建筑材料

第一章绪言

1.1土木工程材料的分类

⒈按材料的化学成分分类：

⑴无机材料。①金属材料。钢、铁、铝等。

            ②非金属材料。石、玻璃、水泥、混凝土等。

            ③金属-非金属复合材料。钢筋混凝土等。

⑵有机材料。木材、石油沥青、塑料等。

⑶有机-无机复合材料。①无机非金属-有机复合材料。

                     ②金属-有机复合材料。

⒉按功能分类;

⑴结构材料—主要作用承重的材料，如梁、板、柱所用材料。

⑵功能材料—主要利用材料的某些特殊功能，如用于防水、保温、装饰等的材料。

1.2材料的基本状态参数

1.2.1材料的密度、表观密度和堆积密度

1.2.1.1密度

材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为密度。ρ=m/V。

ρ—材料的密度，g/cm²；

m—材料在干燥状态下的质量，g；

V—材料在绝对密实状态下的体积，cm³。

绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。

常用的土木工程材料中，除了钢、玻璃、沥青等认为不含孔隙外，绝大多数都含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简单方法，是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法测得的粉末体积，即为绝对密实体积。一般要求细粉的粒径至少小于0.20mm。

1.2.1.2表观密度

材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度。ρ_o=m／V_o。

ρ_o—材料的表观密度，kg/m³；

m—材料的质量，kg；

V_o—材料在自然状态下的体积，m³。

所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。测定材料自然状态下的体积，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算。若外观形状不规则，可用排液法求得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值，应在材料表面涂蜡。

1.2.1.3堆积密度

散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量，称为堆积密度。ρ_o′=m∕V_o′。

ρ_o′——散粒材料的堆积密度，kg∕m³；

m—散粒材料的质量，kg；

V_o′—散粒材料的自然堆积体积，m³。

散粒材料堆积状态下的外观体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积。散粒材料的堆积体积，常用其所填充满的容器的标定容积来表示。

1.2.2材料的孔隙和空隙

1.2.2.1材料的孔隙

孔隙从两个方面对材料产生影响：①孔隙的多少②孔隙的特征

材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表征。

孔隙率是材料内部孔隙体积V_P占材料总体积V_O的百分率。孔隙率p=（V_O-V）∕V_O *100%.

与孔隙率相对应的是密实度，即材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率。密实度D=V∕V_O *100% =ρ_o∕ρ *100% =1-ρ

材料的孔隙特征。⑴按孔隙尺寸的大小。分为微孔、细孔和大孔。⑵按孔隙之间是否相互贯通。分为孤立孔和连通孔。⑶按孔隙与外界之间是否连通。分为开口孔和封闭孔。

1.2.2.2材料的空隙

散粒材料颗粒间的空隙体积V_S占堆积体积的百分率。空隙率  p′=（V_O′-V_o）∕V_o′*100% =（1-ρ_o′∕ρ_o）*100%

与空隙率相对应的是填充率，即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。填充率D′=V_o∕V_o′*100% =ρ_o′∕ρ_o *100% =1-ρ′

1.3材料的力学性质

1.3.1强度与比强度

材料的抗拉、抗压、抗剪强度，可用下式计算：f=P∕A 。式中 f—抗拉（或抗压或抗剪）强度，MPa；

   P—材料破坏时的最大荷载，N；

   A—受力面面积，mm²。

材料的抗弯强度计算。一种是试件在二支点的中间受一集中荷载作用，公式为：f_f=3PL∕2bh²。

式中f_f—抗弯强度，MPa；

     P—试件破坏时的最大荷载，N；

     L—二支点之间的距离，mm；

     b，h—试件截面的宽度和高度，mm。

另一种是在试件两支点的三分点处作用两个相等的集中荷载，公式为：f_f=PL∕bh²。

影响材料强度的因素，除了材料的组成外，材料的孔隙率增加，强度将降低；材料的含水率增加，温度升高，一般强度也会降低；另外，试件尺寸大的比小的强度低，加荷速度较慢或表面不平等因素均会使强度值偏低。

承重的结构材料，除了承受外荷载力，尚需承受自身重力。因此不同强度材料的比较，可采用比强度指标。比强度是指单位体积质量的材料强度，它等于材料的强度与其表观密度之比。它是衡量材料是否轻质、高强的指标。

1.3.2材料的弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。这种可恢复的变形称弹性变形。

材料在外力作用下产生变形，若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性。此种不可恢复的变形称为塑性变形。

1.3.3脆性和韧性

材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性。

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，称为韧性。

1.4材料与水有关的性质

1.4.1材料的亲水性与憎水性

图中材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角。当θ≤90º时，材料能被水润湿而表现出亲水性；当θ>90º时，材料不能被水润湿而表现出憎水性。θ=0时，材料完全被水润湿。

1.4.3材料的吸湿性和吸水性

⑴吸湿性

亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性。

材料的吸湿性用含水率表示：含水率W_h=（m_s-m_g）∕m_g *100% 。式中  W_h—材料含水率，%；

m_s—材料吸湿状态下的质量，g；

m_g—材料干燥状态下的质量，g。

材料的开口微孔越多，吸湿性越强。

⑵吸水性

材料在水中吸水的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。

①质量吸水率W_m=(m_b-m_g)∕m_g *100%

式中 W_m—材料的质量吸水率，%；

          m_b—材料吸水饱和时的质量，g；

          m_g—材料在干燥状态下的质量，g。

②体积吸水率W_v=(m_b-m_g)∕v_o  *  1∕ρ_w  *100% 

式中  ρ_w—水在常温下的密度（ρ_w=1g∕cm³）；

      v_o—干燥材料在自然状态下的体积，cm³。

质量吸水率和体积吸水率两者存在以下关系：W_v=W_m*ρ_o     式中ρ_o—材料干燥状态时的表观密度，g∕cm³。

影响吸水性的因素：亲憎水性、孔隙大小、孔隙特征。

开口细微连通孔越多，吸水量越大。

1.4.4耐水性

耐水性是指材料长期在水作用下不破坏，强度也不明显下降的性质。耐水性用软化系数表示。K_R=f_b∕f_g

式中  K_R—材料的软化系数；

      f_b—材料在饱和吸水状态下的抗压强度，MPa;

      f_g—材料在干燥状态下的抗压强度，MPa.

一般材料吸水后，强度均会有所降低，强度降低越多，软化系数越小，说明材料的耐水性越差。工程中将K_R>0.85的材料，称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，所用原材料必须保证K_R>0.85，用于受潮较轻或次要结构的材料，其值也不宜小于0.75.

1.4.5抗渗性

材料的抗渗性，是指其抵抗压力水渗透的性质，材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级表示。

1.4.6抗冻性

抗冻性是指材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。材料的抗冻性常用抗冻等级F表示。

1.5材料的热性质

材料的热性质主要包括热容性、导热性和热变形性。

1.6材料的耐久性

材料的耐久性，是指用于构筑物的材料在环境的各种因素的影响下，能长久地保持其性能的性质。影响因素有物理作用、化学作用、机械作用、生物作用。

第二章 气硬性胶凝材料

建筑上用来将砂子、石子、砖、石块、砌块等散粒材料或块状材料粘结为整体的材料，称为胶凝材料。

胶凝材料分为有机胶凝材料和无机胶凝材料。

无机胶凝材料则按硬化条件不同，分为气硬性和水硬性两种。气硬性胶凝材料是只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，只适用于地上或干燥环境，如石膏、石灰、水玻璃等。水硬性胶凝材料是不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，并保持和继续发展其强度的胶凝材料，如各种水泥。

2.1石灰

2.1.1石灰的特性

⑴可塑性和保水性好。

⑵生石灰（CaO）水化时水化热大，体积增大。

生石灰加水进行水化的过程，称为石灰的熟化或消化。生石灰熟化时放出大量的热，且体积增大1.0~2.5倍。

       生石灰常含有过火石灰，水化极慢，当石灰变硬后才开始熟化，产生体积膨胀，引起已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过火石灰的危害，需将石灰浆至于消化池中2~3周，即所谓陈伏。陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水，隔绝空气，防止Ca(OH)₂和CO₂发生碳化反应。

⑶硬化缓慢。

石灰水化后的逐渐凝结硬化，主要包括两个同时进行的过程：①结晶过程，②碳化过程。

⑷硬化时体积收缩大。

⑸硬化后强度低。

⑹耐水性差。

2.1.2石灰的应用

⑴制作石灰乳涂料。

⑵配制砂浆。石灰浆和消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成砂浆，前者简称石灰砂浆，后者称混合砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。为了克服石灰浆收缩性大的缺点，配制时常要加入纸筋等纤维质材料。

⑶拌制石灰土和石灰三合土。消石灰粉与粘土拌合，称为灰土，若再加入砂（或碎石、炉渣等）即成三合土。灰土和三合土在夯实或压实下，密实度大大提高，而且在潮湿的环境下，粘土的抗渗能力、抗压强度耐水性得到改善。三合土和灰土主要用于建筑物基础、路面和地面的垫层。

2.2石膏

石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。

建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。

由于建筑石膏粉易吸潮，会影响其以后使用时的凝结硬化性能和强度，长期储存也会降低强度，因此建筑石膏粉贮藏运输时必须防潮，储存时间不得过长，一般不得超过三个月。

2.2.1建筑石膏的特性

⑴凝结硬化快。经过初凝、终凝，最终硬化。建筑石膏凝结硬化过程很快，其终凝时间不超过30min，在室内自然干燥的条件下，一星期左右完全硬化，所以根据实际需要，往往加入适量缓凝剂。

⑵硬化时体积微膨胀。石灰和水泥等胶凝材料硬化时往往产生收缩，而建筑石膏却略有膨胀（膨胀率为0.05%~0.15%），这能使石膏制品表面光滑饱满，棱角清晰，干燥时不开裂。

⑶硬化后孔隙率较大，表观密度和强度降低。建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，加入的水量往往比水化所需的水分多，石膏凝结后，多余水分蒸发，在石膏硬化体内留下大量孔隙（孔隙率高达50%~60%），故表观密度小，强度低。

⑷隔热、吸声性良好。石膏硬化体孔隙率高，且均为细微的毛细孔，故导热系数小，具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，尤其是表面微孔使声音传导或反射的能力也显著下降，从而具有较强的吸声能力。

⑸防火性能良好。遇火时石膏硬化后主要成分里的结晶水蒸发并吸收热量，制品表面形成蒸汽幕，能有效阻止火势蔓延。

⑹具有一定的调温调湿性。

⑺耐水性和抗冻性差。

⑻加工性能好。

2.3水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，以硅酸钠水玻璃最为常用。

水玻璃具有良好的粘结性能。水玻璃的模数越大，胶体组分越多，越难溶于水，粘结能力越强。在水玻璃溶液中加入少量添加剂，如尿素，可以不改变粘度而提高粘结能力。工程中常用的水玻璃模数为2.6~2.8，密度为1.3~1.4g∕cm³。

水玻璃中总固体含量增多，则冰点降低，性能变脆。冻结后的水玻璃溶液，再加热融化，其性质不变。

水玻璃具有很强的耐酸性能，能抵抗多种无机酸和有机酸。

水玻璃耐热温度可达1200℃，在高温下不燃烧，不分解，强度不降低，甚至有所增加。

水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶能堵塞材料的毛细孔隙，起到阻止水分渗透的作用。

第三章 水泥

水泥不仅能在空气中硬化，而且在水中能更好的硬化，并保持和发展其强度。因此，水泥是一种水硬性胶凝材料。

3.1常用水泥

我国常用水泥的主要品种有硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。

常用水泥的生产步骤：①硅酸盐水泥熟料的烧成。②磨制硅酸盐系列水泥成品。

3.1.1.1水泥熟料的烧成

烧制硅酸盐水泥熟料的原料主要是提供CaO的石灰质原料，如石灰石，以及提供SiO₂、Al₂O₃和少量Fe₂O₃的粘土质原料，如粘土、页岩等。此外，有时还配入铁矿粉等辅助原料。

将上述几种原材料按适当比例混合后在磨机中磨细，制成生料，再将生料入窑进行煅烧，便烧制成黑色球状的水泥熟料。

硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，其名称、含量范围如下：

硅酸三钙（简写为C3S），含量36%~60%；

硅酸二钙（简写为C2S），含量15%~37%；

铝酸三钙（简写为C3A），含量7%~15%；

铁铝酸四钙（简写为C4AF），含量10%~18%。

前两种矿物称硅酸盐矿物，一般占总量的75%~82%.

      3.1.1.2磨制水泥成品

磨制水泥成品时的原材料包括水泥熟料、石膏和混合材料。

用于水泥中的石膏一般是二水石膏或无水石膏。

用于水泥中的混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料。

活性混合材料是指那些与石灰、石膏一起，加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性混合材料中的主要活性成分是活性氧化硅和活性氧化铝。水泥生产中常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。

非活性混合材料掺入水泥中仅仅起调节水泥性质，降低水化热，降低强度等级和增加产量的作用。

▲把水泥熟料、适量石膏，分别和不同种类、数量的混合材料，混合在一起磨细，即可制成以下六大常用水泥：

⑴硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣及适量石膏组成。分两种类型，不掺混合材料的为Ⅰ型，掺不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的为Ⅱ型。

⑵普通（硅酸盐）水泥。由硅酸盐水泥熟料、5%~20%混合材料及适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。

⑶矿渣（硅酸盐）水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%~70%的粒化高炉矿渣和适量石膏组成。

⑷火山灰质（硅酸盐）水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%~40%火山灰质混合材料和适量石膏组成。

⑸粉煤灰（硅酸盐）水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%~40%粉煤灰和适量石膏组成。

⑹复合（硅酸盐）水泥。由硅酸盐水泥熟料、20%~50%的两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。

硅酸盐水泥主要生产流程：

石灰                                    石膏

粘土 →按比例混合磨细→ 生料 → 煅烧 → 熟料 → 磨细 →水泥

铁矿粉                                  混合材料

3.1.2常用水泥的特性

3.1.2.1硅酸盐水泥

⑴水化凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高。

水泥加水拌合后，分散在水中的水泥颗粒开始与水发生水化反应，在水泥颗粒表面逐渐形成水化物膜层，此阶段的水泥浆既有可塑性又有流动性。随着水化反应的发展，膜层长厚并互相连接，浆体逐渐失去流动性，产生“初凝”，继而完全失去可塑性，并开始产生结构强度，即为“终凝”。水化反应进一步发展，水化产物不断填充毛细孔，水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体，即为“硬化”。

由于硅酸盐水泥熟料四种主要矿物中C₃A的水化、凝结和硬化很快，因此若水泥中没有石膏时，C₃A会使水泥瞬间产生凝固。不过，石膏掺量不能过多，否则不仅缓凝作用不大，而且还会引起水泥的体积安定性不良

硅酸盐水泥中C₃S的含量高，有利于28天内的强度快速增长，同时较多的C₃A也有宜于水泥石1~3天或稍长时间内的强度增长。

C₂S的强度发挥有利于硅酸盐水泥后期强度的增长。因此，硅酸盐水泥适宜配制高强混凝土及适用于要求早期强度高的混凝土。

⑵水化热大。

水泥的水化反应为放热反应，硅酸盐水泥的C₃S和C₃A含量高，所以水化热大，放热周期长，一般水化3天的放热量约为总水化热的50%,7天为75%,3个月达90%。故硅酸盐水泥不适宜在大体积工程中应用。

⑶耐腐蚀性差。

硅酸盐水泥的抗侵蚀性在六大常用水泥中是最差的，但与钢材、木材相比其耐腐蚀性能还是较好的。硅酸盐水泥硬化后，在一般使用条件下有较高的耐久性。

水泥石的水化产物中存在大量Ca（OH）₂，使水泥石处于一定的碱度中，从而各水化产物能稳定存在，保持良好的胶结能力。

▲水泥石发生破坏的原因：

①                如果水泥石长期处于流水和压力流水的作用下，水泥石中的Ca（OH）₂就会不断溶出流失，使水泥碱度不断降低，当Ca（OH）₂的浓度下降到水泥石中水化产物能稳定存在的极限浓度时，水化产物将分解或被溶解，从而胶结能力降低，强度不断下降，最终使水泥石发生破坏。

②                如果水泥石长期处在某些盐类或酸类环境中，也会导致Ca²⁺

流失，出现胶凝性降低的现象。

③                水泥石受侵蚀破坏的另一种典型现象，是水泥石中的    Ca（OH）₂与环境介质中的硫酸盐发生反应，生成硫酸钙，硫酸钙将和水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石，钙矾石比原体积增加1.5倍以上，因此会对水泥石造成极大的膨胀破坏作用。

   产生水泥石腐蚀的根本原因：外部是存在侵蚀介质；内部是因为水泥石中存在易被腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙，以及水泥石本身不密实，存在很多侵蚀性介质宜于进入内部的毛细孔道。

⑷抗冻性好，干缩小。硅酸盐水泥硬化水泥石较致密，抗冻性优于其他常用水泥，干缩也较小。

⑸耐热性差。硅酸盐水泥硬化水泥石的主要水化产物在高温下会发生脱水和分解，是结构遭到破坏。所以其耐高温性较其他几种水泥差。

3.1.2.2普通水泥

普通水泥中混合材料的掺加量较少，其矿物组成的比例仍与硅酸盐水泥相似，所以普通水泥的性能、应用范围与同强度等级的硅酸盐水泥相近。与硅酸盐水泥相比，普通水泥的早期凝结硬化速度略微慢些，其他如抗冻性及耐磨性也稍差些。

3.1.2.3矿渣水泥

⑴矿渣水泥加水后的水化分两步进行：首先是水泥熟料颗粒水化，接着矿渣受熟料水化时析出的Ca（OH）₂及外掺石膏的激发，其玻璃体中的活性氧化硅和活性氧化铝进入溶液，与Ca（OH）₂发生反应生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙，因为石膏的存在，还生成水化硫铝酸钙。

由于矿渣水泥中熟料的含量相对减少，水化又分两步进行，所以凝结硬化慢，早期（3d，7d）强度低。但二次反应后生成的水化硅酸钙凝胶逐渐增多，所以后期（28d后）强度发展较快，赶上甚至超过硅酸盐水泥。

⑵矿渣水泥中熟料的减少，使水化时发出高热量的C₃S和C₃A的含量相对减少，故水化热低，可在大体积混凝土工程中优先选用。

⑶矿渣水泥水化产物中Ca（OH）₂含量少，碱度低，抗碳化能力较差，但抗溶出性侵蚀及抗硫酸盐侵蚀的能力较强。

⑷矿渣颗粒亲水性较小，故矿渣水泥保水性较差。矿渣水泥干缩性较大，抗渗性、抗冻性和抗干湿交替作用的性能均较差，不宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。

⑸矿渣水泥的水化产物中Ca（OH）₂的含量低，而且矿渣本身是水泥的耐火掺料，因此其耐热性较好，可用于耐热混凝土工程中。

⑹矿渣水泥水化硬化过程中，对环境的温度、湿度等条件较为敏感。低温下凝结硬化缓慢，但在湿热条件下强度发展很快，故适于采用蒸汽养护。

3.1.2.4火山灰水泥

火山灰水泥和矿渣水泥在在性能方面有许多共同点，如水化反应分两步进行，早期强度低，后期强度增长率较大，水化热低，耐蚀性强，抗冻性差，易碳化等。

火山灰水泥在硬化过程中的干缩较矿渣水泥更为显著，在干热环境下易产生干缩裂缝。因此，使用时须加强养护，使其在较长时间内保持潮湿状态。火山灰水泥颗粒较细，泌水性小，故具有较高的抗渗性，宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。

3.1.2.5粉煤灰水泥

粉煤灰本身就是一种火山灰质混合材料，其主要特点是干缩性较小，甚至比硅酸盐水泥和普通水泥还小，因而抗裂性较好。另外，粉煤灰颗粒较致密，故吸水少，且呈球形，所以粉煤灰水泥的需水量小，配制成的混凝土和易性较好。

3.1.2.6复合水泥

复合水泥中含有两种或两种以上规定的混合材料，因此其特性与混合材料的种类、掺量及相对比例有密切关系。

3.1.3影响常用水泥性能的因素

⑴水泥组成成分的影响（最主要因素）

一般来讲，水泥中增加混合材料含量，减少熟料含量，将使水泥的抗侵蚀性提高，水化热降低，早期强度降低；水泥中提高C3S、C3A的含量，将使水泥的凝结硬化加快，早期强度高，水化热也大。

⑵水泥细度的影响

水泥颗粒越细，总表面积越大，与水的接触面积也大，因此水化迅速，凝结硬化也相应加快，早期强度也高。但水泥颗粒过细，会增加磨细的能耗，提高成本，且不宜久存，硬化时还会产生较大收缩。

⑶养护条件（温度、湿度）的影响

水泥是水硬性胶凝材料，所以其水化、凝结硬化过程中必须有足够的水分，养护期间注意保持潮湿的状态。养护时温度升高，水泥的水化将加快，早期强度发展也快。

⑷龄期的影响

水泥的强度是随龄期增长而增加的，一般28d内强度发展较快，28d后显著减慢。

⑸拌合用水量的影响

⑹贮存条件的影响。水泥有效贮存期为3个月，不宜久存。

3.1.5常用水泥的技术要求

3.1.5.1细度

细度是指水泥颗粒的粗细程度，它对水泥的凝结时间、强度、需水量和安定性有较大影响。国家标准规定，硅酸盐水泥和普通水泥的细度用透气式比表面积仪测定，要求其比表面积大于300m²∕kg；其他五类水泥的细度用筛析法，要求在0.080mm方孔筛上的筛余不得超过10%.

3.1.5.2凝结时间

为了保证有足够的时间在初凝之前完成混凝土成型等各工序的操作，初凝时间不宜过短；为了使混凝土浇捣完成后尽早凝结硬化，以利于下一道工序及早进行，终凝时间不宜过长。

国家标准规定，六大常用水泥的初凝时间不得早于45min；硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于6.5h，其他五类水泥的终凝时间不得迟于10h。

3.1.5.3体积安定性

水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。

引起水泥体积安定性不良的原因：是由于水泥熟料矿物组成中含有过多游离氧化钙、游离氧化镁，或者水泥粉磨时石膏掺量过多。

国家标准规定，由游离氧化钙引起的水泥体积安定性不良可采用 沸煮法 检验。所谓沸煮法包括 试饼法 和 雷式法 两种。试饼法是将标准稠度水泥净浆做成试饼，沸煮3h后，若用肉眼观察未发现裂纹，用直尺检查没有弯曲现象，则称为安定性合格。雷氏法是测定水泥浆在雷氏夹中沸煮硬化后的膨胀值，若膨胀量在规定值内则为安定性合格。当试饼法和雷氏法两者结论有矛盾时，以雷氏法为准。

国家标准规定，水泥中游离氧化镁含量不得超过5.0%，三氧化硫的含量在矿渣水泥中不得超过4.0%，其他水泥不得超过3.5%.

3.1.5.4强度及强度等级

国家标准规定，采用 软练胶砂法 测定水泥强度。该法是将水泥和标准砂按1:3混合，用水灰比为0.5，按规定方法制成40mm*40mm*160mm的试件，带模在湿气中养护24小时后，再脱模放在标准温度（20℃±1℃）的水中养护，分别测定3d和28d抗压强度和抗折强度。

硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。其他五种水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。其中有代号R者为早强型水泥。

3.1.5.5碱含量

碱含量是指水泥中Na₂O和K₂O的含量。若水泥中碱含量过高，遇到有活性的骨料，易产生碱—骨料反应，造成工程危害。

国家标准规定，水泥中碱含量按Na₂O+0.685K₂O计算值表示。若使用活性骨料，水泥中碱含量不得大于0.60%。

第四章混凝土

4.1混凝土概述

混凝土是由胶结材料将天然的（或人工的）骨料粒子或碎片聚集在一起，形成坚硬的整体，并具有强度和其他性能的复合材料。

混凝土的组成材料，主要是水泥、水、细骨料和粗骨料，有时还常包括适量的掺合料和外加剂。

混凝土生产的基本工艺过程，包括按规定的配合比称量各组成材料，然后把组成材料混合搅拌均匀，运输到现场，进行浇注、振捣，最后通过养护形成所需的硬化混凝土。

混凝土的各组成材料在混凝土中起着不同的作用。砂、石起骨架作用，水泥和水组成水泥浆，包裹在骨料的表面并填充在骨料的空隙中。在混凝土拌合物中，水泥浆起润滑作用，赋予混凝土拌合物流动性，便于施工；在混凝土硬化后起胶结作用，把砂、石骨料胶结成为整体，使混凝土产生强度，成为坚硬的人造石材。

4.2普通混凝土的组成材料

4.2.1水泥

水泥品种的选择：

水泥强度等级的选择

一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.5~2.0倍为宜。

4.2.2骨料

粒径大于5mm的称为粗骨料，小于5mm的称为细骨料。

通常用的粗骨料有碎石和卵石；细骨料一般是由天然岩石长期风化等自然条件形成的天然砂，可分为河砂、海砂和山砂三类。

粗、细骨料的总体积一般占混凝土体积的60%~80%。

4.2.2.1泥和泥块含量

含泥量是指骨料中粒径小于0.08mm颗粒的含量。

泥块含量在细骨料中是指粒径大于1.25mm，经水洗、手捏后变成小于0.630mm的颗粒的含量；在粗骨料中则指粒径大于5mm，经水洗、手捏后变成小于2.5mm的颗粒的含量。

4.2.2.2有害物质的含量

普通混凝土用粗、细骨料中不应混有草根、树叶、塑料、炉渣等杂物，并且骨料中所含硫化物、硫酸盐和有机物等的含量都应符合规定。

4.2.2.3坚固性

骨料的坚固性，是用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其质量损失应符合下表的规定：

      4.2.2.4碱活性

骨料中若含有活性氧化硅，会与水泥中的碱发生碱—骨料反应，产生膨胀并导致混凝土开裂。所以应按标准规定，采用化学法或长度法对骨料进行碱活性检验。

4.2.2.5级配和粗细程度

骨料的级配，是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况。骨料的粒径分布在很多的尺寸范围内，能使骨料的空隙率和总表面积均较小，从而所需的水泥浆量减少，还可提高混凝土的密实度、强度及其他性能。因此只有适宜的骨料粒径分布，才能达到良好级配的要求。

骨料的粗细程度，是指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。相同质量的骨料，粒径越大，总表面积越小，所需包裹其表面的水泥浆量越少；相同的水泥浆量，包裹在大粒径骨料表面的水泥浆层就越厚，便能减小骨料之间的摩擦。

⑴砂的颗粒级配和粗细程度

砂的级配和粗细程度是用 筛分析方法 测定的。砂样：500g干砂。

分计筛余百分率：各筛上的筛余量占砂样总质量的百分率。

累计筛余百分率：各筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分率之和。

 分计筛余和累计筛余的关系，如下表：

砂的粗细程度用细度模数表示，细度模数M_X按下式计算：

M_X=（A₂+A₃+A₄+A₅+A₆）-5A₁   ∕  (100-A₁)

细度模数越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7~1.6。粗砂3.7~3.1，中砂3.0~2.3，细砂2.2~1.6。

配制混凝土时宜优先选用中砂。

砂的细度模数并不能反映其级配的优劣，细度模数相同的砂，级配可以很不相同。所以配制混凝土时必须同时考虑砂的颗粒级配和细度模数。

⑵石子的颗粒级配和最大粒径

石子的级配分为连续粒级和单粒级两种，通过 筛分试验 确定。

粗骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径。当骨料粒径增大时，其总表面积减小，因此包裹它表面的水泥浆数量相应减少，可节约水泥。

混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面的最小尺寸的1∕4，同时不得大于钢筋间最小净距的3∕4；对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1∕2，且不得超过50mm；对于泵送混凝土，骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1:3，卵石不宜大于1:2.5。石子粒径过大，对运输和搅拌都不方便。

4.2.2.6骨料的形状和表面特征

骨料的颗粒形状近似球状或立方体形，且表面光滑时，表面积较小，对混凝土流动有利，然而表面光滑的骨料与水泥石粘结较差。

4.2.2.7强度

骨料的强度是指粗骨料的强度，为了保证混凝土的强度，粗骨料必须致密并具有足够的强度。碎石的强度可用 抗压强度 和 压碎指标值 表示，卵石的强度只用 压碎指标值 表示。

通常要求岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不小于1.5。

压碎指标值越小，说明粗骨料抵抗受压破碎能力越强。

4.2.3混凝土用水

混凝土用水的基本质量要求是:①不影响混凝土的凝结和硬化。  ②无损于混凝土强度发展及耐久性。③不加快钢筋锈蚀。④不引起预应力钢筋脆断。⑤不污染混凝土表面。

凡能饮用的水和清洁的天然水，都可用于混凝土拌制和养护。

4.2.4外加剂

 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5%。

外加剂按其主要功能，一般分为四类：

⑴改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。如减水剂、引气剂、泵送剂等。

⑵调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂。如缓凝剂、早强剂等。

⑶改善混凝土耐久性的外加剂。如防水剂、阻锈剂、抗冻剂等。

⑷提供特殊性能的外加剂。如加气剂、膨胀剂、着色剂等。

4.2.4.1减水剂

减水剂是指在混凝土拌合物坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。减水剂还能在水泥颗粒表面形成一层溶剂水膜，在水泥颗粒间起到很好的润滑作用，使混凝土拌合物在不增加用水量的情况下，增加了流动性。

4.2.4.2引气剂

引气剂是一种在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。松香树脂类引气剂应用最广。

引气剂对混凝土性能有以下几种影响：

⑴改善混凝土拌合物的和易性。封闭的气泡减少了水泥颗粒间的摩擦，从而提高了流动性。同时，气泡薄膜的形成也起到了保水作用。

⑵提高抗渗性和抗冻性。引气剂引入的封闭气泡能有效隔断毛细孔通道，并能减小泌水造成的孔缝，从而提高抗渗性。封闭气孔的引入对水结冰时的膨胀能起缓冲作用，从而提高抗冻性。

⑶强度降低。一般混凝土中含气量增加1%，抗压强度将降低4%~6%。

4.2.4.3早强剂

早强剂是指能加速混凝土早期发展的外加剂。

早强剂的特性是能促进水泥的水化和硬化，提高早期强度，缩短养护周期，从而增加模板和场地的周转率，加快施工进度。早强剂特别适用于冬季施工（最低气温不低于-5℃）和紧急抢修工程。

4.2.4.4缓凝剂

缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间，而不显著影响混凝土后期强度的外加剂。最常用的是木质素磺酸钙和糖蜜，其中糖蜜的缓凝效果最佳。

4.2.5掺合料

掺合料是指在配制混凝土拌合物过程中，直接加入的具有一定活性的矿物细粉材料。

这些活性矿物掺合料绝大多数来自工业固体废渣，主要成分是SiO₂和Al₂O₃ ，在碱性或兼有硫酸盐成分存在的液相条件下，可发生水化反应，生成具有固化特性的胶凝物质。所以，掺合料也被称为混凝土的“第二胶凝材料”或辅助胶凝材料。

掺合料用于混凝土中不仅可以取代水泥，节约成本，还可以改善混凝土拌合物和硬化混凝土的各项性能。另外，掺合料的应用，对改善环境，减少二次污染，推动可持续发展的绿色混凝土，具有重要意义。

常用的混凝土掺合料有粉煤灰、矿渣微粉和硅灰。

4.3新拌混凝土的和易性

新拌混凝土是指将水泥、砂、石和水拌和的尚未凝固时的拌合物。

4.3.1和易性的概念

流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。

粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中，其组成材料之间有一定的粘聚力，不致发生分层和离析的现象。

保水性是指混凝土拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象。

4.3.2和易性的测定方法

通常是测定混凝土拌合物的流动性，辅助以其他方法或经验，并结合直观观察来评定混凝土拌合物的和易性。

新拌混凝土流动性用 坍落度 和 维勃稠度 表示。

4.3.2.1坍落度的试验

将拌好的混凝土拌合物按一定方法装入圆锥形筒内（坍落度筒），并按一定方式插捣，待装满刮平后，垂直平稳地向上提起坍落度筒，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差（mm），即为该混凝土拌合物的坍落度值。

坍落度越大，流动性越好。

粘聚性的检查方法是将捣棒在已坍落的混凝土椎体侧面轻轻敲打，若椎体逐渐下沉，则表示粘聚性良好，若椎体倒塌或部分崩裂，则表示粘聚性不好。

若混凝土拌合物失浆而骨料外露，或较多稀浆自底部析出，则表示此混凝土拌合物保水性差。

混凝土拌合物根据坍落度的不同，分为4级：大流动性的（坍落度≥160mm），流动性的（坍落度为100~150mm），塑性的（坍落度为50~90mm），低塑性的（坍落度为10~40mm）。 坍落度试验仅适用于骨料最大粒径不大于40mm，坍落度不小于10mm的混凝土拌合物。

4.3.2.2维勃稠度试验

坍落度小于10mm的干硬混凝土拌合物的流动性要用维勃稠度指标表示。

4.3.3影响和易性的主要因素

4.3.3.1水泥浆的数量和水灰比的影响

混凝土拌合物的流动性是水泥浆所赋予的，因此，在水灰比不变的情况下，单位体积拌合物内，水泥浆越多，拌合物的流动性也越大。在水泥用量、骨料用量均不变的情况下，水灰比增大，水泥浆自身流动性增加，故拌合物流动性增大。

无论是水泥浆数量影响还是水灰比影响，实际上都是用水量的影响。因此，影响新拌混凝土和易性的决定性因素是单位体积用水量的多少。

4.3.3.2砂率的影响

砂率是指细骨料含量占骨料总量的质量百分率。

砂影响混凝土拌合物流动性的原因有两个方面：①砂形成的砂浆可减少粗骨料之间的摩擦力，起到润滑作用，所以在一定砂率范围内，随砂率增大，润滑作用愈加显著，流动性可以提高。②砂率增大的同时，骨料的总表面积必随之增大，需要润湿的水分增多，在一定用水量的条件下，拌合物流动性降低；砂率也不宜过小，否则会使拌合物粘聚性和保水性变差，产生离析、流浆等现象。

4.3.3.3组成材料性质的影响

⑴水泥，⑵骨料，⑶外加剂。

4.3.3.4温度和时间的影响

混凝土拌合物的流动性随温度的升高而降低，这是由于温度升高可加速水泥的水化，增加水分的蒸发，所以夏季施工时，为了保持一定的流动性应当提高拌合物的用水量。

混凝土拌合物随时间的延长而变干稠，流动性降低，这是由于拌合物中一些水分被骨料吸收，一些水分蒸发，一些水分与水泥进行水化反应变成水化产物结合水。

4.4硬化混凝土的强度

4.4.1混凝土的抗压强度和强度等级

我国以立方体抗压强度为混凝土强度的特征值。

混凝土立方体抗压强度是指按标准方法制作的边长为150mm的立方体试件，在标准养护条件下（温度20℃±3℃，相对湿度90%以上或置于水中），养护至28d龄期，以标准方法测试，计算得到的抗压强度值。

由棱柱体试件测得的抗压强度称为棱柱体抗压强度，又称轴心抗压强度。我国目前采用150mm*150mm*300mm的棱柱体进行抗压强度试验。

轴心抗压强度（f_CP）比同截面面积的立方体抗压强度（f_CC）要小。

4.4.2影响混凝土抗压强度的主要因素

4.4.2.1水泥强度等级和水灰比的影响（最主要因素）

水泥强度等级和水灰比的影响是影响混凝土抗压强度的最主要因素。因为混凝土的强度主要取决于水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，而水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，又取决于水泥的强度等级和水灰比的大小。

在水泥强度等级相同的条件下，水灰比越小，水泥石的强度越高，胶结力越强，从而使混凝土的强度也越高。

4.4.2.2骨料的影响

骨料本身的强度一般都比水泥石的强度高，所以不会直接影响混凝土的强度，但若骨料经风化等作用而强度降低时，则用其配制的混凝土强度也较低。骨料表面粗糙，则与水泥石粘结力较大，但达到同样的流动性，需水量大，随着水灰比变大，强度降低。因此，在水灰比小于0.4时，用碎石配制的混凝土比用卵石配制的混凝土强度约高38%，但随着水灰比增大，两者差别就不显著了。

4.4.2.3龄期的影响

混凝土在正常养护条件下，其强度将随龄期的增长而增长。

4.4.2.4养护温度及湿度的影响

一般情况下，使用硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥时，浇水养护时间应不少于7d，使用火山灰水泥和粉煤灰水泥时，应不少于14d。

4.5硬化混凝土的耐久性

4.5.1混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性，是指其抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。它对混凝土的耐久性起着重要作用，因为环境中的各种侵蚀介质只有通过渗透才能进入混凝土内部产生破坏作用。

提高混凝土抗渗性的关键是提高密实度，改善混凝土的内部孔隙结构。具体措施有:降低水灰比，采用减水剂，掺加引气剂，选用致密、干净、级配良好的骨料，加强养护等。

4.5.2混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。混凝土的冻融破坏原因是，混凝土中水结冰后发生体积膨胀，当膨胀力超过其抗拉强度时，便使混凝土产生细微裂缝，反复冻融使裂缝不断扩展，导致混凝土强度降低直至破坏。

提高混凝土抗冻性的关键也是提高密实度。措施是减小水灰比，掺加引气剂或减水型引气剂等。

4.5.3混凝土的抗侵蚀性

环境介质对混凝土的化学侵蚀主要是对水泥石的侵蚀。

提高混凝土的抗侵蚀性主要在于选用合适的水泥品种，以及提高混凝土的密实度。

4.5.4混凝土的碳化

混凝土的碳化，是指环境中的CO₂和水与混凝土内水泥石中的    Ca（OH）₂反应，生成碳酸钙和水，从而使混凝土的碱度降低的现象。

为了提高抗碳化能力，根本性的措施是降低水灰比，采用减水剂以提高混凝土密实度。

4.5.5混凝土的碱—骨料反应

碱—骨料反应，是指混凝土中含有活性二氧化硅的骨料与所用水泥中的碱（Na2O和K2O）在有水的条件下发生反应，形成碱—硅酸凝胶，此凝胶吸水肿胀并导致混凝土胀裂的现象。

预防措施可采用低碱水泥，对骨料进行检测，不用含有活性SiO₂的骨料，掺用引气剂，减小水灰比及掺加火山灰质混合材料等。

4.6硬化混凝土的变形性

硬化混凝土的变形有化学减缩、热胀冷缩、干缩湿胀等，此外还有受荷载作用下的变形。

混凝土承受持续荷载时，随时间的延长而增加的变形，称为徐变。

4.8普通混凝土的配合比设计

4.8.1混凝土配合比设计基本要点

混凝土的配合比是指混凝土中各组成材料的质量比例。

4.8.1.1混凝土配合比设计的基本要求

⑴满足结构设计要求的混凝土强度等级

⑵满足施工时要求的混凝土拌合物的和易性

⑶满足环境和使用条件要求的混凝土耐久性

⑷在满足上述要求的条件下，通过各种方法（特别是节约水泥）以降低混凝土成本，符合经济性原则。

4.8.1.2混凝土配合比设计的内涵

从表面看，配合比设计是计算确定四种组成材料（水泥、水、砂、石）的用量。

实质上是确定 水灰比、单位用水量 和 砂率。

4.8.2普通混凝土配合比设计的方法和步骤

⑴确定配制强度（f_cu，t）

根据设计强度标准值（f_cu，k）和强度保证率为95%的要求，以及已知强度标准差（σ），可按式求得混凝土的配制强度：

f_cu，t≥f_cu，k+1.645σ

⑵确定水灰比（W∕C）

先根据混凝土配制强度，水泥实际强度（f_ce），以及石子类型，按混凝土强度经验公式计算水灰比：

W∕C = A f_ce  ∕ f_cu，t+ AB f_ce

⑶确定1m³混凝土的用水量（W_O）

⑷确定11m³混凝土的水泥用量（C_O）

根据选定的单位用水量（W_O）和已确定的水灰比（W∕C），可计算：C_O= W_O    ∕  W∕C

⑸确定砂率（S_P）

⑹确定1m³混凝土的砂、石用量（S_O\G_O）

采用质量法时：C_O+W_O+S_O+G_O=ρ_o

S_P=S_O∕（S_O+G_O） * 100%

            式中ρ_o——混凝土拌合物的假定表观密度，kg∕m³。

联立两式，即可求出S_O、G_O

第五章 建筑砂浆

建筑砂浆是由胶凝材料、细骨料和水按一定比例配制而成。

5.1砂浆的技术要求

5.1.1新拌砂浆的和易性

⑴流动性

砂浆的流动性也叫稠度，是指在重力或外力作用下流动的性能，用砂浆稠度测定仪测定，以沉入度（mm）表示。沉入度越大，流动性越好。

⑵保水性

新拌砂浆保持其内部水分不泌出流失的能力，称为保水性。

砂浆的保水性用砂浆分层度筒测定，以分层度（mm）表示，分层度大的砂浆保水性差，不利于施工。为使砂浆具有良好的保水性，可掺加石灰膏浆或粘土膏浆等胶凝材料。

砂浆的分层度一般以10~20mm为宜。

5.1.2硬化砂浆的强度和强度等级

5.1.3砂浆粘结力

通常，砂浆的抗压强度越高粘结力越大。

5.1.4砂浆变形性

干缩、冷缩、减缩、沉缩

5.1.5砂浆抗冻性

强度等级M2.5以上的砂浆，常用于受冻融影响较多的建筑部位。经冻融试验后，质量损失率不应大于5%，强度损失率不应大于25%。

第六章 烧结砖

以粘土、页岩、或粉煤灰为原料，经成型及焙烧所得的用于砌筑承重或非承重墙体的砖叫烧结砖。

烧结普通砖的外形为直角六面体，标准尺寸是240mm*115mm*53mm。通常将240mm*115mm面称为大面，240mm*53mm称为条面，115mm*53mm面称为顶面。考虑到砌筑灰缝宽度10mm，则4块砖长、8块砖宽和16块砖厚均为1m，1m³砌体需用砖512块。

第七章 建筑钢材

钢材具有强度高、塑性和韧性好，能承受冲击和振动荷载，且易于加工和装配，广泛应用于工业、民用和市政建筑中。钢材的缺点是易锈蚀和耐火性差。

7.1钢的分类

⑴按化学成分分类

①碳素钢—低碳钢（含碳量<0.25%）

        中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）

        高碳钢（含碳量>0.6%）

②合金钢—低合金钢（含金元素总量<5%）

        中合金钢（含金元素总量5%~10%）

        高合金钢（含金元素总量>10%）

⑵按冶炼时脱氧程度分类

①镇静钢   ②沸腾钢   ③半镇静钢

⑶按品质分类

普通质量钢  优质钢  高级优质钢  特级优质钢

⑷按用途分类

结构钢  工具钢  轴承钢 

建筑上常用的钢种是  普通碳素结构钢（低碳钢） 和 普通低合金结构钢。

7．2建筑钢材的主要技术性能

7.2.1力学性能（强度）

测定钢材强度的主要方法是拉伸试验。

根据材料变形的性质，曲线可细分为六个阶段：比例弹性阶段→非比例弹性阶段→弹塑性阶段→塑性阶段或屈服阶段→应变强化阶段→颈缩破坏阶段

7.2.2工艺性能（冷弯性能）

冷弯性能是指钢材在常温下承受一定弯曲程度而不破裂的能力。弯曲程度用弯曲角度和弯心直径对试件厚度或直径的比值来衡量。弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度或直径的比值越小，则表示钢材的冷弯性能越好。

7.3钢的化学成分对钢性能的影响

⑴碳

随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增大，而塑性和韧性降低；当含碳量超过1.0%时，钢材的强度反而下降。含碳量增大也使钢的可焊性和耐蚀性降低，并增大钢的冷脆性和时效倾向。

⑵硅

硅可提高钢的强度和硬度，并提高钢的耐蚀性，且对钢的塑性和冲击韧性无明显影响。但当硅含量过高（>1.0%）时，将显著降低钢材的塑性和韧性，增大冷脆性、时效敏感性，并降低可焊性。

⑶锰

能显著提高强度和硬度，并略微降低塑性和韧性。但含锰量过高（碳素钢中超过1.0%），会降低塑性、韧性和可焊性。