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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,*,土木工程材料,绪论,第一章 土木工程材料基本性质,第二章 无机气硬性胶凝材料,第三章 水泥,第四章 砂浆,第五章 混凝土,第六章 砌筑材料和屋面材料,第七章 钢材,第八章 合成高分子材料,第九章 沥青材料,第十章 木材,第十一章 其它工程材料,第十二章 土木工程材料试验,1.1 材料的基本物理性质,一、材料在不同结构状态下的密度,1、密度,材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,密度，g/cm,3,m 材料的质量，g,V材料在绝对密实状态下的体积,cm,3,绝对密实状态下的体积是不包含孔隙在内的体积。密实材料的体积为绝对密实体积，如钢材、玻璃等。一般材料内部均含有孔隙，在测定有孔隙的材料密度时，应将材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶测定其体积。,=,m,V,1.1 材料的基本物理性质,2、表观密度（视密度）,材料在自然状态下，单位体积的质量。,0,密度，g/cm,3,m 材料的质量，g,V,0,材料在自然状态下的体积，cm,3,测定材料表观密度时，外形规则材料可通过直接度量外形尺寸，按几何计算体积；对于外形不规则的不吸水材料，可直接用排水法测定材料的体积，对于吸水材料，用封蜡法测定材料的体积。,0,=,m,V,0,1.1 材料的基本物理性质,3、堆积密度,散粒材料或粉末材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。,m,0,V,0,0,堆积密度，kg/m,3,m 材料的质量，kg/m,3,V,0,材料的自然堆积体积，m,3,材料堆积密度一般指材料在气干状态下的自然堆积密度，如材料含水时，应说明含水率。,材料在绝干状态下的堆积密度称为绝干堆积密度，用,0d,表示。,1.1 材料的基本物理性质,二、结构中的孔隙与材料性质的关系,1、孔隙分类,按孔隙的大小分为：,细微孔隙、细小孔隙、,较粗大孔隙、粗大孔隙。,按孔隙的形状分为：,闭口孔隙（封闭孔隙）。,球状孔隙、片状孔隙、,管状孔隙、带尖角孔隙。,按常压水能否进入分为：,开口孔隙（连通孔隙）、,闭口孔隙（封闭孔隙）。,连通孔隙,封闭孔隙,片状孔隙,尖角孔隙,球状孔隙,固体物质,1.1 材料的基本物理性质,2、孔隙的来源与产生原因,a、天然形成：木材内部的孔隙是木材生长需要而产生的，岩石中,的孔隙是造岩运动时产生的。,b、人为形成：泡沫塑料、加气混凝土。,c、制造缺陷：玻璃中的气泡、钢材中的裂纹。,d、生产工艺和组成要求产生：混凝土、砂浆、石膏等凝结硬化后,由于水分蒸发产生的孔隙。,3、孔隙对材料性质的影响,孔隙含量高，则材料的体积密度、堆积密度、强度越小，保温性、隔声性、吸水性越强。,孔隙形状、大小对材料的性质也有很大影响。球状孔隙对强度的影响小于片状、尖角孔隙，开口孔隙对材料的吸水性的影响大于闭口孔隙，对保温性的影响较小。,1.1 材料的基本物理性质,三、密实度与孔隙率,1、密实度,材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度。,V,0,D,100 100,V,0,密实度D值反映了材料的密实程度，钢材、玻璃的密实度 D=1。,2、孔隙率,材料在自然状态下，孔隙体积占材料总体积的百分率。,V,P,V,0,-V,P,100(1D),V,0,V,0,P+D=1,开口孔隙率P,K,材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。,P,K,V,K,/V,0,闭口孔隙率P,b,材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。,P,B,V,B,/V,0,V,P,=V,K,+V,B,P=P,K,+P,b,1.1 材料的基本物理性质,3、空隙率,散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙体积占材料堆积体积的百分率。,V,S,V,0,-V,0,0,P,（1 ）100,V,0,V,0,0,填充率,散粒材料在堆积状态下，颗粒体积占材料堆积体积的百分率。,V,0,0,D,100,V,0,0,1P,D+P=1,V,0,V,0,V,s,V,V,p,V,K,V,B,1.2 材料的力学性质,一、材料的受力变形,1、弹性变形,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料的变形立即消失并能完全恢复到原来形状的性质称为,弹性,。材料的这种变形称为,弹性变形,。应变和应力成正比，其比值称为材料的,弹性模量,。E=/（Mpa)。,2、塑性变形,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍能保持变形后的形状的性质称为,塑性,。材料的这种变形称为,塑性变形,。,多数材料在受力较小时表现为弹性，受力较大时表现为塑性特征，外力取消后，弹性变形消失，其塑性变形不能消失，这种材料称之为,弹塑性材料,。,3、徐变（蠕变）,材料在恒定外力作用下产生，随着时间而缓慢增长的不可恢复的变形称为,徐变变形,，简称,徐变,。徐变属于塑性变形。,1.2 材料的力学性质,二、材料的强度,1、,强度,：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。,2、,材料的理论强度,：,f=,E,d,f,材料的理论强度 E 材料的弹性模量 材料的表面能 d 材料原子间距,由于材料内部的缺陷，材料的理论强度为实际强度的100-1000倍。,3,、材料的实际强度（强度）：,抗拉、抗压、抗剪强度：,f=,P,A,抗弯强度：f=,3PL,2bh,2,L,b,h,P,P,P,P,P,P,P,1.2 材料的力学性质,常用材料的强度值,单位MPa,材 料,抗压强度,抗拉强度,抗弯强度,比强度（抗压）,花岗岩,100-250,5-8,10-14,0.070,普通粘土砖,7.5-30,-,1.8-4.0,0.006,普通混凝土,7.5-60,1-4,-,0.017,普通低碳钢,200-400,200-400,-,0.054,松木（顺纹）,30-50,80-120,60-100,0.200,4,、材料的强度等级 标号：,材料按强度划分为若干等级，便于使用。如混凝土按抗压强度划分为,C7.5、C10、C15、C20、C60等12个等级，普通粘土砖分为MU10、MU15、,MU30五个强度等级。,5,、材料的比强度：,材料强度与体积密度的比值。是衡量材料轻质高强的主要指标。,1.2 材料的力学性质,三、材料的脆性和韧性,1、脆性,：材料在外力作用无明显塑性变形而突然破坏的性质。,2、韧性（冲击韧性）,：材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。用材料受荷达到破坏时所吸收的能量表示。,k,A,k,A,k,k,材料的冲击韧性，J/mm,2,；,A,K,试件破坏时所消耗的功，J；,A试件受力净截面积，mm,2,。,1.2 材料的力学性质,四、硬度和耐磨度,1、硬度：,材料抵抗较硬物体刻划或压入的能力。测定方法有：莫氏、洛氏、维氏、布氏法。,2、耐磨性：,材料抵抗磨损的能力。用耐磨率表示：,M=,m,0,m,1,A,M耐磨率，g/cm,2,;m,0,磨前质量，g；,m,1,磨后质量，g；A试样受磨面积，cm,2,。,1.3 材料与水有关的性质,一,、材料的亲水性与憎水性,水分子间的内聚力小于水分子与固体材料分子间的吸引力时，材料表面,容易被水浸润，该材料为亲水材料。90,0,。,大多数材料为亲水材料，如混凝土、粘土砖、钢材、木材等。,水分子间的内聚力大于水分子与固体材料分子间的吸引力时，材料表面,不能被水浸润，该材料为憎水材料。90,0,。,憎水材料具有良好的防水性能，可作为防水材料使用。,固,液,气,憎水性,固,液,气,亲水性,1.3 材料与水有关的性质,二、吸水性与吸湿性,1、,吸水性,：材料在水中吸收水分的性质。,a、,重量吸水率：,材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分比。,W,m,=,m,b,m,g,m,g,100,m,b,材料吸水饱和时所吸水的质量，Kg或g；,mg材料干燥状态下的质量，g或Kg。,b、,体积吸水率：,材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然状态下的体积的百分比。,w,水的密度；,V,0,材料干燥状态下的体积，cm,3,或m,3,。,W,v,=,m,b,m,g,V,0,100,w,1,1.3 材料与水有关的性质,2、,吸湿性,：材料在空气中吸收水分的性质,用含水率表示。,W,m,=,m,sw,m,100,m,sw,材料在空气中所吸水的质量。Kg或g。,平衡含水率,：材料中的水分与空气湿度达到平衡时的含水率叫做平衡含水率。,3、,影响材料吸水率的因素：,a、材料的性质（亲水或憎水）。b、材料的孔隙率和孔隙构造。,4、,含水对材料性质的影响：,a、材料质量增加。b、材料的强度下降。C、材料的保温性能降低。,d、材料的耐久性下降（易产生冻害、易被腐蚀）。,1.3 材料与水有关的性质,三、耐水性,材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。,结构材料的耐水性用软化系数K,R,表示,f,b,f,g,K,R,f,b,材料在吸水饱和状态下的抗压强度，Mpa；,f,g,材料在绝干状态下的抗压强度，Mpa。,K,R,0.85时为耐水材料。一般结构，材料的软化系数K,R,0.75，重要结构，材料的软化系数K,R,0.85。,四、抗渗性,材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。,材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0 Mpa 压力水不渗漏。,1.3 材料与水有关的性质,五、抗冻性,材料在冻融循环作用下，保持其原有性质的能力。,冻融循环：,在15冻结，20的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。,结构材料的抗冻性用抗冻标号表示。如F,25,、F,50,、F,100,、表示材料经25、50、100次冻融循环后仍能满足质量损失5，强度下降25的要求。,影响材料抗冻性的因素：,1、材料的孔隙构造和孔隙率（开口孔隙率）。,2、孔隙的充水程度（饱和度：91破坏程度低）。,3、材料自身的强度。,1.4 材料的热性质,一、导热性,当材料两侧存在温度差时，热量将由高温侧传递到低温侧，材料的这种传导热量的性质，称为导热性，常用导热系数来表示。计算公式为：,式中,材料的导热系数，w/（mK）；,Q传导热量，J；,a,材料的厚度，m；,A,材料传热面积，m2；,Z,传热时间，s；,t,1,-t,2,材料两侧温度差（t1t2），K。,材料的导热系数越小，表示其越不易导热，绝热性能越好。,材料的导热性与孔隙特征有关，增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力。,二、热阻,材料层厚度与导热系数的比值，称为热阻，R=/(m2K/W),三、热容量和比热,热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示：,四、热变形性,材料的热变形性，是指材料在温度变化时的尺寸变化，除了个别的如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。材料的热变形性常用线膨胀系数来表示，可用下式表示：,式中,材料的线膨胀系数，1/K；,L,材料原来的长度，mm；,L,材料的线变形量，mm；,t2t1,材料在升、降温前后的温度差，K；,土木建筑工程中总体上要求材料的热变形性不要太大。,五、耐燃性,材料的耐燃性是指材料对火焰和高温的抵抗能力，它是决定建筑物防火、建筑结构耐火等级的重要因素。土木工程材料按耐燃性可分为三类：,1）非燃烧材料,在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料称为非燃烧材料，如钢铁、砖、石等。用非燃材料制作的构件称为非燃烧体。钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高热作用会发生变形、熔融，所以它们虽然是非燃烧材料，但不是耐火的材料。,2）难燃材料,在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，称为难燃材料。如经过防火处理的木材和刨花板。,3）可燃材料,在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。用这种材料制作的构件称为燃烧体，此种材料使用时应作防燃处理。,1.5 材料的耐久性,用于构筑物的材料在长期使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而保持其原有性能、不变质、不破坏的性质，统称为耐久性。土木工程结构物的工程特性与土木工程材料的基本性质直接相关，且用于构筑物的材料在长期使用过程中，需具有良好的耐久性。,在构筑物的设计及材料的选用中，必须根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用，以利于节约材料、减少维修费用、延长构筑物的使用寿命。,第二章 无机气硬性胶凝材料,2.1 石灰,2.2石膏,2.3水玻璃,胶凝材料,将散粒状材料（砂、石等）或块状材料（砖、砌块等）粘合为一个整体的材料，通称为胶凝材料。,第二章 气硬性胶凝材料,胶凝材料,有机胶凝材料,无机胶凝材料,沥青类石油沥青、煤沥青,天然树脂类松香、橡胶,合成树脂类塑料、涂料、胶粘剂,气硬性胶凝材料石灰、石膏、水玻璃等,水硬性胶凝材料各种水泥,气硬性胶凝材料：,只能在空气中,凝结硬化，也只能在空气中保持并增长强度的材料。适用于干燥环境。,水硬性胶凝材料：,既能在空气中,凝结硬化，,又能在水中更好地,凝结硬化，并保持和发展强度的材料。适用于干燥和潮湿、水下环境。,2.1 石灰,一、石灰的原料与生产,生产石灰的原料为含碳酸钙为主的天然岩石，常用石灰石、白云石质石灰石。石灰石属于沉积岩，各地石灰石的结构、成份、杂质含量各不相同，生产出的石灰质量也不一致。,石灰的生产采用立窰煅烧方法。,CaCO,3,CaO+CO,2,900-1100,二、石灰的分类,按氧化镁含量分为：,钙质石灰,氧化镁含量5，,镁质石灰,氧化镁含量5。,欠火石灰与过火石灰：,欠火石灰,煅烧温度不高或煅烧时间短，内部尚有部分石灰石未分解为石灰，欠火石灰影响石灰浆的产量，但不会给工程造成质量隐患。,过火石灰,煅烧温度过高或煅烧时间过长，石灰产生熔融，形成密度大，表面被玻璃状物质包裹，使石灰与水的作用减慢，对工程质量造成不良影响。,2.1 石灰,三、石灰的熟化与硬化,1、石灰的熟化,石灰的熟化，又称消解。是生石灰与水作用生产熟石灰的过程。,CaO +H,2,O Ca(OH),2,+64 kJ,石灰熟化过程中，体积迅速增大1-2.5倍，并放出大量的热。,石灰熟化方式有,：,（1）、,石灰膏。,在化灰池中将石灰与过量的水（石灰质量的34倍）进行熟化反应，形成石灰乳，经过滤后放入储灰池中沉淀。石灰膏含水约50，体积密度13001400kg/m,3,，1kg生石灰可熟化成23L的石灰膏。,（2）、消石灰粉。,生石灰中加入6080的水，熟化后得到的粉状物。,石灰的陈伏：,为避免过火石灰对工程的危害，熟化时采用小于3mm孔径的筛网滤去未熟化的颗粒，并使石灰膏在储灰池中存放2周以上，使过火石灰充分熟化（罩面石灰膏存放时间不少于30天）。陈伏时为防止石灰碳化，石灰膏表面必须保存一层水。,2.1 石灰,2、石灰的硬化,石灰浆体的硬化包括,碳化硬化,和,干燥硬化。,（1）、,碳化硬化：,氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水化合称为碳酸钙的过程。,由于空气中的二氧化碳含量很低，碳化作用主要发生在与空气接触的表层上，形成的碳酸钙结构致密，阻止了空气中的二氧化碳进一步深入，碳化过程极为缓慢。石灰干燥后，水分蒸发，碳化反应因无水而中止。,（2）、干燥硬化：,石灰浆中的水分逐渐蒸发或被砌体吸收，使,Ca(OH),2,溶液饱和而逐渐结晶析出，促使石灰浆体硬化，同时干燥使得浆体收缩而产生一定的强度但遇水后强度丧失。,Ca(OH),2,+CO,2,+H,2,O CaCO,3,+H,2,O,石灰浆体硬化慢、强度低、不耐水。,2.1 石灰,四、石灰的技术要求,建筑生石灰的技术要求（JC/T479-92),项目,钙质生石灰,镁质石灰石,优等品,优等品,合格品,优等品,优等品,合格品,CaO+MgO含量/%,90,85,80,85,80,75,未消化残渣含量（5mm圆孔筛筛余量，）,5,10,15,5,10,15,CO,2,含量（）,5,7,9,6,8,10,产浆量（L/kg）,2.8,2.3,2.0,2.8,2.3,2.0,2.1 石灰,建筑消石灰粉的技术要（JC/T479-92),项目,钙质生石灰粉,镁质石灰石粉,白云石质消石灰粉,优等品,优等品,合格品,优等品,优等品,合格品,优等品,优等品,合格品,CaO+MgO含量/%,70,65,60,65,60,55,65,60,55,游离水（）,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,0.4-2.0,体积安定性,合格,合格,合格,合格,合格,合格,细度,0.9mm筛余（）,0,0,0.5,0,0,0.5,0,0,0.5,0.125mm筛余（）,3,10,15,3,10,15,3,10,15,2.1 石灰,五、石灰的性质与应用,1、石灰的性质,、保水性好：,掺入水泥砂浆中，提高砂浆的保水性。,、凝结硬化慢，强度低：,1：3石灰砂浆28d的强度只有0.20.5MPa，不宜用于建筑物的承重结构。,、耐水性差：,氢氧化钙易溶于水，长期受潮或被水浸泡会使已硬化的石灰溃散，软化系数接近于0，不宜用于潮湿和水下环境。,、干燥收缩大：,石灰浆在硬化过程中，要蒸发大量的水，引起体积收缩，易产生干缩裂缝，一般不宜单独使用，在使用时一般掺入砂、纸筋、麻刀，以减少收缩引起的开裂。,2.1 石灰,2、石灰的应用和保管,、调制石灰砂浆，用于砌筑和抹灰。,、拌制灰土或石灰三合土。,、制作硅酸盐混凝土及其制品。,、制造碳化板。,生石灰块和生石灰粉应在干燥环境中运输和保存，应与易燃物分开保管，防止石灰吸水后水化反应放出大量的热产生火灾。石灰膏存放时应防止失水产生碳化反应。,2.2 建筑石膏,一、石膏的生产与主要品种,1、石膏的生产原料：,含硫酸钙的天然石膏（生石膏、石膏矿石）或含硫酸钙的工业废渣。其化学式为CaSO,4,.,2H,2,O，也称二水石膏。,2、石膏的生产工艺与品种：,石膏 破碎 加热 磨细 成品。,（1）、建筑石膏：加热温度在107170，二水石膏脱水成为半水石膏（型）。,白色或灰白色粉末，密度2.62.75g/cm,3,，堆积密度8001000kg/m,3,。,CaSO,4,.,2H,2,O,107-170,CaSO,4,.,H,2,O H,2,O,1,2,1,2,1,2.2 建筑石膏,（2）、模型石膏：型半水石膏，杂质含量少，主要用于制作模型和装饰浮雕。,（3）、高强度石膏：将二水石膏在0.13MPa大气压（124）的密闭压蒸釜内蒸炼脱水生成为型半水石膏再经磨细而成。,物理性质：,白色或灰白色粉末，密度2.62.8g/cm,3,，堆积密度10001200kg/m,3,。高强度石膏用水量较建筑石膏少，凝结硬化后的结构强度高，硬化7天的强度可达1540MPa。主要用于高级抹灰和装饰制品。,2.2 建筑石膏,二、建筑石膏的凝结与硬化,1、石膏的水化,建筑石膏加水拌和后，与水发生水化反应：,CaSO,4,.,H,2,O H,2,O CaSO,4,.,2H,2,O,1,2,1,2,1,半水石膏首先溶于水，然后发生水化反应生产二水石膏，由于二水石膏的溶解度小于半水石膏，所以半水石膏的饱和溶液对于二水石膏来说成为过饱和溶液，因此二水石膏从溶液中以胶体微粒析出，二水石膏的析出促使反应继续进行，直至半水石膏全部转变为二水石膏为止。转变过程大约需712min。,2.2 建筑石膏,半水石膏溶解,二水石膏结晶,交错的晶体,2、建筑石膏的凝结与硬化,凝结硬化：,由浆体逐渐失去可塑性转变为坚硬的固体的过程。,初凝：,浆体刚开始失去塑性的过程。对应的这段时间称为初凝时间。,终凝：,浆体完全失去塑性的过程。对应的这段时间称为终凝时间。,2.2 建筑石膏,建筑石膏的技术要求（GB9776-88),技术指标,优等品,一等品,合格品,抗折强度（Mpa），,2.5,2.1,1.8,抗压强度（Mpa），,4.9,3.9,2.9,细度（0.2mm方孔筛筛余，），,5.0,10.0,15.0,凝结时间（min）,初凝,6,终凝,30,三、建筑石膏的技术要求,注：表中强度为2h强度值。,2.2 建筑石膏,四、建筑石膏及其制品的性质,1、凝结时间快：,初凝时间为几分钟，30min完全失去塑性，2h强度可达 36MPa，在室内自然干燥条件下，达到完全硬化需1周时间。调节凝结时间可以加入缓凝剂，如亚硫酸盐酒精废液、硼砂、柠檬酸、动物骨胶、皮胶或蛋白胶等。,2、凝结硬化时体积微膨胀：,膨胀率0.51.0。使石膏制品表面光滑、尺寸准确、形体饱满、装饰性好。,2.2 建筑石膏,3、孔隙率大、体积密度小：,建筑石膏在拌和时，为使浆体具有施工要求的可塑性，需加入石膏用量的6080的水，水化反应理论用水量为石膏质量的18.6，,CaSO,4,。,H,2,O,分子量为145（4032649145），H,2,O 分子量为27，27/145=18.6。,多余的水逐渐蒸发后，使硬化后的石膏留有大量的孔隙，孔隙率一般可达,5060，,体积密度为,8001000kg/m,3,。,1,2,1,2,1,4、保温性和吸声性好：,石膏的孔隙均为细微的毛细孔，导热系数一般为0.120.20W/m.K。吸声性能较好。,5、强度较低：,早期强度增长较快，2h抗压强度可达36MPa，7d抗压强度可达 812MPa（接近最高强度）。,6、防火性好，耐火性差：,建筑石膏导热系数小，传热慢，且二水石膏在高温脱水下生成半水石膏，释放出的水蒸发带走热量，阻止火势蔓延，起到防火作用。但石膏脱水后，强度降低。,7、耐水性、抗冻性、抗渗性差：,石膏的软化系数为0.20.3，遇水后强度大大降低，吸水后冻涨易产生裂纹破坏，不宜在室外使用,。,2.2 建筑石膏,2.2 建筑石膏,四、建筑石膏及其制品的应用,1、室内抹灰和粉刷。,2、生产石膏制品：,、纸面石膏板。,、石膏装饰板。,、纤维石膏板。,3、装饰制品。,2.3 水玻璃,一、水玻璃生产简介,水玻璃又称泡花碱，是一种碱金属气硬性胶凝材料。建筑中常用来配制水玻璃水泥、水玻璃混凝土、水玻璃砂浆、水玻璃涂料。,生产水玻璃的主要方法是以纯碱和石英砂为原料，将其磨细拌匀后，在13001400的熔炉中熔融，经冷却后即成固体水玻璃。将固体水玻璃装入蒸压釜内，通入水蒸气使其溶于水得到液体水玻璃。,NaCO,3,+nSiO,2,Na,2,O.nSiO,2,+CO,2,1300-1400,水玻璃的组成中，氧化硅与氧化钠的分子比n称为水玻璃的模数，n值一般在1.53.5之间，模数越高，水玻璃的粘性越大，粘结力与强度、耐酸、耐热性越高，但也愈难溶于水。,2.3 水玻璃,二、水玻璃的硬化,水玻璃在空气中能与二氧化碳反应，生成无定型二氧化硅凝胶（硅酸凝胶），凝胶脱水干燥转变成二氧化硅而硬化。,Na,2,O.nSiO,2,+CO,2,+mH,2,O Na,2,CO,3,+nSiO,2,.mH,2,O,上述反应因空气中二氧化碳含量太低而进行很慢，使用中加入氟硅酸钠作为促硬剂，以加快水玻璃的硬化。,2 Na,2,O.nSiO,2,+Na,2,SiF,6,+mH,2,O 6 NaF+(2n+1)SiO,2,.mH,2,O,2.3 水玻璃,三、水玻璃的特性,1、粘结力强，强度较高。水玻璃混凝土的抗压强度可达1540MPa。,2、耐酸性好，硬化后的主要成份为二氧化硅，可抵抗除氢氟酸以外的任何酸性环境。适宜配制水玻璃耐酸混凝土、耐酸砂浆。,3、耐热性好，可配制耐热水玻璃混凝土、耐热砂浆、耐热胶泥。,4、耐碱性和耐水性差，由于水玻璃硬化过程中反应不完全，部分未反应的水玻璃在水中和碱性溶液中均可以溶解，所以水玻璃不耐水，不耐碱。,2.3 水玻璃,四、水玻璃的应用,1、涂刷材料表面或浸渍多孔材料，增加材料的密实度和强度，提高其抗风化能力。但不能对石膏制品进行涂刷和浸渍，因为水玻璃能与石膏反应生成硫酸钠晶体，产生体积膨胀，造成破坏。,2、加固土壤，将水玻璃与氯化钙溶液交替灌入土壤中，两种溶液反应生成硅酸胶体，胶结和填充土壤空隙，阻止水分的渗透，增加土壤的密实度和强度。,3、配制速凝防水剂。,4、修补墙体裂缝。,水玻璃应密封保存。,第三章 水泥,3.1硅酸盐水泥,3.2其它品种水泥,3.1 硅酸盐水泥,一、硅酸盐水泥的概念及其矿物组成,1、,定义：,(GB175-1999),凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波兰特水泥）。不掺混合料的称型硅酸盐水泥，代号为P.。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为型水泥，代号P.。,2、硅酸盐水泥生产：,硅酸盐水泥的原料,主要是石灰质原料和粘土质原料。石灰质原料提供CaO，一般采用,石灰石,。粘土质原料提供SiO,2,、Al,2,O,3,及少量的Fe,2,O,3,，多采用,粘土,、黄土等。如果选用的材料按一定比例配合后不能满足化学组成时，则要掺加相应的,校正原料,，铁质校正原料补充Fe,2,O,3,，有,铁粉,、铁矿石，硅质校正原料补充SiO,2,常采用砂岩、,石英砂,等。为改善煅烧条件，常常加入少量的矿化剂。将以上原料按一定比例混合后在磨机中磨成,生料,，将生料入窰煅烧即得,熟料,，熟料中加入适量的,石膏,（和混合料）在磨机中磨成细粉，即得,水泥,。,3.1 硅酸盐水泥,硅酸盐水泥生产的主要工艺流程,石灰石,粘土,校正原料,燃料,石膏,生料,水泥,混合材,按比例,混合磨细,熟料,煅烧,1400-1450,磨细,3.1 硅酸盐水泥,3、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性,矿物名称,硅酸三钙,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,矿物组成,3CaO.SiO,2,2CaO.SiO,2,3CaO.Al,2,O,3,4CaO.Al,2,O,3,Fe,2,O,3,简写式,C,3,S,C,2,S,C,3,A,C,4,AF,矿物含量,37%60%,15%37%,7%15%,10%18%,矿物特性,硬化速度,快,慢,最快,快,早期强度,高,低,低,中,后期强度,高,高,低,低,水化热,大,小,最大,中,耐腐蚀性,差,好,最差,中,水泥中还有少量的游离氧化钙、游离氧化镁，总含量不超过10。,改变水泥熟料中矿物成份间的比例，可以制得不同性质的水泥品种，如提高硅酸三钙含量，可以制得高强水泥和早强水泥，提高硅酸二钙含量并降低硅酸三钙与铝酸三钙的含量，可制得低热水泥或大坝水泥。,3.1 硅酸盐水泥,二、硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化,1、水化：,、硅酸三钙,水泥熟料矿物中，硅酸三钙的含量最高。硅酸三钙与水作用时，反应较快，水化放热量大，生成水化硅酸钙及氢氧化钙。,2（3CaO,SiO,2,）6H,2,O 3CaO,2SiO,2,.,3H,2,O 3Ca（OH),2,硅酸三钙（,C,3,S,）水化硅酸钙凝胶(,C,3,S,2,H,3,)氢氧化钙晶体,水化硅酸钙几乎不溶于水，立即以胶体微粒析出，并逐步凝聚称为凝胶。氢氧化钙呈六方晶体，易溶于水。,、硅酸二钙,硅酸二钙与水作用时，反应较慢，水化放热较小，生成水化硅酸钙和氢氧化钙。,2（2CaO,SiO,2,）4H,2,O 3CaO,2SiO,2,.,3H,2,O Ca（OH),2,硅酸二钙（,C,2,S,),水化硅酸钙凝胶(,C,3,S,2,H,3,)氢氧化钙晶体,3.1 硅酸盐水泥,、铝酸三钙,铝酸三钙与水作用时，反应极快，水化放热最大，生成水化铝酸三钙，水化铝酸三钙为立方晶体，易溶于水。,3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O 3CaO,Al,2,O,3,.,6H,2,O,铝酸三钙(,C,3,A,),水化铝酸三钙晶体(,C,3,AH,6,),、铁铝酸四钙,铁铝酸四钙与水作用时，反应也较快，水化放热中等，生成水化铝酸三钙和水化铁酸钙，水化铁酸钙为凝胶。,4CaO,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,7H,2,O,铁铝酸钙(,C,4,AF,),3CaO,Al,2,O,3,.,6H,2,O CaO,.,Fe,2,O,3,.,H,2,O,水化铝酸三钙(,C,3,AH,6,)水化铁酸钙(,CFH,),在氢氧化钙饱和溶液中，水化铝酸三钙和水化铁酸钙还会与氢氧化钙发生二次反应，分别生成水化铝酸钙和水化铁酸四钙。,3.1 硅酸盐水泥,、石膏,水泥熟料在不加入石膏的情况下与水拌和后会立即产生凝结，为调节凝结时间，加入的石膏量太少，缓凝作用不明显，加入过多，会引起水泥安定性不良，适宜的加入量为水泥质量的35。,加入的石膏与水化铝酸三钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙呈针状晶体，难溶于水。,3(CaSO,4,2H,2,O)3CaO,Al,2,O,3,25H,2,O,二水石膏 铝酸三钙（,C,3,S,）,3CaO,Al,2,O,3,.,3CaSO,4,.,31H,2,O,高硫型水化硫铝酸钙(,C,3,AS,3,H,31,),忽略次要的和少量的成份，水泥完全水化后，水化硅酸钙占70，氢氧化钙占20，其余占10。,3.1 硅酸盐水泥,硅酸盐水泥的各种熟料矿物强度增长曲线,抗压强度/MPa,龄期/d,0,7,28,90,180,360,270,20,40,60,80,C,3,S,C,2,S,C,3,A,C,4,AF,3.1 硅酸盐水泥,硅酸盐水泥的各种熟料矿物水化热曲线,水化热/J.g,-1,龄期/d,0,7,28,90,180,360,270,250,500,750,1000,C,3,A,C,3,S,C,2,S,C,4,AF,3,3.1 硅酸盐水泥,2、凝结硬化,分散在水中未水化的水泥颗粒,在水泥表面形成的水合物膜层,水化开始时，水合物不多，水泥颗粒之间未相互粘连，水泥浆具有良好的塑性。随着水泥颗粒的不断水化，凝胶体膜层厚度不断增厚，水泥颗粒之间形成网状结构，水泥浆体逐渐失去塑性，,开始凝结,。随着水化反应不断进行，水化产物不断生产并填充颗粒间的空隙，使结构更加紧密，水泥浆体逐渐,产生强度,。水泥水化反应是由颗粒表面逐步深入到颗粒内部，当水合物增多时，阻止了水分的进一步深入，水化反应愈来愈困难，经过长时间的水化后，仍有部分水泥颗粒未完全水化。,膜层长大并相互连接（凝结,）,水合物进一步发展，填充毛细孔（硬化）,3.1 硅酸盐水泥,硅酸盐水泥的强度发展曲线,抗压强度（）,龄期/d,0,7,14,28,60,20,60,100,180,3,40,80,120,160,3.1 硅酸盐水泥,三、影响水泥凝结硬化的因素,1、细度,水泥颗粒越细，总表面积越大，与水接触的面积也越大，水化速度快，凝结硬化速度快。反之则慢。,2、石膏掺入量,一般由生产厂家根据水泥中铝酸三钙的含量和石膏中三氧化硫的含量，通过试验调整。,3、养护时间,水泥中所有颗粒全部水化反应所需时间较长，一般在28天内强度发展较快，以后强度增长缓慢。但只要保持一定的温度、湿度环境，水泥强度的增长可以延续几十年。,4、温度、湿度,温度对水泥的凝结硬化有显著影响，提高温度可加速水化反应，使早期强度较快发展，但后期强度可能有所降低。当温度降至负温时，水化反应停止，由于水分冻结，导致水泥石冻裂，结构产生破坏。,水泥的水化反应及凝结硬化均应在水分充足的条件下进行。环境湿度大，水分不易蒸发，如果环境干燥，水分蒸发过快，当水分蒸发完后，水化反应无法进行，凝结硬化停止，还会在构件表面产生干缩裂纹。,3.1 硅酸盐水泥,四、硅酸盐水泥的技术性质（GB175-1999),1、细度,（,水泥颗粒的粗细程度。细度大，凝结硬化速度快，强度增长快。但生产过程消耗的能量高，成本大，且在空气中硬化时收缩大。）,2、标准稠度用水量,（水泥净浆达到标准稠度时的用水量。）,3、凝结时间,（水泥净浆从加水至失去流动性所需的时间。初凝时间：水泥浆开始失去塑性所需的时间，45min；终凝时间：水泥浆完全失去塑性所需的时间，6.5h。）,4、体积安定性,（水泥凝结硬化过程中，体积变化的均匀程度。产生安定性不良的因素是水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁以及石膏掺入量过高。安定性测定方法可以用雷氏法或试饼法。）,3.1 硅酸盐水泥,五、强度与标号,硅酸盐水泥的强度取决于水泥熟料的矿物成份和细度。水泥强度测定按水泥胶砂强度检验方法（GB177/T17671 1999)测定，将水泥、标准砂、水，按1：3：0.5，用规定方法制成规格为4040160mm的标准试件，在标准条件下养护，测定其3d、28d，根据3d，28d抗折强度和抗压强度将水泥分为42.5、52.5、62.5三个强度等级。,3.1 硅酸盐水泥,六、碱含量,指水泥中Na,2,O。K,2,O的含量。1940年，美国首先发现并提出碱集料反应（AlkaliAggregateReaction，简称AAR）。,当水泥中的碱含量超过0.6%后，与混凝土中的活性集料砂石发生反应，生成物体积膨胀，造成混凝土开裂破坏。,碱含量（%）=Na,2,O（%）+0.658K,2,O（%）,七、水化热 水泥在水化过程中放出的热量。大部分水化热是在水化初期（7d内）放出的，以后逐渐减少。水泥水化热的大小和放热速度取决于水泥熟料的矿物组成和水泥细度。冬季施工时，水化热有利于水泥的凝结硬化。对于大体积混凝土结构，水化热大是不利的，由于混凝土内部的水化热不易散出，造成内外温差较大，引起温度应力，使混凝土产生裂缝。大体积混凝土应采用水化热较低的水泥。,八、密度和堆积密度 硅酸盐水泥的密度为3.03.15g/cm,3,，通常采用3.1g/cm,3,。堆积密度通常采用1300kg/m,3,。,3.1 硅酸盐水泥,八、硅酸盐水泥的腐蚀与防止,1、水泥石腐蚀的原因,（1）、软水腐蚀（溶出性腐蚀）,水泥石长期在流水环境下（江河水、雨水），氢氧化钙不断地被溶出并由流水带走，水泥石中氢氧化钙的浓度逐步降低，引起其他水化物的进一步分解，水泥石的强度不断降低。经研究，氢氧化钙溶出5时，强度下降7，溶出24时，强度下降29。,（2）、盐类腐蚀,海水、地下水及某些工业废水中，含有镁盐、硫酸盐、氯盐、钾盐、钠盐，对水泥石有不同程度的腐蚀，尤其以硫酸盐、镁盐较为严重，其反应如下：,Na,2,SO,4,Ca（OH),2,2H,2,O,CaSO,4,O,2H,2,O,Na(OH),MgSO,4,Ca（OH),2,2H,2,O,CaSO,4,O,2H,2,O,Mg(OH),MgCl,2,Ca（OH),2,H,2,O,CaCl,2,Mg(OH),2,2H,2,O,生成的硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积比原体积增加1。5倍以上，产生膨胀破坏，通常称为水泥杆菌。氢氧化钠、氢氧化镁松软而无胶结力，氯化钙易溶于水。,3.1 硅酸盐水泥,（3）、碳酸性腐蚀,水中溶解的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙：,Ca（OH),2,CO,2,H,2,O,CaCO,3,生成的碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成为重碳酸钙，此反应为可逆反应；重碳酸钙溶于水而消失。氢氧化钙浓度降低，导致水泥石中其他水化产物的分解，使腐蚀进一步加剧。,CaCO,3,CO,2,H,2,O,Ca（HCO,3,),（4）、一般酸类的腐蚀,地下水及某些工业废水中，含有无机酸和有机酸，它们与氢氧化钙作用后的生产物，或易溶于水，或者体积膨胀，在水泥石中产生内应力而导致破坏。如盐酸、硫酸分别与水泥石中的氢氧化钙作用，其反应如下：,2HCl Ca（OH),2,CaCl,4,+H,2,O,H,2,SO,4,Ca（OH),2,CaSO,4,.,2H,2,O,生成的氯化钙易溶于水，硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙，产生膨胀破坏。,3.1 硅酸盐水泥,水泥腐蚀破坏的三种形态：,（,1)、溶失破坏 将水泥石中的矿物溶解并被水流带走。,(2)、离子交换 侵蚀性介质与水泥石中的矿物发生离子交换，生成易溶于水或是没有胶结能力的产物，破坏了原有的结构。,(3)、形成膨胀产物 在侵蚀性介质作用下，所形成的盐类结晶体积增大产生内应力，导致膨胀性破坏。,水泥石的破坏的内部原因：,（1）、水泥石中存在易被腐蚀的矿物成份，主要是氢氧化钙和水化铝酸钙。,（2）、水泥石本身不密实，存在很多毛细通道，侵蚀性介质容易进入水泥石内部。,2、防止水泥石腐蚀的方法,（,1）、合理选择水泥品种；,（