《建筑材料》教案(最新稿)Word文档下载推荐.doc
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②屋面或地下防水要求防水材料密实度高、不透水性好;
③冷库建筑所用的墙体材料应具有较高的绝热效能;
④礼堂、影剧院、音乐厅堂的建筑,为使其有较好的音响效果就要选用质量好的吸声材料;
⑤大型的公共建筑、纪念性建筑要求较高的外墙饰面材料;
等等。
由此可见,建筑材料的合理选用并最大限度地发挥材料本身的效能是满足各种建筑物功能要求的重要保证。
(2)节约能源,已经成为经济建设中日益急迫的问题。
建筑业耗能很大,约占国家总能耗的25~40%,这包括生产建材用能、施工现场用能以及建成使用中的用能三个方面,这些都与建材的改革及合理选用有关。
(3)保护环境、治理污染(ProtectingEnvironment,ImprovingPollution)
随着工业的发展,越来越多的工业废渣急待利用。
如果充分利用工业废渣生产建材,不仅可以有效地保护环境,而且可以节约能耗,改善能源利用状况,降低建材成本,提高工程经济效益。
3.科技攻关性(科技:
scienceandtechnology)
(1)建筑工程中许多技术问题的突破,往往依赖于建筑材料问题的解决。
建筑工程中建筑物自重大、施工人员劳动强度大等问题,随着新兴材料空心砖[普通粘土砖尺寸:
240×
115×
53;
承重粘土空心砖尺寸:
290×
190×
140(90);
180(175)×
115]、加气混凝土砌块、轻质墙板的出现得到改善。
(2)新材料的出现,将促使结构设计及施工技术的革新。
例如,轻质墙板的出现,使得一些建筑可以采用装配式结构设计,并且可以采用机械化施工方法,从而可以减轻施工人员的劳动强度,加快施工进度。
二、建筑材料的分类(分类:
classification)
建筑材料是指各类土木建筑工程(水利、房屋、道路、港口)中所使用的材料。
建筑工程中使用的材料品种繁多、用途不一,按其基本成分可以分为以下三类,见表0-1。
表0-1建筑材料分类
无机材料
金属材料
黑色金属:
钢、铁
有色金属:
铝、铜等及其合金
非金属材料
天然石材:
砂、石及各种岩石制品
烧土制品:
粘土砖、瓦、陶瓷等
胶凝材料:
石灰、石膏、水玻璃、菱苦土、水泥等
玻璃:
平板玻璃、安全玻璃、装饰玻璃等
以胶凝材料为基料的人造石材:
砼、水泥制品、硅酸盐制品
有机材料
植物质材料
木材、竹材
沥青材料
石油沥青、煤沥青、沥青制品
高分子材料
塑料、涂料、胶粘剂
复合材料
无机-有机复合材料
沥青混凝土、聚合物混凝土
金属-非金属复合材料
钢筋混凝土、钢丝网水泥、塑铝复合板
其它复合材料
水泥石棉制品
三、我国建筑材料的发展历史
我国在建筑材料的生产和使用上有着悠久的历史。
1.在公元前二百年以前就有了相当发达的砖瓦业(“秦砖汉瓦”),并修建了举世闻名的万里长城;
2.公元七世纪隋代李春在河北赵县建造的安济石拱桥以及有着1100多年历史的山西五台县佛光寺大殿的木结构至今仍然完好;
3.明代宋应星的“天工开物”一书对我国古代劳动人民制造砖瓦、陶瓷、钢铁器具、烧制石灰及颜料生产等成就进行了总结,是我国建筑材料的宝贵历史材料。
4.解放以后,党和国家十分重视建筑材料的生产,建筑钢材、水泥、玻璃以及其他建筑材料生产有了大幅度的增长,但与世界先进水平相比,还存在着一定的差距。
为此,我们应大力加强新兴建筑材料的研究与应用,以满足经济发展的需要。
四、建筑材料的发展方向
为了适应建筑工业化、建筑工程现代化,提高建筑物的工程质量和使用功能要求,建筑材料今后应朝着以下几个方向发展:
①努力研制轻质高强的材料,提高建筑材料的比强度(材料的抗压强度与表现密度之比),以减小承重结构的截面尺寸,降低构件的自重,从而减轻建筑物的自重,降低运输费用和施工人员的劳动强度。
②发展高效能的建筑材料,改善建筑物围护结构的质量,提高建筑物的使用功能。
③积极创造条件,努力发展适合机械化施工的材料和制品,并力求使制品尺寸标准化、大型化,从而便于实现建筑四化——“设计标准化、结构装配化、预制工厂化、施工机械化”。
④充分利用天然材料和工业废料生产建筑材料,大搞综合利用,化害为利、变皮为宝,改善能源利用状况,为人类造福。
五、本课程的性质
《建筑材料》是一门专业基础课,主要研究工程中常用建材及制品的品种、规格、性能及应用,主要建材及制品的原料和生产工艺对其性能的影响,节约材料、改善性能以及防护处理的有关措施,材料的质量标准(我国标准分类见表0-2)和检验方法等。
它不但为后续的专业课提供必要的基础知识外,也为在工程实践中解决建筑材料的问题提供一定的基本理论知识和基本试验技能。
六、本课程的教学环节及要求
教学环节:
课堂教学+实验课
要求:
通过学习,应使学生对工程中常用建筑材料的性能、使用条件、质量控制、检验以及储存保管等方面的基本理论、基本知识有一个系统的了解和掌握。
表0-2我国标准分类
标准种类
代号
表示顺序(例)
国家标准
GB(强制性标准)
GB/T(推荐性标准)
GBn(内控标准)
代号、标准编号、颁布年代
(GB12958-91)
行业标准(部标准)
JC(建材行业强制性标准)
JC/T(建材行业推荐性标准)
YB(冶金行业强制性标准)
YB/T(冶金行业推荐性标准)
(JC/T479-92)
专业标准
ZB
代号、专业类号、标准号、颁布年代(ZBQ15002-89)
地方标准
DB(地方强制性标准)
DB/T(地方推荐性标准)
代号、行政区域、标准号、颁布年代(DB14323-91)
企业标准
QB
代号/企业代号、顺序号、发布年代(QB/203413-92)
七、绿色建材
(一)基本概念
20世纪人类社会发展发生了巨大的变化。
空间技术方面:
1969年7月20日,美国的“阿波罗11号”宇宙飞船首次成功登上月球,在月球上留下了“个人一小步,人类一大步”的蹒跚脚印,人类实现了梦寐以求的遨游太空的理想,这是人类文明进程中的一个里程碑;
信息技术方面:
国际互联网缩短了时空距离,“天涯若比邻”,将人们的工作、学习、生活以及人际交往方式带入了崭新的天地;
生物技术方面:
人类基因密码解密,使人类在分子水平上认识自己,开始了由后工业社会、信息社会跨入生物社会的历程。
但是,科学技术是一把双刃剑,也正是在以科学技术为名义的乐观主义的煽情下,人类也一步步走向深渊。
人类开发宇宙的范围越来越大,而自己赖以生存的领地却越来越小。
在人类文明进程加快的同时,人类自身生活环境的危机也日益“凸显”:
人口爆炸性增长(populationexplosion)(人口过度增长会加剧对于资源的消耗和自然环境的破坏,目前世界人口为65亿,人口专家预测,地球人口承载力是80亿,而联合国的低调人口预测数值为到2050年世界人口将达到89亿,那么,人口超过80亿后怎么办?
)、资源日益匮乏(resourcesshortage)(石油和煤炭是全球两大战略性能源,属于不可再生资源,有专家预测,按照目前已探明的储量和开采速度,石油还可以再用40年,煤炭还可以烧230年,那么,石油和煤炭枯竭了以后怎么办?
答案是应大力开发风能、太阳能、生物质能等可再生能源,有专家预测,到2050年,以生物质能为重要组成部分的可再生能源,将提供全球60%的电力和40%的直接燃料,我国于2005年2月通过了《中华人民共和国可再生能源法》,并将于2006年1月1日起正式执行,以推动我国可再生能源的发展)、森林锐减(根据联合国粮农组织2001年的报告,全球森林面积从1990年的39.6亿公顷下降到2000年的38亿公顷。
全球每年消失的森林近千万公顷,巴西森林资源极为丰富,达到3亿多公顷,绝大部分是热带雨林(亚马逊河流域),占世界林木总蓄积量的21%,但是,这些宝贵资源正在遭受毁灭性的破坏,几十个跨国公司在那里大肆采伐,每天至少有100万棵树被毁。
现在,巴西森林覆盖率已从400年前的80%减少到约60%)、土地沙化(desertificationofland)(沙丘距离北京仅为75km,哈尔滨每年频繁的扬沙天气、沙尘暴都说明了土地沙化的严重性。
全球由于沙漠化每年失去的土地达6万km2;
由于土壤退化,世界每年失去的耕地面积相当于爱尔兰的国土)、气候变暖异常(专家指出,在过去一个世纪里全球平均气温上升了0.6℃,到2100年,可能增加4.3℃,全球变暖将导致生态系统失衡,气候变暖主要是由于温室效应造成的,由于温室效应和周期性涨潮的双重影响,西太平洋岛国图瓦卢的大部分地方即将被海水淹没,包括首都的机场及部分住宅和办公室。
图瓦卢前总理佩鲁曾声称图瓦卢是“地球暖化的第一个受害者”,另外,温室效应还会使得一些史前致命病毒重见天日,严重威胁人类生命)等等。
所有这些已成为社会经济持续发展的严重障碍。
在经济发展的前提下,在资源环境问题上,一定要避免掠夺性开采(excessiveexploitation),我们要为子孙后代留条后路,这是人类面临的严峻问题。
材料问题与环境密切相关。
1.1988年第一届国际材料科学研究会上,首次提出了“绿色材料”的概念,绿色已经成为人类环保愿望的标志。
2.1992年6月,联合国在巴西里约热内卢召开了环境与发展各国首脑会议,我国李鹏总理参加了此次会议,会议通过了“21世纪议程”宣言,确认了21世纪人类社会的发展思路:
①战略方针:
可持续发展(sustainabledevelopment)
②发展原则:
循环再生、协调共生、持续自然
建筑产业作为国家的支柱产业之一,它对资源的利用占据着重要位置,从产值、能耗、环保等方面都是国民经济中的大户。
建材行业是建筑产业的基础。
近些年来,随着建筑材料科学的不断进步,新型建筑材料不断涌现。
为保证工程具有优良的使用功能,避免新型建筑材料发展对环境造成损害,并能源源不断地为工程建设提供质量可靠的材料,我国建筑材料的发展就应不断调整发展思路。
“绿色建材”就是依据上述原则所开发研制的新型建材。
“绿色建材”——也称为生态建材、环保建材、健康建材,它是指采用清洁的生产技术,少用天然资源,大量采用工业或城市固体废弃物以及农植物秸秆,所生产的无毒、无污染、无放射性,有利于环保和人体健康的建材。
(二)绿色建材在国外的发展
“绿色建材”首先在欧、美、日等工业发达国家发展起来。
1.1992年世界环境与发展大会召开以后,1994年联合国设立了“可持续产品”开发工作组,对产品制定了一系列绿色标准,大力推行绿色产品标志。
2.各国政府相应出台了一些扶持政策和法规,以此来推动“绿色建材”的发展。
如德国对于在工程中实际应用并被确认为“绿色建材”的给予一定的财政补贴,以此来推动“绿色建材”的使用。
欧洲各国均推行了绿色环保建材的认证,国家明令非绿色建材禁止上市经营,并且制定了各种检测标准。
日本早在1988年就开始推广“绿色建材”。
如秩文——小野水泥株式会社已建成日产50t的生态水泥生产线;
日本东陶公司已成批生产防霉、防菌、保健型陶瓷制品;
铃木公司开发生产出可净化空气的预制板。
在兵库、九州等地建成一批健康型住宅,为推动“绿色建材”的发展起到了推动作用。
(三)绿色建材在国内的发展(改革开放政策:
reformandopeningpolicy)
我国建材的发展,在改革开放以来有了较大的发展,一些主要建材产品的产量居世界第一位。
全国建材总产量年产37~40亿t,同时每年建材工业耗用原材料50亿t以上,能源消耗2.3亿t标煤,约占全国耗能总量的15%,同时排出大量废气、废水、废渣。
使用了两千多年的粘土实心砖至今仍然是主要墙体材料。
1996年,我国生产粘土实心砖7000亿块,代价是毁田6660ha,能耗6000万t标煤。
上述数据表明我国建材工业走的是一条高能耗、、高污染、低效益的道路,是一个污染严重,生态破坏较大的产业。
因此发展“绿色建材”,是21世纪我国建材工业的必然出路。
我国非常重视可持续发展战略,1992年世界环境与发展大会召开之后,1994年国家环保局设立了中国环境标志产品认证委员会,制定了环境标志的评定标准,上海、北京等地已经开展了对“绿色建材”的研制、认证工作。
近几年,我国的绿色建材已经取得初步成果。
1.墙体材料
利用工业废渣所生产的空心砖、砌块将逐渐取代粘土实心砖。
我国新型墙体材料的应用比例从1990年的4.3%提高到1996年的16.3%,规划2000年达到25%,京、津、沪等10大城市达到50%。
2.人造板材
中国建材研究院开发生产的HB彩乐板利用白色污染废弃物,采用刨花板的生产技术生产而成。
3.石膏板
以磷石膏、氟石膏、脱硫石膏代替天然石膏。
上海已经建成年产3000万m2的脱硫石膏板生产线,采用脱硫石膏生产技术是我国解决若干地区梅(酸)雨问题的措施之一。
4.水泥
水泥生产企业在我国属于高能耗、高污染的企业,历来是环保治理的重点。
据统计,每生产1t水泥将排放1tCO2。
目前我国年产水泥约5亿t,每年大气中将增加5亿tCO2,到2010年将增加到7亿t,这个数据是非常惊人的,将会增加温室效应。
目前我国年产粉煤灰1亿t,年产矿渣约8000万t,所以今后应尽量利用这些工业废渣来生产掺混合材料的硅酸盐水泥,从而控制CO2排放量,推动绿色建材的发展。
八、绪论授课内容总结
介绍了建筑材料在国民经济中的地位、建筑材料在土木工程专业课程体系中的位置、建筑材料的分类,回顾了我国建筑材料的发展历史,分析了我国建筑材料的发展方向,并对绿色建材进行了探讨。
第一章建筑材料的基本性质
(basiccharacterofconstructionmaterials)
1.掌握建筑材料的基本物理性质和有关参数
2.掌握建筑材料的基本力学性质和有关参数
1.建筑材料密实度与孔隙率之间的关系
2.建筑材料吸水性能的评价
3.建筑材料耐水性、抗渗性、抗冻性的评价
4.建筑材料弹性、塑性的评价
由于建筑材料在建筑物中用于各种不同的建筑部位,承受各种不同的荷载及周围环境介质的作用,因此,要求建筑材料应具有相应的不同性质。
作为结构物的材料要承受各种外力的作用,因此选用结构物的材料应具有所需的力学性能;
屋面防水材料、地下防潮材料则应具有良好的耐水性和抗渗性;
建筑物的内墙应具有保温、绝热、吸声、隔声的性能;
外墙和屋面则要能长期经受风吹、日晒、雨淋、冰冻的破坏作用;
在具有酸、碱、盐类物质腐蚀的部位,材料还应有较高的化学稳定性等。
选择、运用、分析、评价建筑材料,都应熟知它们的各种性能。
材料品种不同,性能也不一样,归纳起来大体有物理性质、化学性质和力学性质。
这里着重介绍物理性质和力学性质,化学性质分解到每章具体材料中去介绍。
§
1.1材料的物理性质
(physicalcharacterofmaterial)
一、材料与质量有关的性质
1.密度:
材料在绝对密实状态下单位体积的质量,计算公式为:
式中:
——材料的密度,kg/m3;
m——材料的质量,kg;
V——材料在绝对密实状态下的体积,m3。
材料在绝对密实状态下的体积,指的是材料不包含孔隙体积在内的固体物质所占的体积。
这种材料实际上是不存在的。
为了研究问题方便起见,常将密实度较高的材料,如钢材、玻璃和4℃的水看成是绝对密实的,作为绝对密实状态的近似值,此时计算出的密度称为视密度。
2.容重(又称表观密度):
材料在自然状态下单位体积的质量,计算公式为:
——材料的表现密度kg/m3;
V0——材料在自然状态下的体积,m3。
材料在自然状态下的体积是指包括内部孔隙在内的外形体积。
材料内部的孔隙可以分为:
材料内部的孔隙
材料在自然状态下的体积,若只包括孔隙在内而不含有水分,此时计算出来的容重称为干容重(此时材料处于烘干状态);
材料在自然状态下的体积,若既包括材料内的孔隙,又包括孔隙内的水分,此时计算出来的容重称为湿容重(此时材料处于气干状态)
材料的密度、容重常用来计算材料的密实度、孔(空)隙率、材料和构件自重、运输量以及在一定空间中不同材料的堆放量等。
几种常用材料的密度与表观密度值见表1-1。
3.密实度
(1)概念
是指固体材料中固体物质的充实程度,即材料的绝对密实体积与其总体积之比,即
D——材料的密实度,常以百分数表示。
(2)说明
①凡具有孔隙的固体材料,其密实度都小于l。
材料的密度与容重越接近,材料就越密实。
②材料的密实度大小影响着材料的强度、耐水性和导热性等性质。
4.孔隙率
是指材料中的孔隙体积占材料总体积的百分数,即
P——材料的孔隙率,以百分数表示。
上式说明材料的密实度和孔隙率是从两个不同的角度说明了材料的同一性质:
材料疏松或致密的程度。
5.散粒材料、粉状材料的密度、容重、空隙率
(1)密度
砂、石子等散粒材料,水泥等粉状材料在测定其密度时,绝对体积是指砂、石子、水泥的颗粒体积(包括颗粒内部的孔隙体积),并非绝对密实状态下的体积,因此,所得的密度,实际上是材料的颗粒容重,也称为颗粒表观密度;
(2)容重
测定散粒材料、粉状材料的容重时,其自然状态下的体积,包括颗粒之间的空隙在内。
由于散粒材料、粉状材料呈松散状态,故算得的容重称为松散容重或疏松容重,也称为堆积密度;
(3)空隙率
是指散粒材料或粉状材料颗粒之间的空隙体积占材料松散状态下总体积的百分数,计算公式为:
注意:
公式中的要以颗粒容重代替,要以松散容重代替。
二、材料与水有关的性质
(一)亲水性与憎水性
固体材料在空气中与水接触时,根据其能否被水润湿,可分为亲水性材料与憎水性材料。
当水滴在空气中与固体材料接触并达到平衡后,可出现如图1-1所示两种情况:
图1-1材料润湿示意图
(a)亲水性材料;
(b)憎水性材料
在材料、水、空气三相交点处,沿水滴表面所作切线与材料表面的夹角,称为润湿边角。
如果水分子间的作用力(即表面张力)小于水分子与材料分子之间的相互作用力时,≤90º
,材料会被水所浸润,这种材料称为亲水性材料。
木材、混凝土、砖、砂石等都属于亲水性材料。
越小,浸润性越好,=0,材料完全被水浸润。
如果即表面张力大于水分子与材料分子之间的相互作用力时,>90º
,材料表面不会被水所浸润,这种材料称为憎水性材料。
沥青、石蜡等等都属于憎水性材料。
增水性材料可以用作防水材料,还可以用于亲水性材料的表面处理。
(二)吸水性与吸湿性
1.吸水性
(1)概念:
材料在水中吸收水的性质称为吸水性。
(2)评价指标:
吸水率,包括:
①质量吸水率:
材料在水中所能吸足水的质量,占材料干燥时质量的百分率,即
式中,——材料的质量吸水率,%;
——材料吸水饱和后的质量,kg;
——材料烘干到恒重时的质量,kg;
②体积吸水率
一些轻质材料,如加气混凝土、木材等,由于开口孔隙多,可能是的若干倍,因此质量吸水率往往超过100%,在这种情况下,可用体积吸水率公式进行计算。
体积吸水率是指材料吸水饱和时,所能吸足水的体积材料自然状态下的体积之比,即
式中,——材料的体积吸水率,%;
——材料在水中吸水饱和时所能吸入水的体积,cm3;
——材料在自然状态下的体积,cm3;
——水的密度,g/cm3。
可见,材料的体积吸水率等于质量吸水率与材料容重的乘积。
(注:
)
(3)影响因素:
材料本身性质、孔隙率及孔隙特征。
一般来说,孔隙率越大,吸水性越强。
但是封闭孔隙再多,材料也是不吸水的;
具有粗大开口孔隙的材料由于水分不易在孔隙中存留,其吸水率反而会降低。
只有那些孔隙率较大,具有开口、细小、联通孔隙的材料,才具有较大的吸水能力。
2.吸湿性
材料在潮湿的空气中吸收水蒸汽的性质,称为吸湿性。
含水率。
含水率:
材料所含水的质量与材料干燥状态下的质量之比,即
式中,——材料的含水率,%;
一一材料含水时的质量,kg;
——材料烘干到桓重时的质员,kg。
(3)平衡含水率:
材料可以在湿润的空气中吸收水分,也可以在干燥的空气中扩散水分,最终使自身含水率与周围空气湿度相持平,此时材料处于气干状态,材料在气干状态下的含水率称为平衡含水率。
(三)耐水性
1.概念:
材料长期在饱和水作用下不破坏,强度也不显著降低的性质。
2.评价指标:
软化系数()。
一般来说,材料在含水后将会削弱内部结合力,使得强度有不同程度的降低,即材料被水软化。
3.说明:
(1)=0~1,越小,说明材料吸水饱和后,强度降低得越多,耐水性越差。
(2)长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物,其结构材料的应大于0.85,次要建筑物或受潮湿较轻情况下材料的应≥0.75。
工程中通常将>0.85的材料称为耐水材料。
(四)抗渗性(也称不透水性)
材料抵抗压力水渗透的性能称为抗渗性(或不透水性)。
2.评价指标
有渗透系数和抗渗等级。
我国一般采用抗渗等级,用表示。
等。
抗渗等级是指在规定的试验条件下,当压力水不准透过试件厚度,在端面上呈现水珠时,材料所能承受的最大水压值。
例如混凝土的抗渗等级有~共6个。
——表示混凝土28d龄期的标准试件能承受0.8MPa的水压而在试件端面无水的渗透现象。
3.影响因素:
材料抗渗性的好坏主要取决于材料本身的孔隙率及孔隙特征。
(五)抗冻性
材料在水饱和状态下能够经受多次冻融循环作用不破坏,强度也不显著降低的性质。
材料在吸水饱和后,从-15℃冰冻到20℃融化,叫做经受一个冻融循环。
一般用抗冻等级来评价。
将28d龄期的标准试件在水饱和状态下经受冻融(
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