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土木工程材料(笔记) csl

土木工程材料(笔记)

csl
2011.3

第一章. 土木工程材料的基本性质
结构：宏观，细观，微观(晶体、玻璃体、胶体)。
§1-1物理性质
一、基本性质：密度 表观密度 堆积密度 孔隙率 空隙率
相关公式：
亲、憎水性——润湿角
吸水性——重量吸水率Wm ， 体积吸水率Wv
二、与水有关性质 吸湿率——含水率
耐水性——软化系数：系数↑，耐水性↑
抗渗性——渗透系数，抗渗等级
相关公式:

三、孔隙对性能的影响：孔隙↑，强度↓，导热系数↓，热容↓，与抗冻无关
吸水率↑，透气透水性↑
压拉弯剪
§1-2力学性质 比强度: 轻质高强的指标
弹塑脆韧性
§1-3耐久性：耐水，抗渗，抗冻，耐候，其他
第二章．无机胶凝材料:气硬,水硬
§2-1气硬性
原料与生产: 高强：晶体粗大结实，比表面积小
建筑：(与上相反)
水化硬化：水化→CaSO4. 0.5H2O(晶体)
一、石膏 凝结硬化 凝结：初、终凝
硬化：快，加缓凝剂，微膨胀
指标：强度，细度，凝结时间
特性：强度低，孔隙率大，隔音保温，防火好
生产 欠火石灰（不能消解）
过火石灰，消解缓慢——陈伏
二、石灰 熟(消)化→Ca(OH)2 放热，体积↑
硬化 干燥结晶，析出Ca(OH)2
碳化硬化→CaCO3 慢，表为CaCO3，内为Ca(OH)2
特性：可塑性，保水性好，强度低，易开裂，耐水性差，吸湿性强
生产-- 湿法，干法
三、水玻璃 模数：SiO2与Na2O的分子比n
硬化→无定形硅酸，缓慢，加促硬剂(Na2SiF6 氟硅酸钠)
特性：粘结力强，强度高，耐热高，不耐碱、水、渗
四、比较 强度：水玻璃>石膏>石灰
硬化速度：石膏>石灰>水玻璃
§2-2水硬性
通用水泥：硅酸盐 普通 矿渣 火山灰 粉煤灰 复合
(代号) PI PII PO PSA PSB PP PF PC
(混合材料) 0 5 5-20 20-50 50-70 20-40 20-40 20-50 (%)
§2-3硅酸盐水泥
熟料：CaO SiO2 Al2O Fe2O3 以硅酸钙为主
组成 混合材料
石膏：缓凝剂，不足时会瞬凝
生产
一、生产 原料：石灰质、粘土质、校正
过程：两磨一烧 磨原料→煅烧→磨成品
熟料组成： C3S C2S C3A C4AF
(硬化速度) 快 慢 最快 快
(水化热) 多 少 最多 中
(强度) 早强 晚强 低 低
二、水化、凝结、硬化
C3S/C2S + H2O → C-S-H + CH(晶体)
熟料 C3A + H2O → C-A-H
C4AF + H2O → C-A-H + C-F-H
ⅰ)水化 石膏(缓凝机理) CaSO42H2O + C-A-H → Aft → AFm
主要产物
凝胶：C-S-H C-F-H
晶体：CH C-A-H Aft(高硫型水化硫铝酸钙，钙凡石)
ⅱ)凝结、硬化→水泥石：水化物，未水化颗粒，孔隙，水
ⅲ)影响硬化因素：熟料组成及细度，水灰比，石膏掺量，温湿度，龄期
三、技术性质
ⅰ)细度↑,水化反应↑硬化↑强度↑
筛析法
比表面积：单位质量的总表面积(m2/kg)
ⅱ)凝结时间
初凝≥45min,终凝≤6.5h
标准稠度用水量P(%) —试锥下沉282mm时的稠度
ⅲ)体积安定性：f-CaO f-MgO 过量石膏——试饼法 42.5(R)
ⅳ)强度等级C:S:H=1:3:0.5,试件4040160mm,201oC 三级两型 52.5(R)
ⅴ)氯离子侵蚀 62.5(R)
四、防腐、特点、应用 ①高强快硬,抗冻耐磨 ②不耐热、蚀，水化热大
§2-4掺混合材料的硅酸盐水泥
一、混合材料——降成本，改善性能吗，调节强度等级
活性——能使石灰称为水硬性材料
矿渣、火山灰质、粉煤灰
ⅰ)分类
成分：活性SiO2 Al2O3
结构：玻璃体
非活性：石英砂，石灰石粉
SiO2 + Ca(OH)2 + H20 → C-S-H
ⅱ)火山灰反应、二次反应 Al2O3 + Ca(OH)2 + H2O → C-A-H
CaSO42H2O + C-A-H → Aft
二、大掺量混合材料水化
一次水化:熟料→CH
二次水化:混合材料→发生火山灰反应
三、通用水泥特性、应用、储存运输
§2-5其他品种水泥：高铝水泥(铅酸盐)、快硬水泥、膨胀自应力水泥、道路水泥。
第三章. 水泥混凝土及砂浆
特点
优：造价低，耐久高，可塑性好
§3-1砼 缺：自重大，比强度小，导热系数大，硬化慢
要求 ①强度等级 ②和易性 ③耐久性 ④经济
§3-2砼各组分材料
一、水泥：高对高，低对低
二、水：拌合、养护
有害物：云母、轻物质、有机物、硫、氯盐、泥(块)
三、细骨料
细度模数, 分为细、中、粗砂，优选中粗砂
颗粒级配(按0.6mm孔 累筛余分三区)优选二区
坚固性、碱活性( ①含碱>0.6% ②含活性SiO2 ③存在H2O )
有害物：有机物、硫
颗粒形状
佳:球、正方体
差：针片状
分类：碎、卵
强度：碎>卵
四、粗骨料 流动性：卵>碎
最大粒径: 颗粒级配——节约水泥用量
强度：母岩作50mm立方体，压碎指标, ,强度
坚固性、碱活性
减水剂
保持塌落度不变，减少用水量，提高强度
五、外加剂
表面活性剂；先掺，同掺，滞水，后掺
引气剂：改善和易性，提高抗渗、抗冻、抗裂
早强剂(冬季施工，抢修工程)；缓凝剂
粉煤灰
效应:活性、形态、微骨料效应
作用:和易↑可泵↑可塑↑耐腐↑抗渗、冻↑,水化热↓早强↓
六、掺合料 硅灰：作用——粘聚性↑保水性↑强度↑耐久性↑
矿渣粉、煤矸石
作用：节约水泥，改善性能，调节强度等级
§3-3砼性能
流动性——塌落度(精确至5mm)
粘聚、保水性(无指标，观察)
用水量：水泥浆数量和稠度——恒定用水量法则
影响因素
砂率——合理砂率
一、和易性 组分材料：水泥骨料、外加剂
时间(塌落度损失)、温度
降砂率，采用粗砂、石
改善措施 塌落度小时,不变增加C、W；大时,砂率不变增加S、G
粘聚保水性不良——砂率↑
二、强度: 定义-- 150mm立方体，抗压强度
等级：C30——表示立方体抗压强度标准值为30MPa
轴心抗压强度 , 抗压强度, 抗弯拉强度
水泥强度等级
因素 水灰比：
龄期(),骨料，温湿度，掺料，外加剂
提高措施
化学收缩——微裂缝
非荷载变形 干湿变形：湿胀无害，干缩开裂(主因)
三、变形性能 温度变形：冷缩危害大——设置温度缝
短期荷载——弹塑性；长期——徐变
抗渗性：等级P4——抗0.4MPa水压不渗水。 ≥P6为抗渗砼
四、耐久性
抗冻性：等级F150——反复冻融循环最多150次。 ≥F150为抗冻砼
抗侵蚀、碳化、碱骨料反应
措施：控制及水泥用量
五、砼性能、参数 三参数： 水灰比 砂率 用水量
四性能：和易性 强度 变形 耐久性
§3-4砼的质量控制
概率
一、正态分布
好

拐点

差

强度

平均强度

二、指标: ， 变异系数:
三、强度保证率P(t): 概率度
四、配制强度: (或)
§3-5砼配合比设计
一、表示法：绝对用量法，相对用量法：C:W:S:G
二、要求：强度、和易、耐久、经济
初步 实验室 施工
三、内容

其中
=S0(1+%) %——砂含水率
=G0(1+b%) b%——石含水率
=W0-S0%-G0b%
§3-6建筑砂浆：无粗骨料的混凝土，砂率为100%
一、组成：水泥、砂、掺料、外加剂、拌合水
和易性
流动性——稠度(沉入度/量)
保水性——分层度
强度 试件：70.7mm立方体6块，测拉压均值
M5:表示砂浆立方体抗压强度平均值为5MPa
粘结力、变形性
强度公式
二、砌筑砂浆 不吸水基层：
吸水基层：
配合设计
()
1m3砂浆水泥用量
三、抹面砂浆：底层—粘结(保水) 中间—找平(平整) 面层—装饰(抗裂)
第四章. 墙体材料(砌筑材料)
§4-1砌墙砖
一、青，红砖：青砖较结实、高强、耐碱、耐久、成本高
欠，过火砖——废品
二、烧结普通砖(空洞率<15%)：24011553mm
ⅰ)需要砖512块，需砂浆0.251
尺寸偏差、外观质量
ⅱ)技术性质
强度(取10块):,标准差, 变异系数
:平均值、标准值,:平均值、最小值
泛霜,石灰爆裂
ⅲ)质量等级——尺寸偏差、外观质量、泛霜、石灰爆裂
ⅳ)应用：承重墙体，拱，柱，基础
三、烧烧结多孔砖(孔洞率≥15%)——竖孔砖：例MU30
应用：六层以下承重墙，非承重墙
四、烧结空心砖(孔洞率≤35%)——水平孔砖：例MU2.0
应用：非承重墙，填充墙
五、非烧结砖：蒸压灰砂砖、粉煤灰转
§4-2砌块
岩浆岩(火成岩)：花岗、玄武
分类 沉积岩(水成岩)：石灰岩、砂岩
变质岩：大理石、石英岩
§4-3天然石材 技术要求 70mm立方块3块：例MU100
品种：毛石，料石(细，半细，粗，毛)，石板材(厚度20mm)
其中 天然大理石：抗压高，硬度不高——室内装饰
天然花岗岩：全晶质岩石——室内外地面，柱石等
第五章. 建筑钢材
钢结构用
§5-1土木工程的用钢及制品 钢筋混凝土结构用
围护结构和装修工程用
§5-2钢的冶炼与分类
一、钢、铁主要是Fe-C合金
含C量>2.06%→(生)铁
含C量<2.06%→钢
按化学成分
碳素钢
合金钢
二、分类 沸腾钢“F”
按脱氧程度
镇静钢“Z” 注:工程中主要使用前三种
半镇静钢“b”
特殊镇静钢“TZ”
§5-3技术性能
一、力学性能
屈服强度
软钢——下屈服强度
ⅰ)抗拉性能
硬钢——产生0.2%的应力：σ0.2
抗拉强度σb
屈强比： 屈强比↓，可靠性 ↑，材料利用率↓
ⅱ)塑性——伸长率δ
ⅲ)冲击韧性 温度降到一定程度时钢材呈脆性——冷脆性
ⅳ)硬度、耐疲劳性
二、工艺性能(图略)
ⅰ)冷弯性能——弯曲角度() 弯心直径(d)
合格标志：无裂纹，断裂及起层现象
ⅱ)焊接性能——S含量高，出现热脆性
ⅲ)冷加工处理
冷加工强化——明显↑，不变 ， 塑、韧性、E明显↓
时效处理
自然时效：常温存放15-20d , 人工时效：通电加热至100-200OC
作用：↑，↑， 塑、韧性↓， E恢复
§5-4钢的组织与化学成分
一、钢的晶体组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体
二、化学成分
优化性能 Si，Mn，Ti, V, Nb
劣化性能 S(热脆性), P(冷脆性), O, N
§5-5建筑用钢材的品种与选用
一、常用钢种
碳素结构钢——例Q195-AF：屈服点为195MPa的A级沸腾钢
低合金高强度结构钢
二、钢筋混凝土用钢材
热轧钢筋——分级依据、 、、 冷弯
例：HRB400
冷轧带肋钢筋——例：CRB800
注：H(热轧) P(光圆) R(带肋) B(钢筋) C(冷轧)
第六章. 沥青材料及防水材料
柔性——防水卷材、涂料、密封膏
按特性 刚性——防水砂浆、混凝土
§6-1分类 瓦——烧结瓦、油毡瓦、混凝土平瓦
按化学成分：沥青防水材料，高聚物改性沥青，高分子防水材料
§6-2沥青材料
一、定义——有机胶凝材料，常温下呈黑色固态，半固态或液态
二、石油沥青
油分(液)——流动性
ⅰ)各组分特性
树脂(半固)——塑性、粘结性
地沥青质(固)——耐热性、粘性、脆性
石蜡(有害成分)——降低塑性、粘结性、对温度敏感
ⅱ)胶体结构——以地沥青质为核心，吸附树脂细分形成胶体
溶胶，凝胶，溶凝胶
ⅲ)技术性能:
粘(滞)性——针入度(0.1mm)→分级指标:针入度↑,牌号↑,粘性↓
塑性——延(伸)度(cm)
温敏性——软化点(OC) →环球法:软化点↑, 温敏性↓,温稳性↑,耐热↑
大气稳定性——蒸发损失率、针入度比
ⅳ)石油沥青的选用:
屋面沥青:软化点高于屋面最高温20-25OC(沥青屋面高于气温25-30OC)
南方地区：路面沥青选用热稳定性好，针入度小的
北方地区：选用针入度大的
ⅴ)掺配——同属石油沥青或同属煤沥青才可掺配
掺配公式：% ,Q2=1-Q1 (Q1、Q2分别为较软、较硬沥青用量)
三、煤沥青(煤焦油、柏油): 温敏性差，塑性差，有毒臭味，防腐好，粘附力好
§6-3防水材料
一、防水卷材
沥青基→高聚
ⅰ)发展趋势 多层→单层
热熔法→冷粘法
ⅱ)沥青防水卷材(油毡)——有胎
ⅲ) 高聚物改性沥青防水卷材
SBS(弹性体)——用于寒冷及变形频繁地区
APP(塑性体)——用于炎热、太阳强辐射地区
ⅳ)合成高分子防水卷材：聚氯乙烯(PVC),三元乙丙(EPOM)
ⅴ)卷材胶黏剂: 沥青胶，冷底子油
二、防水涂料
沥青基防水涂料——乳化沥青
高聚物改性沥青防水涂料
三、建筑密封膏
第七章. 木材
§7-1优点：轻质高强(比强度高)，良好弹塑性
缺点：吸湿性高，尺寸变化大
§7-2木材分类与构造
一、针叶树
特点：树叶细长，纹理顺直，材质均匀、质软——软木
应用：强度高，承重，模板
阔叶树
特点：叶宽大，质硬——硬木
应用：胀缩，翘曲大，室内装饰，家具
二、构造
宏观：树皮、木质部、髓心
微观：细胞壁、细胞腔
§7-3主要性能
一、木材的水分
自由水：细胞腔内和细胞间隙的水
吸附水：细胞壁内的水
ⅰ)木材干燥时，自由水很快蒸发，但不影响木材尺寸，
自由水蒸发完全后，吸附水才开始蒸发
ⅱ)纤维饱和点：吸附水饱和且无自由水的含水率，是力学性能的转折点
平衡含水率：与空气湿度平衡的含水率
ⅲ)湿胀干缩
吸附水含量变化引起木材变形
变形形变量：弦向>径向>顺纹
二、木材强度
顺拉>抗弯>顺压>横剪
吸附水↓，强度↑
§7-4木材的防护与防火：完全干燥和完全浸入水中的木材不易腐朽
原条——未加工的木材
§7-5木材综合利用率 原木——按尺寸切取的材料
锯材——锯解成一定尺寸的木料
宽度为厚度3倍以上为板材，不足3倍为枋材

2011年于福州
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