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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,建筑材料,树玉秀,2012,1,0,绪论（,introduction),一、土木工程材料分类,1,、定义：土木工程中所使用的一切材料及制品。,分类,（,1,）按来源分,天然材料：竹、木等,人造材料：砖、瓦、水泥、砼、钢材等,（,2,）按化学成分,无机材料：金属材料（钢、铁、铝、铜等）；非金属材料,(,水泥、玻璃、砖瓦、石材）,有机材料：木、竹、沥青、塑料等,复合材料：玻璃纤维增强,塑料,、钢纤维增强砼等,二、土木工程材料在土木工程中作用及重要性,1,、土木工程材料是构成土木工程的物质基础。,2,、直接影响着或决定着土木工程一些重要性质。,（,1,）结构形式：山西应县佛宫寺木塔（,1055,年）高,66,米；马来西亚石油双塔楼（砼结构）高,452,米；上海金茂大厦（钢砼混合材料结构）高,420.5,米；,上海电视塔（预应力砼结构）,468,米；旧金山金门大桥（悬索桥）主跨,1280.2,米；苏通大桥（斜拉桥）主跨,1088,米、主塔,300,多米；大跨度的钢结构展览馆；体育馆；机场航站楼。,07,年有,39,人在金门大桥自杀，当局准备化费,5000,万装防护网。,-08-10-12,京华时报。,（,2,）安全性,唐山地震,重庆彩虹桥事件（,99,年,1,月,4,日晚,6,时,50,分,40,多人伤亡）,（,3,）功能、适用性,绝热材料、吸声隔声材料、装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料、耐磨耐腐蚀材料、防爆防辐射材料。,（,4,）经济性,优良的建材能满足：,足够的强度（承载）,较轻（减轻地基负荷）,相应的耐久性（降低维修费）,美观,功能要求,低能耗,环保,三、土木工程材料的发展趋势,1,、上古时期人类野处穴居,旧石器时代的北京猿人（,69,万年前）住天然岩洞。,北京周口店龙骨山山顶洞人（,18000,年前）住天然岩洞。,巢氏教民构木为巢，居于树上。,2,、砖木房屋,土坯（,8000,年欧洲）,凿琢自然石（,50006000,年前）,砖（,3000,年前）,秦砖汉瓦（,2000,年前）,钢筋混凝土（,19,世纪）,化学建材具有特殊功能的新型建材,3,、展望,发展方向：环保、节能、轻质高强、多功能、结构功能一体化、构件化、单元化。,（,1,）墙体材料,非黏土砖的应用,（,2,）轻质高强混凝土、改性混凝土、预应力混凝土,四、本课程的主要内容及学习方法,水泥、混凝土、钢材、沥青、塑料的生产、性能及应用是重点。,听课、作业、实验。,闭卷考试（考试成绩占,80%,、平时成绩,20%,）。,第一章 土木工程材料的基本性质,土木工程材料受到诸多因素的影响：,力学作用（外力、自重、风力、地震）,物理作用（雨、雪、霜、干湿循环、冻融循环、火）,化学作用（风化、酸碱盐侵蚀）,材料的性能是多方面的，必须与使用环境相适应。,1.1.1,材料的组成,1,、化学组成（化学元素、化合物种类及数量）,决定材料的：抗酸碱侵蚀性、可燃性、耐火性、钢材的锈蚀等。,2,、矿物组成（矿物种类和数量）,1-1,材料科学的基本理论,3,、 相组成（结构相近性质，相同的均匀部分）,气相、液相、固相：一般材料,铁素体、渗碳体、珠光体：钢,集料相、基相、界面相：砼,1.1.2,材料的结构和构造,1,、宏观结构,（,1,）宏观结构的孔隙特征,致密结构：金属、玻璃、塑料,多孔结构：加气混凝土、泡沫混凝土、轻质多孔材料,微孔结构：石膏制品,（,2,）按组织构造特征,堆聚结构：混凝土、砂浆、沥青混合料,纤维结构：木材、玻璃钢,层状结构：胶合板,散粒结构：混凝土集料,2,、细观结构（以光学显微镜观察）,混凝土的基相、集料相、界面相,钢铁的铁素体、珠光体、渗碳体,木材的木纤维、导管髓线、树脂道,3,、微观结构（用中子显微镜或,x,射线分析,),晶体：钢铁材料,玻璃体：火山灰 、炉渣、玻璃,胶体：胶粒 （粒径,10,-7,-10,-10,）作为分散相，分散在连续相（水、气、溶剂）中,形成的分散体。,1.2,材料的基本物理性质,1.2.1,材料的密度、表观密度、堆积密度,1.,密度 绝对密实状态下，材料单位体积的质量。,=m/v,-g/cm,3,m-g,V-cm,3,近似密度,a,：用排液置换法直接测得的砂、碎石的密度,有的教科书称为碎石等的表观密度。,2.,表观密度 在自然状态下，材料单位体积的质量。,0,=m/v,0,V,0,-,表观体积（包含内部孔隙的体积）,3.,堆积密度,0,=m/v,0,1,.2.2,材料的密实度与孔隙度,1.,密实度 材料的体积内被固体物质充实的程度,D=v/v,0,*100%,或,D=,0,/,*100%,2.,孔隙率,P,=,（,v,0,-v,）,/v,0,=1-D,1,.2.3,材料的填充率与空隙率,1.,填充率：某堆积体中，被散粒材料的颗粒所填充的程度,D=v,0,/v,0,*100%,或,D=,0,/,0,*100%,2.,空隙率,P =1-D,1.2.4,材料与水的关系,1.,材料的亲水性与憎水性,亲水材料,90,憎水材料,90,-,润湿边角,石灰岩、玄武岩属于憎水岩石，与沥青粘结力强，常用来做铺路材料。,花岗岩属亲水岩石，与沥青粘结力不强，遇水易剥落，即水稳定性差不宜用做铺路材料。,2.,材料的吸水性与湿性,（,1,）含水率 所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比,W,=,（,m,1,-m,）,/m*100%,m,-,材料干燥状态下的质量，,g,m,1,-,材料在含水状态下的质量，,g,（,2,）吸水性,吸水率：材料吸水饱和时的含水率。,致密岩石：,0.5-0.7%,混凝土：,2-3%,粘土砖：,8-20%,木材等：,100%,（,3,）吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质，具有 可逆性。,影响：木制门窗、保温材料,3.,材料的耐水性：材料抵抗水破坏作用的能力。,（,1,）破坏作用,力学性质方面,光学性质方面,装饰性质方面,（,2,）软化系数,材料在吸水饱和状态下抗压强度,/,材料在干燥状态下的抗压强度,长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑，其材料的软化系数,0.85,。,4.,材料的抗渗性,材料抵抗压力水渗透的性质。,K=Qd/AtH,K-,渗透系数，,cm/h,Q-,透水量，,cm,3,D-,试件厚度，,cm,A -,透水面积，,cm,2,t-,时间，,h,H-,静水压力水头，,cm,K,越小，抗渗性越好。,1-3,材料的基本力学性质,1.3.1,材料的强度,(strength),材料在外力作用下，抵抗破坏的能力,抗压强度 、抗拉强度 、抗剪强度,f=F,max,/A,抗弯强度,f=3F,max,L/2bh,2,(,单点集中加荷）；,f=F,max,L/bh,2,(,三分点集中加荷）,土木工程材料常根据其强度划分为若干不同的等级。,1.3.2,弹性与塑性,(elasticity and plasticity),弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即消失，完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。,塑性：材料在外力作用下，当压力超过一定限值时产生显著变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形。,1.3.4,脆性与韧性,(shortness/brittleness and toughness),脆性：材料发生突然破坏之前无明显的塑性变形。 如陶瓷、玻璃、石材、砖瓦、铸铁。,韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量不发生破坏的性质。也称冲击韧性。如,.,建筑钢材（软钢），木材等。,桥梁、吊车梁及有抗震要求的工程中，结构材料要有较好的韧性。,1.4,材料的耐久性,(durability),定义：材料在使用中，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、不变质的能力。,内容：抗风化、抗酸碱盐侵蚀、抗渗、耐水、抗冻等性能，属于综合指标。,第二章建筑钢材,(steel material),建筑钢材包括：钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构各种型钢如钢管、槽钢、工字钢、角钢等。,2-1,钢材的化学组成,1,、主要成分：铁、碳、合金元素、杂质。,2,、分类 按化学成分分为碳素钢和合金钢,（,1,）碳素钢,低碳钢 含碳量小于,0.25%,中碳钢 含碳量,0.25%,，,0.6%,）,高碳钢 含碳量大于,0.6%,（,2,）合金钢,低合金钢 合金元素含量小于,5%,中合金钢 合金元素含量, 5%,，,10%,高合金钢：合金元素含量大于,10%,建筑钢材含碳量一般为不超过,0.8%,的碳素钢及低合金钢。,3,、各元素对钢材性能的影响,（,1,）碳,它与铁原子的结合方式有：,固溶体：形成铁素体，含碳量极少。,化合物（,F,e3,C,）：形成渗碳体，含碳量较高。,机械混合物：形成珠光体，含碳量在二者之间。,含碳量，珠光体，强度，塑性、韧性、可焊性（,0.6%,时，可焊性很差）。,（,2,）合金元素,硅 含量低于,1%,时，能提高钢材的强度。,锰 含量,1%-2%,，提高钢材的强度。,钛 强度 ，韧性、可焊性。,其化学性质稳定，耐腐蚀,(,抵抗海水腐蚀能力很强），主要用于飞机、火箭、导弹、飞船等，少量用于冶金、能源、交通医疗及石化工业。,矾 强度,铌 强度,（,3,）杂质元素,磷 强度 ，可焊性 ，冷脆性 。,有益作用：提高强度、硬度、耐磨性、改善切削性，耐大气腐蚀性强，,在低合金钢中可配合其它元素做合金元素用，军事上利用其脆性制造炮弹增大杀伤力。,普通碳素钢 磷含量,0.045%,优质碳素钢 磷含量,0.035%,高级优质碳素钢 磷含量,0.030%,硫 极有害元素 可焊性 ，热脆性，热加工性,普通碳素钢 硫含量,0.055%,优质碳素钢 硫含量,0.040%,高级优质碳素钢 硫含量,0.02%-0.03%,氧 韧性、可焊性,氮 强度 ，塑性、韧性,包括：抗拉、冷弯、冲击韧性、硬度和耐疲劳性。,2.2.1,抗拉性能,(tensile strength),属最重要的性能，主要技术指标有：屈服点、抗拉强度、伸长率。,2-2,建筑钢材的主要力学性能,1,、,-,图,OA,：弹性阶段,AB,：弹塑性阶段,BC,：塑性阶段,CD,：强化阶段,DD,：破坏阶段,（颈缩、断裂）,插图,p24,2,、指标,(indexes),弹性极限,p,弹性范围内，所能承受最大的力。,弹性模量,E,弹性模量大，抗变形能力强。,上屈服点,su,屈服阶段，所能承受最大的力。,下屈服点,sl,对试验条件较不敏感。,屈服强度,s,取为下屈服点,抗拉强度,b,抗拉试验中，所能承受最大的力。,强屈比,b,/,s,大于,1.2,，影响材料安全及利用率。,硬钢的屈服点,0.2,产生残余变形达到原始长度,0.2%,时所对应的应力。,断后伸长率,=,（,l,1,-l,0,）,/l,0,*100%,对于钢筋一般,8-27%,。反映钢材的塑性。,5,10,(5,，,10,为试件的长、径直比）。,工程上把,10,5%,的材料成为塑性材料；,10,5%,的为脆性材料。,2.2.2,冷弯性能,(cold bending property),1,、定义 钢材在,常温下,承受弯曲变形的能力。,2,、物理意义 一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力、夹杂物未融合及微裂纹等缺陷，能反映冶金质量和焊接质量。,3,、冷弯实验,试件长度,L=5a+150(mm);,试验角度,180,；,弯心直径,d=0,0.5a,a,2a,3a,a-,试件厚度或直径；,试验温度,10-35,；,缓慢加载。,4,、指标 弯曲角度，,弯心直径,/,试件厚度或直径,2.2.3,冲击韧性,(impact toughness),1,、定义：钢材抵抗冲击载荷的能力。,2,、冲击韧性试验,3,冲击韧性值：,K,v,=GH,1,-GH,2,4,、冷脆性：钢材在低温下，呈现脆性的现象。,5,、脆性临界温度：钢材在降到某一温度范围时，冲击韧性急剧下降，而呈现脆性，该温度即为脆性临界温度。,6,、时效：钢材随时间延长强度提高、,塑性和韧性,下降的现象。,7,、时效敏感性：因时效而导致性能改变的程度。受动载的结构物如桥梁等，应选用时效敏感性小的钢材。,8,、实例,(instances),国外一钢桥在夜间温度骤降下，因冷脆而塌落。,Poland,一跨度,76.6,米的钢梁组合桥（,composite bridge),于,1987.1.8,在温度,-35,发生塌毁事故。,我国北方,60,年代初，一钢筋混泥土梁，因钢筋焊接接头冷脆而塌落的事故。,选用钢材时，在负温使用下的结构应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材。,2.2.4,硬度,(hardness),1,、定义 指钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。是钢材,弹性、塑性、强度、韧性及变形强化率,等的综合反映。,2,、布氏硬度,(Brinell hardness) HB=P/,（,Dh,),P-,压入载荷，,N;,D,-,钢球直径，,mm;,H,-,压入深度，,mm,。,F,D,是定值，只要测出,d,再查表即可。,硬度计压头为淬火钢球时用,HBS,表示适用于,HB,450,的材料；压头为硬质合金钢球时用,HBW,表示，适用于,450HB650,的材料。,标注方法：,170HBS10/3000/30,170-,布氏硬度值,10-,钢球直径,(mm),3000-,试验力,F,值（,kgf),30-,加压持续时间（,s),3,、布氏硬度值与抗拉强度的相关性,碳素钢：,HB175,时，,b,=3.6HB,HB,175,时，,b,=3.5HB,根据以上关系，可在钢结构上原位测得的,HB,值估算,b,。,4,、洛氏硬度,(Rockwell hardness),根据压头压入试件的深度大小确定材料的硬度值。一般用于判断机械零件的热处理效果。数值可直接从硬度计仪表盘读出。,1,）包括,4,种类型,:,HRA:120,金刚石圆锥压头，测量范围,6085HRA,试验力,588.4N;,HRB:,直径,1.588mm,钢球压头，,25100 HRB,980.7N;,HRC:,金刚石圆锥压头,2067 HRC,1471N;,（生产中使用最多）,HRD:,金刚石圆锥压头,4077 HRC,980.7N.,2,）标注：,60HRC,3,）,HRC:HB=1:10(,当,HBS,220,时）,5,、维氏硬度（,Vickers hardness),压头为金刚石正四棱锥，用,HV,表示。,2.2.5,耐疲劳性,1,、钢材的疲劳破坏：指在交变应力作用下，钢材在应力远小于,b,时发生断裂的现象。,2,、疲劳极限,r,在疲劳试验中，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。,3,、应力比值,=,min,/,max,测定钢筋疲劳极限时，通常采用拉应力循环。,非预应力筋,=0.1-0.8,预应力筋,=0.7-0.85,周期基数,200,万次或,400,万次以上。,4,、钢材疲劳破坏的原因,微小缺陷，,表面质量不好,裂纹形成,裂纹扩展,断裂,2.3,钢材的冷加工强化、时效强化、热处理和焊接,1,、钢材的冷加工强化,指将钢材在常温下进行,冷拉、冷拔或冷轧,（热轧：,12001300,），,产生塑性变形,屈服强度,：塑性、韧性、弹模,2,、时效处理,将经过冷加工后的钢材于常温下存放,15-20,天，或加热到,100-200,，并保持一段时间，这一过程就是时效处理。,前者称自然时效，后者为人工。,一般强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋应采用人工时效处理。,时效处理,抗拉强度略有提高,塑性、韧性下降,弹模基本恢复,屈服强度提高,2.3.2,钢材的热处理,1,、退火：用于冷加工后的钢材处理，以,减少冷加工产生的各种缺陷，消除内应力,。分为：,低温退火：加热温度在铁素体等转变温度以下，是少量位错重新排列。,完全退火：加热温度高于相变温度，达到,800,850,度，在经适当保温后缓慢冷却，使钢材再结晶。,2,、淬火和回火（二者通常相连）,（,1,）淬火：加热到相变温度（,723,度）以上，保温使组织完全转变，即投入冷却介质（水或矿物油）中急冷，使转变为不稳定介质：强度、硬度，塑性、韧性。,（,2,）回火：在淬火之后进行，加热温度在转变温度以下（,150650,度），保温后按一定速度冷却至室温。,消除淬火内应力，硬度，塑性、韧性,。,我国生产的热处理钢筋采用中碳低合金钢经油浴淬火和铅浴高温（,500-600,度）回火制得。其组织为铁素体和均匀分布的细颗粒渗碳体。,2.3.3,钢材的焊接,1,、焊接方法,（,1,）电弧焊（钢结构）焊条与焊件之间产生,高温电弧,，将焊条与焊件金属,熔化,，凝固后形成,焊缝,。,（,2,）电渣压力焊（钢筋） 电流通过,渣池,产生电阻热将钢筋,端部熔化,，施加压力使钢筋,焊合,。,2,、焊接质量的检验,取样试件试验（钢筋接头）,原位非破损检测（钢结构） 超声波、,射线、磁力、荧光等。,3,、实例：鸟巢体育场钢结构（钢号,Q460,）焊缝总长,300Km,，超声波检验合格率,100%,。,2-4,钢材的防火与防腐,2.4.1,钢材的防火,1,、高温对钢材的性能有很大影响（高温蠕变）,:,250,度时，,b,k,称蓝脆现象。,大于,300,度时，,b,，,s,.,600,度时，强度, ,（,-2/3,），不能承载。,2,、防火措施,（,1,）设置防火板,（,2,）涂刷防火涂料,非膨胀型防火涂料,难,(,不,),燃性树脂,+,难燃剂,+,防火填料。,膨胀型防火涂料,难,(,不,),燃性树脂,+,难燃剂,+,成碳剂,+,脱水成碳催化剂,+,发泡剂,2.4.2,钢材的锈蚀与防止,1,、主要原因,（,1,）化学锈蚀,钢材与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。主要是,氧化作用,引起，环境干燥时较慢而在潮湿的环境，和温度较高时则速度较快。空气中的二氧化碳，二氧化硫也能引起。,（,2,）电化学腐蚀,金属在潮湿的气体中或导电溶液（电解质）中，形成,微电池,而引起的腐蚀，是最主要的腐蚀形式。,1,）钢的表面在电解质溶液中形成,微电池,：,铁素体,-,阳极，失去电子成为,Fe,2+,进入水膜；,渗碳体,-,阴极，溶于水中的氧被还原成,OH,-,;,二者反应最终产物为疏松易剥落的红棕色铁锈,Fe(OH),3.,.,随暴露出的渗碳体越来越多，微电池也越来越多，锈蚀也日益加速。,2,）铁铜接触形成微电池,(,二者之间存在电解质）,铁的电极电位低,(-0.44v),，为阳极不断失去电子而被溶解；铜的电极电位高,(+0.33v),为阴极在其上放出氢气。,抗电化学腐蚀的措施：,提高电极电位,-,在钢中加入,Cr,、,Ni,、,Si,等合金，如在铁中加铬,11.7%,时，可把合金的电位提高到,+0.2v,能有效地抵抗空气、水、酸碱盐腐蚀；,尽量获得单相组织,-,在钢中加入,Cr,、,Ni,、,Si,等合金，使之在常温下形成单相铁素体、奥氏体、马氏体，难以形成微电池；,形成氧化膜（钝化膜）,-,在钢中加入,Cr,、,Si,、,Al,等合金,在钢的表面形成一层致密、牢固的氧化膜，把钢与周围介质隔开。,（,3,）应力腐蚀 指应力状态下腐蚀加快的现象。由于应力大的地方形成阳极，易于腐蚀。预应力钢筋因应力存在更易腐蚀，要给予足够的关注。,2,、防止措施,（,1,）钢筋的防腐,混凝土中的钢筋因处于碱性环境中，一般不致腐蚀。但有时会由于掺加掺合料，或碳化反应（,CO,2,与水泥石中的,Ca(OH),2,反应）使混凝土中,Ca(OH),2,含量减少，降低了碱性。或由于添加了含有氯离子的外加剂，也会使钢筋锈蚀。,提高混凝土的密实度,确保保护层厚度,限制氯盐外加剂,采用环氧树脂涂层,（,2,）钢结构防腐,刷漆（包括底漆和面漆）,热浸镀锌或铬，镀锌后加涂塑料复合层,特殊工程用不锈钢（加铬、镍）,牺牲阳极,如用电位较低的镁合金、锌合金、铝合金作阳极和地下钢管连起来，形成微电池，不断消耗阳极以保护钢管。,用废钢铁作阳极通过电池与要保护的钢管连起来。,2-5,建筑钢材的品种与选用,2.5.1,主要钢种,基本上是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。,1,、建筑用碳素结构钢,(,属普通碳素钢）,(1),牌号：有,5,个牌号：,Q195,Q215,Q235,Q255,Q275,含碳量：,0.06%-0.38%,质量等级：,A,、,B,、,C,、,D,（由低到高）,脱氧程度：,F(,沸腾钢），,Z,（镇静港），,b,（半镇静钢），,TZ,（特殊镇静钢,),(2)Q235-BZ,的意义,(3),特点：塑性较好，适于各种加工，在焊接、冲击及适当超载的情况下也不会突然破坏，对轧制 、加热、骤冷的敏感性较小，因而常用于,热轧钢筋,。,2,、低合金高强结构钢,（,1,）牌号,8,个牌号：,Q295 Q345 Q390 Q420 Q460,Q500 Q550 Q620 Q690,质量等级：,A B C D E,含碳量：,0.1%0.25%,屈服点：比碳素钢高,25%50%,以上，屈强比较高,(2),特点：采用低合金钢的目的是减轻结构的重量，节约钢材和延长使用寿命。此类钢材具有较高的屈服强度和抗拉强度，也有良好的塑性和韧性（尤其是低温韧性）及耐腐蚀性，尤其适用于,大跨度承受动载荷和冲击载荷的结构物,。,2.5.2,常用建筑钢材,1,、钢筋（,reinforcing bar, rebar ),钢筋公称直径：,6,、,8,、,10,、,12,、,14,、,16,、,18,、,20,、,22,、,25,、,28,、,32,、,36,、,40,、,50mm.,(1),低碳钢热轧圆盘条：由,Q215,Q235,热轧而成,HPB235,HPB300,(,级钢筋）,含碳量：,0.17%-0.25%,；公称直径：,6,2,2,mm,特点：强度较低，但塑性好，伸长率高，便于弯折成形和焊接。用作中小型结构的,受力钢筋,或,箍筋,，及,冷加工原料。,(2),热轧带肋钢筋（,hot rolled ribbed steel bar),采用低合金钢热轧而成，表面有两条纵肋及沿长度方向均匀分布的横肋。,含碳量：,0.17%-0.25%;,公称直径：,6,、,8,、,10,、,12,、,16,、,20,、,25,、,32,、,40,、,50mm.,牌号：,HRB335,HRBF335 HRB400,HRB,F,400 HRB500,HRBF500,特点：强度较高，塑性、可焊性也较好。用于受力钢筋和预应力钢筋。,（,3,）冷轧带肋钢筋（,cold rolled ribbed steel bar),采用热轧圆盘条经冷轧而成。,牌号：,CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 (,指抗拉强度）；公称直径,412mm,特点：冷轧后，,.2,，但保证,.2,.05,适用于中小预应力钢筋混凝土和普通钢筋混凝土结构。,(4),预应力,筋,中强度,预应力,钢丝,（,光面，,螺旋肋,）,公称,直径5、7、9mm,（510、650、810 N/mm,2,),预应力,螺纹,钢筋,公称,直径18、25、32、40、50mm,（650、770、900 N/mm,2,),消除应力,钢丝,（,光面，,螺旋肋）,公称直径5、7、9mm(1040、1110、1320,N/mm,2,）,钢绞线,（,三股、,七,股,）,公称直径:,三股,（8,.6、10,.8、12,.9mm),七股,（9,.5、12,.7、15,.2、17,.8、21.6mm),抗拉强度设计值：1110、1220、1320、1390,N/mm,2,2,、型钢,（,1,）热轧型钢：角钢，工字钢，槽钢，,T,、,H,、,Z,型等,钢种及钢号选择依据：,构件重要性,荷载性质（动、静）,连接方法,工作条件（ 温度、介质）,常用钢种,碳素结构钢中,Q235-A(,含碳量,0.14-0.22%,），强度石中，塑性好，可焊性好，成本低。,低合金钢,Q345,Q390(,鸟巢用钢,Q460,），用于大跨度、承受动在的钢结构。,（,2,）冷弯薄壁型钢,2-6mm,薄板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢以及方形、矩形空心薄壁型钢等，用于轻型结构。,（,3,）钢板,定义：用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板。,分类：冷轧钢板（厚度,0.2-4mm,），热轧钢板（厚板,d,4mm;,薄板）,应用：厚板：型钢的连接，,薄板：屋面、墙面围护材料,第三章无机胶凝材料,(non-organic cementing material),1,、胶凝材料的定义：能经过一系列物理、化学作用， 将散粒状或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。,2,、分类,按成份分为：,（,1,）有机胶凝材料（如沥青，树脂），,（,2,）无机胶凝材料（如水泥，石灰，石膏）。,气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结硬化（石灰，石膏）。,水硬性胶凝材料： 在空气和水中均能凝结硬化，如水泥。,3-1,气硬性胶凝材料,3.3.1,石膏,(plaster),石膏是以,CaSO,4,为主要成分的胶凝材料，成本低，应用广泛。常用的产品有建筑石膏，高强石膏，无水石膏水泥。,1,、石膏的生产,原料：矿石（,CaSO,4,2H,2,O),化工副产品和废渣。,主要工序：破碎 加热煅烧 磨细,化学反应：,CaSO,4,2H,2,O,107-170,CaSO,4,1/2H,2,O+3/2H,2,O,产品：,（,1,）高强石膏（,型半水石膏）加热条件：,0.13MPa,120,过饱和蒸汽下蒸炼，或在盐类溶液中沸煮。晶粒粗，强度大。,（,2,）建筑石膏,（,型半水石膏）加热条件：在非密闭窑炉中加热脱水。用水量大，晶粒细，强度低。,2,、建筑石膏的凝结与硬化,CaSO,4,1/2H,2,O+3/2H,2,O CaSO,4,2H,2,O,（化学反应）,二水石膏的溶解度仅为半水石膏的,1/5,左右，反应总向右进行，溶液中，不断析出二水石膏的胶粒。,水化过程：胶粒 晶体 固体,3,、建筑石膏的技术性质与应用,（,1,）技术性质,颜色：白色粉末,密度：,=2.6-2.75,，,0,=800-1000Kg/m,3,凝结时间：,t,初,6min,t,终,30min,要延长凝结时间可加入,缓凝剂,，如硼砂，酒石酸碱钠，柠檬酸，聚乙烯醇。,硼砂：,Na,2,B,4,O,7,10H,2,O,（十水四硼酸钠），,用于搪瓷、玻 璃工业，以提高产品的热稳定性、 光泽、透明度、抗冲击性及抗腐蚀性。,孔隙率：,P=50-60%,导热系数小，吸声性强，吸湿性大，可调节室内湿度。,装饰性：质地洁白细腻，,因硬化时体积略有膨胀，可浇铸出纹理细致的浮雕花饰。,耐水性和抗冻性：较差，不宜用于潮湿的部位。,抗火性：较好，因为遇火能放出结晶水，形成蒸汽幕。但也不能长期用于,65,以上环境，以免脱水而失去强度。,储存：注意防潮，储存,3,月后，强度降低,30,%,左右，要重新进行质量检测。,（,2,）应用,1,）抹灰材料：即石膏砂浆（石膏,+,砂,+,缓凝剂,+,水）,2,）墙体材料：石膏板，石膏砌块,3,）装饰材料,装饰石膏板：用作墙面和吊顶，,尺寸,500,5009,，,600,600,11 (mm),嵌装式装饰石膏板：用于吊顶，嵌固在龙骨上。尺寸有,500,50025,（以上），,600,600,28,（以上）,普通纸面石膏板：用于室内隔断，吊顶，要经过表面处理才能做装饰材料，如抹腻子、刷漆。尺寸：,长度,1800,，,2100,，,2400,，,2700,，,3000,，,3300,，,3600,宽度,900,，,1200,厚度,9,，,12,，,15,，,18,也可定做尺寸。,吸声用穿孔石膏板：用于音乐厅，影剧院，会议室的吊顶、墙面材料。尺寸,500,500/,600,600,）,（,9/12,）,耐水纸面石膏板：,（,添加耐水外加剂），用于厨房、卫生间。,耐火纸面石膏板：,（,添加无机耐火纤维），用于公共建筑，如影剧院、体育馆、展馆、幼儿园、商场的吊顶、墙面、隔断。,特种耐火石膏板,(1h),用于防火等级要求高的建筑物。,艺术浮雕装饰制品,石膏角线,石膏造型,石膏壁画,艺术顶棚，灯圈，角花,艺术廊柱（罗马柱）,3.3.2,石灰（,lime),属于应用较早的胶凝材料，用于内外墙刷白，抹灰。目前，在道路施工中，多用作基层材料。原料来源广，生产简单，成本低廉，得到了广泛的应用。,工程中常用的产品有：磨细生石灰粉，消石灰分，石灰膏。,1,、石灰的生产,原料：石灰石，白云石，白垩，贝壳等。,主要工序：破碎加热、煅烧磨细,化学反应：,CaCO,3,CaO+CO,2,产品：因原料中常含,MgCO,3,所以石灰中含有,MgO ,按其含量，建筑生石灰和消石灰分为：,钙质石灰,（,MgO,含量不超,5%),镁质石灰,（,MgO,含量超,5%),钙质消石灰粉,（,MgO,含量小于,4%),镁质消石灰粉,（,MgO,含量,4-24%),白云石消石灰粉,（,MgO,含量,24-30%),2,、石灰的熟化与硬化,（,1,）熟化,化学反应：,CaO+H,2,O Ca,（,OH,）,2,+64.9*10,3,J,熟化后，体积增大,1-2.5,倍。熟化方法根据用途不同有：,900,以上,用于拌制砌筑砂浆或抹灰砂浆：,生石灰石灰浆（化灰池中完成）石灰膏（储灰坑沉淀）,石灰的陈伏：石灰浆应在储灰坑中储存两周以上，以充分熟化过火石灰，防止使用时抹灰隆起或开裂。,用于拌制石灰土（石灰,+,粘性土），或三合土（石灰,+,粘土,+,砂石,/,粉煤灰,/,矿渣,/,炉渣,/,碎砖）：,向石灰堆中，用水管分层注水,，加水量为生石灰重量的,60-80%,，使其充分消解，又不过湿成团。用前，往往要闷几天，类似于石灰浆的陈伏。,（,2,）石灰的硬化,石灰浆体在空气中的硬化，包括两个同时进行的过程：,结晶作用 ：,Ca(OH),2,从饱和溶液中，结晶而出。,碳化作用：,Ca(OH),2,+CO,2,+nH,2,O=CaCO,3,+(n+1) H,2,O,碳化作用长时间内仅限于表层， 结晶作用主要在内部发生。硬化过程产生了两种晶体。,过筛,3,、石灰的技术性质与应用,技术性质,石灰浆具有良好的可塑性。可作为掺加料加入水泥砂浆中形成混合砂浆，提高和易性。,硬化慢、强度低。石灰砂浆,28,天强度,0.2-0.5MPa,。,不能用于潮湿地点，也不能单独用于建筑基础。,CaCO,3,+CO,2,+H,2,O Ca(HCO,3,),2,（具有可溶性）,硬化过程中，体积显著收缩。使用中，常掺入砂、纸筋。,储存要防潮，使用要注意安全。,质量分三级：优等品、一等品、合格品。,（,2,）应用,石灰乳刷白（内墙、顶棚、外墙）。加入高炉矿渣,/,粉煤,灰可提高耐水性；加入聚乙烯醇、干酪素、氯化钙、明矾,减少涂层粉化；加入耐碱颜料，可提高装饰性。,石灰砂浆（石灰膏,+,砂,+,水）砌墙，抹灰。,混合砂浆（水泥,+,石灰膏,+,砂,+,水）砌墙。,石灰土（消石灰粉,/,生石灰粉,+,粘性土,+,水）作一般道路基层，或高等级道路的底基层。,石灰能显著提高粘性土的,强度和耐水性,，原因是：,1,）离子交换：石灰浆中的游离钙离子和氢氧根离子与细粒粘土矿物中的钠离子、氢离子发生交换，减薄粘土颗粒吸附水膜厚度，使土粒凝聚，形成稳定团粒结构，使石灰土获得初期强度。,2,）石灰硬化过程中生成的氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体相互结合，并把土粒结成整体，提高了石灰土的稳定性。,3,）粘土中少量的,活性氧化铝与氧化硅,与,氢氧化钙反应,生成不溶于水的,水化硅酸钙,和,水化铝酸钙,（粘土主要成分为,Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,）。在土中形成凝胶结构，使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳定性不断提高。,影响石灰土强度的因素：,1,）石灰细度越大，稳定效果越好。,2,）对粉质粘土稳定效果明显优于沙质粘土，对均质砂的稳定效果较差，塑性指数小于,12,的土则不宜用石灰稳定，最好用水泥来稳定。,3,）石灰稳定土在最佳含水率条件下压实获得最大密实度，从而提高其强度和刚度。,4,）较高的温度与适当的湿度的养生有利于其强度增长。,三合土（石灰,+,粘性土,+,粉煤灰,/,矿渣,/,砂石,/,碎砖,/,炉渣,+,水）用于铺设道路基层，、建筑物基础、简易路面。,二灰（石灰,+,粉煤灰）稳定土,1,）二灰稳定细粒土,-,二灰土,2,）二灰稳定砂砾、碎石、矿渣、煤矸石等,-,二灰稳定集料,生产硅酸盐制品,原料：生石灰粉,/,消石灰粉,+,硅质材料（粉煤灰,/,粒化高炉矿渣,/,浮石、砂子）,+,水（有时加石膏）。,工序：配料 成型 蒸养,产品：墙板、砌块、灰砂砖等隔热保温制品。,高炉矿渣：即高炉铁渣，主要成份：,CaO,，,SiO,2,，,MgO,，,Al,2,O,3,SiO,2,FeO,经水结、碾压后，易形成板体，整体强度高。,浮石 ：属火山熔岩,，多孔轻质、保温、隔热隔音。成份：,SiO,2,，,Al,2,O,3,，,Fe,2,O,3,可作活性混合料。,3.1.3,水玻璃（泡花碱）,常用硅酸钠水玻璃（,Na,2,O,nSiO,2,),和硅酸钾水玻璃（,K,2,O,nSiO,2,).,1,、水玻璃的生产,原料,:,石英砂,+,苛性钠溶液,工序：,湿法,+,干法,+,石英砂,苛性钠溶液,2-3,大气压蒸气加热,液体水玻璃,石英砂,碳酸钠,磨细、加热,1300-1400,固体水玻璃,化学反应,Na,2,CO,3,+nSiO,2,Na,2,O,nSiO,2,+CO,2,水玻璃的模数,n=1.5-3.5,n=1,时，能溶于常温的水中，模数加大，只能溶于热水。,n,3,时，要在,4,个大气压以上的蒸气中才能溶解。,n,越大，水玻璃的粘结性越强，在液体水玻璃中加入尿素著可提高其粘结力。,2,、水玻璃的硬化,液体水玻璃吸收空气中的,CO,2,，形成无定型硅酸，并逐渐干燥而硬化。,Na,2,O,nSiO,2,+CO,2,+mH,2,O Na,2,CO,3,+ nSiO,2,mH,2,O,加入水玻璃质量,12-15%,的硅氟酸钠（,Na,2,SiF,6,）能显著加速硬化。,3,、性质与应用,具有良好的粘结性，硬化时析出硅酸凝胶，能堵塞毛细孔具有,抗渗性能。,良好的耐高温性。在高温下，强度不降低。,高度的耐酸性。,（,1,）涂刷建材表面可提高抗风化能力,用其水溶液（比重约,1.35,） 涂刷黏土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土及石灰石等。但不能用于石膏。,（,2,）配制快凝堵漏防水剂,以水玻璃为基料加入,2,、,3,、,4,种矾配制。如四矾防水剂： 蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）、紫矾（铬矾）各,1,份，溶于,60,份,100,C,的水中，降温至,50,C,，,加入到,400,份水玻璃溶液搅拌而成。,其凝结很快，不超过,1,分钟，与水泥浆调和，可堵塞漏洞与裂缝。,（,3,）用于土壤加固,将模数为,2.5-3,的液体水玻璃和氯化钙溶液交替压入土体，二者反应，生成硅酸胶体，包裹土粒并填实空隙。,加固砂土，使其强度可达,3-6MPa,。,（,4,）配制耐酸、耐热砂浆和混凝土,3-2,硅酸盐水泥,硅酸盐产品： 陶瓷、玻璃、水泥等。,硅元素占地壳的,26.3%,，仅次于氧的,48.6%,。其氧化物、硅酸盐构成岩石、砂子、土壤占地壳质量的,90%,以上。,水泥是最主要的水硬性胶凝材料。,3.2.1,硅酸盐水泥的生产及矿物组成,定义： 凡由硅酸盐水泥熟料、,0-5%,石灰石或粒化高炉矿渣、,适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（,Portland cement),不掺加混合料的称,型硅酸盐水泥,，掺加混合料的称,型硅酸盐水泥。,分别记为,P,和,P,。,1,、硅酸盐水泥的生产,石灰石,黏土,铁矿粉,磨细,生料,1400-1450,c,石膏,熟料,P,磨细,以上过程简称,“,两磨一烧,”,。,2,、水泥熟料主要矿物：,硅酸三钙,3CaO,SiO,2,简写为,C,3,S,含量,37-60%,硅酸二钙,2CaO,SiO,2,C,2,S 15-37%,铝酸三钙,3CaO,Al,2,O,3,C,3,A 7-15%,铁铝酸四钙,4CaO,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,C,4,AF 10-18%,少量的游离,CaO,和,MgO,及,碱,，总量不超过水泥量的,10%,。,3.2.2,硅酸盐水泥的水化及凝结硬化,1,、硅酸盐水泥的水化,水化：熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称水化。,水泥水化生成,水化物,并放出,热量,。,2(3CaO,SiO,2,)+ 6H,2,O = 3CaO,2,SiO,2,3,H,2,O + 3Ca(OH),2,水化硅酸钙,2,（,2CaO,SiO,2,）,+ 4H,2,O = 3CaO,2,SiO,2,3H,2,O + Ca(OH),2,3CaO,Al,2,O,3,+ 6H,2,O = 3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O,（水化铝酸三钙）,4CaO,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,+ 7H,2,O = 3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O +CaO,Fe,2,O,3,H,2,O,3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O+3,（,CaSO,4,2H,2,O,）,+19H,2,O,= 3CaO,Al,2,O,3,3 CaSO,4,31H,2,O,（高硫型水化硫铝酸钙，即钙矾石）,充分水化,后的主要的水化产物：,水化硅酸钙凝胶,(,不溶于水）,C-S-H,含量 约,70%,Ca(OH),2,（,微溶于水,）,约,20%,钙矾石及单硫型水化硫铝酸钙（,3CaO,Al,2,O,3,CaSO,4,12H,2,O,）约,7%,(,不溶于水）,水化铁酸一钙,各熟料矿物单独与水作用时的特性,名称,硅酸三钙,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,凝结硬化速度,快,慢,最快,快,28,天水化放热量,多,少,最多,中,强度,高,早低后高,低,低,2,、水泥的凝结与硬化,凝结： 水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具强度的过程。,硬化： 水泥浆开始产生强度并逐渐发展成为坚硬的人造石的过程。,水泥的凝结与硬化理论由,Le Chatelier,于,1882,年创立。目前的理论认为：,水泥颗粒表面,具有可塑性,凝聚结构,初凝,凝聚,-,结晶网状结构,终凝,砼,3,、影响,cement,凝结硬化的因素,矿物成分,C,3,S,及,C,3,A,setting & hardening,细度,fineness,setting & hardening,加水量,reasonable w/c,养护时间,curing time,前,4,周,快后期慢,养护温度,curing temperature,低于,5,很慢，,0,基本停止,养护湿度,curing humidity,洒水保湿两周或更长,石膏掺量 降低凝结硬化速度，防止瞬凝,instant setting,3.2.3Portland cement,的技术性质,GB175-1999,对水泥有细度、凝结时间、安定性、强度等要求：,1,、细度：一般粒径为,0.007-0.2mm.,0.04mm,以下才具有很高的活性,;0.1mm,以上的活性很小。,表示方法,筛析法,80m,方孔筛的筛余百分数,比表面积法 单位质量粉末具有的总表面积（,m,2,/Kg),对水泥而言，应大于,300 m,2,/Kg,，一般为,317-350 m,2,/Kg,。,2,、凝结时间,初凝时间 规定不小于,45min,一般为,1-3h.,终凝时间规定 不迟于,6.5h,一般为,3-4h.,3,、体积安定性,指水泥硬化后，体积的变化是均匀的，不产生膨胀性裂缝。,水泥体积安定性不良的原因：,水泥熟料中含有过多的游离,CaO,或,MgO,，它们往往是过少的，水化慢，水化时体积膨胀，使构件产生膨胀性裂缝：,CaO +H,2,O =Ca(OH),2,MgO + H,2,O = Mg (OH),2,掺加的石膏过多，多余石膏会与已硬化的固体水化铝酸钙反应，生成钙矾石，体积膨胀。,用煮沸法,(,饼法和雷氏法,),可快速检验,CaO,的危害,单不易检验,MgO,尤其是过量石膏的危害,为此国家标准规定水泥熟料中 ：,游离,MgO,含量,5.0%,SO,3,含量,5.0%,体积安定性不良的水泥作废品处理,不能用于工程,.,4,、强度及强度等级,用水泥：标准砂,=1,：,3,，水灰比,=0.5,制得试件,在,201,的水中养护,3,天和,28,天,分别测得其抗压强度,每组,6,个,取平均值作为抗压强度的试验结果。,根据测定结果，把硅酸盐水泥分为,6,个强度等级：,42.5,42.5R,52.5,52.5R,62.5,62.5R R,早强型,5,、碱含量,水泥中的碱含量按,Na,2,O+0.685K,2,O,的计算值表示，使用活性骨料，碱含量高会产生碱,-,骨料反应，导致结构破坏。,低碱水泥要求碱含量,0.06%,也可由供需双方协商,.,6,、水化热,大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，要用低热水泥或采取内部降温、外部保温的措施，消除内外温差，以杜绝产生由内外温差引起的裂缝。,3.2.4,水泥石的腐蚀与防止,水泥石具有良好的耐久性,但有时也会受到一些介质的缓慢腐蚀,常见的情况如下。,1,、软水的侵蚀（溶出性侵蚀）,指水泥石在流动及压力的淡水作用下，其所含的,Ca(OH),2,不断溶解，流失的现象。,淡水：雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐很少的河水与湖水。,2,、盐类腐蚀,（,1,）硫酸盐的腐蚀,海水、湖水、盐沼水、地下水、一些工业污水等含有钠、钾、铵等硫酸盐，能与水泥石中的,Ca(OH),2,发生置换反应,生成,CaSO,4,。而,CaSO,4,还能与水泥石中的固态水化铝酸钙反应，生成体积膨胀的,钙矾石,是双重的破坏。,（,2,）镁盐的腐蚀,地下水和海水中，含有大量的镁盐，主要是,MgSO,4,和,MgCl,2,它们能与水泥石中的,Ca(OH),2,发生反应：,MgSO,4,+ Ca(OH),2,+2H,2,O = CaSO,4,2H,2,O +Mg(OH),2,(,无胶凝能力）,MgCl,2,+ Ca(OH),2,=CaCl,2,+ Mg(OH),2,易溶于水,CaSO,4,2H,2,O,还能进一步破坏水泥石。,3,、酸类腐蚀,（,1,）碳酸腐蚀,由工业污水、地下水中的,CO,2,引起：,Ca(OH),2,+ CO,2,+H,2,O = CaCO,3,+2H,2,O,进一步反应：,CaCO,3,+ CO,2,+ H,2,O Ca(HCO,3,),2,（,2,）一般酸的腐蚀,HCl+ Ca(OH),2,= CaCl,2,+ 2H,2,O,H,2,SO,4,+ Ca(OH),2,= CaSO,4,2H,2,O,4,、强碱的腐蚀,3CaO,Al,2,O,3,+ 6NaOH =3Na,2,O,Al,2,O,3,+ 3Ca(OH),2,腐蚀的主要原因：,水泥石中存在,Ca(OH),2,和,CaO,Al,2,O,3,6H,2,O,易溶,水泥石不密实，存在很多毛细通道。,5,、水泥石腐蚀的防止,根据使用环境，选择合适的水泥,提高水泥石的紧密程度,加做保护层 如耐酸石料、耐酸陶瓷、玻璃、塑料、沥青等。,3.2.5,硅酸盐水泥的应用与存放,1,、应用,主要用于高强混凝土和预应力混凝土工程。,要求快凝、早强、冬季施工、严寒地区施工工程。,不适于受流动的淡水、海水作用的工程。,不适于大坝、桥墩等大体积工程，如若使用须采取必要措施 ，消除水化热带来的问题。,2,、存放,注意防潮,存放期不能过长,一般的储存条件，,3,个月后强度下降,10-20%,，,6,个月下降,15-30%,，一年下降,25-40%,。,按不同的品种、强度等级、出厂日期分别存放,3-3,掺混合料的硅酸盐水泥,3.3.1,水泥混合材料,掺加混合料的目的：,改善水泥性能,调节水泥强度等级,1,、混合料的类别,(1),活性混合材料,定义,:,磨细后与石灰或与石灰和石膏拌合在一起,加水后,在常温下,能生成具有水硬性的水化产物的材料。,常见种类,:,1,）粒化高炉矿渣,由炼铁高炉的熔融矿渣经急冷而成的松散颗粒粒径,0.5-5mm.,其活性成分,:,活性,SiO,2,和活性,Al,2,O,3,可用于制造矿渣水泥,2),火山灰质混合料,指火山灰一类物质,常用的有,:,含水硅酸质混合料 硅藻土、硅藻石、蛋白石、硅质渣等,铝硅玻璃质混合料 火山灰、凝