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1、 土木工程材料土木工程材料同济大学材料科学与工程学院同济大学材料科学与工程学院建筑材料研究所建筑材料研究所张晏清张晏清绪论绪论基本性能基本性能水泥及胶凝材料水泥及胶凝材料混凝土材料混凝土材料,性能性能,施工工艺施工工艺钢材钢材,性能性能,第一章第一章 材料的基本性质材料的基本性质1.密度性质密度性质定义：材料在定义：材料在-状态下，单位体积质状态下，单位体积质量量1.1密度密度(比重比重)：=m/V；材料属于材料属于绝对密实状态绝对密实状态：颗粒内无孔、外：颗粒内无孔、外无孔无孔测定：磨细，排水法测定测定：磨细，排水法测定1.2表观密度：表观密度：=m/V；定义：材料在定义：材料在近似绝对密实
2、状态近似绝对密实状态下，单位下，单位体积质量。体积质量。材料内有微孔、表面无孔材料内有微孔、表面无孔测定方法测定方法:单块材料单块材料,排水法求体积：不涂蜡排水法求体积：不涂蜡1.3容积密度（体积密度、容重）：容积密度（体积密度、容重）：0=m/V0；定义：材料在定义：材料在自然状态自然状态下，单位体积质量。下，单位体积质量。自然状态：单一材料内有孔、表面有孔自然状态：单一材料内有孔、表面有孔体积密度与含水率有关。一般指干燥状态。体积密度与含水率有关。一般指干燥状态。V0：量尺寸量尺寸排水法：表面须涂蜡排水法：表面须涂蜡1.4堆积密度（松散容重）：堆积密度（松散容重）：0=m/V0；定义：材料
3、在自然堆积状态下，单位体积定义：材料在自然堆积状态下，单位体积质量。质量。自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒内有内有孔孔、表面有孔、颗粒之间存在、表面有孔、颗粒之间存在空空隙。隙。空隙，孔隙、语意差别空隙，孔隙、语意差别单位体积：单位体积：1m32.孔隙与孔隙率孔隙与孔隙率（总）孔隙率公式：（总）孔隙率公式：（总体积（总体积-固体体积）固体体积）/总体积总体积P=（1-0/）密实度密实度D=1-P空隙率公式：空隙率公式：P=（1-0/）一堆石子、砂一堆石子、砂V0体积求算体积求算规则物体：量尺寸、计算求之规则物体：量尺寸、计算求之不规则物体：排水法求之不规
4、则物体：排水法求之涂蜡：体积密度。涂蜡：体积密度。不涂蜡：表观密度不涂蜡：表观密度堆积密度（松散容重）：堆积密度（松散容重）：0=m/V0；定义：材料在自然堆积状态下，单位体积定义：材料在自然堆积状态下，单位体积质量。质量。自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒自然堆积状态：颗粒群体材料：单一颗粒内有孔、表面有孔、颗粒之间存在空隙。内有孔、表面有孔、颗粒之间存在空隙。比较比较密度：密度：材料内无孔、表面无孔材料内无孔、表面无孔表观密度：材料内有孔、表面无孔表观密度：材料内有孔、表面无孔体积密度：材料内有孔、表面有孔体积密度：材料内有孔、表面有孔堆积密度：材料内有孔、表面有孔；颗粒堆积密度：材料内
5、有孔、表面有孔；颗粒之间有空隙。之间有空隙。用途用途密度（比重）：科研、混凝土配料计算；密度（比重）：科研、混凝土配料计算；表观密度：可近似取代密度或体积密度表观密度：可近似取代密度或体积密度体积密度（容重）：荷载计算；体积密度（容重）：荷载计算；堆积密度：筒仓等体积计算堆积密度：筒仓等体积计算研究材料孔隙率研究材料孔隙率：保温材料；保温材料；吸声材料；吸声材料；高强混凝土高强混凝土 抗冻性习题：某材料，已知其密度为习题：某材料，已知其密度为2.7，在水饱，在水饱和状态下，体积密度为和状态下，体积密度为1.862，体积吸水率，体积吸水率为为46.2%。求：材料孔隙率。求：材料孔隙率。3.材料与
6、水有关的性质材料与水有关的性质表面物理化学讨论的重点之一表面物理化学讨论的重点之一3.1亲水性：混凝土要求质量优化，亲水性亲水性：混凝土要求质量优化，亲水性应好。应好。亲水性：润湿角亲水性：润湿角90润湿角：液气固三相交界处，液体表面切润湿角：液气固三相交界处，液体表面切线与固体表面夹角。线与固体表面夹角。憎水性：润湿角憎水性：润湿角90材料的亲水性质无机材料多为亲水性无机材料多为亲水性玻璃、混凝土、砖瓦、钢铁、玻璃、混凝土、砖瓦、钢铁、有机物：憎水材料有机物：憎水材料有机硅有机硅科密水科密水 憎水性：润湿角憎水性：润湿角90石蜡、沥青、有机硅、硬脂酸（盐）。石蜡、沥青、有机硅、硬脂酸（盐）。
7、保温材料保温材料:现代保温砂浆为了提高抗渗性，现代保温砂浆为了提高抗渗性，配方中加入硬脂酸（盐）配方中加入硬脂酸（盐）:硬脂酸钠、钙硬脂酸钠、钙新型防化服；防水材料新型防化服；防水材料润湿角润湿角=90纳米纳米TiO2：自清洁作用：自清洁作用3.2吸水性吸水性定义：材料在定义：材料在水中水中吸收水分的能力。吸收水分的能力。用吸水率表示。用吸水率表示。2个指标：个指标：质量吸水率：质量吸水率：g/g体积吸水率体积吸水率g/cm3；两者关系：两者关系：Wv=Wm0；开口孔隙率开口孔隙率Wv=W01.体积吸水率体积吸水率=开口孔隙率。开口孔隙率。2.体积吸水率体积吸水率100%3.质量吸水率可大于、
8、等于、小于质量吸水率可大于、等于、小于100%。4.材料总孔隙率材料总孔隙率=开口孔隙率开口孔隙率+闭口孔隙率。闭口孔隙率。3.3吸湿性吸湿性定义：材料在定义：材料在空气空气中吸收水分的能力。中吸收水分的能力。用含水率表示。用含水率表示。与环境湿度有关，变量！与环境湿度有关，变量！平衡含水率！平衡含水率！材料吸水后，性能的变化材料吸水后，性能的变化3.4水饱和度水饱和度KB=W0/P 开口孔体积在总孔隙中所占比例开口孔体积在总孔隙中所占比例水饱和度大，材料耐久性差水饱和度大，材料耐久性差3.5耐水性耐水性定义：饱水材料与干燥材料强度之比定义：饱水材料与干燥材料强度之比原土建筑：黄土；原土建筑：
9、黄土；石膏制品：不可用于潮湿环境。石膏制品：不可用于潮湿环境。耐水性差耐水性差软化系数：软化系数：KR饱水材料与干燥材料强度之饱水材料与干燥材料强度之比比KR=K软软3.6抗渗性抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质。定义：材料抵抗压力水渗透的性质。用用2个指标表示：个指标表示：1渗透系数：渗透系数：适于结构疏松材料：土、砂、适于结构疏松材料：土、砂、砖；砖；流沙现象：流沙现象：2）抗渗等级抗渗等级P：适于结构密实材料：混凝：适于结构密实材料：混凝土；砂浆土；砂浆通常混凝土：通常混凝土：P6P10；C30、3.7抗冻性抗冻性定义：定义：饱水饱水试件承受多次试件承受多次冻冻-融循环融循环而而不破不
10、破坏坏的性质。的性质。-2020；8h饱、循、正常饱、循、正常用抗冻等级用抗冻等级F-表示。表示。F100F100抗冻性一般。抗冻性一般。通常通常F300 材料受冻破坏原因材料受冻破坏原因：材料中水结冰，体积：材料中水结冰，体积膨胀导致破坏。静水压破坏膨胀导致破坏。静水压破坏抗冻性影响因素：抗冻性影响因素：闭口的小孔，孔隙率高，材料抗冻性好。闭口的小孔，孔隙率高，材料抗冻性好。水饱和度大于水饱和度大于0.8的材料抗冻性差。的材料抗冻性差。四、与热有关的性质四、与热有关的性质1.导热性：材料传递热量的能力。（保温导热性：材料传递热量的能力。（保温/绝热性）绝热性）用用导热系数导热系数表示。表示。
11、材料导热系数材料导热系数影响因素影响因素：化、孔、水。：化、孔、水。化：化学组成；化：化学组成；孔：孔隙率、孔隙形状：闭口小孔，孔隙孔：孔隙率、孔隙形状：闭口小孔，孔隙率高，材料保温性好。率高，材料保温性好。小。小。水：含水率高，材料保温性差。水：含水率高，材料保温性差。大。大。2.热阻：导热系数的倒数。计算房屋保温性热阻：导热系数的倒数。计算房屋保温性能时，累计计算即可能时，累计计算即可3.热容热容c：反映温度的稳定性：反映温度的稳定性：用比热表示。水的比热最大。砂石比热小。用比热表示。水的比热最大。砂石比热小。单位时间、质量材料升高单位时间、质量材料升高1度所吸收的热量度所吸收的热量理想建
12、筑材料理想建筑材料,应当是：应当是：导热系数导热系数应小、热容应小、热容c大大;实际不存在实际不存在耐火性：等级；钢材耐火原理例题例题:理想建筑材料理想建筑材料,应当是：应当是：CA.大、大、c大大;B.小、小、c小小C.小、小、c大大D.大、大、c小小五、与声有关性质五、与声有关性质吸声性：吸声系数表示；吸声系数大，吸吸声性：吸声系数表示；吸声系数大，吸声性好；声性好；0.2以上吸声材料。以上吸声材料。开口、连通孔，孔隙率大，吸声性好开口、连通孔，孔隙率大，吸声性好:稻草稻草板。板。隔声性：材料的质量有关隔声性：材料的质量有关(重量重量)注意隔声与吸声材料区别！注意隔声与吸声材料区别！思考题
13、思考题1.试述材料孔隙率、孔隙结构对材料性能的试述材料孔隙率、孔隙结构对材料性能的影响影响.2.试述含水率对材料性能的综合影响试述含水率对材料性能的综合影响.第二节第二节 材料的力学性质材料的力学性质所有材料所有材料,结构的力学性质包括：强度、变结构的力学性质包括：强度、变形，均可以用应力形，均可以用应力-应变曲线或荷载应变曲线或荷载-变形曲变形曲线表征线表征1.强度：材料抵抗荷载破坏的能力。强度：材料抵抗荷载破坏的能力。强度分类：强度分类：抗拉强度抗拉强度；抗压强度抗压强度；抗剪强；抗剪强度；弯曲抗压强度（抗弯强度）度；弯曲抗压强度（抗弯强度）=抗折强度抗折强度三点弯曲与四点弯曲实验三点弯曲
14、与四点弯曲实验荷载：荷载：load；加载：；加载：loading、强度影响因素：强度影响因素：孔隙率大，强度低孔隙率大，强度低体积密度小，强度低体积密度小，强度低晶粒细度大，强度高晶粒细度大，强度高含水率高，强度低含水率高，强度低钢：抗拉强度；钢：抗拉强度；混凝土：抗压强度；混凝土：抗压强度；岩石：抗压强度岩石：抗压强度,抗剪强度；抗剪强度；混凝土：弯曲抗压强度（抗弯强度）混凝土：弯曲抗压强度（抗弯强度）水泥胶砂：抗压强度水泥胶砂：抗压强度,抗折强度抗折强度f拉拉f压：韧性材料：木材压：韧性材料：木材f拉拉=f压：钢材，韧性材料压：钢材，韧性材料f拉拉f压：玻璃、混凝土：脆性材料压：玻璃、混凝
15、土：脆性材料;在钢筋混凝土理论中，混凝土为弹塑性材在钢筋混凝土理论中，混凝土为弹塑性材料料强度强度vs强度等级强度等级:比强度比强度=强度强度/体积密度体积密度比强度大，表示材料轻质高强。比强度大，表示材料轻质高强。钛合金；硼、碳纤维增强树脂、芳纶增强钛合金；硼、碳纤维增强树脂、芳纶增强树脂树脂-凯芙拉凯芙拉碳纤维布增强碳纤维布增强-树脂树脂加固结构加固结构建筑材料中比强度大者：木材、玻璃钢建筑材料中比强度大者：木材、玻璃钢（玻璃纤维增强树脂）（玻璃纤维增强树脂）比强度大：比强度大：钛合金：钛合金：玻璃钢：玻璃（碳、硼）纤维增强树脂；玻璃钢：玻璃（碳、硼）纤维增强树脂；二、变形二、变形1.弹性
16、弹性：材料在荷载作用下产生变形，荷载：材料在荷载作用下产生变形，荷载与变形呈线性关系；除去荷载，变形完全与变形呈线性关系；除去荷载，变形完全消失。（胡克定律）消失。（胡克定律）2.塑性塑性：材料在荷载作用下产生变形，两者：材料在荷载作用下产生变形，两者无线性关系；除去荷载，变形不能完全消无线性关系；除去荷载，变形不能完全消失失对于防水材料，良好塑性极为重要。对于防水材料，良好塑性极为重要。3.脆性脆性：材料在破坏（尤其指冲击性的荷载）：材料在破坏（尤其指冲击性的荷载）前无前无显著塑性变形显著塑性变形的现象。的现象。玻璃：在荷载作用下产生变形至破坏，两玻璃：在荷载作用下产生变形至破坏，两者为线性
17、关系。者为线性关系。4.韧性韧性：材料：材料/结构抵抗（冲击）荷载破坏结构抵抗（冲击）荷载破坏的能力。的能力。（二）影响材料强度试验的因素：（二）影响材料强度试验的因素：1.试件尺寸大，测得的强度低；试件尺寸大，测得的强度低；（可能的缺陷尺寸（可能的缺陷尺寸大）大）2.试件高宽比大，测得的强度低；试件高宽比大，测得的强度低；轴心抗压强度轴心抗压强度fc小于立方体抗压强度小于立方体抗压强度fcu3.试件加载面光滑，测得的强度低试件加载面光滑，测得的强度低（界面约束小）（界面约束小）4.加荷速度快，测得的强度高；加荷速度快，测得的强度高；5.含水率高、温度高，测得的强度低含水率高、温度高，测得的强
18、度低。温度高：。温度高：木材、钢、沥青强度低木材、钢、沥青强度低第三节第三节 耐久性耐久性要素：要素：1.在规定使用期限内（在规定使用期限内（时间时间），），2.在所处工作在所处工作环境环境条件下，条件下，3.材料材料/结构结构正常正常发挥使用功能的性质。发挥使用功能的性质。习题：习题：1-1,1-2,1-3第四节第四节 材料组成与结构材料组成与结构1.材料组成：化学组成；矿物组成材料组成：化学组成；矿物组成:石墨，石墨，金刚石，石墨烯，碳纳米管金刚石，石墨烯，碳纳米管2.材料结构：材料结构：宏观：目视宏观：目视细观：显微镜；偏光显微镜细观：显微镜；偏光显微镜微观：扫描电镜、微观：扫描电镜、X
19、RD晶体；玻璃体；胶体晶体；玻璃体；胶体第二章第二章 气硬性无机胶凝材料气硬性无机胶凝材料胶凝材料：胶凝材料：“胶水胶水”：能将固体材料粘结形成整：能将固体材料粘结形成整体的材料。体的材料。无机胶凝材料：气硬性（无机胶凝材料：气硬性（4）；水硬性：水泥）；水硬性：水泥（1）有机胶凝材料：树脂。有机胶凝材料：树脂。气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化并在空气：只能在空气中硬化并在空气中保持强度的胶凝材料：石灰、石膏、水玻璃、中保持强度的胶凝材料：石灰、石膏、水玻璃、菱苦土菱苦土水硬性胶凝材料：既可以在空气中硬化、也可水硬性胶凝材料：既可以在空气中硬化、也可以在水中硬化并保持强度的胶凝材
20、料。以在水中硬化并保持强度的胶凝材料。第二节第二节 石灰（传统、价廉）石灰（传统、价廉）生产生产石灰石石灰石CaCO3煅烧煅烧CaCO3 CaO+CO2温度：温度：9001100CaO：生石灰：生石灰过火石灰过火石灰：焙烧温度过高所制得的石灰；：焙烧温度过高所制得的石灰；欠火石灰：焙烧温度过低所制得的石灰。欠火石灰：焙烧温度过低所制得的石灰。石灰的消化（熟化）石灰的消化（熟化）CaO+H2OCa(OH)2+QCa(OH)2：熟石灰、石灰膏（乳）、石：熟石灰、石灰膏（乳）、石灰浆体。灰浆体。1.体积膨胀过程（很重要）体积膨胀过程（很重要）2.放热反应放热反应3.Ca(OH)2保水性好保水性好！熟
21、化反应（消化反应）。熟化反应（消化反应）。过火石灰与水反应速度极慢，使用时在空过火石灰与水反应速度极慢，使用时在空气中吸收水分，逐渐水化反应生成气中吸收水分，逐渐水化反应生成Ca(OH)2。体积膨胀导致石灰表面爆裂。体积膨胀导致石灰表面爆裂石灰爆裂石灰爆裂名词：石灰爆裂，砖的性能指标之一名词：石灰爆裂，砖的性能指标之一反应一般在硬化反应一般在硬化1年以上出现。年以上出现。为防止过火石灰危害，采用陈伏工艺解决为防止过火石灰危害，采用陈伏工艺解决陈伏陈伏：为防止过火石灰危害，石灰使用前：为防止过火石灰危害，石灰使用前在水中浸泡一段时间使之充分水化。此工在水中浸泡一段时间使之充分水化。此工艺称为艺称
22、为；此段时间称为陈伏期。；此段时间称为陈伏期。重点！重点！石灰的硬化石灰的硬化分为两步：分为两步：1.干燥结晶：干燥结晶：Ca(OH)2结晶析出；结晶析出；2.碳化碳化硬化硬化 Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3CaCO3 CaO+CO2CaO+H2OCa(OH)2+QCa(OH)2+CO2+H2OCaCO3石灰特点石灰特点1、凝结硬化速度慢；石灰硬化速度极慢，、凝结硬化速度慢；石灰硬化速度极慢，表面结硬一般表面结硬一般23月完成。月完成。2、硬化后体积收缩大、硬化后体积收缩大、开裂严重；必须加、开裂严重；必须加入纸筋、麻纤维、砂入纸筋、麻纤维、砂3、保水性好、保水性好；（水泥砂浆加入石
23、灰即利用；（水泥砂浆加入石灰即利用此特性）此特性）4、耐水性差、耐水性差 用途：砌墙砂浆、三合土、加气混凝土砌用途：砌墙砂浆、三合土、加气混凝土砌块；灰砂砖；块；灰砂砖；必须加入：砂（石灰砂浆）；纸筋（纸筋必须加入：砂（石灰砂浆）；纸筋（纸筋灰）；麻纤维灰）；麻纤维产品：原状灰；磨细生石灰；石灰膏，产品：原状灰；磨细生石灰；石灰膏，第一节第一节 石膏（传统、时尚）石膏（传统、时尚）生产：天然二水石膏焙烧（炒石膏）、生产：天然二水石膏焙烧（炒石膏）、磨细即可磨细即可质量与温度、压力、水分有关质量与温度、压力、水分有关Ca(SO)42H2O Ca(SO)40.5H2O温度：温度：107 170-C
24、a(SO)40.5H2O（-半水石膏；半水石膏；建筑石膏建筑石膏）温度温度124、1.3atm蒸汽蒸汽+催化剂：催化剂：Ca(SO)42H2O-Ca(SO)40.5H2O（-半水石膏；半水石膏；高强石膏高强石膏）；）；1525Mpa左右；左右；温度温度800：生成：生成Ca(SO)4；无水石膏、；无水石膏、硬石膏，代替水泥制备地板。硬石膏，代替水泥制备地板。二、水化反应二、水化反应半水石膏与水混合，重新生成二水石膏半水石膏与水混合，重新生成二水石膏Ca(SO)40.5H2O+H2OCa(SO)42H2O反应特点：凝结速度快：反应特点：凝结速度快：530min硬化硬化原因：原因：Ca(SO)40
25、.5H2O溶解度大，生成溶解度大，生成的的 Ca(SO)42H2O溶解度小，结晶析出导溶解度小，结晶析出导致反应快速、完成。致反应快速、完成。缓凝剂：柠檬酸、硼砂、缓凝剂：柠檬酸、硼砂、二、半、二二、半、二名词解释：适用于石膏、水泥、混凝土名词解释：适用于石膏、水泥、混凝土初凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至初凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至浆体初步失去流动性所经历的时间；浆体初步失去流动性所经历的时间；终凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至终凝（时间）：浆体从加水拌合开始，至浆体完全失去流动性所经历的时间。浆体完全失去流动性所经历的时间。何谓初步失去流动性？用扩展度表示何谓初步失去流动性？用
26、扩展度表示三、石膏特点（三、石膏特点（/石灰）石灰）1.凝结硬化速度快凝结硬化速度快（/慢）；慢）；2.硬化后体积略膨胀，硬化后体积略膨胀，不开裂不开裂（/收缩大）；收缩大）；3.防火性好（防火性好（/保水性好）；保水性好）；4.耐水性差耐水性差（/相同）（不宜用于潮湿环境）相同）（不宜用于潮湿环境）5.孔隙率高：吸湿性好；吸声性可孔隙率高：吸湿性好；吸声性可产品产品石膏板：纸面石膏板，吊顶、吸声板石膏板：纸面石膏板，吊顶、吸声板石膏粉：腻子、粉刷浆料石膏粉：腻子、粉刷浆料石膏条板石膏条板化学石膏、脱硫石膏属于工业废渣化学石膏、脱硫石膏属于工业废渣用于建筑，减少污染，符合可持续发展战用于建筑，
27、减少污染，符合可持续发展战略略第四节第四节 水玻璃水玻璃硅酸钠：硅酸钠：Na2OnSiO2钠水玻璃（泡花碱）钠水玻璃（泡花碱）硅酸钾、硅酸锂（质优、价高、少用）硅酸钾、硅酸锂（质优、价高、少用）n：水玻璃模数，重要！：水玻璃模数，重要！n大，水玻璃溶液粘度大，粘结力强，耐酸大，水玻璃溶液粘度大，粘结力强，耐酸性、耐热性好、强度高；不易溶解，施工性、耐热性好、强度高；不易溶解，施工略困难。略困难。水玻璃密度（浓度）大，粘结力强，耐酸水玻璃密度（浓度）大，粘结力强，耐酸性、耐热性好、强度高；施工略困难。性、耐热性好、强度高；施工略困难。水玻璃在空气中生成水玻璃在空气中生成SiO2SiO2紧密聚集，
28、形成无机网络。紧密聚集，形成无机网络。无机高分子无机高分子具有强度、耐酸、耐高温；不耐碱。具有强度、耐酸、耐高温；不耐碱。水玻璃硬化缓慢，加入氟硅酸钠可以加速水玻璃硬化缓慢，加入氟硅酸钠可以加速硬化。硬化。氟硅酸钠是促硬剂。单氟磷酸钠氟硅酸钠是促硬剂。单氟磷酸钠水玻璃特点：水玻璃特点：1.耐酸耐酸:制备耐酸混凝土（有施工规范）制备耐酸混凝土（有施工规范）2.耐高温耐高温:耐受耐受1000。耐高温混凝土；砌。耐高温混凝土；砌筑窑炉筑窑炉3.可作为无机涂料。墙面，价廉，性能一般。可作为无机涂料。墙面，价廉，性能一般。耐水性差。工业地坪中有一种耐水性差。工业地坪中有一种液体硬化剂液体硬化剂：硅酸锂为
29、主。硅酸锂为主。加固土壤加固土壤水玻璃耐水性差、不耐碱水玻璃耐水性差、不耐碱第三节第三节 菱苦土菱苦土MgCO3 MgO+CO2烧成温度：烧成温度：600比较：比较：CaCO3MgO与水反应更慢，采用与水反应更慢，采用MgCl2 溶液拌合，溶液拌合，凝结快。凝结快。亦称为亦称为氯氧镁水泥氯氧镁水泥。菱镁矿菱镁矿菱苦土特点：菱苦土特点：菱苦土特点：菱苦土特点：1.价廉价廉2.强度高强度高3.耐水性差耐水性差:受潮后，体积扭曲、变形。导受潮后，体积扭曲、变形。导致其使用用途受限。致其使用用途受限。可使用憎水剂、聚合物乳液改性。可使用憎水剂、聚合物乳液改性。改性产品使用时宜进行实验。改性产品使用时宜
30、进行实验。很少用。很少用。第三章第三章 水泥水泥最基本建筑材料之一最基本建筑材料之一水泥三大系列：水泥三大系列：硅酸盐硅酸盐水泥（为主，数以亿吨级）；水泥（为主，数以亿吨级）；硫铝酸盐硫铝酸盐水泥；水泥；高铝高铝水泥（铝酸盐水泥、矾土水泥）。水泥（铝酸盐水泥、矾土水泥）。铁酸盐水泥铁酸盐水泥 硅酸盐系列水泥分类：硅酸盐系列水泥分类：6种种硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：P、P；普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：PO；矿渣硅酸盐水泥：矿渣硅酸盐水泥：PS；火山灰硅酸盐水泥：火山灰硅酸盐水泥：PP；粉煤灰硅酸盐水泥：粉煤灰硅酸盐水泥：PF；复合硅酸盐水泥：复合硅酸盐水泥：PC；第一节第一节 硅酸盐水泥硅酸盐
31、水泥水泥原料、生产与定义水泥原料、生产与定义生产：生产：2磨磨1烧；烧；粘土、石灰石、铁矿粉三者混合、球磨粘土、石灰石、铁矿粉三者混合、球磨（生料）（生料）焙烧（焙烧（1450）熟料、加入熟料、加入石膏石膏球磨（纯硅酸盐水泥）球磨（纯硅酸盐水泥）回转窑；立窑（能耗大、质量差。已淘汰）回转窑；立窑（能耗大、质量差。已淘汰）膨胀剂膨胀剂硅酸盐系列水泥定义硅酸盐系列水泥定义以硅酸盐水泥熟料、适量石膏及以硅酸盐水泥熟料、适量石膏及05%的的混合材共同磨细所制得的产品。混合材共同磨细所制得的产品。其他水泥定义：以硅酸盐水泥熟料、适量其他水泥定义：以硅酸盐水泥熟料、适量石膏及特定品种与掺量的混合材共同磨细
32、石膏及特定品种与掺量的混合材共同磨细所制得的产品。所制得的产品。熟料熟料+石膏石膏+X磨细磨细X水泥水泥X:混合材名称：粉煤灰、矿渣、火山灰混合材名称：粉煤灰、矿渣、火山灰特定品种与掺量特定品种与掺量P：混合材掺量：混合材掺量=0P：05%普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：615%混合材混合材矿渣水泥：水淬高炉矿渣矿渣水泥：水淬高炉矿渣:2070%粉煤灰水泥：粉煤灰粉煤灰水泥：粉煤灰2040%；火山灰水泥：火山灰火山灰水泥：火山灰2050%；复合水泥：复合水泥：2050%混合材混合材2.水泥熟料的矿物组成与水化特性水泥化学矿物简写水泥化学矿物简写C：CaO;S：SiO2；H：H2O；A：Al2O
33、3；F：Fe2O3；S：SO3;d：天；：天；水泥组成：水泥组成：4+14：水泥熟料：水泥熟料：C3S、C2S、C3A、C4AF1：石膏：石膏2.1水泥熟料的矿物组成：水泥熟料的矿物组成：4种矿物：种矿物：C3S、C2S、C3A、C4AF 1.C3S：3CaOSiO2硅酸三钙：硅酸三钙：水泥强度主要来源；水化快：遇水即产生水泥强度主要来源；水化快：遇水即产生化学反应、反应持续进行至化学反应、反应持续进行至28d以上；以上；凝结快、硬化快；放热量大；强度高：早凝结快、硬化快；放热量大；强度高：早期、后期。期、后期。水泥与水反应系放热反应。放热速率、放热量反映了水泥的水化进程。2.C2S：2CaO
34、SiO2硅酸二钙：硅酸二钙：水化慢：与水反应缓慢、反应至水化慢：与水反应缓慢、反应至1a以上强度较为可观；以上强度较为可观；凝结慢、硬化慢；放热速率低、放热量小。凝结慢、硬化慢；放热速率低、放热量小。3.C3A：3CaOAl2O3铝酸三钙：铝酸三钙：水化速度最快：与水即反应、反应至水化速度最快：与水即反应、反应至3d（天（天）以上）以上可不计；可不计；凝结快、硬化快；放热速率大、（短时间内）放热量凝结快、硬化快；放热速率大、（短时间内）放热量大。大。4.C4AF4CaOAl2O3Fe2O3铁铝酸四钙（中）：水化中等速率：凝结铁铝酸四钙（中）：水化中等速率：凝结硬化较快；放热量小。硬化较快；放热
35、量小。总结：总结：C3S、C2S、C3A、C4AFC3S：早高后高；（强度）：早高后高；（强度）C2S：早低后高；：早低后高；C3A：早高后低；：早高后低；要求水泥早强、凝结快：要求水泥早强、凝结快：C3A高；高；要求水泥早强、高强要求水泥早强、高强：C3A、C3S高；高；要求水泥水化热小：要求水泥水化热小：C3A、C3S低，低，C2S高高(大坝水泥大坝水泥)砼混凝土，砼混凝土，tong砼仝砼仝混凝土混凝土 水泥熟料的水化反应（重点水泥熟料的水化反应（重点）1.C3S+H2OC3S2H3+CH；反应速度快；反应速度快C3S2H3简写为简写为C-S-H、CSH水化硅酸钙；凝胶水化硅酸钙；凝胶C3
36、S2H3:C3,S2下标下标 3,2是一个变量是一个变量,C/S钙硅比钙硅比,与溶液的碱度有关与溶液的碱度有关;C-S-H为凝胶体为凝胶体,在很小范围内有一定结在很小范围内有一定结晶度晶度,尺寸尺寸,形状变化大形状变化大.CH:Ca(OH)2,六角形片状晶体六角形片状晶体 2.C2S+H2OC3S2H3+CH；产物与；产物与C3S相同，相同，但反应速度极慢但反应速度极慢;3.C3A+H2OC3AH6；反应速度极快、；反应速度极快、1s即反应即反应C3AH6：水化铝酸钙；晶体：水化铝酸钙；晶体 4.C4AF+H2OC3AH6+CFH CFH：水化铁酸钙；凝胶：水化铁酸钙；凝胶 水泥矿物组成：水泥
37、矿物组成：41C3S、C2S、C3A、C4AF+CaSO4水泥水化反应：除以上反应外，还有一个水泥水化反应：除以上反应外，还有一个极重要反应：极重要反应：C3A+H2OC3AH6；CaSO4 C3AH6 3CaOAl2O33CaSO431H2O 3CaOAl2O33CaSO432H2O3CaOAl2O33CaSO431H2O：（高硫型）水化硫铝酸钙高硫型）水化硫铝酸钙简写为简写为:Aft;钙矾石钙矾石C3AH6：水化铝酸钙：水化铝酸钙Aft高硫型水化硫铝酸钙高硫型水化硫铝酸钙钙矾石钙矾石石膏作用石膏作用1.防止水泥速凝；不加石膏，水泥遇水即凝防止水泥速凝；不加石膏，水泥遇水即凝结结:闪凝闪凝2
38、.、3.、C/S：钙硅比，变量。：钙硅比，变量。小结：水化产物CSH（C3S2H3）：水化硅酸钙；凝胶体；）：水化硅酸钙；凝胶体；CH：Ca(OH)2：六角晶体、呈片状：六角晶体、呈片状C3AH6：水化铝酸钙、晶体；：水化铝酸钙、晶体；CFH；水化铁酸钙；凝胶体；水化铁酸钙；凝胶体AFt:水化硫铝酸钙；针状晶体水化硫铝酸钙；针状晶体水泥的水化反应小结水泥的水化反应小结C3S+H2OC3S2H3+CH；反应速度快；反应速度快C2S+H2OC3S2H3+CH；反应速度慢；反应速度慢C3A+H2OC3AH6；反应速度极快；反应速度极快C4AF+H2OC3AH6+CFH；CaSO4+C3AH6 3Ca
39、OAl2O3 3CaSO4 31H2O（高硫型、三硫型）水化硫铝酸钙；（高硫型、三硫型）水化硫铝酸钙；钙矾石；钙矾石；AFT；针状；针状小结：水泥矿物：水泥矿物：5个：个：41水泥水化产物水泥水化产物5个：个：3晶、晶、2凝凝CSH凝胶体；凝胶体；60强度强度Ca(OH)2：六角晶体；：六角晶体；20强度强度C3AH6：晶体；：晶体；CFH：凝胶体；：凝胶体；AFT：晶体：晶体 10强度强度硅酸盐水泥水化机理硅酸盐水泥水化机理水泥水化热曲线：水泥水化热曲线：4阶段阶段(或或5阶段阶段)：初始反应期：初始反应期：1s10m水泥快速水化、水泥快速水化、C3A+H2OC3AH6；反应速度极快；反应速
40、度极快C3S+H2OCSH；反应较快；反应较快 C3S早期产物包覆于水泥颗粒表面，早期产物包覆于水泥颗粒表面，减缓减缓水化过水化过程程 C3A与石膏反应生成与石膏反应生成AFt，减缓减缓水化过程水化过程：潜伏期；：潜伏期；CaSO4+C3AH6AFt水泥颗粒表面包覆令水化减缓。水泥颗粒表面包覆令水化减缓。23h：快速反应期；凝结期：快速反应期；凝结期 内部产物压力足够大，包覆层破裂，快速内部产物压力足够大，包覆层破裂，快速水化水化 标志：标志：Ca(OH)2大量析出。大量析出。1015h初凝；终凝初凝；终凝：扩散期；硬化期：扩散期；硬化期强度不断增长，可持续数年。强度不断增长，可持续数年。水泥
41、石组成水泥石组成1.水化产物：水化产物：3晶晶2凝凝2.未水化水泥颗粒；未水化水泥颗粒；3.孔；毛细孔、凝胶孔孔；毛细孔、凝胶孔4.水：毛细水、凝胶水：毛细水、凝胶水化动力学：水化动力学：水化硅酸钙水化硅酸钙CSH有有4种形态：种形态：型；针状；很短型；针状；很短型；针状、有分叉；型；针状、有分叉；：等大粒子；：等大粒子；型：内部水化产物。型：内部水化产物。水泥石的孔隙尺寸、数量决定强水泥石的孔隙尺寸、数量决定强度度MDF水泥：无宏观缺陷水泥，水泥弹簧水泥：无宏观缺陷水泥，水泥弹簧Roy教授采用粉末冶金法制备了高强度水泥教授采用粉末冶金法制备了高强度水泥胶空比理论：胶空比理论：胶体固体体积胶体
42、固体体积/（凝胶孔隙体积）决定水泥（凝胶孔隙体积）决定水泥石强度石强度水泥的技术性质水泥的技术性质1.密度：密度：3.1g/cm3；（岩石、砂密度：（岩石、砂密度：2.72.6g/cm3）2.细度：颗粒粗细程度。细度：颗粒粗细程度。硅酸盐水泥细度用硅酸盐水泥细度用比表面积方法比表面积方法表示；表示；其余所有水泥细度用筛分析方法表示。其余所有水泥细度用筛分析方法表示。（0.08mm方孔筛）；方孔筛）；3种方法。种方法。以负压法为准。以负压法为准。细度大、水泥强度高；细度大、水泥强度高；细度过大、水泥需水量增大，强度反下降。细度过大、水泥需水量增大，强度反下降。增加水泥细度是目前提高水泥强度的主要
43、增加水泥细度是目前提高水泥强度的主要技术措施技术措施3.标准稠度用水量标准稠度用水量稠度：浆体流动性的大小。稠度：浆体流动性的大小。paste石膏、水泥、砂浆、混凝土均有此概念石膏、水泥、砂浆、混凝土均有此概念标准稠度：标准流动性：水泥浆体沉入深标准稠度：标准流动性：水泥浆体沉入深度度标准稠度用水量标准稠度用水量标准稠度用水量大，水泥质量差。标准稠度用水量大，水泥质量差。4.凝结时间凝结时间初凝（时间）：从浆体加水拌合开始，至初步失初凝（时间）：从浆体加水拌合开始，至初步失去流动性所经历的时间；去流动性所经历的时间；终凝（时间）：从浆体加水拌合开始，至完全失终凝（时间）：从浆体加水拌合开始，至
44、完全失去流动性所经历的时间。去流动性所经历的时间。（石膏、水泥、混凝土及所有建筑材料意义相同）（石膏、水泥、混凝土及所有建筑材料意义相同）硅酸盐水泥初凝时间硅酸盐水泥初凝时间45min；不满足者为废品；不满足者为废品；硅酸盐水泥终凝时间硅酸盐水泥终凝时间390min；不满足者为不合；不满足者为不合格品。格品。5.安定性！安定性！1）水泥浆体在凝结硬化过程中，体积变化）水泥浆体在凝结硬化过程中，体积变化的整体均匀性。是否膨胀、开裂？的整体均匀性。是否膨胀、开裂？水泥浆体在凝结硬化过程中，体积均匀收水泥浆体在凝结硬化过程中，体积均匀收缩，属正常现象。缩，属正常现象。水泥浆体在凝结硬化过程中，局部产
45、生膨水泥浆体在凝结硬化过程中，局部产生膨胀、开裂胀、开裂体积安定性不良。体积安定性不良。2）原因：水泥中三种成分（之一）超量将）原因：水泥中三种成分（之一）超量将导致体积安定性不良：导致体积安定性不良：f-CaO：游离氧化钙；相当于过火石灰（石：游离氧化钙；相当于过火石灰（石灰烧成温度：灰烧成温度：9001000；水泥烧成温度：；水泥烧成温度：1450），烧成温度高，晶体密实，与水），烧成温度高，晶体密实，与水反应速度极慢，反应速度极慢，1年以上水化、产生体积膨年以上水化、产生体积膨胀令混凝土局部破坏。胀令混凝土局部破坏。f-MgO：游离氧化镁；与水反应速度更慢，：游离氧化镁；与水反应速度更慢
46、，若干年以上水化、体积膨胀令混凝土局部若干年以上水化、体积膨胀令混凝土局部破坏。破坏。SO3：三氧化硫；：三氧化硫；SO2与水泥水化产物与水泥水化产物C3AH6反应、生成钙矾石，体积膨胀。反应、生成钙矾石，体积膨胀。CaSO4+C3AH6Aft周五班周五班2010.10.15SO3过多导致水泥石腐蚀作用。过多导致水泥石腐蚀作用。Aft特点：防止水泥速凝；膨胀性；早强。特点：防止水泥速凝；膨胀性；早强。CaSO4作用作用4；水化减缓、过多导致水泥石；水化减缓、过多导致水泥石腐蚀；腐蚀；Ca(OH)233）安定性检验方法：）安定性检验方法：f-CaO：采用沸煮法：采用沸煮法：试饼法：目视观察其是否
47、开裂、变形；试饼法：目视观察其是否开裂、变形；雷氏夹：测量针尖张开幅度。雷氏夹：测量针尖张开幅度。5mm2者均可评价安定性；若有争议，以雷氏夹者均可评价安定性；若有争议，以雷氏夹试验结果为准。试验结果为准。沸煮法原理：沸煮法原理：100下下f-CaO水化速度加速，水化速度加速，其危害可测。其危害可测。f-MgO：结晶密实度高于：结晶密实度高于f-CaO，100下下水化速度不加速。水化速度不加速。在高温下（蒸压）可能加速。在高温下（蒸压）可能加速。化学分析方法控制化学分析方法控制MgO含量。含量。SO3：采用化学分析方法。：采用化学分析方法。4）处理：体积安定性不良水泥为废品。！）处理：体积安定
48、性不良水泥为废品。！硅酸盐水泥初凝时间硅酸盐水泥初凝时间45min；不满足者为；不满足者为废品；废品；6.强度强度水泥强度等级用水泥胶砂强度表示。如水泥强度等级用水泥胶砂强度表示。如PO 42.5等等水泥：水泥：ISO标准石英砂：水标准石英砂：水=1：3：0.5；600号号52542.5试件尺寸：试件尺寸：4040160mm；3条条/组；组；养护条件：养护条件：201，水中养护，水中养护3d、28d，分别，分别测试抗折强度、抗压强度。测试抗折强度、抗压强度。共共4组强度值，组强度值，按按4组强度值确定水泥强度等级。组强度值确定水泥强度等级。7.水泥水化热水泥水化热很重要，但一般不测试。对于大体
49、积混凝很重要，但一般不测试。对于大体积混凝土重要！土重要！7.水泥石的腐蚀水泥石的腐蚀水泥浆体中有水泥浆体中有Ca(OH)2、C3AH6；在外界；在外界环境下，可能产生腐蚀。环境下，可能产生腐蚀。7.1溶出性侵蚀：（软水、淡水腐蚀）：水溶出性侵蚀：（软水、淡水腐蚀）：水泥浆体中泥浆体中Ca(OH)2在流动淡水作用下，持在流动淡水作用下，持续溶解，导致水泥石结构松散、破坏。时续溶解，导致水泥石结构松散、破坏。时间长。间长。7.2镁盐腐蚀：镁盐腐蚀：Mg2+Ca(OH)2Mg(OH)2；Mg(OH)2松散、无胶结作用。松散、无胶结作用。例：海水含例：海水含Mg2+7.3硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀SO2与
50、水泥水化产物与水泥水化产物C3AH6反应，生成反应，生成钙矾石，钙矾石，AFt（水泥杆菌），体积膨胀。导（水泥杆菌），体积膨胀。导致水泥混凝土破坏。致水泥混凝土破坏。Mg SO4：双重腐蚀；：双重腐蚀；海工混凝土耐久性：海工混凝土耐久性：工程上，裂缝周边应进行化学物质的确定：工程上，裂缝周边应进行化学物质的确定：XRD分析、化学分析分析、化学分析7.4碳酸盐腐蚀：碳酸盐腐蚀：CO2+Ca(OH)2CaCO3CO2+CaCO3Ca（HCO3）2Ca（HCO3）2易溶于水易溶于水7.5一般酸的腐蚀一般酸的腐蚀所有的酸？（除了草酸）对水泥石均有腐所有的酸？（除了草酸）对水泥石均有腐蚀破坏作用。蚀破坏