1、建筑材料教案 第 1 页 共 65 页 第一章 绪 论 建筑材料是一门重要的专业基础课，对于土木工程专业的学生来说是一门必修课，对于其他专业的 学生来说是一门选修课，而对于其他工程技术人员来说，学习这门课程也是有用的。 1 建筑材料的定义及其分类 1） 定义：任何建构筑物都是用材料按一定的要求构筑而成，建筑工程中所使用的所有材料通称为 建筑材料。 知识点滴：万里成城：（体现我国古代建筑工程的高度成就，表现我国古代劳动人民的聪明才智） 总长度大约有十万里以上！所用建筑材料： 土、石、木料、砖、石灰。关外有关、城外有城，其材 料运输量之浩大、工程之艰巨世所罕见。 知识点滴：河北赵州石桥建于 130
2、0 多年前（桥长约 51m，净跨 37m） ，建造该桥的石材为青白色石灰岩。 比意大利人建石拱桥晚 400 多年,但在主拱肋与桥面间设计“敞肩拱” ，比外国早了 1200 多年。 2） 分类： 按化学组成分类 按使用功能分类 2 土木工程与材料的关系 （1）材料是保证土木工程质量的基础。 材料是构成土木工程建（构）筑物的物质基础，当然也是其质量基础。在一般土木建筑工程的总造 价中，与材料有关的费用占 50%以上 （2）在实际工程中，材料的选择、使用及管理，对工程成本影响很大。 比如广东某跨海桥，其桥面原来使用的钢纤维混凝土，使用一年以后出现了许多裂纹，后来要铲去 重新铺沥青混凝土，从而大大增加
3、了工程的造价。 （3）材料对土木建筑工程技术进步起了一个促进作用。 例如钢材及水泥的大量应用和性能改进，取代了过去的砖、石、土木，使得钢筋混凝土结构已占 领了土木工程结构材料的主导地位。现代玻璃、陶瓷、塑料、涂料等新型材料的大量应用，又把许多建 筑物装扮得绚丽多彩。 3 建筑材料的技术标准 国家标准有三大类： （1）国家标准 如 GB 175-1999 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 其中“GB”为国家标准的代号， “175”为标准编号， “1999”为标准颁布年代号， “硅酸盐水泥、普 通硅酸盐水泥”为该标准的技术（产品）名称，上述标准为强制性国家标准，任何技术（产品）不得低 于此标准。 此外，
4、以“GB/T”为推荐性国家标准代号，它表示也可以执行其他标准，是非强制性的。 建筑材料教案 第 2 页 共 65 页 （2）行业标准 如 JC/T 479-92 建筑生石灰 其中“JC”为建材行业的标准代号， “T”表示推荐标准；“479”为此类技术标准的二类类目顺序号； “92”为标准颁发年代号。 （3）地方标准（DBJ）和企业标准（QB）: 国际标准大致有以下几类： 团体标准和公司标准。指国际上有影响的团体和公司的标准。如美国材料与实验协会标准 （ASTM）等。 区域性标准。如德国工业标准(DIN)等。 国际标准化组织标准，代号 ISO。 4 建筑材料的发展趋势 最早使用的建筑材料是石材、
5、木材和泥土，后来发展为使用石灰、砖瓦等，再到后来就到钢筋混凝 土，还发展了各种新型的墙体材料等。 （1）轻质、高强； （2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能； （4）由单一材料向复合材料及制品发展； （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环保方向发展； （7）发展更多花色品种的装饰材料。 5，本课程的学习任务： 建筑材料是土木工程类专业的一门 技术基础课 。 本课程的任务是使学生具有建筑材料的基本知识,在进行建筑工程设计、施工和工程监理时能正确 认识和利用建筑材料的 物理、化学和力学性质 ，并掌握各类建筑材料所具有的 使用功能 ，也为以后相
6、关 课程的学习打下基础。 ； 第 2 章 建筑材料的基本性质 【教学重点与难点】 建筑材料教案 第 3 页 共 65 页 重点：材料的强度等力学性质。 难点：孔隙率对材料性能的影响。 第一节 材料的化学组成、结构及构造 一 材料的组成对性质的影响 1）材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着 决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。例如：钢材中的 C 元素对 钢材性质的影响. 2）材料的矿物组成是指元素组成相同，但分子团形成形式各异的现象。 例：水泥中各矿物组成不同，对强度、水化热、凝结速度等的影响也不同。 二 材料的结构
7、对性质的影响 （1）宏观结构：材料的宏观结构是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。常见的有： 1，致密结构：钢材、有色金属、玻璃、天然的致密石材和铝合金等； 2，多孔结构：加气混凝土、泡沫塑料、刨花板等； 3，微孔结构：石膏、烧土制品； 4，纤维结构：木材、玻璃纤维、矿棉等； 5，层状或片状结构：胶合板、复合木地板、纸面石膏板等； 6，散粒结构：石子、砂等； 7, 纹理构造:花岗岩、大理石等。 （2）细观结构：用光学显微镜可以观察到的微米级组织结构称为细观结构。 如混凝土中可以观察到的粗细颗粒、水泥石以及孔隙等。 （3）微观结构 用电子显微镜、X 射线衍射仪等手段来研究的原子、离子、分子层次
8、上的组成形式。 土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体三类， 不同结构的材料，各具不同特性。 晶体结构：具有强度高、硬度较大、有确定的熔点、力学性能各异的共性，建筑材料中的金属材料 何非金属材料中的石膏都是典型的晶体结构。 玻璃体微观结构的特点：是组成物质的微观粒子在空间的排列呈无序混沌状态. 胶体：是建筑材料中常见的一种微观结构形式。如水玻璃等. 第二节 材料的物理性质 一 密度 根据体积的表现形式不一样，有密度、体积密度和堆积密度三种概念。 1，密度：是指材料的在绝对密实状态下，单位体积的干质量。 建筑材料教案 第 4 页 共 65 页 计算公式：
9、 Vm 密度的测定办法： 1）测质量：烘干（烘箱）-干燥（干燥器）-称量（天平） ； 2）测体积： （a）外观规则的材料，直接用游标卡尺测量尺寸求体积，如钢材、玻璃等 （b）外观不规则的坚硬颗粒，如砂、石等，可由排水法测得； （c）可研磨的非密实材料，如砌块、石膏等，V 可采用密度瓶测定。 2，表观密度：是指材料的在自然状态下，单位体积的干质量。 计算公式： 0Vm 表观密度的测定： （1）外形规则的材料，如砖，可直接测量体积得到； （2）外形不规则的，可采用封腊排水法测定体积； 思考题：对同种物质，试比较密度和表观密度的大小？ 【例 题】 、烧结普通砖的尺寸为 240mm115mm53mm，
10、已知其孔隙率为 37%，干燥质量为 2487g，浸水 饱和后质量为 2984g。试求该砖的体积密度、密度、吸水率。 解：1）表观密度： o=m1/Vo=2487/1462.8=1.7g/cm3 孔隙率 P=V 孔 /Vo100%=37% V 孔 /1462.8100%=37% 故孔的体积：V 孔 =541.236cm3， 求密实物质的体积：V=V o-V 孔 =1462.8-541.236=921.6cm3 2）求密度：=m 1/V=2487/921.6=2.7g/cm3 3）求含水率：W=(m 2-m1)/m1100%=(2984-2487)/2487100%=20% 3，堆积密度：是指粉末
11、状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。 计算公式： 0Vm 一般采用容积筒测定容量升的大小视颗粒的大小而定，一般砂子采用 1L 的容量升，石子采用 10L，20L，30L 的容量升。 常用材料的密度、表观密度和堆积密度值参见教材 二 材料的密实度和孔隙率、填充率和空隙率 1，材料的密实度：是指材料的体积内，被固体物质充满的程度，用 D 表示， 建筑材料教案 第 5 页 共 65 页 %1010%10mVD 2，材料的孔隙率 P：是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。材料的孔隙可分为闭口孔和开口 孔。 材料内部孔隙示意 计算公式： %10)(10)(%100 VVP 3，材料的
12、填充率 D：它是指散粒状材料堆积体积中，颗粒体积所占的百分率。 101010 m 4，空隙率 P：它是指散粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率。 %10)(10)( V 三 材料与水有关的性质 1，亲水性和憎水性： 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质； 常见的憎水性材料有：沥青、石蜡和塑料等，常用做防水、防潮材料。 2，吸水性： 材料在水中吸收水分的性质，称为吸水性，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法： （1）质量吸水率： %10gbmW （2）体积吸水率： 0VWb 建筑材料教案 第 6 页 共 65 页 3，吸湿性： 材料在潮湿空气中吸收
13、水分的性质，称为吸湿性； %10gshmW 4，耐水性：材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质。 gbRfK 一般用软化系数 KR表示，K R0.85 的为耐水材料 5，抗渗性，指抵抗压力水渗透的性质。 用抗渗等级 P 表示，如 P6 表示材料的最大渗水压力为 0.6MPa; 6，抗冻性，指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏,强度也不显著下降的性质。 一般用抗冻等级 F 表示，如 F10，表示在标准试验条件下，材料强度下降不大于 25，质量损失不 大于 5，所能经受的冻融循环次数最多为 10 次。 四 材料与热量有关的性质 1， 导热性：导热性指当材料两侧有温度差
14、时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。 思考题 1：影响材料导热系数的主要因素有哪些？ 答：（1）材料的化学组成和物理结构：如金属比非金属导热系数大 （2）孔隙状况：孔隙率越大，导热系数越小； （3）含水率：受潮后导热系数较大； （4）环境的温度：温度越高，导热系数越大。 思考题 2：为什么保温隔热材料使用过程中一定要注意防潮防冻？ 答：因为空气、水和冰的导热系数依次增加，故保温材料在受潮、受冻后，导热系数可增大 100 倍左右。 2， 材料的热容量：指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。 3， 耐燃性和耐火性：材料在空气中遇火燃烧的性能称为耐燃性。 （1） 非燃烧材料：砖、天
15、然石材、混凝土、砂浆、金属材料等； （2） 难燃烧材料：石膏板、水泥石棉板等； （3） 燃烧材料：胶合板、纤维板、木材等。 第三节 材料的力学性质 一 强度、比强度和强度等级 1，强度：材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。在外力作用下，材料抵抗破坏的能 建筑材料教案 第 7 页 共 65 页 力称为强度。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度） 及抗剪强度等形式。 ()抗压 ()抗拉 ()抗折 ()抗剪 课堂例题：用直径为 10mm 的钢筋做抗拉强度实验，测得破坏时的拉力为 31.5kN,求此钢筋的抗拉强度？ 2，比强度：指材料强度与其表观
16、密度之比。 3，强度等级：强度等级是按照强度的大小进行分级； 塑性材料一般按照材料的抗拉极限强度进行分级，如钢材分为 Q195,215,235,255,275 等； 脆性材料一般按照材料的极限抗压强度进行分级的，如水泥一般分为 42.5，52.5，62.5 等 二 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。 （弹性模量的 定义） 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。 如：钢材的应力应变曲线； 三 韧性与脆性 1，脆性：材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形， 这种
17、性质称为脆性。如砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土和铸铁等； 2，韧性：材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种 性质称为韧性。如建筑钢材、木材和塑料等； 四 硬度和耐磨性 1， 硬 度 ： 是 指 材 料 表 面 抵 抗 其 他 物 体 压 入 或 刻 划 的 能 力 。 金 属 材 料 等 的 硬 度 常 用 压 入 法 测 定 ， 如 布 氏 硬 度 法 ， 是 以 单 位 压 痕 面 积 上 所 受 的 压 力 来 表 示 。 陶 瓷 等 材 料 常 用 刻 划 法 测 定 。 工 程 中 有 时 用 硬 度 来 间 接 推 算 材 料 的 强 度 ，
18、如 回 弹 法 用 于 测 定 混 凝 土 表 面 硬 度 ， 间 接 推 算 混 凝 土 强 建筑材料教案 第 8 页 共 65 页 度 。 2， 耐 磨 性 ： 是 材 料 表 面 抵 抗 磨 损 的 能 力 。 材 料 的 耐 磨 性 与 材 料 的 组 成 结 构 及 强 度 、 硬 度 有 关 。 在 土 木 工 程 中 ， 道 路 路 面 、 工 业 地 面 等 受 磨 损 的 部 位 ， 选 择 材 料 需 考 虑 其 耐 磨 性 。 第四节 材料的耐久性 材料的耐久性：材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性， 它是一种复杂的、综合的性质,包
19、括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。 作 业： 1，同种材料，如孔隙率越大，则材料的强度越 ，保温性越 ，吸水率越 。 2、软化系数表明材料的（ ） 。 A、抗渗性 B、抗冻性 C、耐水性 D、吸湿性 3、在 100g 含水率为 3%的湿砂中，其中水的质量为（ ） 。 A、3.0g B、2.5g C、3.3g D、2.9g 4，新建的房屋保暖性差，到冬季更甚，这是为什么？(提示：从导热系数的影响因素考虑.) 5、破碎的岩石试件经完全干燥后，其质量为 482g，将放入盛有水的量筒中，经一定时间石 子吸水饱和后，量筒的水面由原来的 452cm3上升至 630cm3。取出石子，擦干表面水
20、分后称 得质量为 487g。试求该岩石的表观密度、体积密度及吸水率？ 第三章第三章 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料 教学目标与要求： 掌握胶凝材料 （ cementing material） 的定义和分类； 掌握石膏的生产、硬化、技术性质与应用； 掌握石灰的生产、石灰的硬化与熟化、技术性质与应用； 了解水玻璃的应用； 重点 ：掌握石膏和石灰的技术性质及应用； 教学课时安排： 2课时 基本概念： 1、什么叫胶凝材料？ 胶凝材料是指在建筑工程中，能将散粒材料（如砂子、石子）或块状材料（如砖、石块）粘合为 一个整体的材料。 2、分类： 胶凝材料一般分为有机胶凝材料和无机胶凝材料。 无机胶凝材料：水硬性
21、和气硬性无机胶凝材料。 区别： （1）气硬性胶凝材料：只能在空气中（干燥条件下）硬化并保持和发展其强度的胶凝材料，如石 建筑材料教案 第 9 页 共 65 页 灰、石膏、水玻璃和菱苦水； （2）水硬性胶凝材料：既能在空气中（干燥条件下）硬化，又能在水中继续硬化并保持和发展其 强度的胶凝材料，如水泥； 第一节 建筑石膏 一 简介 V 石膏胶凝材料是一种理想的高效节能材料重点发展的新型材料； V 具有质轻、强度较高、绝热、防火、质地细腻美观优良的装饰材料； V 我国已经探明的天然石膏矿储量为 52 亿吨，化学石膏储量约 100 万吨以上； V 易于加工、成品多样各类石膏线； V 在美国，目前 80
22、%的住宅使用石膏板作为内墙和吊顶； V 石膏的品种很多，主要有建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥、高温煅烧石膏。 二 生产简介 化学反应方程式 三、建筑石膏的性质和技术要求 1、性质： 1)颜色为白色； 2)密度：2.62.75g/cm3; 3)孔隙率大：50%60% ； 2、等级标准： 具体参见 P21 表 3.1 建筑石膏的技术指标； 3、石膏产品的标记： 4、建筑石膏的特性 1）凝结硬化快： 在常温下一般几分钟（6 分钟）即可初凝，30 分钟内终凝； 2）微膨胀性： 石膏硬化过程中体积略有膨胀，因此，浇注成型时可以得到尺寸精确、表面光滑致密的构件，或装饰 图案； 3）孔隙率大： 轻质、隔热
23、、吸声性好；但是强度低、吸水率大； OHCaSOHCaSO22424 1不 同 条 件反 应 式 ： 建筑材料教案 第 10 页 共 65 页 4）耐水性、抗冻性差： 软化系数为 0.20.3，不宜用于室外 5）抗火性好： 建筑石膏硬化后的主要成分为 CaSO4.2H2O，遇火时，其中的结晶水脱出能吸收热量，而且生成的无水 石膏是良好的热绝缘体。 6）塑性变形大： 石膏制品有明显的塑性变形性能，因此，一般不能用于承重构件； 思考：建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？ 解： 建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性 质： （1）石膏
24、表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建 筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细 致，装饰性好； （2） 硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温 性、吸声性好。 （3） 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出 21%左右的结晶水，并能 在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。 （4）建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气 候。 (5)在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品
25、的耐水性差，且其吸水 率高，抗渗性差、抗冻性差, 所以不适用于室外使用. 工程实例分析 石膏饰条粘贴失效 现象：石膏粉拌水为一桶石膏浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰 条前后半小时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分析原因。 分析讨论：其原因有两个方面，可有针对性地解决。 建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。 可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆，即配即用。 在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者在粘结的石 膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂 3.1.5 建筑石膏的应用 石膏用途
26、 1：室内抹灰及粉刷 用途 2：装饰制品如石膏像等 用途 3：建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等.如上图的石膏板造型天花 主要有纸面石膏板、石膏空心条板、石膏装饰板、纤维石膏板等； 第二节 石 灰 石灰广泛应用于建筑工程中； 优点： （1）原材料丰富，分布广； （2）生产工艺简单，成本低. 1 生产简介： 主要原料是天然岩石（以碳酸钙为主要原料） 。常用的有石灰石，白云石等； 生产过程中形成的二种不利情况 第一种情况:生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰 建筑材料教案 第 11 页 共 65 页 中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰” 。 第二种
27、情况是由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩 明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰” 。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包 覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。 2 石灰的种类 （1）石灰按加工方法分以下四种： 块状的生石灰： 即由天然岩石原料煅烧而得到的产品 ,主要成分是 CaO； 磨细生石灰： 把块状生水灰磨细而得到的粉末材料，主要成分为 Cao 消石灰粉： 将生石灰加适量的水熟化而得到的粉末； Ca(OH)2; 消石灰浆： 加多量的水（34 倍的水）而得的浆体,主要成分为 Ca(OH
28、)2+水 （2） 石灰按氧化镁（MgO）含量分类： 钙质生石灰： 氧化镁（MgO)含量5%; 3 石灰的熟化 生石灰（CaO）加水生成 Ca(OH)2 过程，称为石灰的熟化或消解过程。 思考题 1.)工地上使用石灰时，为什么要先进行熟化处理？ 答：在建筑或抹面工程中，石灰必须先充分进行熟化后才能够使用，若有未熟化的颗粒，使用后未熟化 的颗粒将继续熟化，放出大量的热量，产生体积膨胀，使得表面凸起，开裂，或局部脱落而影响施工的 质量。故工地上使用石灰时先进行熟化处理。 2.)例某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面。数月后，墙面上出现了许多不规则的网状裂纹。同时在个 别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹
29、。试分析上述现象产生的原因 解： 引发的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。 墙面上个别部位出现凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。 这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸汽 继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。 陈伏： 为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为 石灰的“陈伏” 。 “陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。 4 石灰的硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来
30、完成的： （）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。 （）碳化作用：氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发： 5 石灰的特性 6. 石灰的应用 （1）石灰乳和石灰砂浆 2）石灰土（灰土）和三合土 建筑材料教案 第 12 页 共 65 页 （3）灰砂砖和硅酸盐制品 7. 石灰的保存 第 4 章 水泥 【教学目标与要求】 熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点， 相应的应用等。 了解其他品种（特性水泥和专用水泥）的主要性能及使用特点。 【教学重点与难点】 重点：硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点、检测方法及选用原
31、则。 难点：对硅酸盐水泥技术要求的理解。 概 述 一，课外知识： 1，波特兰水泥的发明 1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料,它制成砖 块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石,由此将这种胶凝材料命名“波特兰水泥“ Portland Cement. 自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2005年， 我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界水泥用量的1/3,水泥混凝土的总需求量也达到了50亿吨。 2，水泥基材料的发展历程： 波特兰水泥（1824年） 砂浆、混凝土 钢筋混凝土（1850年） 石棉水泥（1900年）
32、 预应 力混凝土（1929年） 外加剂混凝土（1935年） 聚合物水泥混凝土（20世纪50年代） 高强混凝土 （20世纪70年代） 高性能混凝土（20世纪90年代） 。 二、水泥的定义、分类和发展趋势 1，定义 水泥是一种 水硬性的胶凝材料 ，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能 在空气和水中硬化并保持、发展其强度。 2,分类 （1）按其组成成分分类，可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫酸盐系水泥和硫铝酸盐系水泥等。 （2）按其性能及用途可分为三类：通用水泥：用于一般土木建筑工程的水泥；专用水泥：专门用途 的水泥；特性水泥：某种性能比较突出的水泥。 （3）按掺和了的不同，
33、可分为普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥。 3，发展趋势： 1) 在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥； 2) 大力发展水泥外加剂； 3) 大力发展高标号水泥； 建筑材料教案 第 13 页 共 65 页 4.1 硅酸盐水泥 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（即国外通称的波特兰水泥） 。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称 I 型硅酸盐水泥， 代号 PI。在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质量 5石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐 水泥，代号 P。 一，硅酸盐水泥熟料的烧成 二，硅酸盐
34、水泥熟料的矿物组成及水化特性 表 4-1 硅酸盐水泥熟料矿物组成 名称 矿物成分 简称 含量（%） 密度（g/cm 3） 硅酸三钙 3CaOSiO2 C3S 3760 3.25 硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S 1537 3.28 铝酸三钙 3CaOAl2O3 C3A 715 3.04 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O 3 C4AF 1018 3.77 表 4-2 硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性 硅酸三钙 C3S 硅酸二钙 C2S 铝酸三钙 C3A 铁铝酸四钙 C4AF 水化反应速度 快 慢 最快 快 水化热 大 小 最大 中 强度 高 早期低晚期高 低 较低 耐化学侵蚀性 中 良 差
35、优 干 缩 中 小 大 小 例题 挡墙开裂与水泥的选用 现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用 1）生产原料：石灰质原 料 （如石灰岩） 、粘土质原 料 （如粘土、粘土质页岩） 和少量辅助原料（如铁 矿粉） ； 2）生产过程：两磨一烧。 建筑材料教案 第 14 页 共 65 页 某立窑水泥厂生产 42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S C2S C3A C4AF 61% 14% 14% 11% 分析讨论：由于该工程所使用的水泥 C3A 和 C3S 含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中， 混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境
36、温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂 缝。 课堂练习 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这 两厂所生产的硅酸盐水泥的硬化速度、水化热和强度有何差异？ 熟料矿物成分（）生产厂家 C3S C2S C3A C4AF 甲 56 17 12 15 乙 42 35 7 16 答: 由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热、d 时的强度均 高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配 制的硅酸盐水泥。 三，硅酸盐水泥的凝结硬化过程 水化物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。 凝结水泥加水拌
37、和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。 硬化此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石） ，这一过程称为硬化。 影响水泥凝结硬化的因素主要有：熟料矿物成分、水泥的细度、用水量、养护时间、石膏掺量、温 度和湿度和外加剂等。 思考题：简述石膏在水泥中的主要作用？ 答：石膏在水泥硬化中起缓凝剂的作用。 纯水泥熟料磨细后，与水拌和，凝结时间很短，因此不便使用，为调节水泥的凝结时间，掺入适量 （3%左右）的石膏，石膏与凝结速度最快的铝酸三钙作用，生成了难溶的水化硫酸铝钙，覆盖在铝酸三 钙的周围，阻止其继续快速水化，因而延缓了水泥的凝结时间。石膏的掺量主要取决于铝酸
38、三钙和 SO3的 含量 四，硅酸盐水泥的技术要求 1，密度、堆积密度： 在进行混凝土配合比的设计中，一般水泥密度取 3.1g/cm3,堆积密度取 1300kg/m3 2，细度：是指水泥颗粒的粗细程度。 （1）细度对水泥的影响： 细度直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度和水化热； 一般水泥颗粒限制在 7200um 范围内。 （2）细度测定的方法： 建筑材料教案 第 15 页 共 65 页 方法一：比表面积法（适合硅酸盐水泥） 以 1kg 水泥所具有的总的表面积（m2/kg)表示；（一般硅酸盐水泥300 m2/kg） 方法二：筛析法（适合其他种类水泥） 包括负压筛析法（0.045mm 筛)、水筛法(
39、0.08mm 筛)和手工干筛法(0.08mm 筛) 。 思考题 为什么水泥必须具有一定的细度？ 分析： 在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径愈小，比表面积越大， 水泥水化时与水的接触面越大，水化速度越快，水化反应越彻底。相应地水泥凝结硬化速度 就越快，早期强度和后期强度就越高。但其 28d 水化热也越大，硬化后的干燥收缩值也越大。 另外要把水泥磨得更细，也需要消耗更多的能量，造成成本提高。因此水泥应具有一定的细 度。 （3）凝结时间 初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌和时起至 标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 硅
40、酸盐水泥初凝时间不得早于 45min，终凝时间不得迟于 6h30min。 原因：初凝时间过早，下一道工序无充足的施工时间，终凝时间过迟，会拖延整个工程的施工工期； 水泥凝结时间的测定：凝结时间测定仪 【思考题】现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐 水泥，请加以鉴别（化学分析除外） 。 分析 取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放热量最大且 有大量水蒸气产生的为生石灰粉；在分钟内凝结硬化并具有一定强度的为建筑石膏； 在分钟到小时内凝结硬化的为白色水泥；加水后没有任何反应和变化的为白色石灰 石粉。 （4）体积安定性 安定性是指水泥在凝结硬化
41、过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生了不均匀的体积变 化，会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，即安定性不良。安定性不良的水泥会降低建筑物质量，甚至引起严 重事故。 引起水泥安定性不良的原因有三个：熟料中游离氧化镁过多；石膏掺量过多；熟料中游离氧 化钙过多。 测试方法可以用试饼法也可用雷氏法，本书实验部分介绍了这两种方法，有争议时以雷氏法为准。 （5）强度及强度等级 水泥强度是采用软练胶砂法测定： 该方法是由按质量计的一份水泥、三份 ISO 标准砂，用 0.5 的水灰比拌制成 40mm*40mm*160mm 的试 件，分别测定试件 3d 和 28d 的抗压强度及抗折强度，根据测定结果， 按 P
42、38 表 4.2 确定水泥的强度等 级：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。R 表示该水泥的早期强度。 例题有一组试件，用电动抗折机试验测得读数为 62N、65N、80N。求此组试件的抗折强 度？ 解： 求平均值：（62+65+80）/369(N)； 误差判断：69 的 10%为 76-62（N） ； 建筑材料教案 第 16 页 共 65 页 可见这这组试件的三个读数中 80N 超过了这个范围，应舍去，取其中 62 和 65 的平均值 63.5 代表这组试件的平均值 Q； 则，抗折强度为：R 折 0.00234P=0.0023450Q=0.117*63.5=7.4
43、(MPa) （6）碱含量 水泥中碱含量按 Na2O0.653K 2O 计算值来表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥 中碱含量不得大于 0.60%或由供需双方商定。 （7）水泥的不合格品和废品的含义： 废品：国家标准 GB175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝 时间、安定性中任一项不符合本标准规定时，均为废品。 不合格品：凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度 低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号 不全的也属于不合格品。 五，水泥石的腐蚀与防止 水泥制品在
44、一般使用条件下，具有较好的耐久性，但在某些侵蚀介质（如软水、含酸或盐的水等） 作用下，强度降低甚至造成建筑物结构破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。 （1）软水腐蚀；（2）酸性腐蚀；（3）盐类腐蚀；（4）强碱的腐蚀 4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥 一，掺混合材料的硅酸盐水泥的定义、分类 1 定义：在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料的硅酸盐水泥。 2 分类：（1）普通硅酸盐水泥；（2）矿渣硅酸盐水泥；（3）火山灰质硅酸盐水泥；（4）粉煤灰硅 酸盐水泥；（5）复合硅酸盐水泥。 水泥混合材料 粒化高炉矿渣：凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成 粒后，即为粒化高炉矿
45、渣，简称矿渣。 粉煤灰：从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰。 火山灰质混合材料：凡天然的或人工的以氧化硅、氧化铝为主要成分的矿物质材料，本身磨细加 水拌和并不硬化，但与气硬性的石灰混合后，再加水拌和，则不单能在空气中硬化，而且能在水中继续 硬化的，称为火山灰混合材料。 二、几大水泥的特性及选择 1，六大水泥的特性与选用* 六大水泥的特性，见教材 六大水泥的选用，见教材 2， 几种通用水泥的组成与技术要求 普通硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料，615混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性凝胶材料，成为普通硅酸盐 水泥（简称普通水泥）代号 PO，水泥中混合材料掺加量按质量百分比计。 与硅酸盐水泥相比
46、，早期硬化速度稍慢，其 3d 的抗压强度稍低，抗冻性与耐磨性能也稍差。在应用 性能方面，普通水泥与硅酸盐水泥也相似，广泛应用于各种混凝土或钢筋混凝土工程，是我国主要水泥 品种之一。 矿渣水泥 建筑材料教案 第 17 页 共 65 页 凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性凝胶材料称为矿渣硅酸盐水泥 （简称矿渣水泥） ，代号 PS。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为 2070。 火山灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸 盐水泥（简称火山灰水泥） 。代号 PP。水泥中火山灰质混合材料掺加量按质量百分比计为 2050
47、。 粉煤灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称 粉煤灰水泥） 。代号。水泥中粉煤灰掺加量按质量百分比计为 2040。 复合水泥 凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称 为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥） ，代号 PC。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比计应大于 15， 但不超过 50。 4.3 特性水泥和专用水泥 一，高铝水泥 以铝酸钙为主、氧化铝含量约 50%的熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为高铝水泥。 高铝水泥的特点：（1）强度发展非常迅速，24h 内几乎可达到最高强度，标号以 3d
48、抗压强度来表示。 该水泥分 425、525、625、725 四个标号。其 28d 强度不得低于 3d 强度指标。 （2）是在低温（510） 也能很好硬化，而在高温（30）养护时强度剧烈下降。因此高铝水泥使用温度不得超过 30，更不宜 采用蒸汽养护。 高铝水泥抗硫酸盐性能好，对碳酸和稀酸（pH 不小于 4）也有很好的稳定性，但对浓酸和浓碱的耐 蚀性不好。目前高铝水泥主要用于配制膨胀水泥、自应力水泥和耐热混凝土。 二，快硬硫铝酸盐水泥 以适当的生料烧至部分熔融，得到以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量的 石膏磨细的具有早期强度高的特点的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥。 强度
49、发展很快，早期强度高，且结构致密，孔隙率小，抗渗性高，水化产物中 Ca(OH)2的含量少，抗 硫酸盐侵蚀能力强。因此快硬硫铝酸盐水泥主要用于配制早强、抗渗、抗硫酸盐侵蚀的混凝土工程。可 用于冬季施工、抢修、堵漏等工程。 三， 道路硅酸盐水泥 由较高铁铝酸钙含量的硅酸盐道路水泥熟料，010%活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝 材料，称为道路硅酸盐水泥，简称道路水泥。 对道路水泥（Portland cement for road）的性能要求是：耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击 性好，有高的抗折强度和良好的耐久性。 四， 其它水泥 除上述水泥外，还有快硬硅酸盐水泥、抗硫 酸盐硅酸盐水泥、膨胀铁铝酸盐水泥、自应力水泥、中 热硅酸盐水泥、低
