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建筑材料教案
建筑材料
绪论
●建筑材料的定义:
早在远古,人类就直接使用天然资源作为建筑材料,如块石、泥土、树枝和树叶以及将它们简单加工的材料如夯土、草泥等;
而将天然资源进行不同程度深加工,生产出来的建筑材料,也就成为古代与现代人类建造各种类型建筑物的基础
●一、定义
●建筑材料是用于土木建筑结构物的所有材料的总称。
●二、分类
黑色金属:
钢
金属材料
有色金属:
铜、铝、锌
无机材料:
砖、玻璃、水泥、石灰
沥青:
煤沥青、石油沥青
非金属材料
植物:
木材、竹材
合成高分子:
塑料、合成橡胶、涂料
有机与无机非金属结合:
聚合物砼
复合材料
金属与有机材料结合:
PVC钢板
●
(2)材料决定了建筑结构的设计方法;
●(3)必须恰当选择和合理使用原材料
●材料质量的优劣,配制是否合理,选用是否恰当直接影响建筑工程质量
●
●(4)材料决定了施工的方法;
●例:
水泥混凝土的特点是抗压强度高、抗拉强度低;
●因此,水泥混凝土只适合设计为耐压构件;
四.建筑材料课程的作用、任务和学习方法
1.作用
1.1为后续课程的学习提供必要的知识
1.2为今后从事专业技术工作时,合理选择和使用建筑材料打下基础
2.任务
2.1了解材料在建筑物上所起的作用和要求
2.2了解常用材料的生产、成分和构造
2.3掌握常用材料的技术性质,以及影响材料性质的主要因素及其相互关系
第1章
土木工程材料的基本性质
第1章土木工程材料的基本性质
●1.1材料的物理性质(physicalproperties)
●1.1.1材料的密度、表观密度与堆积密度
●
(1)密度(density)
●近似密度(视密度)(apparentdensity)
●
(2)表观密度(apparentdensity)
●(3)堆积密度(散粒体)(bulkdensity)(forparticles)
●压实密度(compacteddensity)
密实材料,如金属材料、花岗岩等
材料的内部有许多孔隙
孔隙材料,如砖头、混凝土、木材等
堆积材料颗粒的内部有许多孔隙
堆积材料颗粒之间存在许多空隙
内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起,如石子、砂砾等
第1章土木工程材料的基本性质
●1.1.2材料的密实度与孔隙率
●
(1)密实度(density)
●
(2)孔隙率(porosity)
●1.1.3材料的填充率与空隙率(散粒体)
●
(1)填充率(fillingratio)
●
(2)空隙率(voidsratio,voidcontent,voidvolume)
●1.1.4材料与水有关的性质
●
(1)材料的亲水性与憎水性
●亲水性(被水润湿θ90°)(hydrophilicnature)
●憎水性(润湿角θ>90°)(hydrophobicnature)
●
(2)材料的吸水性与吸湿性
●吸水性(waterabsorptivity)
●吸水率(waterabsorption)
●吸湿性(hydroscopicnature)
●含水率(moisturecontent)
●(3)材料的耐水性(抗水性)(waterresistance)
●软化系数(softeningcoefficient)
●1.1.5材料的抗冻性与抗渗性
●
(1)抗冻性(frostresistance)
●水结冰时体积约增大9%,从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。
●冻融循环(freezingandthawingcircle)
●抗冻等级(grade)D15(Dong)→F15(Freeze)
●
(2)抗渗性(impermeability)
●渗透系数(coefficientofpermeability)
●抗渗等级S(Shen)→P(Permeate)
材料的抗冻性
由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂,内部产生裂纹。
1.材料的内部一般都充满着孔隙,
2.如果浸入水中,孔隙中便会吸水
4.气温上升,孔隙中的冰会逐渐融化
3.气温下降,孔隙中的水会结冰并膨胀
5.经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥,材料的内部逐渐出现裂缝,表面会逐渐脱落,使材料的强度逐渐损失,质量变小。
6.材料的质量损失>5%,强度损失>25%时,冻融的循环次数为材料的抗冻等级
第1章土木工程材料的基本性质
●1.2材料的基本力学性质
●1.2.1材料的强度(strength)
●
(1)材料的抗压、抗拉及抗剪强度
●
(2)材料的抗弯强度
●表1.3常用材料的强度/MPa
●1.2.2材料的弹性与塑性
●1.2.3材料的脆性与韧性
第1章土木工程材料的基本性质
●1.3材料的热工、声学性质及材料的耐久性
●1.3.1材料的热工性质
●
(1)材料的导热性(thermalconductivity)
●导热系数
●影响材料导热系数的主要因素
●①材料的表观密度
●②孔隙大小与构造
●③湿度
●④温度
●⑤热流方向
●
(2)材料的热容量(heatcapacity)
●比热容
●(3)耐燃性(防失火)(flameresistance)
●建筑物失火时,材料能经受高温与火的作用不破坏,强度不严重下降的性能。
●材料根据耐燃性可分为三大类:
●1)不燃烧类,如石材、混凝土、砖、石棉等;
●2)难燃烧类,如沥青混凝土、经防火处理的木材等;
●3)燃烧类,如木材、沥青等。
●(4)耐火性(耐高温)(耐热性)(fireresistance)
●材料在长期高温作用下,保持不熔性并能工作的性能。
●按耐火性高低可将材料分为以下3类:
●1)耐火材料,耐火度>15800C,如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等;
●2)难熔材料,耐火度13500C~15800C,如难熔粘土砖、耐火混凝土等;
●3)易熔材料,耐火度<13500C,如普通粘土砖。
●1.3.2材料的声学性质
●
(1)吸声性(soundabsorption)
●吸声系数(sound-absorptioncoefficient)
●
(2)隔声性(soundinsulation)
●隔声与吸声不同
●隔声量(R)
●1.3.3材料的耐久性(durability)
●作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面:
●
(1)物理作用,如干湿、冷热、冻融变化等;
●
(2)化学作用,如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。
●(3)生物作用,如虫蛀、腐朽。
●1.4材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响
●1.4.1材料的组成
●
(1)化学组成(chemicalcomposition)
●
(2)矿物组成(mineralcomposition)
●(3)相组成(phases)
●1.4.2材料的结构和构造(structure&constitution)
●
(1)宏观结构(>10-3mm的尺度,macro-structure)
●按孔隙特征可分为:
●1)致密结构
●2)多孔结构
●3)微孔结构
●按存在状态或构造特征分为:
●1)堆聚结构
●2)纤维结构-
●3)层状结构
●4)散粒结构
●
(2)细观结构(亚微观结构)(10-3~10-6mm尺度,submicro-)
●金属材料的金相组织
●木材的木纤维
●(3)微观结构(10-6~10-10mm原子、分子尺度,micro-structure)
●1)晶体(crystal)
●①原子晶体(atomiccrystal)
●②离子晶体(ioniccrystal)
●③分子晶体(molecularcrystal)
●④金属晶体(metalcrystal)
●2)玻璃体(glass)
3)胶体(gel)
材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。
按下式计算:
式中:
ρ——密度,g/cm3;
m——材料在干燥状态的质量,g;
V——材料的绝对密实体积,cm3。
材料在自然状态下,单位体积的质量。
按下式计算:
式中:
ρ0——表观密度,kg/m3;
m——材料的质量,kg;
V0——材料在自然状态下的外形体积,m3。
材料为散粒或粉状,如砂、石子、水泥等,在堆积状态下,单位体积的质量。
按下式计算:
式中:
——材料的堆积密度,kg/m3;
m——材料的质量,kg;
——材料的自然(松散)堆积体积(包括材料颗粒体积和颗粒之间空隙的体积),m3。
材料体积内被固体物质充实的程度。
按下式计算:
材料体积内,孔隙体积所占的比例。
按下式计算:
即:
D+P=1或密实度+孔隙率=1。
材料的填充率
散粒材料堆积体积中,颗粒填充的程度。
按下式计算:
散粒材料堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。
用下式计算:
即:
D’+P’=1或填充率+空隙率=1。
材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质,用吸水率表示,即
式中:
Wm——材料质量吸水率,%;
m——材料干燥状态下质量,g;
m1——材料吸水饱和状态下质量,g。
材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力,用含水率表示,即
式中:
W含——材料质量吸水率,%;
m含——材料含水时的质量,g;
m——材料干燥状态下的质量,g。
材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性,用软化系数表示,即
式中:
KP——材料的软化系数;
fw——材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa;
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性,用渗透系数表示,即
式中:
K——渗透系数,cm/h;
Q——透水量,cm3;
d——试件厚度,cm;
A——透水面积,cm2;
t——渗水时间,h;
H——静水压力水头,cm。
材料的抗渗等级
P=10H-1
式中:
P——抗渗等级;
H——试件开始渗水时的水压力,MPa。
S(Shen)→P(Permeate)
材料的抗压、抗拉及抗剪强度(compressive,tensileandshearstrength)
材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算:
式中:
f——材料的强度,MPa;
Fmax——破坏时最大荷载,N;
A——受力截面面积,mm2。
1)二分法。
将条形试件放在两支点上,中间作用一集中荷载,对矩形截面试件,则抗弯强度按下式计算:
2)三分法。
在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载,则抗弯强度按下式计算:
式中:
fm——抗弯强度,MPa;
Fmax——弯曲破坏时最大荷载,N;
b、h——试件横截面的宽及高,mm;
L——两支点间的距离,mm。
●弹性:
材料在外力作用下产生变形,当取消外力后,变形能完全消失的性质。
(elasticity)
●塑性:
材料在外力作用下产生变形,当取消外力后,仍保持变形后的形状,并不产生裂缝的性质。
(plasticity)
●脆性:
材料在外力作用下,当外力达到一定限度后,材料突然破坏,而破坏时无明显的塑性变形的性质。
(brittleness,fragility)
●韧性:
材料在冲击、震动荷载作用下,能够吸收较大的能量,同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。
(fracturetoughness)
材料传导热量的性质称为导热性,以导热系数表示,即
式中:
λ——导热系数,W/(m·K);
Q——总传热量,J;
a——材料厚度,m;
A——热传导面积,m2;
t——热传导时间,h;
T2—T1——材料两面温度差,K。
材料受热(或冷却)时吸收(或放出)热量的性质称为材料的热容量,用比热容表示,即
式中:
C——材料比热容,J/(g·K)
Q——材料吸收或放出的热量,J;
m——材料的质量,g;
T2—T1——材料受热或冷却前后温差,K。
声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性,评定材料的吸声性能好坏的主要指标称为吸声系数(α),即
式中:
E——材料吸收的声能;
E0——入射到材料表面的全部声能。
材料的吸声特性与声波的方向、频率,以及材料的表观密度、孔隙构造、厚度等有关。
化学组成
●指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。
如水泥化学组成:
●SiO220~24%
●CaO62~67%
●Fe2O32.5~6.0%
●AL2O34~7%
●MgO<5%
矿物组成
●将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。
矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。
如水泥的矿物组成:
●3CaO.SiO237~60%
●2CaO.SiO215~37%
●3CaO.AL2O37~15%
●4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%
相组成
●材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。
自然界中的物质可分为气相、液相和固相。
建筑材料大多数是复合相。
第2章天然石材
前言
石材可分为天然石材和人造石材两大类;
天然石材指的是大理石、花岗岩、文化石、石灰岩和板岩等经锯切,抛光等物理方法加工而成的石质建筑材料,包括块料、板料和磨光的饰面板材;不包括用于骨料或人造石料的碎石或石粉。
人造石材是近年来发展起来的一种仿天然石材的新型复合材料,它以不饱和聚酯树脂为粘结剂配以天然大理石或方解石、白云石、硅砂、玻璃粉等无机物粉料,以及适量的阻燃剂,颜色等,经配料混合、瓷铸、振动压缩、挤压等方法成型固化制成的。
石材优点及应用:
有着自然花纹和美丽色彩的石材,为室内设计师提供了广阔的创作元素,在家庭装修中越来越多的人希望在局部使用一些天然石材来增加朴拙的味道。
优质的天然石材,应该是板材切割边整齐无缺角,面光洁、亮度高,用手摸没有粗糙感。
石材应用的其他注意事项:
(1)天然石材自重大,加工困难,开采与运输都不方便;
(2)石材装饰用品进入家庭,更多的是制成各类家具的台面,这就要考虑到污染问题,因而要选择颜色深一些的石材,像绿、蓝、红色系列的大理石、花岗石均可,大理石中那些带有大花纹的品种,装饰效果会更好些。
厨房的操作台面如需用石材,应选择厚板25毫米的,最好使用花岗岩。
因为花岗岩在厨房过多的酸、碱环境中,能经久耐用又不失光彩,并有相当高的强度。
第2章天然石材
●2.1岩石的组成与分类
●2.1.1岩石的组成
●岩石是由矿物组成的,土木工程材料中最常见的造岩矿物有石英(quartz)、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、菱镁矿、石膏(gypsum)等。
●单矿岩:
如白色大理石,由方解石或白云石组成
●多矿岩:
如花岗岩,由长石、石英、云母及暗色矿物组成
●造岩矿物矿物是地壳中的化学元素在一定的地质条件下形成的具有一定化学成分和一定结构特征的天然化合物和单质的总称。
岩石是矿物的集合体,组成天然岩石的矿物称为造岩矿物。
●常用岩石的主要造岩矿物
●
(1)石英是结晶的二氧化硅(SiO2),无色透明,最坚硬、稳定的矿物之一,但不耐火,是许多岩石的造岩矿物。
(2)长石:
地壳中最常见的矿物就是长石,甚至在月球上和陨石中也常见到它们。
它是钾、钠、钙等的铝硅酸盐一类矿物的总称。
有白、浅灰、桃红、红、青、暗灰等色,稳定性不及石英,风化为高岭土,是岩浆岩最重要的造岩矿物。
长石是陶瓷和玻璃工业的原料。
有的长石具有美丽的变彩或晕色,可被用作宝石的材料。
(3)云母无色透明至黑色,是含水的钾、铁、镁的铝硅酸盐片状晶体,易分裂成薄片,影响岩石的耐久性、强度和开光性,白云母较黑云母耐久。
工业上主要利用它的绝缘性和耐热性,以及抗酸、抗碱性、抗压和剥分性,用作电气设备和电工器材的绝缘材料;其次用于制造蒸汽锅炉、冶炼炉的炉窗和机械上的零件。
云母碎和云母粉可以加工成云母纸,也可代替云母片制造各种成本低廉、厚度均匀的绝缘材料。
(4)角闪石、辉石、橄榄石是铁、镁、钙等硅酸盐的晶体,是常见的硅酸盐矿物,均为火成岩和变质岩的主要造岩矿物。
橄榄石
闪石
辉石
(5)方解石(6)白云石(7)黄铁矿
●岩石的结构 岩石的结构是指岩石的原子、分子、离子层次的微观构成形式。
岩石的结构主要有:
结晶质结构(较高的强度、硬度、韧性、耐久性,化学性质较稳定)、玻璃质结构(较强的脆性,韧性较差,化学性质较活泼)。
●岩石的构造 岩石的构造是指宏观可分辨(用放大镜或肉眼)的岩石构成形式
●致密状(花岗岩、大理岩)、
●多孔状(浮石、粘土质砂岩)、
●片状(版岩、片麻岩)、
●斑状、砾状(辉长岩、花岗岩)。
2.1.2岩石的分类(根据生成条件,按地质分类法)
(1)岩浆岩(火成岩,由地壳内部熔融岩浆上升冷却而成,又称岩浆岩,是地壳中主要的岩石,主要分以下三种:
占地壳总量的89%.
(1)深成岩:
岩浆在地下深处(>3000米)缓慢冷却、凝固而生成的全晶质粗粒岩石,如花岗岩、闪长岩、辉长岩等。
特点:
矿物全部结晶且晶粒较粗,呈块状结构,构造致密;具有抗压强度高,吸水率小,表观密度大,抗冻性、耐磨性、耐水性好。
(2)喷出岩:
岩浆沿构造裂隙上升,由火山通道喷出或溢出地表后冷凝而形成的岩石。
如玄武岩、安山岩、流纹岩等
特点:
大部分结晶不完全,多呈细小结晶(隐晶质)或玻璃质结构。
(3)火山岩:
喷发时喷出的岩浆冷凝而成的矿物岩石
特点:
表观密度小,呈多孔玻璃质结构。
(2)沉积岩(水成岩)
是在地表不太深的地方,将其他岩石的风化产物和一些火山喷发物,经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。
在地球地表,有70%的岩石是沉积岩是地表分布最广的一种岩石。
●种类:
●①机械沉积岩:
砂岩、页岩、砾岩
●②化学沉积岩:
石膏岩、菱镁矿
●③生物沉积岩:
石灰岩(占地壳总量的5%,达地壳表面积的75%)、白垩、硅藻土
●特点:
与岩浆岩比较,沉积岩表观密度小,密实度差,吸水率较大,强度较低,耐久性较差。
●
3变质岩—原生的火成岩或沉积岩经过地质上的变质作用而形成的岩石。
种类:
大理岩、石英岩、片麻岩
在地层的温度或压力作用下,原岩石在固体状态发生变质作用而形成新的岩石。
如石灰岩变质形成大理岩;砂岩变质形成石英岩;花岗岩变质形成片麻岩。
特点:
不仅是岩石的结构和构造发生改变,甚至生成新的矿物,性能有很大变化。
一大理石
大理石原指产于云南省大理的白色带有黑色花纹的石灰岩,剖面可以形成一幅天然的水墨山水画,古代常选取具有成型的花纹的大理石用来制作画屏或镶嵌画,后来大理石这个名称逐渐发展成称呼一切有各种颜色花纹的,用来做建筑装饰材料的石灰岩,白色大理石一般称为汉白玉。
大理石主要用于加工成各种形材、板材,作建筑物的墙面、地面、台、柱,还常用于纪念性建筑物如碑、塔、雕像等的材料。
大理石还可以雕刻成工艺美术品、文具、灯具、器皿等实用艺术品。
大理石的质感柔和美观庄重,格调高雅,花色繁多,是装饰豪华建筑的理想材料,也是艺术雕刻的传统材料。
幻灯片40
我国所产大理石依其抛光面的基本颜色,大致可分为白、黄、绿、灰、红、咖啡、黑色七个系列。
大理石有美丽的颜色、花纹,有较高的抗压强度和良好的物理化学性能,资源分布广泛,易于加工,随着经济的发展,大理石应用范围不断扩大,用量越来越大,在人们生活中起着重要作用。
特别是近10几年来大理石的大规模开采、工业化加工、国际性贸易,使大理石装饰板材大批量地进入建筑装饰装修业,不仅用于豪华的公共建筑物,也进入了家庭的装饰。
大理石还大量用于制造精美的用具,如家具、灯具、烟具及艺术雕刻等。
有些大理石(包括石灰岩、白云岩、大理岩等)还可以作耐碱材料。
在大理石开采、加工过程中产生的碎石、边角余料也常用于人造石、水磨石、石米、石粉的生产,可用于涂料、塑料、橡胶等行业的填料。
大理石之石材特点:
1.不变形,硬度高,耐磨性强。
2.抗磨蚀,耐高温,免维护。
3.物理性稳定,组织缜密,受撞击晶粒脱落,表面不起毛边,不影响其平面精度,材质稳定,能够保证长期不变形,线膨胀系数小,机械精度高,防锈、防磁、绝缘。
4.由于大理石为碱性岩石,抗风化性能和耐酸性能较差,因此,一般不宜不用于建筑物的外墙面、其他露天部位的室外装饰以及与酸有接触的地面装饰工程,否则受酸侵蚀会失去光泽,甚至有起粉、出现斑点等现象,影响装饰效果。
二、花岗岩
花岗岩是一种岩浆在地表以下凝却形成的火成岩,主要成分是长石和石英。
“花”形容这种岩石有美丽的斑纹,“刚或岗”则表示这种岩石很坚硬,也就是有着花般斑纹的刚硬岩石的意思。
花岗岩质地坚硬,难被酸碱或风化作用侵蚀,常被用于建筑物的材料。
花岗岩以其硬度高、耐磨损、耐腐蚀、具有装饰性为特点,在建筑业、建筑装饰业倍受欢迎。
高级建筑物使用花岗岩作室内外装饰,在世界上已成一种时尚。
花岗岩不仅可以使建筑物美观、耐用,而且已成为可以大宗出口换汇的商品。
在中国花岗岩建筑板材已经连续多年成为建材行业出口换汇最多的商品。
1、天然花岗石板材的分类
按形状:
分为普型板(标记为N)、圆弧板(标记为HM)和异型板(标记为S),普型板、圆弧板以外的其他形状的板材)。
按表面平整加工程度:
可分为细面板(标记为RB)、镜面板(标记为PL)、粗面板(标记为RU)三类。
2、天然花岗石板材的等级
按规格尺寸偏差、平面度公差、角度公差、外观质量分为优等品(A)、一等品(B)、合格品(C)三个等级。
幻灯片58
3、花岗岩的命名与标记 天然花岗石板材的命名和标记方法所作的规定是:
命名顺序:
荒料产地地名、花纹色彩特征描述、花岗石
4、花色比较好的花岗岩举例:
花岗岩岩体在我国约占国土面积的9%,达80多万平方公里,尤其是东南地区,大面积裸露各类花岗岩体,可见其储量之大。
根据不完全统计,花岗岩石约有300多种。
其中花色比较好的列举如下:
6、天然花岗石板材的贮存和应用
储存:
保护板面,严禁搬运时滚碾、碰撞;尽可能在室内贮存;堆码要求与天然大理石板材相同。
应用:
花岗石自古就是优良的建筑石材,不易风化,外观色泽可保持百年以上,有“千年石烂”之美称。
造价较高,属于高级装饰材料。
主要应用于大型公共建筑或装饰等级要求较高的室内外装饰工程。
常用于室内外地面、墙面、柱面、勒脚、基座、台阶,特别适宜做大型公共建筑大厅的地面。
●2.2.2石材的加工类型
●
(1)砌筑用石材
●1)毛石(rubble)
●①乱毛石
●②平毛石
●2)料石(squaredstone)
●①毛料石
●②粗料石
●③半细料石
●④细料石
●
(2)板材
●(3)颗粒状石料
●①碎石
●②卵石
●③石渣
●2.2.3石材的选用
●选用原则:
适用性、经济性、色彩
●承重用的石材
●围护结构用的石材
●地面、台阶
●装饰等
●2.3石材的技术性质
●2.3.1物理性质
●
(1)表观密度
●
(2)吸水性
●(3)耐水性(抗水性)
●(4)抗冻性
●(5)耐热性
●(6)导热性
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