建筑材料教学讲义.doc
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1、建筑材料Civil engineering Materials science天津大学建筑工程学院土木系Tianjin University Civil Engineering Institute Department of Civil Engineering 李志国27406403(O)l13920708989绪论(Introduction) 1.建筑材料学的科学属性 知识 科学-社会科学 -自然科学 -基础科学:数、理、化、力学 -应用科学:-土木工程学 -水利工程学 知识:人们在实践 中获得的认识 和经验。科学:系统化公式化的知识体系。社会科学:以人及人类社会为研究对象的科学,包括政治经
2、济、军事、法律、外交等相关领域 的科学。 自然科学:以自然界的客观事物为研究对象,研究其形成结构、性质及其运动变化规律的科学。 包括航天工程学、地球物理工 程学、土木工程学 (Civil Engineering) 水利工程学 等等。(Irrigation Works) 2.建筑材料学的学科属性 学科:一级学科材料科学与工程 二级学科无机非金属材料 三级学科建筑材料 3.课程属性 高校课程:基础课、 专业课、 专业技术基础课 4.建筑材料的主要内容 (1)建筑材料的基本性质 (2)石材 (3)烧成材料 (4)气硬性胶凝材料 (5)水泥 (6)混凝土和砂浆 (7)金属材料 (8)木材 (9)沥青及
3、防水材料 (10)合成高分子材料 (11)建筑功能材料 (12)建筑装饰材料 5.建筑材料学的学习方法 (1)科学的方法 (2)实践的精神 (3)组成-结构-性能-应用的思路 (4)概念-机理-检测-影响因素-控制方法 (5)读书-听课-笔记-作业(实验 报告)-考试复习与思考题 1. 试将建筑材料进行分类。 2. 回顾您了解的建筑材料, 说出 其名称、性质、价格、 产地和用途。第1章 建筑材料基本性质1-1 材料的组成、结构和构造 1.材料的组成(Composing) (1)化学组成:构成材料的化学元素 和化合物的种类和数量。 (2)矿物组成:构成材料的矿物的种 类和数量。 2.材料的结构(
4、Structure) (1)层次观:一种科学思维方法; 用尺寸分级的方法,观察材料的结构。 (2)材料的结构层次:宏观层次(Macro-level):- 10-2m 细观层次(Meso-level):10 -3-10 -6m 微观层次(Micro-level):10 -6 -10 -10m 原子-分子级层次(Atomic-Molecular- level)-10 -10-10 -12m 3.材料的构造 材料的构造:相同或不同材料间的搭配和组合。4.材料按照结构和构造分类(1)按构成的粒子特性分类 晶体:构成的质点按特定的规律 在空间上呈周期性规则排列所形 成的结构。 原子晶体-金刚石 离子晶体
5、-CaCl2 分子晶体-液晶 金属晶体-Fe非晶体:构成的质点无特定的规律 在空间上呈周期性规则排列所形成的结构。非晶体又称为玻璃体。 胶体:粒径为10-7-10-9m的固体颗粒 作为分散相,分散在连续相介质中所形成的分散体系。 胶体结构又分为溶胶结构、溶凝胶 结构、凝胶结构。(2)按结构及材料性质分类1-2 材料的基本物理性质 1.材料的质量与体积(1)真实材料的体积 材料的真实体积V用砖红色表示 材料的开口体积VK用绿色表示 材料的闭口体积VB用兰色表示 材料的表观体积V0 =V+VK+VB V用砖红色表示 VK用蓝色表示 VB用绿色表示 V0 =V+VK+VB 材料间的空隙体积VE 材料
6、的堆积体积 V0/ = V0+VE(2)材料的密度(density) 密度 r = m / V 表观密度 r0 = m / V0 近似密度 r a= m / Va 堆积密度 r 0= m / V0(3)材料的孔隙率和空隙率 孔隙率 P =(V0-V)/V0 =1- r0/ r 空隙率 P =(V0-V0)/ V0 2.材料与水相关的性质 (1)亲水性与憎水性 亲水性-材料表面分子与水分子间的 引力水分子之间的引力 憎水性-材料表面分子与水分子间的 引力水分子之间的引力 亲水性材料 90憎水性材料 90(2)材料的吸水及吸湿性 材料的吸水性毛细孔的吸提作用 材料的吸湿性毛细孔的凝聚作用 +表面能
7、的吸附作用 材料吸湿吸水后对其性能的影响: 水分增加强度降低、导热能力 增大,容易产生腐蚀、破坏,如 耐久性破坏、生物或微生物导致 的破坏。毛细孔的吸提作用Capillary 表面能 Surface Energy 的吸附作用 吸水率 Wm=(m!-m)/m 100% -重量吸水率 WV=(m1-m)/V -体积吸水率 花岗岩 Wm: 0.5%0.7%;混凝土 Wm: 2%3%; 烧结粘土砖Wm: 8%20% 3.材料的耐水性(1)破坏作用=溶解作用+劈裂作用(2)技术指标软化系数 K=饱水条件下的抗压强度/干燥条件下的抗压强度 4.材料的抗渗性(1)定义:材料抵抗压力水渗透作用的能力,称为材料
8、的抗渗性。(2)抗渗指标: 抗渗系数 K = Qd/AtH 抗渗等级 S6、S8、S10、S12(3)影响因素: 孔的数量: 孔隙率:孔隙率大,抗渗能力差; 孔的结构 毛细孔、泌水孔降低材料的抗渗性1-3材料的力学性质1.强度 (Strength) 材料抵抗外力的破坏作用的能力。 (1)理论强度 f=(E/d)1/2(2)实际强度: f = P / A 材料不同,强度不同; 受力方向不同,材料强度不同; 力 压、 拉、 剪、 弯, 强度 抗压、抗拉、抗剪、抗弯 材料强度与孔隙率、含水率、试件尺寸、加荷速度等因素有关 (3)计算公式 抗压强度(Compressive Strength)F=P/A
9、 抗拉强度(Tensile Strength) F=P/A抗剪强度(Shear Strength) 计算公式 F = P / 2A抗弯强度(Flexural Strength) F = 3PL / 2bh2 F = PL / bh2 2.变形(Strain)(1)弹性变形:线性、可恢复、瞬时;(2)塑性变形:不可恢复,塑性强度;(3)粘性流动:塑性强度,不可恢复;考虑时间因素后的变形关系 -变形的过程特征: 材料可发生弹性变形、塑性变形和粘性流动3. 破坏(Damage)(1)脆性:材料达受力极限时,不产生明显的变形,而呈突然破坏。(2)延性:材料达受力极限时,不产生明显的断裂,而持续变形。(
10、3)韧性:材料能接受动荷载或冲击 作用的能量,可产生允许的变形和裂缝,但不发生破坏的性质。1-4 材料的耐久性 (Durability) 1.耐久性:材料潜在的抵抗其自身或 环境因素长期破坏作用的能力。 耐久性-综合性质,交互作用。 2.使用寿命(Service life): 材料维持可用性时间。 可用性-物理可用性 美学可用性 结构可用性3.材料的耐久性 结构安全度 结构可靠性 建筑物使用寿命使用寿命延长 节约材料:减少能耗; 节约投资:提高利用率; 节省资源:生态保护; 可持续发展。 作业 第一章1、2、5; 思考题 第一章3、4。参考书王福川 建筑材料 中国建材出版社 北京 2001.3
11、王立久 建筑材料学 中国水利水电出版社 北京 1997.2王世芳 建筑材料 中央电视大学出版社 北京 1993.6覃维祖 结构工程材料 清华大学出版社 北京 1999.7 第2章 建筑钢材 2-1.概述 2- 2.钢材的性质 2- 3.钢材的选用 2- 4.建筑钢材的防锈 2- 5.建筑钢材的防火 2- 6.其他钢材制品2-1.概述(1)我国钢铁工业的发展概况(2)世界著名钢铁建筑(3)合金,单质金属,合金的特性,举例(4)钢材的分类:按化学成分分类:碳素钢-低碳钢0.25%,中碳钢0.25-0.6%,高碳钢0.6%合金钢-低合金钢5%,中合金钢5%-10%,高合金钢10%按冶炼方法分类:平炉
12、、转炉、电炉按脱氧程度分类:沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特镇静钢按产品形态分类:棒材,管材、型材、线材、板材、案例 1.綦江彩虹桥垮塌案 焊接质量事故 2.宜宾某会议室 焊接材料事故 3.泰坦尼克号沉船事故 焊接材料事故 4.美国某大桥 设计计算事故 5.美国世界贸易中心 钢结构耐火安全事故2.钢材的性质(1)拉力试验对硬钢屈服点: s= PS / A屈服点结构设计计算取值屈强比= s/b 用来表示安全性与利用率抗拉强度: b = Pb / A伸长率: =(L1-L0)/L0伸长率的确定对同一种钢材: 5 10(2)冷弯性能可反映钢材塑性是对焊接质量的更严格的检验指标。评价指标: 弯心直径 弯心
13、角 试件厚度(3)冲击韧性 抵抗冲击破坏作用的能力。可用冲击韧度表示ak = M(h1-h2)/A(4)焊接焊接的热影响区热影响区内,由于热冲击而产生温度裂缝。表示钢材焊接性能的指标为可焊性:镇静钢 半镇静钢 沸腾钢(5)耐火性温度 材料剩余强度% 100 100 97 90 93 200 99 92 84 88 300 81 92 77 82 400 67 69 64 66 500 59 44 43 44 600 20 - - - -Q235, -Q235冷拉,-16Mn,25MnSi(6)锈蚀 Fe+O2FeO FeO+ O2 Fe2O3 Fe2O3+H2O Fe(OH)3 Fe(OH)3
14、 +H2O Fe(OH)33 H2O 钢筋锈蚀的破坏性 混凝土开裂, 钢筋截面积减小, 焊缝、焊点开裂, 锈色、锈迹影响装饰性。2- 3.钢材的用途和选用1.用途:a结构的主要承载构件和材料 b抗疲劳耐冲击防水耐磨抗冲刷材料 c结构造型装饰材料 d工业基体、构架材料2.选用:根据强度等级选用 根据环境条件选用 根据工程特性选用 根据加工施工工艺选用3.钢号Q235-AF;25MnSi4.钢材 碳素结构钢 低合金高强结构钢 优质碳素钢 冷拔钢丝 高强预应力钢铰线5.冷拉及时效(1)冷加工:常温下对钢材进行的冷拉、 冷拔、冷压、冷轧、冷弯扭等加工工艺。(2)冷加工强化 : 经冷加工后的钢材,其抗拉
15、强度提高、屈服点提高、塑性降低、脆性增大的现象。(3)冷加工时效强化 经冷加工的钢材,再经时效处理,其屈服点进一步增高、抗拉强度增大不 大、塑性恢复、脆性进一步增大。(4)冷加工及时效处理的机理过程a材直接拉伸,应力应变曲线为OBCD。b若将钢材冷拉过屈服点,达到K后卸荷, 则钢材沿KO1恢复。c若立即再次加荷,则沿曲线O1KCD变化。 表明经冷加工后,屈服点升高。d经时效处理后,则钢材应力应变曲线沿 O1K1C1D1变化。 表明经冷加工及时效强化处理,屈服点 和抗拉强度增高、塑性韧性下降。时效 自然时效:自然条件下纺织15-20天。 人工时效:在100-200放置几小时。 2- 4.建筑钢材
16、的防锈 1.防锈机理:锈蚀条件 电极电流; O2; H2O; CL- 碱性环境2.锈蚀保护 a物理方法: 采用保护层,防锈涂料、电镀、涂塑; b电化学方法: 反向电压、反向电渗; c结构方法: 混凝土、建筑砂浆; d合金化: 采用合金钢、不锈钢。2- 5.建筑钢材的防火 1.建筑材料燃烧性能的分级 A 不燃性建筑材料 GB5464 B1 难燃性建筑材料 GB8625 B2 可燃性建筑材料 GB8625 B3 易燃性建筑材料 不做检验 2.材料燃烧的危害 高热、浓烟、毒气3.耐火极限 材料及构件在按温度-时间标准曲线进行耐火试验时,从 受到火的作用时起, 到 失去支撑能力 完整性破坏 失去隔火作
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