径对混凝土性能的影响(6)拌和物用水及养护用水下，产生流动并均匀密实的填满模板的性能。三性质之间既相互联系又相互矛盾。一般认为还是坍落度法较合适。对干硬性砼用维勃稠度。(2)水灰比；(3)砂率；其它：水泥品种，骨料质量，外加剂，温湿度等f (2)抗压强度标准值cu,k：是抗压强度总体分布中的一个值，总体强度中低于此值的f 构设计取CPCU构设计取CPCU.K(6)抗压强度影响因素的耐久性和变形性(1)非荷载作用下的变形：化学收缩、干湿变形、温度变形(2)荷载作用下的变形：瞬时变形(弹性变形和塑性变形)、徐变变形(徐变和应力松耐久性(1)定义：混凝土具有在使用条件下抵抗周围环境条件各种因素长期作用的能力。(2)分类：抗冻性、抗渗性、抗碳化、抗风化、抗侵蚀等。a、抗冻性b、抗渗性c、抗碳化性能危害是使钢筋混凝土中的钢筋生锈。d、提高耐久性措施①合理选择水泥；②使骨料级配良好；③严格控制水灰比和水泥用量。④掺入外加剂；⑤改善施工条件、控制施工质量。量控制与强度评定(1)施工质量控制(2)质量评定a、统计正态分布b、统计三大指标：平均指标、标准差、变异系数(3)强度保证率(4)施工配制强度(5)强度检验评定(可不讲)CSWG，使所得砼满足工程要求的各项指标，并符合经济原则。Sa、确定设计的基本资料：混凝土资料、原材料资料、施工条件与结构条件、地区气候b初步配合比设计。c、试拌调整，得出满足和易性要求的基准配合比。d、检验强度与耐久性，确定最终配合比。e、提交报告。一、混凝土掺和料为改善砼的性能，在拌制砼的过程中，掺入不超过水泥质量5%的微量物质，这些微量称之为砼外加剂。2、分类(1)改善砼拌合物流变性能外加剂；(2)调节砼拌合物凝结时间和硬化性能的外加剂；(3)改善砼耐久性的外加剂；(4)改善砼其他性能的外加剂。3、减水剂(1)定义：能减水和增强的外加剂。cc(2)分类：普通减水剂与高效减水剂。气剂(2)技术效果：显著提高砼的耐久性。(1)定义：加速砼早期强度发展的外加剂。(2)分类：氯化钙、硫酸钠、三乙醇胺。(3)掺量较大。6、其他外加剂有速凝剂、缓凝剂、泵送剂、加合剂、阻锈剂等。二、其他混凝土(1)轻集料混凝土：①砂轻混凝土；②全轻混凝土；(2)多孔混凝土：①加气混凝土；②泡沫混凝土；2、粉煤灰砼(1)粉煤灰：①高钙灰CaO>10%；②低钙灰CaO<10%(2)掺法：等量取代法、超量取代法、代砂法。(3)用于大体积砼。砼(1)特点：强度高、耐久性好、变形小。4、高性能砼(1)定义：高强、高耐久性、高施工性。(2)内涵：高强度、高耐久性、高施工性、高尺寸稳定性、经济合理性、绿色。(3)配制途径：a、正确使用原材料；b、合理确定配比参数；c、控制施工工艺；d、S5、防水砼：抗渗等级大于(等于)9的砼。(3)掺外加剂的防水砼；(4)特种水泥防水砼。6、防辐射砼：在国防原子能工业应用，以防y射线为主。7、耐热砼分类：(1)硅酸盐水泥耐热砼；(2)铝酸盐水泥耐热砼。(3)水玻璃耐热砼；(4)磷酸盐耐热砼。8、耐酸砼9、纤维砼：(1)钢纤维砼。(2)玻璃纤维砼。(1)聚合物水泥砼；(2)聚合物浸渍砼；(3)聚合物胶结砼(又称树脂砼)。AggregateConcrete)，是用旧建筑物上拆下来的废弃砼碎块作骨料，加入水泥砂浆拌制的砼。因为它是对废旧砼进行加工，成为新的建材产品，所以称为再生砼。使用：配制和使用中、低强度等级的再生砼，将取得更好的技术经济效益。S>10mm12、干硬性砼1mp者称为干硬性砼。13、碾压砼14、大流动性砼15、喷射砼第五章建筑砂浆1、砌筑砂浆技术性质、强度等级、配合比设计。2、按照用途：(1)砌筑砂浆(2)抹面砂浆；(3)装饰砂浆M，M，M，M，M，M10,M，M0.41.02.55.07.51520。3、强度公式f=0.29f(c0.4)f=A.f.c/1000+B用于砌筑吸水基面时：m,cuce三、配合比设计f步骤：1、确定配制强度m,o；2、计算水泥用量C；3、确定石灰膏用量D；有抹面砂浆、防水砂浆、小石子砂浆、绝热、吸声砂浆。第六章烧结砖、砖MU20、MU15、MU10、六个强度等级。级砖不得作为优等品，中等泛霜砖不得用于潮湿部位，优等品用于清水墙，合格品用、外观指标4、耐久性k6、粘土空心砖分为优等、一等、合格三个产品等级。玻璃是由石英砂、纯碱、石灰石等为原料，加入辅料，经高温熔融、成型、冷却而成。常用第七章建筑钢材冶炼和分类及主要技术性能优点：品质均匀，拉、压强度都很高，塑性、韧性好，加工性好，便于装配。容易锈蚀，维修周期短，费用高，能耗大，成本高。1、力学性能：屈服点、抗拉强度、伸长率2、工艺性能(可焊性)处理1、碳：是决定钢材性能的主要元素，碳含量直接引起结晶组织的变化。。含碳量的增加，钢的强度和硬度增大，塑性和韧性降低；当含碳量超过%时，钢材的强度反而降低，并增大钢的冷脆性和时效倾向。、有益元素(1)硅：脱氧、减少钢内气泡而加入硅铁。硅在钢内溶于素铁，形成含硅的铁素体，使钢的硬度和强度提高，当含量超过%时，钢的塑性和冲击韧性显著降低，冷脆性增加，焊接性能变差。Mn的含量较高时，可焊性显著降低。在普通碳素钢中Mn的含量在%之下。3、有害元素(1)磷：使钢的屈服点和抗拉强度提高，但塑性降低、韧性显著下降。冷脆性显著，对承受冲击和在低温下使用的钢材有害。同时，钢的冷弯性能也下降。(2)硫：在钢内以FeS形式存在。由于FeS的熔点低，使钢材在热加工过程中产生晶粒(3)氧：在钢内多以氧化物形式存在，使钢材的强度下降，热脆性增加，冷弯性能变坏，并使钢的热加工性能和焊接性能下降。(4)氮：可提高屈服点、抗拉强度和硬度，但会使钢材的塑性和冲击韧性下降，增大冷脆性、热脆性和时效敏感性，并使钢的冷弯性能和焊接性能下降。二、钢材的冷加工与热处理1、热加工、冷处理、时效硬化的概念。2、压力热加工3、冷加工及冷加工强化：在常温下钢材的冷拉、冷拔、冷轧等工艺的总称。强度和硬度提4、热处理：对钢材进行加热、保温、冷却等手段，来改变钢材的组织结构，已达到改善性时效硬化。分为热时效和冷加工时效。第八章建筑用钢、钢结构用钢1、掌握碳素结构钢牌号、脱氧程度及其性能。2、掌握掌握低合金钢牌号、脱氧程度及其性能。3、掌握冷轧型钢和冷弯薄壁型钢及其各种钢种的表示方法1、分类；(1)结构用钢材；(2)钢筋混凝土用钢材：钢筋和钢绞线2、按照化学成分：(1)碳素钢；(2)合金钢素结构钢优质碳素结构钢主要用于主要结构的钢铸件、高强螺栓以及预应力锚具。4、低合金结构钢它是在钢结构基础上，添加少量的合金元素冶炼而成。低合金结构钢具有更高强度和屈服点，所以更适用于大跨度结构及大型建筑。二、钢结构用材(1)型钢的标记方式。(2)工字钢的截面形式，及其表示方法。(4)槽钢的截面形式和表示方法。(5)L型钢和角钢的截面形式和表示方法。2、冷弯薄壁型钢(1)结构用冷弯薄壁型钢(2)通用冷弯开口型钢((钢板厚度>4mm(2)压型钢板：截面形式、表示方式、性能、用途。第九章钢筋混凝土用钢材、钢材的防护1、掌握掌握热轧钢筋、冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用热处理钢筋。2、掌握钢筋混凝土结构中钢筋的选用。握钢材的防腐和防火。一、常用建筑钢材按照力学性能划分为四个等级，Ⅰ级钢筋由碳素钢轧制、其他的有合金钢轧制。Ⅰ级钢筋表面光圆、Ⅱ、Ⅲ级表面月牙肋，Ⅳ级等高肋。按照用途分为普通钢筋和预应力钢筋，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级钢筋做普通钢筋，Ⅳ级钢筋做预应力钢筋。Ⅱ、Ⅲ级钢筋可作为部分预应力钢筋。2、冷加工钢筋1)冷拉钢筋冷