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土木工程材料主讲：廖国胜绪论一、土木工程材料定义1.定义：土木工程中所涉及的各种材料。（三）温度稳定性（温度敏感性）1.定义：石油沥青的性质因温度的升降而变化的程度。2.指标：软化点t软软化点越高，温稳性越好，温敏性越差。（四）大气稳定性1.定义：石油沥青在大气（热、阳光、氧气、水）作用下抵抗老化的性能。又称为耐久性和抗老化性。2.指标：针入度比1.定义：根据沥青的针入度的大小来划分，取一个整数为该沥青的牌号。2.牌号与沥青的性质的关系：二、石油沥青的牌号牌号↑→针入度↑→延度↑→软化点↓→粘性↓→塑性↑→温稳性↓1.根据工程的性质房屋、道路、防腐。2.工作环境屋面（牌号小）、地下（牌号高）。3.当地的气候条件沥青软化点＝工作温度＋20～25℃≠气温＋20～25℃4.对于高温、有强氧化剂、汽油的环境禁止使用沥青及沥青类防水材料。三、石油沥青的选用烟煤干馏而得，由于含有蒽、酚等致癌物质，禁止用于房建工程，也不得与石油沥青掺配使用。四、煤沥青五、石油沥青的掺配高牌号沥青的掺量Q1，软化点t1；低牌号沥青的掺量Q2，软化点t2；配制后沥青的软化点t。软化点的确定：工作温度＋20～25℃第一章土木工程材料基本性质形态上分材料的孔结构A－开口孔B－封闭孔C－贯穿孔§1－1材料的物理性质一、材料的基本物理性质二、材料与水有关的性质三、材料的热工性质一、材料的基本物理性质1.实密度（密度）（1）定义：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。用ρ表示。（2）实体积：VA+VB+VC=0用V表示。（3）测试方法：李氏比重瓶法。ρ=m/V（一）材料的密度2.视密度（近似密度）（1）定义：材料在包含封闭孔状态下单位体积的质量。用ρ’表示（2）视体积：VB≠0用V’表示。V’＝V＋VB（3）测试方法：排水法。ρ’=m/V’3.表观密度（1）定义：材料在自然状态下单位体积的质量。用ρ0表示（2）表观体积：VA+VB+VC≠0用V0表示。V0=V+VA+VB+VC（3）测试方法：规则几何外形：a×b×cρ0＝m/V0不规则几何外形：蜡封排水法：V0＝V排－（m蜡/ρ蜡）4.堆积密度（1）定义：材料在堆积状态下单位体积的质量。用ρ0’表示（2）堆积体积：V空隙≠0用V0’表示。V0’=V0+V空隙（3）测试:（二）材料的密实度与孔隙率1.密实度（1）定义：材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度。用D表示。（2）计算公式：D＝V/V0＝ρ0/ρ2.孔隙率（1）定义：材料内部孔隙体积占材料自然状态下体积的百分率。用P表示。（2）计算公式：P＝V孔/V0=(V0－V)/V0＝1－V/V0＝1－D（三）材料的填充率与空隙率1.填充率（1）定义：散粒材料在堆积状态下颗粒填充的体积占堆积体积的百分率。用D′表示。（2）计算公式：D′＝V0/V0′＝ρ0′/ρ02.空隙率（1）定义：散粒材料在堆积状态下固体物质间空隙体积占占堆积体积的百分率。用P′表示。（2）计算公式：P′＝1－D′二、材料与水有关的性质材料吸水后，其所有的性能都发生一定程度的改变，但均不利于材料性能的发挥：1.强度下降；2.耐久性下降；3.保温性能下降；4.吸声隔音性能下降；5.导热性提高。1.亲水性（1）定义：当材料与水接触时，如果水可以在材料表面铺展开，即可以被水润湿。（2）表示方法：用润湿角θ表示。θ≤90°θ＝0°完全被润湿（一）亲水性与憎水性2.憎水性（1）定义：材料与水接触时，如果水不能在材料表面铺展开，即可以不被水润湿。（2）表示方法：90°＜θ≤180°θ＝180°完全憎水1.吸湿性（1）定义：材料在空气中吸收水分的能力。（2）表示方法：用含水率表示。（二）吸湿性与吸水性2.吸水性（1）定义：当材料与水接触时，吸收水分的能力。（2）表示方法：用吸水率表示。分为质量吸水率和体积吸水率。（3）饱水系数：用Kw表示。Kw≤0.91抗冻性良好1.定义：材料长期在水中吸收水分的能力。2.表示方法：用软化系数表示。（三）耐水性3.耐水性标准：K软≥0.85耐水材料K软≥0.75一般耐水材料K软＜0.75不耐水材料1.定义：材料抵抗压力水而不被渗透的能力。2.表示方法：用抗渗系数表示。（四）抗渗性3.混凝土、水泥砂浆抗渗性指标：抗渗等级,用表示。GB划分为P2、P4、P6、P8、P10、P12六个等级P8指混凝土承受0.8MPa水压而不渗漏。4.抗渗系数和抗渗等级与抗渗性的关系：K值越大，抗渗能力越差；P值越大，抗渗能力越好。1.定义：材料在吸水饱和状态下，经过多次冻融循环而不破坏，强度也不明显降低的性质。2.表示方法：用抗冻等级Fn表示。经过多次冻融循环，强度损失≤25％，质量损失≤5％。如：混凝土：F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350（五）抗冻性3.作用机理：水→冰：体积膨胀9％→对孔壁产生100MPa水压→孔壁裂纹→强度下降，质量损失。冰→水：温度内低外高→温差＞25℃→温度应力，当超过孔壁承受的应力→产生裂缝。三、材料的热工性质1.定义：材料由于温差而产生热量的传递的性能。2.表示方法：用导热系数表示。（一）导热性3.λ≤0.175W/m2．K保温材料4.影响因素：（1）孔隙率P及孔隙构造：P越大，λ越小；封闭孔越多，λ越小。（2）受潮结冻有关：λ空气λ水λ冰0.0230.5682.331.定义：单位差所吸收或放出的热量。2.表示方法：用q表示。q越大，保温越好。（二）热容量3.理想的保温材料：λ小；q越大§1－2材料的力学性质力学性质：材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力。理论强度：材料在理想状态（无任何缺陷）下所能承受的最大破坏荷载。（钢材30000MPa）实际强度：材料在自然状态下所能承受的最大破坏荷载。（钢材300MPa）1.抗压强度：2.抗拉强度：3.抗剪强度：一、材料的强度4.抗折（弯）强度：注意：不能用低强材料代替高强材料；不能用高强材料代替低强材料；物尽其用，避免强度浪费。5.比强度：衡量材料轻质高强的唯一指标。1.弹性变形：材料在外力作用下发生变形，当外力撤销后，变形能完全恢复。又称为瞬时变形。2.塑性变形：材料在外力作用下发生变形，当外力撤销后，只能恢复一部分变形。不能恢复的变形又称为永久变形。3.弹塑性变形：弹性变形＋塑性变形二、材料的弹性和塑性三、材料的硬度§1－3材料的其他性质一、耐久性二、材料的装饰性三、材料的防火性与耐火性四、材料的放射性五、室内环境的污染（一）概念：材料在长期使用过程中能抵抗其自身因素及周围介质（环境因素）的侵蚀而不破坏，仍能保持其强度和外观完整性。包括：抗渗性、抗冻性、老化、风化、腐蚀等（二）各种介质作用1.物理作用：干湿变化、温度变化、冻融变化；2.化学作用：酸、碱、盐；3.生物作用：昆虫、细菌等；4.机械作用：荷载、磨损、冲击、振动等。一、耐久性（三）提高耐久性的措施1.合理选择原材料2.提高材料的密实度3.加保护层4.净化环境（一）色彩1.暖色调：红色系列，黄色系列，橙色系列2.冷色调：黑色系列，蓝色系列，绿色系列3.色彩协调：与建筑物功能、环境、个人爱好等有关。二、材料的装饰性（二）线型：与制品的形状、尺寸相关，包括线条的粗细、明暗，图饰等。（三）质感：装饰的整体效果。1.光泽：镜面、细面、粗面2.透明性：透明、半透明、不透明3.表面组织：密实与疏松、细致与粗燥、平整与凹凸（一）防火性1.定义：材料在使用状态下抵抗火灾作用的性能。2.分类：三、材料的防火性与耐火性（二）耐火性：耐火极限防火材料防火等级非燃材料A难燃材料B1可燃材料B2易燃材料B3防火材料不一定是耐火材料，但耐火材料一定是防火材料。（一）来源：天然石材、陶瓷、氡气、放射物等（二）分类：GB：外照射指标Ιγ、内照射指标ΙRa四、材料的放射性外照射指标等级适用范围Ιγ≤1.3A类Ⅰ、Ⅱ类建筑室内外1.3≤Ιγ≤1.9B类Ⅰ类建筑室外、Ⅱ类建筑室内外1.9≤Ιγ≤2.8C类Ⅰ、Ⅱ类建筑室外＞2.8超C类不能用于建筑材料Ⅰ类建筑：住宅，老人、儿童、病人、残疾人生活、工作、居住的场所。（一）甲醛1.来源：人造板材（木芯板、多夹板、饰面板、复合地板、泡花板等）、胶粘剂。2.判定标准：（1）穿孔法：（2）气候箱法：五、室内环境的污染(二）苯：油漆、胶粘剂等（三）氨：尿素类防冻剂。GB：E1类≤0.12mg/m3Ⅰ类建筑≤0.08mg/m3E1≤9mg/100g；E2≤9～30mg/100g；第二章气硬性无机胶凝材料1.胶凝材料：材料在一定条件下，经过一系列的物理、化学变化，能够将散粒材料或块状材料粘结成一个有强度的整体。2.分类：有机胶凝材料和无机胶凝材料3.无机胶凝材料：（1）气硬性无机胶凝材料：能在空气中硬化，并保持和发展其强度，在水中不能硬化，也不具有强度的胶凝材料。石灰、石膏（2）水硬性无机胶凝材料：既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并保持和发展其强度的胶凝材料。水泥§2－1石灰一、石灰的生产二、石灰的水化和硬化三、石灰的技术性质§2－2石膏一、石膏的生产二、石膏的水化和硬化三、石膏的特点第二章气硬性无机胶凝材料§2－1石灰一、石灰的生产1.欠火灰：石灰石块度过大，距离火源远，煅烧时间不够，窑温不够。2.正火灰3.过火灰：石灰石块度过小，距离火源近，煅烧时间过长，窑温过高。（1）特点：水化缓慢，一般在正火灰形成硬化结构体后才开始进行，水化产生体积膨胀，从而破坏已形成的结构体。（2）措施：提前洗灰，陈伏2周以上。二、石灰的水化和硬化1.放出大量的热；2.实际需水量大，为70～100％；（理论需水量的30％）3.体积膨胀大。（一）石灰的水化（二）石灰的硬化1.干燥硬化：f－H2O挥发2.结晶硬化：Ca(OH)2的结晶3.碳化硬化：慢硬化时体积收缩大碳化硬化缓慢的原因1.空气中CO2浓度低，影响反应速度2.碳化硬化由表及里，表面形成致密的CaCO3层，阻碍CO2的向里渗透，阻碍了CaCO3的生成。三、石灰的技术性质1.可塑性好生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1μ）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。2.硬化慢、强度低从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此石灰是硬化缓慢的材料。3.硬化时体积收缩大石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，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。4.耐水性差，不易贮存块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。由于生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，所以，储存和运输生石灰时，还要注意安全。§2－2石膏一、石膏的生产二、石膏的水化和硬化（一）石膏的水化（二）石膏的硬化：结晶硬化1.凝结硬化快：2.实际需水量较大，为60～80％；（理论需水量的18.6％）3.体积微膨胀快速石膏≤5min，中速石膏5～10min，慢速石膏≥10min三、石膏的特点1.孔隙率大，密度小，导热性低；2.凝结硬化快；3.吸水吸湿性强；4.耐水抗冻性差；5.防火性好6.着色性强；7.体积微膨胀。第三章硅酸盐水泥（cement）1.发展：1824年，JosephAspdin，英国人，利用石灰石和粘土烧制而成。硬化后呈浅黄色，与英国波特兰的小镇一种岩石的性状相近。命名为波特兰水泥。2.我国水泥发展1889年唐山细棉土厂1903年改名“启新洋灰公司”马牌洋灰1908年19.5万吨/年1949年314.6万吨/年1978年4000万吨/年1990年1.8亿吨/年1994年4亿吨/年世界第一2000年5.96亿吨/年15亿吨2004年9.34亿吨/年32亿吨2006年12.4亿