绪论
⼟⽊⼯程材料指⼟⽊⼯程结构物中使⽤的各种材料及制品。⼟⽊⼯程材料是⼟⽊⼯程的物质基础。0．1 ⼟⽊⼯程材料在⼟⽊⼯程中的地位
1）必须具备⾜够的强度，能安全地承受设计荷载；
2）材料⾃⾝的质量以轻为宜，以减⼩下部结构和地基的负荷；3）具有与使⽤环境相适应的耐久性，以减⼩维修费⽤；4）⼀定的装饰性；
5）相应的功能性，如隔热、防⽔，隔声等。
⼟⽊⼯程材料费⽤⼀般要占⼟⽊⼯程总造价的50%左右，有的⾼达70%。0．2 ⼟⽊⼯程材料的分类
1）按化学成分可分为⽆机材料、有机材料和复合材料三⼤类。
2）按使⽤功能分为承重和⾮承重材料、保温和隔热材料、吸声和隔声材料、防⽔材料、装饰材料等。3）按⽤途分为结构材料、墙体材料、屋⾯材料、地⾯材料、饰⾯材料，以及其它⽤途的材料等。0．3⼟⽊⼯程材料的发展趋势1）研制⾼性能材料。2）充分利⽤地⽅材料。3）节约能源。4）提⾼经济效益。0．4⼟⽊⼯程材料的标准化
我国标准分为四级：国家标准（GB）部标准（JC 、JG）地⽅标准（DB）企业标准（QB）
国际标准--ISO；美国材料试验学会标准--ASTM；⽇本⼯业标准--JIS；德国⼯业标准--DIN；英国标准--BS；法国标准--NF等。
第⼀章⼟⽊⼯程材料的基本性质1.1材料的组成与结构1.1.1材料的组成
材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材料物理、⼒学性质的重要因素。1）化学组成
化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。2）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。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。例如⽔泥熟料的矿物组成为：3CaO.SiO2 37~60%、2CaO.SiO2 15~37%、3CaO.AL2O3 7~15%、4CaO.AL2O3.Fe2O3 10~18%，若其中硅酸三钙（3CaO.SiO2）含量⾼，则⽔泥硬化速度较快，强度较⾼。3）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。建筑材料⼤多数是多相固体。
1.1.2材料的结构1）宏观结构
建筑材料的宏观结构是指⽤⾁眼或放⼤镜能够分辨的粗⼤组织。其尺⼨在10-3m级以上。按其孔隙特征可分为：致密结构、多孔结构、微孔结构。按存在状态或构造特征分为：堆聚结构、纤维结构、层状结构、散粒结构。2）细观结构
细观结构（原称亚微观结构）是指⽤光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺⼨范围在10-3~10-6m。如对天然岩⽯可分为矿物、晶体颗粒、⾮晶体组织；对钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体。3）微观结构
微观结构是指原⼦分⼦层次的结构。可⽤电⼦显微镜或X射线来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺⼨范围在10-6~10-10m。在微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。1.2材料的基本物理性质
1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度1）密度（俗称⽐重）
密度是指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，kg/m3；m ——材料的质量，kg；
V——材料在绝对密实状态下的体积，m3。
在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，⼲燥后，⽤李⽒瓶测定其密实体积。
在测量某些致密材料（如卵⽯等）的密度时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，材料中部分与外部不连通的封闭孔隙⽆法排除，这时所求得的密度称为近似密度（ρa）2）表观密度（俗称容重）
表观密度是指材料在⾃然状态下，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体积，或称表观体积m3。
表观密度⼀般是指材料在⽓⼲状态（长期在空⽓中⼲燥）下的表观密度。在烘⼲状态下的表观密度，称为⼲表观密度。3）堆积密度（俗
称松散容重）
堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量，按下式计算：式中
ρ’0——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量kg；V’0——材料的堆积体积m3。1.2.2材料的密实度与孔隙率1）密实度
密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，按下式计算：或2）孔隙率
孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的⽐例。⽤下式表⽰：即 D+P=1或密实度+孔隙率=1
材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。孔隙按尺⼨⼤⼩⼜分为极微细孔隙、细⼩孔隙和较粗孔隙。孔隙的⼤⼩及其分布对材料的性能影响较⼤。1.2.3材料的填充率与空隙率1）填充率
填充率是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗填充的程度，按下式计算：
或2）空隙率
空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的⽐例，⽤下式表⽰：空隙率的⼤⼩反映了散粒材料的颗粒互
相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝⼟⾻料级配与计算含砂率的依据。1.2.4材料的亲⽔性和憎⽔性润湿是⽔被材料表⾯吸附的过程。
当⽔与材料在空⽓中接触时，将出现1-1（a）或（b）的情况，在材料、⽔和空⽓的交界处，沿⽔滴表⾯的切线与⽔和固体接触⾯所成的夹⾓（润湿边⾓）愈⼩，浸润性愈好。1.如果润湿边⾓θ为零，则表⽰该材料完全被⽔所浸润；2.当润湿边⾓θ≤90°时，如图1-2（a）所⽰，⽔分⼦之间的内聚⼒⼩于⽔分⼦与材料分⼦间的相互吸引⼒，此种材料称为亲⽔性材料；
3.当＞90°时。如图1-2（b）所⽰，⽔分⼦之间的内聚⼒⼤于⽔分了与材料分⼦间的吸引⼒，则材料表⾯不会被浸润，此种材料称为憎⽔性材料。
这⼀概念也可应⽤到其他液体对固体材料的浸润情况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。1.2.5材料的吸⽔性与吸湿性
1）吸⽔性
材料在⽔中能吸收⽔分的性质称为吸⽔性。质量吸⽔率计算公式如下：式中
Wm——材料的质量吸⽔率(%)；
mb——材料在吸⽔饱和状态下和质量(kg)；mg——材料在⼲燥状态下的质量(kg)。体积吸⽔率计算公式如下：式中
Wv——材料的体积吸⽔率(%)；
V0——⼲燥材料在⾃然状态下的体积(m3)；
ρw——⽔的密度（kg/m3），在常温下取ρw=1000kg/m3。质量吸⽔率与体积吸⽔率存在下列关系：Wv=Wm2ρ0/1000
材料的吸⽔性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈⼤，则吸⽔率愈⼤，闭⼝孔隙⽔分不能进去，⽽开⼝⼤孔虽然⽔分易进⼊，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸⽔率仍然较⼩。各种材料的吸⽔率很不相同，差异很⼤。2）吸湿性
材料在潮湿空⽓中吸收⽔分的性质称为吸湿性。潮湿材料在⼲燥的空⽓中也会放出⽔分，此称还湿性。材料的吸湿性⽤含⽔率表⽰。
式中
Wh——材料的含⽔率（%）；
ms——材料在吸湿状态下的质量（kg）；mg——材料在⼲燥状态下的质量（kg）。
材料中所含⽔分与空⽓的湿度相平衡时的含⽔率，称为平衡含⽔率。具有微⼩开⼝孔隙的材料，吸湿性特别强。如⽊材及某些绝热材料，在潮湿空⽓中能吸收很多⽔分。这是由于这类材料的内表⾯积⼤，吸附⽔的能⼒强所致。材料的吸⽔性和吸湿性均会对材料的性能产⽣不利影响。材料吸⽔后会导致其⾃⾝质量增⼤，绝热性降低，强度和耐久性将产⽣不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响使⽤。不过利⽤材料的吸湿可起降湿作⽤，常⽤于保持环境的⼲燥。1.2.6材料的耐⽔性
材料长期在⽔作⽤下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐⽔性。材料的耐⽔性⽤软化系数表⽰，如下式：式中
KR——材料的软化系数；
fb——材料在饱⽔状态下的抗压强度(MPa)；
fg——材料在⼲燥状态下的抗压强度(MPa)。
KR值愈⼩，表⽰材料吸⽔饱和后强度下降愈⼤，即耐⽔性愈差。材料的软化系数 KR在0~1之间。不同材料的KR值相差较⼤，如粘⼟KR =0，⽽⾦属KR =1，⼯程中将 KR＞0.85的材料，称为耐⽔的材料。在设计长期处于⽔中或潮湿环境中的重要结构时，必须选⽤KR＞0.85的建筑材料。对⽤于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜⼩于0.75。1.2.7材料的抗渗性
材料抵抗压⼒⽔渗透的性质称为抗渗性，或称不透⽔性。材料的抗渗性通常⽤渗透系数表⽰：
式中
Ks——材料的渗透(cm/h)；Q——渗透⽔量(cm3)；d——渗透的厚度(cm)；A——渗⽔⾯积(cm2)；t——渗⽔时间(h)；H——静⽔压⼒⽔头(cm)。
KS值愈⼤，表⽰材料渗透的⽔量愈多，即抗渗性愈差。
材料的抗渗性也可⽤抗渗等级表⽰。如P4、P6、P8等分别表⽰材料能承受0.4、0.6、0.8Mpa的⽔压⽽不渗⽔。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下建筑、压⼒管道、容器等结构时，均需要求其所⽤材料具有⼀定的抗渗性能。抗渗性也是检验防⽔材料质量的重要指标。1.2.8材料的抗冻性
材料在⽔饱和状态下，能经受多次冻融循环作⽤⽽不破坏，也不严重降低强度的性质。称为材料的抗冻性。材料的抗冻性⽤抗冻等级表⽰。⽤符号“Fn”表⽰，其中n即为最⼤冻融循环次数，如F25、F50等，材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使⽤条件、⽓候条件等来决定的。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的⽔结冰所致(⽔结冰时体积增⼤约9%)。材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充⽔程度。材料的变形能⼒⼤、强度⾼、软化系数⼤时，其抗冻性较⾼。⼀般认为软化系数⼩于0.80的材料，其抗冻性较差。抗冻性良好的材料，对于抵抗⼤⽓温度变化、⼲湿交替等风化作⽤的能⼒较强。所以抗冻性常作为考查材料耐久性的⼀项指标。1.2.9材料导热性能
当材料两侧存在温度差时，热量将由温度⾼的⼀侧通过材料传递到温度低的⼀侧，材料的这种传导热量的能⼒，称为导热性。材料的导热性⽤导热系数来表⽰。导热系数计算公式表⽰为：
式中
λ——材料的导热系数（W/(m2K)）；Q——传导的热量（J）；a——材料的厚度（m）；Z——传热时间（s）；
（t1-t2）——材料两侧温度差（K）。
材料的导热系数愈⼩，表⽰其绝热性能愈好。⼯程中通常把λ<0.23 W/(m2K)的材料称为绝热材料。为降低建筑物的使⽤能
耗，保证建筑物室内⽓候宜⼈，要求建筑物有良好的绝热性。材料的导热系数⼤⼩与其组成与结构、孔隙率、孔隙特征、温度、湿度、热流⽅向有关。1.3材料的基本⼒学性质1.3.1材料的强度
材料的抗压、抗拉及抗剪强度的计算公式如下：
式中
f——材料强度，MPa；Fmax——破坏时最⼤荷载，N；A——受⼒截⾯积，mm2。
矩形截⾯试件中点加载抗弯强度⽤下式计算：
三分点加载抗弯强度要⽤下式计算：式中
fm——抗弯强度，MPa；
Fmax——弯曲破坏时最⼤荷载，N；L——两⽀点的间距，mm；
b、h——试件横截⾯的宽及⾼，mm。
⼀般孔隙率越⼤的材料强度越低，其强度与孔隙率具有近似直线的⽐例关系。砖、⽯材、混凝⼟和铸铁等材料的抗压强度较⾼，⽽其抗拉及抗弯强度很低。⽊材则须纹抗拉强度⾼于抗压强度。钢材的抗拉、抗压强度都很⾼。因此，砖、⽯材、混凝⼟等多⽤在房屋的墙和基础。钢材则适⽤于承受各种外⼒的构件。⼤部分建筑材料是根据其强度的⼤⼩，将材料划分为若⼲不同的等级（标号）。将建筑材料划分若⼲等级，对掌握材料性质，合理选⽤材料，正确进⾏设计和控制⼯程质量都是⾮常重要的。
1.3.2弹性与塑性
材料在外⼒作⽤下产⽣变形，当外⼒取消后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）在外⼒作⽤下材料产⽣变形，如果取消外⼒，仍保持变形后的形状和尺⼨，并且不产⽣裂缝的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。单纯的弹性材料是没有的。建筑钢材在受⼒不⼤的情况下，表现为弹性变形，但受⼒超过⼀定限度后，则表现为塑性变形。混凝⼟在受⼒后，弹性变形及塑性变形同时产⽣。1.3.3脆性与韧性
当外⼒达到⼀定限度后。材料突然破坏，⽽破坏时并⽆明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。砖、⽯材、陶瓷、玻璃、混凝⼟、铸铁等都属于脆性材料。
在冲击、震动荷载作⽤下，材料能够吸收较⼤的能量，同时也能产⽣⼀定的变形⽽不致破坏的性质称为韧性（冲击韧性）。建筑钢材（软钢）、⽊材等属于韧性材料。⽤作路⾯、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑到材料的韧性。1.4材料的耐久性
耐久性是材料在长期使⽤过程中抵抗其⾃⾝及环境因素长期破坏作⽤，保持其原有性能⽽不变质、不破坏的能⼒。侵蚀破坏作⽤类型包括：物理作⽤、化学作⽤、⽣物作⽤。材料的耐久性是⼀项重要技术性质。材料的耐久性还具有明确的经济意义。从建筑技术发展度看，各国⼯程技术⼈员已达成共识，由按耐久性进⾏⼯程设计取代按强度进⾏⼯程设计，更具有科学和实⽤性。
提⾼耐久性的措施：
o提⾼材料本⾝的密实度，改变材料的孔隙构造；o降低湿度，排除侵蚀性物质；
o适当改变成分，进⾏憎⽔处理，防腐处理；做保护层，如抹灰、刷涂料。第⼆章天然⽯材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、长⽯、云母、⾓闪⽯、辉⽯、橄榄⽯、⽅解⽯、⽩云⽯、菱镁矿、⽯膏等。
2.1.2岩⽯的分类（根据⽣成条件，按地质分类法）1）岩浆岩（⼜称⽕成岩，占地壳总量的89%）
（1）深成岩：有花岗岩、辉长岩、闪长岩等，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、耐⽔性好的特点。
（2）喷出岩：有⽞武岩、辉绿岩、安⼭岩等，⼤部分结晶不完全，多呈细⼩结晶（隐晶质）或玻璃质结构。强度不及深成岩。
（3）⽕⼭岩：有⽕⼭灰、浮⽯、⽕⼭凝灰岩等，呈多孔玻璃质结构，表观密度⼩，强度低。2）沉积岩(⼜称⽔成岩)（1）机械沉积岩：砂岩
（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、硅藻⼟等。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：由岩浆岩及沉积岩变质得到，有⼤理岩、⽯英岩、⽚⿇岩等。2.2⽯材的技术性质2.2.1物理性质
1）颜⾊与光泽：在建筑装饰⼯程中，材料的颜⾊起着重要作⽤，建筑⽯材的颜⾊主要取决于各种⾦属离⼦。影响花岗岩光泽度的主要是⽯英，其多半为⽆⾊或乳⽩⾊，透明度⼤的⽯英吸光性强，反射光少，使光泽度降低。2）表观密度：岩⽯的表观密度差别较⼤，在500~3100kg/m3之间。3）吸⽔性：岩⽯的吸⽔率差别较⼤，在0.5~15%之间。
4）耐⽔性（抗⽔性）：岩⽯的耐⽔性⽤软化系数k表⽰。k>0.9，为⾼耐⽔性⽯材；k=0.7~0.9，为中耐⽔性⽯材；k=0.6~0.7，为低耐⽔性⽯材。
5）抗冻性：吸⽔率⼩于5%的⽯材，可认为是抗冻的。
6）耐热性：各种岩⽯的耐热性不⼀样，如：⽯膏，100℃开始破坏；含碳酸镁的⽯材，625℃开始破坏；含碳酸钙的⽯材，827℃开始破坏；花岗岩，700℃开始破坏。
7）导热性：岩⽯的导热系数为2.91~3.49 W/(m.K)。相同成分的⽯材，玻璃态⽐结晶态的导热系数⼩。
2.2.2⼒学性质
1）抗压强度：岩⽯的抗压强度见表2-1。表2-1 岩⽯的抗压强度
>250 180~280 80~180 40~80 <40 抗压强度(MPa)岩⽯种类⽞武岩花岗岩闪长岩辉绿岩⽯英斑岩⽯灰⽯砂岩⽚⿇岩多孔⽯灰⽯多孔砂岩凝辉岩⽩垩
2）冲击韧性（脆性）：约为抗压强度的1/10~1/20。
3）硬度：相对硬度亦称为莫⽒硬度，是以10种特定矿物为标准，按硬度⼤⼩顺序分为10级（下表），后⼀种矿物能刻划前⼀种矿物。表2-2 莫⽒硬度表
硬度等级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 矿物名称滑⽯⽯膏⽅解⽯萤⽯磷灰⽯正长⽯⽯英黄⽟刚⽟⾦刚⽯
4）耐磨性：天然矿物材料的耐磨性⽤耐磨率M表⽰。耐磨率是衡量饰⾯板材品质优劣的重要指标。耐磨率过低则不易打光，过⾼则矿⽯过硬不易研磨。2.3⼟⽊⼯程中常⽤的岩⽯
1）花岗岩：岩⽯学中花岗岩指由⽯英、长⽯、及少量云母和暗⾊矿物（橄榄⽯类、辉⽯类、⾓闪⽯类及⿊云母等）组成的全晶质的岩⽯。建筑上所说的花岗⽯是⼴义的，指具有装饰功能，可磨光、抛光的岩浆岩及少量其它类岩⽯。有花岗岩、闪长岩、正长岩、辉长岩（以上均属深成岩）、辉绿岩、⽞武岩、安⼭岩（以上均属喷出岩）、⽚⿇岩（属变质岩）等。花岗岩强度⾼，但不抗⽕。
2）⽞武岩：常⽤作⾼强混凝⼟的⾻料，也⽤其铺筑道路的路⾯，也是制造⽯棉的原材料。
3）⽯灰岩：是⼟⽊⼯程中⽤量最⼤的岩⽯。其块⽯可作基础、墙⾝、阶⽯及路⾯等，其碎⽯是常⽤的混凝⼟⾻料。此外，它也是⽣产⽔泥和⽯灰的主要原料。4）砂岩
5）⼤理岩：岩⽯学中所指⼤理⽯是由⽯灰岩或⽩云岩变质⽽成的变质岩，主要矿物成分是⽅解⽯或⽩云⽯，主要化学成分为碳酸盐类。建筑上所说的⼤理⽯是⼴义的，指具有装饰功能，并可磨光、抛光的各种沉积岩和变质岩。有⼤理岩、⽯英岩、蛇纹岩（以上均属变质岩）、致密⽯灰⽯、砂岩、⽩云岩（以上均属沉积岩）等。⼤理岩硬度不⼤，抗风化性差。6）⽯英岩7）⽚⿇岩
2.4⽯材的选⽤及防护
⽯材的选⽤应考虑适⽤性、经济性、装饰性。⽯材⼴泛⽤于承重、围护结构、地⾯、台阶装饰等。
为了减轻与防⽌⽯材的风化与破坏，可以采取合理选材、表⾯处理等措施。第三章⽓硬性胶凝材料
建筑上能将砂、⽯⼦、砖、砌块等散粒或块状材料粘结为⼀体的材料称为胶凝材料。胶凝材料分类如下：3.1⽯膏
3.1.1⽯膏胶凝材料的⽣产
天然⽯膏矿有天然⼆⽔⽯膏（CaSO4.2H2
O）及天然⽆⽔⽯膏（CaSO4
）。天然⼆⽔⽯膏质地较软，称为软⽯膏；天然⽆⽔⽯膏质地较硬，称为硬⽯膏。⽣产⽯膏胶凝材料的主要原料是软⽯膏，以及CaSO4.2H2O或CaSO4.2H2O与CaSO4
的混合物的化⼯副产品及废渣，如磷⽯膏、氟⽯膏、硼⽯膏等。⽣产⽯膏胶凝材料的主要⼯序是破碎、加热与磨细。由于加热⽅式和温度不同，可⽣产出不同性质的⽯膏胶凝材料品种。3.1.2建筑⽯膏
将⼆⽔⽯膏在常压⾮密闭状态下加热⾄107~170℃时，⼆⽔⽯膏脱⽔可得到β型半⽔⽯膏。建筑⽯膏是以β型半⽔⽯膏为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要⽤于制作⽯膏制品。建筑⽯膏⾊⽩，杂质含量很少，粒度很细，亦称模型⽯膏，是制作装饰制品的主要原料。1）建筑⽯膏的凝结硬化CaSO4.H2O+1H2O= CaSO4.2H
2O
建筑⽯膏与适量的⽔混合，最初成为可塑的浆体，但很快失去
塑性，这个过程称为凝结；以后迅速产⽣强度，并发展成为坚硬的固体，这个过程称为硬化。⽯膏的凝结硬化是⼀个连续的溶解、⽔化、胶化、结晶过程。2）建筑⽯膏的技术性质
1.孔隙率⼤（约占50~60%），强度低。
2.凝结硬化快。3~5分钟内即可凝结，终凝不超过30分钟。在应⽤时需掺加缓凝剂。
3.硬化后体积微膨胀，膨胀率约1%。4.耐⽔性、抗冻性差。
5.防⽕性好。遇⽕灾时，⼆⽔⽯膏的结晶⽔蒸发，吸收热量，表⾯⽣成的⽆⽔⽯膏是良好的绝缘体。3）建筑⽯膏的应⽤及保管1.⽯膏抹灰材料。
2.⽯膏板材：纸⾯⽯膏板、⽯膏空⼼条板、纤维⽯膏板等。3.⽯膏砌快。
建筑⽯膏在运输和贮存中要注意防⽌受潮，⼀般贮存3个⽉后，其强度会降低约30%。3.1.3⾼强⽯膏
将⼆⽔⽯膏在0.13MPa密闭状态下加热⾄125℃时，⼆⽔⽯膏脱⽔可得到α型半⽔⽯膏。α半⽔⽯膏结晶良好，晶粒坚实、粗⼤，因⽽⽐表⾯积较⼩，需⽔量约为35~45%，所以此⽯膏硬化后具有较⾼密实度和强度。3
⼩时抗压强度可达9~24PMa，7天抗压强度可达15~40PMa，故名⾼强⽯膏。⾼强⽯膏适⽤于强度要求较⾼的抹灰⼯程、装饰制品和⽯膏板。掺⼊防⽔剂，可⽤于湿度较⾼的环境中。加⼊有机材料，如聚⼄烯醇⽔溶液、聚醋酸⼄烯乳液等，可配成黏结剂，其特点是⽆收缩。3.1.4粉刷⽯膏
是由β型半⽔⽯膏和其它⽯膏相（硬⽯膏或煅烧黏⼟质⽯膏）、各种外加剂（⽊质磺酸钙、柠檬酸、酒⽯酸等缓凝剂）及附加材料（⽯灰、烧黏⼟、氧化铁红等）所组成的⼀种新型抹灰材料。粉刷⽯膏具有表⾯坚硬、光滑细腻、不起灰的优点，还可调节室内空⽓湿度，提⾼舒适度的功能。3.1.5⽆⽔⽯膏⽔泥和地板⽯膏
将天然⼆⽔⽯膏加热⾄400℃以上（400--750℃）,⽯膏完全失去⽔分，成为不溶性硬⽯膏，失去凝结硬化能⼒，但当加⼊适量激发剂混合磨细后，⼜能凝结硬化，称为⽆⽔⽯膏⽔泥。⽆⽔⽯膏⽔泥宜⽤于室内，主要⽤作⽯膏板或其它制品，也可⽤于室内抹灰。将天然⼆⽔⽯膏加热到800℃以上，得到的地板⽯膏，由于部分⽯膏分解出的氧化钙起催化作⽤，具有凝结硬化性能。地板⽯膏有较⾼的强度和耐磨性，抗冻性也较好。3.2⽯灰
⽯灰是⼀种古⽼的建筑材料，是以⽯灰⽯为原料经煅烧⽽成的。
⽯灰⽯在窑炉内煅烧常会产⽣不熟化的⽋⽕⽯灰和熟化过缓的过⽕⽯灰。过⽕⽯灰熟化⼗分缓慢，可能造成硬化砂浆“崩裂”或“⿎泡”现象，影响⼯程质量。3.2.1⽣⽯灰的熟化⽣⽯灰加⽔后⽣成Ca(OH)的过程，称为⽯灰的“消化”或“熟2化”。
⽣⽯灰熟化过程中，体积膨胀1~2.5倍。煅烧良好，CaO含量⾼的⽯灰熟化较快，放热量和体积增⼤也较多。⽯灰熟化的⽅法有两种：
1.⽤于调制⽯灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时，需将⽣⽯灰熟化成⽯灰浆(膏)。⽣⽯灰在化灰池中熟化。为了消除过⽕⽯灰的危害，⽯灰浆应在储灰坑中“陈伏”两个星期以上。
2.⽤于拌制⽯灰⼟（⽯灰、黏⼟）、三合⼟（⽯灰、黏⼟、砂⽯或炉渣等）时，将⽣⽯灰熟化成消⽯灰粉。⼯地上调制消⽯灰粉时，将⽣⽯灰块堆放0.5m⾼后淋适量⽔。⽬前多⽤机械⽅法在⼯⼚中将⽣⽯灰熟化成消⽯灰粉，在⼯地调⽔使⽤。3.2.2⽯灰的凝结硬化
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完成的。1.结晶作⽤：游离⽔蒸发，Ca(OH)2
逐渐从饱和溶液中结晶。2.碳化作⽤；Ca(OH)2与空⽓中CO2
化合⽣成CaCO3
晶体，释放出⽔分并被蒸发。
⼀般纯⽯灰浆，不易硬化，强度、硬度不⾼，收缩⼤，易产⽣裂缝，所以⽯灰浆不能单独使⽤，必须掺⼊填充材料，如掺砂⼦配成⽯灰砂浆使⽤。掺⼊砂⼦可减少收缩，更主要的是砂⼦的掺⼊能在⽯灰浆内形成连通的⽑细孔道，使内部⽔分蒸发并进⼀步碳化，以加速硬化。为了避免收缩裂缝，常加纤维材料，制成⽯灰⿇⼑灰、⽯灰纸筋灰等。3.2.3⽯灰的技术性质
1.良好的保⽔性。是因为⽣⽯灰熟化⽣成颗粒极细（粒径为1µm）呈胶体态分散的Ca(OH)2
，其表⾯吸附⼀层较厚的⽔膜。
2.凝结硬化慢、强度低。1:3⽯灰砂浆，硬化28天后抗压度只有0.2~0.5Mpa。
3.耐⽔性差。已硬化的⽯灰，由于Ca(OH)2
易溶于⽔，因⽽耐⽔性差。
4.体积收缩⼤。由于⽯灰硬化过程中，⼤量⽔分的蒸发引起。3.2.4⽯灰在建筑中的应⽤1.⽯灰乳涂料和⽯灰砂浆。
2.灰⼟和三合⼟。熟⽯灰粉与粘⼟按⼀定⽐例配合称为灰⼟，再加⼊煤渣、炉渣、砂等，即为三合⼟。⽤于建筑物基础和地⾯的垫层。3.硅酸盐制品。蒸压灰砂砖、蒸养粉煤灰砖、碳化灰砂砖及硅酸盐混凝⼟等。
4.碳化⽯灰板。将磨细⽣⽯灰、纤维状填料或轻质⾻料混合后搅拌成型，然后通⼊⾼浓度CO2
进⾏⼈⼯碳化（约12~24h）制成的⼀种轻质板材。
⽯灰还可配制⽆熟料⽔泥，如⽯灰矿渣⽔泥、⽯灰粉煤灰⽔泥等。建筑⼯程中⼤量采⽤磨细⽣⽯灰代替⽯灰膏和消⽯灰粉配制砂浆和灰⼟，或直接⽤于制造硅酸盐制品。磨细⽣⽯灰有以下优点：①颗粒细⼩（80µm⽅孔筛筛余⼩于30%），表⾯积极
⼤，⽔化反应速度提⾼30~50倍，⽔化时体积膨胀均匀，避免产⽣局部膨胀过⼤现象，所以可不经预先消化和陈伏⽽直接应⽤；②将⽯灰的熟化过程与硬化过程合⼆为⼀，熟化过程中所放热量⼜可加速硬化过程，从⽽改善⽯灰硬化缓慢的缺点，并可提⾼⽯灰浆体硬化后的密实度、强度和抗⽔性；③⽯灰中的过⽕⽯灰和⽋⽕⽯灰被磨细，提⾼了⽯灰的质量和利⽤率。⽯灰在运输贮存中，应注意防潮、防爆。3.3菱苦⼟
菱苦⼟是将天然菱镁矿(MgCO3
)煅烧、磨细⽽成的粉状物质。菱苦⼟密度为3.1~3.4g/cm3，堆积密度为800~900kg/m3。
⽤⽔调制菱苦⼟时，⽣成Mg(OH)2
，浆体凝结硬化慢，强度低。⼀般可⽤氯化镁（MgCl2.6H2
O）、硫酸镁、氯化铁、硫酸亚铁等盐类的溶液调拌，最常⽤的时氯化镁。
菱苦⼟吸湿性⼤，抗⽔性差，易变形和在表⾯泛霜。菱苦⼟最突出的优点是与植物纤维有良好的黏结⼒，且碱性较弱。建筑⼯程中常⽤来制造菱苦⼟⽊屑地⾯、⽊屑板和⽊丝板。3.4⽔玻璃
3.4.1⽔玻璃的化学组成和⽣产
⽔玻璃俗称泡花碱，是⼀种能溶于⽔的硅酸盐，由不同⽐例的碱⾦属和⼆氧化硅所组成。最常⽤的是硅酸钠⽔玻璃Na2O.nSiO2
，还有硅酸钾⽔玻璃K
2O.nSiO2
等。⽔玻璃的主要原料是⽯英砂、纯碱、烧碱。⽔玻璃是⼀种⽓硬性胶凝材料，在⽔中溶解的难易随⽔玻璃模数n (SiO2与Na2
O分⼦数⽐)的⼤
⼩⽽异。n⼤，⽔玻璃粘度⼤，较难溶于⽔，但较易硬化。建筑上常⽤的⽔玻璃的模数为2.6~2.8，密度为1.36~1.50g/cm3。3.4.2⽔玻璃的硬化
⽔玻璃在空⽓中吸收⼆氧化碳，形成硅酸凝胶，并逐渐⼲燥⽽硬化。为了加速硬化，常加⼊固化剂Na2SiF6，掺量为12~15%。Na2O.nSiO2＋CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2.mH2O2(Na2O.nSiO2)+mH2O+ Na2SiF6
=(2n+1) SiO2.mH2O+6NaF
3.4.3⽔玻璃的性质及应⽤
⽔玻璃的粘结性好，硬化后有较⾼的强度。⽔玻璃可配制如下材料：1.耐酸材料。⽔玻璃硬化后主要成分是硅酸凝胶，除氢氟酸、过热磷酸等少数酸外，⼏乎在所有的酸性介质中都有较⾼的稳定性。可⽤⽔玻璃配制耐酸胶泥、砂浆及混凝⼟，⼴泛⽤于防腐⼯程。2.耐热材料。⽔玻璃硬化后形成硅酸凝胶空间⽹状⾻架，因此具有良好的耐热性。采⽤耐热的砂、⽯，可配制成⽔玻璃耐热混凝⼟，耐热温度达1200℃。
3.涂料。⽤于涂刷建筑材料（天然⽯材、混凝⼟及硅酸盐制品）表⾯，可提⾼材料的密实度、强度和抗风化能⼒。注意⽔玻璃不能涂刷⽯膏制品，因为硅酸钠与硫酸钙发⽣反应⽣成硫酸钠，在制品孔隙中结晶，体积显著膨胀，会导致制品破坏。
4.灌浆材料。⽤⽔玻璃和氯化钙⽔溶液交替灌⼊⼟壤中，两种溶液反应⽣成硅酸凝胶，为⼀种吸⽔膨胀的冻状凝胶，可加固⼟壤，提⾼抗渗性。
5.保温绝热材料。以⽔玻璃为胶结材料，膨胀珍珠岩或膨胀蛭⽯为⾻料，加⼊⼀定⾚泥或氟硅酸钠，经配料、搅拌、成型、⼲燥、焙烧⽽成的制品，具有良好的绝热性能。
配制防⽔剂。以⽔玻璃为基料，加⼊蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）配制防⽔剂，适应与⽔泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局部抢修⼯程。由于凝结过速，不能⽤于屋⾯、地⾯防⽔砂浆。第五章混凝⼟5.1 概述
混凝⼟是由胶凝材料、⽔和粗、细⾻料按适当⽐例配合、拌制成拌合物，经⼀定时间硬化⽽成的⼈造⽯材。它是⼀种主要的建筑材料，⼴泛应⽤于⼯业与民胜建筑、给⽔与排⽔⼯程、⽔利⼯程以及地下⼯程、国防建设等。混凝⼟也是世界上⽤量最⼤的⼈造材料。5.1.1混凝⼟分类
混凝⼟可以分为很多类型。1）按照混凝⼟的结构分类
（1）普通结构混凝⼟：由（重质或轻质）粗集料、（重质或轻质）细集料、胶结材和⽔拌合⽽成。若以碎⽯或卵⽯、砂、⽔泥和⽔则制成普通混凝⼟。
（2）细粒混凝⼟：由细集料和胶结材制成。主要⽤于薄壁构件。（3）⼤孔混凝⼟：由粗集料和胶结材制成。主要⽤于保温外墙体。
（4）多孔混凝⼟：这种混凝⼟⽆粗集料、细集料，全由磨细的胶结材和其它粉料加⽔拌成的料浆，有机械⽅法或化学⽅法使之形成许多微⼩的⽓泡后，再经硬化制成。2）按照混凝⼟的表观密度分类
（1）重混凝⼟：表观密度⼤于2800kg/m3是⽤特别密实和特别重的⾻料制成的。如重晶⽯混凝⼟、钢屑混凝⼟等，它们具有不透射线和射线的性能。
（2）普通混凝⼟：表观密度为2000~2800 kg/m3是，⽤天然的砂、⽯作内料配制成的，这类混凝⼟在⼟建⼯程中常⽤，如房屋⽤桥梁等承重结构，道路建筑中的路⾯等。（3）轻混凝⼟：表观密度⼩于1950kg/m3。
此外，还有为满⾜不同⼯程的特殊要求⽽配制成的各种特种混凝⼟，如⾼强混凝⼟、流态混凝⼟、防护混凝⼟、耐热混凝⼟、耐酸混凝⼟，纤维混凝⼟、聚合物混凝⼟和喷射混凝⼟等。5.1.2混凝⼟的特点混凝⼟具有以下优点：1.具有良好的塑性，成型性好；2.与钢筋有牢固的粘结⼒，协调性好；3.耐久性好；
4.可根据需要配制各种不同性质、不同强度等级的混凝⼟，适⽤性好；5.混凝⼟组成材料中砂、⽯等廉价的地⽅材料占80%以上，经济性好。
混凝⼟也存在着抗拉强度低，受拉时变形能⼒⼩，容易开裂，⾃重⼤等缺点。为弥补这些缺点可配制预应⼒钢筋混凝⼟、⾃应⼒混凝⼟、聚合物混凝⼟、纤维混凝⼟等。5.2普通混凝⼟的组成材料
普通混凝⼟（以下简称为混凝⼟）是由⽔泥、砂、⽯和⽔所组成。为改善混凝⼟的某些性能还常加⼊适量的外加剂和掺合料。5.2.1混凝⼟中各组成材料的作⽤
在混凝⼟中，砂、⽯起⾻架作⽤，称为⾻料或集料；⽔泥与⽔形成⽔泥浆，⽔泥浆包裹在⾻料表⾯并填充其空隙。硬化前，⽔泥浆起润滑作⽤，赋予混凝⼟半和物⼀定流动性，便于施⼯操作。⽔泥浆硬化后，则将砂、⽯⾻料胶结成⼀个坚实的整体。砂、⽯⼀般不参与⽔泥与⽔的化学反应，主要作⽤是节约⽔泥、承担荷载，限制硬化⽔泥的收缩。外加剂、掺合料起节约⽔泥和改善混凝⼟性能的作⽤。
混凝⼟中，⾻料⼀般约占总体积的70%~80%，⽔泥浆（硬化后为⽔泥⽯）约占20%~30%，此外还含有少量的空⽓。5.2.2混凝⼟组成材料的技术要求1）⽔泥
采⽤何种⽔泥，应根据混凝⼟⼯程特点和所处的环境条件。
原则上是配制⾼强度等级的混凝⼟，选⽤⾼强度等级⽔泥；配制低强度等级的混凝⼟，选⽤低强度等级⽔泥。
⽤⾼强度等级⽔泥配制低强度等级混凝⼟时，会使⽔泥⽤量偏少，影响和易性及密实度，所以应掺⼊⼀定数量的混合材料。须⽤低强度等级⽔泥配制⾼强度等级混凝⼟时，使⽔泥⽤量过多，不经济，⽽且要影响混凝⼟其蛇技术性质。2）细⾻料
粒径在0.15mm~5.0mm之间的⾻料称为细⾻料，⼀般有河砂、海砂、⼭砂、机制砂。（1）有害杂质
细⾻料中常含有⼀些有害杂质，如粘⼟、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机杂质，其含量应符合规定。对砂中的⽆定形⼆氧化硅含量有怀疑时，应根据结构或构件的使⽤条件，进⾏专门试验测定其碱⾻料反应的活性即碱活性后，再确定其适⽤性。（2）颗粒形状及表⾯特征。
⼭砂的颗粒多具有棱⾓，表⾯粗糙，与⽔泥粘结较好，⽤它拌制的混凝⼟强度较⾼，但拌合物的流坳性较差；河砂、海砂，其
颗粒多呈圆珠笔形，表⾯光滑，与⽔泥的粘结较差，⽤来拌制混凝⼟，混凝⼟的强度则较低，但拌合物的流动较好。（3）砂的颗粒级配及粗细程度
砂的颗粒级配即表⽰砂⼤⼩颗粒的搭配情况。为达到节约⽔泥和提⾼强度的⽬的，就应尽量减⼩砂粒之间的空隙。
砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在⼀起后的总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。在相同质量条件下，细砂的总表⾯积较⼤，⽽粗砂的总表⾯积较⼩。砂⼦的总表⾯积愈⼤，则需要包裹砂粒表⾯的⽔泥浆就愈多。因此，⼀般说⽤粗砂拌制混凝⼟⽐⽤细砂所需的⽔泥浆为省。
砂的颗粒级配和粗细程度，常⽤筛分析的⽅法进⾏测定。⽤级配区表⽰砂的颗粒级配，⽤细度模数表⽰砂的粗细。筛分析的⽅法，是⽤⼀套孔径（净尺⼨）为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30及0.15mm的标准筛，将500g 的⼲砂试样由粗到细依次过筛，然后称得余留在各个筛上的砂的质量，并计算出各筛上的分计筛余百分率a1、a2、a3、a4、a5和a6（各筛上的筛余量占砂样总量的百分率）及累计筛余百分率A1、A2、A3、A4、A5、A6（各个筛和⽐该筛粗的所有分计筛余百分率相加在⼀起）。累计筛余下分计筛余的关系见表4-1。表4-1 累计筛余与分计筛余的关系分计筛余（%）累计筛余（%）筛孔尺⼨（mm）4.75 a1 A1= a12.36 a2 A2= a1+ a21.18 a3 A3= a1+ a2+ a30.60
a4 A4= a1+ a2+ a3+ a4 0.30a5 A5= a1+ a2+ a3+ a4+ a5 0.15a6 A6= a1+ a2+ a3+ a4+ a5+ a6细度模数µf 的公式：细度模数（µf ）=
细度模数（µf ）愈⼤，表⽰砂愈粗。普通混凝⼟⽤砂的粗细程度按细度模数分为粗、中、细三级，其细度模数范围：µf 在3.70~3.10为粗砂，µf 在3.00~2.30为中砂，µf 在2.20~1.60为细砂，µf 在1.50~0.70为特细砂。
根据0.60mm 筛孔的累计筛余量分成三个级配区（表4-2），混凝⼟⽤砂的颗粒级配，应处于表4-2中任何⼀个级配区以内。砂过粗（细度模数⼤于3.7）配成的混凝⼟，其拌合物的和易性不易控制，且内摩擦⼤，不易振捣成型；砂过细（细度模数⼩于0.7）配成的混凝⼟，既要增加较多的⽔泥⽤量，⽽且强度显著降低。所以这两种砂未包括在级配区内。 表4-2 砂颗粒级配区注： ①砂的实际颗粒级配与表中所列数字相⽐，除4.75mm 和0.60mm 筛号外，可以略有超出，但超出总量应⼩于5%。②Ⅰ区⼈⼯砂中0.15mm 筛孔的累计筛余可以放宽到100~85，Ⅱ区⼈⼯砂中筛孔尺⼨（mm ） 级配区Ⅰ区 Ⅱ区 Ⅲ区 累计筛余（按质量计）（%） 9.50 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.150 10~0 35~5 65~35 85~71 95~80 100~9010~025~050~1070~4192~70
100~90 0 10~0 15~0 25~0 40~16 85~55 100~90
0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100~80，Ⅲ区⼈⼯砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100~75。
如果砂的⾃然级配不合适，不符合级配区的要求，这时就要采⽤⼈⼯级配的⽅法来改善。最简单的措施是将粗、细砂按适当⽐例进⾏试配，掺合使⽤。
为调整级配，在不得已时，也可将砂加以过筛，筛除过粗或过细的颗粒。
配制混凝⼟时宜优先选⽤Ⅱ区砂；当采⽤Ⅰ区砂时，应提⾼砂率，并保持⾜够的⽔泥⽤量，以满⾜混凝⼟的和易性要求；当采⽤Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝⼟的强度。对于泵送混凝⼟，宜选⽤中砂。3）粗⾻科
普通混凝⼟常⽤的粗⾻料有碎⽯和卵⽯，粒径⼤于5mm。（1）有害杂质
粗⾻料中也常含有⼀些有害杂质，如粘⼟、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机杂质，它们的含量⼀般应符合规定。对重要⼯程的混凝⼟所使⽤的⽯⼦，应进⾏碱活性检验。（2）颗粒形状及表⾯特征
粗⾻料的颗粒形状及表⾯特征同样会影响其与⽔泥的粘结及混凝⼟拌合物的流动性。碎⽯具有棱⾓，表⾯粗糙，与⽔泥粘结较好，⽽卵⽯多为圆形，表⾯光滑，与⽔泥的粘结较差，在⽔泥⽤量和⽔⽤量相同的情况夏，碎⽯拌制的混凝⼟流动性较差，但强度较⾼，⽽卵⽯拌制的混凝⼟则流动性较好，但强度较低。如要求流动性相同，⽤卵⽯时⽤⽔量可少些，结果强度不⼀定低。
粗⾻料中针、⽚状颗粒过多，会使混凝⼟强度降低。（3）最⼤粒径及颗粒级配
粗⾻料中公称粒级的上限称为该粒级的最⼤粒径。根据《混凝⼟结构⼯程施⼯质量验收规范》GB50204-2002的规定，混凝⼟粗⾻料的最⼤粒径不得超过结构截⾯最⼩尺⼨的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，可允许采⽤最⼤粒径达1/3板厚的⾻料，但最⼤粒径不得超过40mm。
⽯⼦级配好坏对节约⽔泥和保证混凝⼟具有良好的和易性有很⼤关系。特别是拌制⾼强度混凝⼟，⽯⼦级配更为重要。⽯⼦的级配也通过筛分试验来确定，⽯⼦的标准筛有孔径为2.5、5、10、16、20、25、31.5、40、50、63、80及100mm等12个筛⼦。普通混凝⼟⽤碎⽯或卵⽯的颗粒级配应符合表4—5的规定。试样筛分所需筛号，应按表4-3中规定的级配要求选⽤。分计筛余百分率和累计筛余百分率计算均与砂的相同。表4-3 碎⽯或卵⽯的颗粒级配范围级配公称累计筛余按质量计(%)
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