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1、第十一讲材料的物质结构的基本性质、材料的性能与应用。一、内容提要：本讲主要是讲解材料的物理性质、材料的力学性质、石膏胶凝材料、石灰胶凝材料以及水玻璃等问题。二、本讲的重点：石膏胶凝材料和石灰胶凝材料的性能与应用。本讲的难点是：材料的物理性质、材料的力学性质中一些概念的区分以及一些指标的计算。三、内容讲解：1、 材料科学与物质结构的基础知识1. 1 材料的组成：是指材料的化学成分或矿物成分。它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。各种材料具有本身特有的化学成分和矿物成分，不同组成的材料，各具不同的化学、物理及力学性质，因此，材料组成是材料性质的基础，对材料的性质起着决
2、定性作用。1.2 材料的结构材料结构一般分为宏观结构、细观结构和微观结构三个层次。材料的微观结构是指物质的原子、分子层次上的结构，决定着材料的强度、硬度、弹塑性等性质。材料的结构是指组成物质的质点是以什么形式联结在一起，物质内部这种微观结构，与材料的物理、力学性质有着密切的关系。固态物质按其内部原子的排列情况可以分为两大类：晶体与非晶体。在晶体中，原子 （ 或分子 ） 在三维空间做有规则的周期性重复排列；非晶体则不然，原子（ 或分子 ） 散乱分布，或者只有些局部的短程规则排列。这一点是晶体与非晶体的根本区别。一般固态般固态金属与合金都是晶体，而玻璃类物质是非晶体。由于内部原子的排列情况不同，晶
3、体与非晶体的性质也不同。构成晶体的质点是按一定的规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的几何外形和固定的熔点，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列而成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。晶体也存在缺陷，晶体缺陷影响着材料的性质。而非晶体没有固定的熔点，没有固定的几何外形，各向同性，固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，也称为玻璃态。材料的化学成分相同，如果所形成的结构不同，其性能差异也很大。如石英和硅藻土，其成分虽然都是二氧化硅，但其性能相差很大。2、 材料的基本性质：(1)材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，又称
4、质量密度(P )。 可表示为：mp = v式中P一材料密度(kg/n?)；m材料质量(kg)；,一一材料体积(注)。材料的表观密度，是指材料在自然状态下单位体积的质量，亦称体积密度(P。)。材料表观密度的大小与其含水情况有关。通常材料的表观密度是指气干状态下的表 观密度。材料在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。m、 P 0=%式中Po一一材料表观密度(kg /m材料质量(k®Vo 一一材料在自然状态下体积(山)。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(Q'o)。可表示为：,mo = vo式中P，。一一散粒材料堆积密度(kg/m3)； m一一散粒材料质量(k勖v&
5、#39;o 一一散粒材料在自然堆积状态下体积（m»（2）材料的孔隙与孔隙率通常材料内部总是包括一部分孔隙，材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率， 称为材料的孔隙率）»材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率大，则密 实度小.P.乂1。口= （1邑）X100%好P可用下式表示:对于散粒材料，具堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率称为空隙率（PQ.wwe edu24ol« 8m 童军 J &主饼尸1J i xiio%=（i也）xioo% RP例h某一块状材料的全干质量为10鬼，自然状态体积为4（knA绝对密实状态下体积为33遍,试计算其密度、表观密度
6、，孔隙率。解：根据前面我们讲过的密度、表观密度、孔隙率的概念，我们可以知道，m密度 R =二=1。0/33=3,。3。§/城，vw表观密度 Po= -=100/40=2,500 g/cm2,%孔隙率p. = %二匕=丝3 =0.175%40（3）材料的亲水性与憎水性材料的亲水性：材料在空气中与水接触时，能被水润湿的性质，称材料的亲水性，如砖、 硅、木材等。材料的憎水性：材料在空气中与水接触时，不能被水润湿的性质，称材料的憎水性，如 石蜡、沥青 材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。材料的吸水性以吸水率表 示。 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。吸湿性
7、：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥空气 中也会放出水分，称为材料的吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示；含水率系指材料内 部所含水的质量占材料干质量的百分率。(5)材料的抗渗性与耐水性材料的抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或不透水性。材料的 抗渗性通常用渗透系数来表示。渗透系数是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下, 在单位时间内透过单位面积的水量。材料的耐水性是指材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材 料的耐水性用软化系数来表示，可用下式表示：K=%式中K材料的软化系数；&材料在饱水状态下的抗压强度(MP*%一一材料在干燥状态下的抗压强
8、度(MP。K的大小表明材料在浸水饱和后抗压强度降低的程度。(6)材料的抗冻性 ：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。抗冻等级是以规定的试件、在规定的试验条件 下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数来 确定。(七)导热性与比热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。材料导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度为lm 的材料，当温度改变1K时，在ls时间内通过lm2面积的热量。
9、 比热是指lkg重的材料，在温 度改变1K时所吸收或放出的热量。例 2、试判断下列中说法正确的项()A、 材料的吸水性是指材料在浸水状态下吸入水分的能力B、 材料的抗渗性是指材料在压力的作用下，材料抵抗水渗透的性能，用渗透系数来表示。C、 材料的吸湿性是指材料吸收空气中水分的能力。D、 材料的软化系数k 越小，其耐水性越好。答案为(D)2.2、材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。(1) 材料的强度与硬度材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用的形式不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。硬度是指材料表面抵抗硬物压人或
10、刻划的能力。材料的硬度愈大，其强度愈高。(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到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形，弹性变形属可逆变形，其大小与外力成正比，此时应力与应变的比值称为材料的弹性模量。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形为不可逆变形。(3) 材料的脆性与韧性材料受外力作用，当外力达到一定数值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产
11、生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。3、无机气硬性胶凝材料胶凝材料：是指在一定条件下通过自身的一系列变化而把其它材料胶结成具有强度的整体的材料。建筑上用来将散粒材料（ 如砂、石子等） 或块状材料（ 如砖、石块等） 粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料：以无机矿物为主要成分，当其与水或水溶液拌和所形成的浆体，经过一系列的物理化学变化后产生胶结力而把其它材料胶结成为具有强度的整体。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。水硬性胶凝材料：是指既能在空气中硬化，又能在水中硬化并保持和发展其强度，如硅酸盐
12、水泥，铝酸盐水泥。气硬性胶凝材料：是指只能在空气中硬化，并能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃等。石膏胶凝材料：包括建筑石膏、高强石膏、硬石膏水泥等，用途：可用于粉刷和制备砌筑砂浆，还可制成各种石膏制品。石灰是以碳酸钙为主要成分的原料（如石灰石、白垩等 ） ，经过高温下适当的煅烧，分解和排出二氧化碳后所得到的产品，其主要成分是氧化钙。3.1 、石膏胶凝材料石膏胶凝材料是一种以粉末状半水硫酸钙（CaS04? H2O为主的气硬性胶凝材料。如建筑石膏、高强石膏等。生产石膏胶凝材料的原料有天然二水石膏、硬石膏和工业副 产品石膏。建筑中使用最多的石膏胶凝材料是建筑石膏，其次是高
13、强石膏，此外还有硬 石膏水泥等。作为气硬性胶凝材料的石膏，通常是天然二水石膏经过低温煨烧、脱水、磨细而 成。二水石膏在受热脱水过程中，根据不同条件，得到各种半水石膏和无水石膏的变体，并具有各自不同的结构和性质。如下图所示:*无水石膏H十无水石看I牛水石营的凝结与硬化：将半水石膏粉末倒入调和水中搅拌成浆体时，则半水石膏遇水后将 重新水化生成二水，放出热量并逐渐淹结硬化.其化学反应可用下式表达：2（CaSO41坨0）+3/。=2（。心口42乂0）上述过程是半水石膏遇水后溶解、水化并形成二乙水石营的过程.因为CaS04 -2Ha0的溶解度小于CaS04 /比0的溶解度,所以CaS04 -2H2O 2
14、不断地从过饱和溶液中沉浣析出晶体，又因为CaS04 - 2H：0的析出破坏了原有的CaS04-坨0的平衡状态，此时CaS04-坨0进一步溶解，以补充CaS042坨。析晶 22而在相液中遍少的CaS04含量“如此不断地进行着半水石膏的溶解和二水石膏的结晶.直 至半水石宫完全水化为止.随着浆体中自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体变稠失去塑 性，这个过程称廉结。其后CaS042Hq的晶体继续大量形成，长大，晶体之间相互接触、 连生形成结晶结构网，这时，浆体逐渐变硬，强度逐渐增长，直至形成具有强度的石膏制品， 这个过程称为硬化过程.例次指出下列材料中哪一个不属于气硬性胶施材料()A石穹 B石灰 C水
15、玻璃 D硅酸盐水泥 答案为.(D)(1)建筑石膏;建筑石膏是二水石管在一定温度下加跳脱水，并磨细制成的以E-半水石 育为主要组成的气硬性胶凝材料.加水后拌制的浆体具有良好的可塑性.建筑石宵 的生产过程主要是时二水石音进行热处理，使其胶水成半水石音，这一反应是吸热 反应。建筑石宫的密度通常为250卜27。咏幼,分为优等品* 一等品、合格品三个等级.搬 结时间！初流不小于6mm,终潟不大于30mm0用途：(1)室内抹灰，粉刷(2)制成多孔的石膏制品(3)制作模型或雕塑(4)制作装饰涂料的填料以及人造大理石(5)制作各种石膏板。(2) 高强石膏：是二水石膏在加压蒸汽热处理条件下，形成 -半水石膏，再
16、经干燥、磨细制成的气硬性胶凝材料。高强石膏的生产过程同建筑石膏类似，也是对二 水古迹进行胶水处理，但是在蒸汽压力封闭式设备内热处理二水石膏，或者在具有某些 盐类的水溶液内加热二水石膏，使其脱水为-半水石膏，然后通过干燥磨成粉状产品。高强石膏的密度通常为26002800 kg/m3,初凝时间不早于3min,终凝时间不早于5min,不迟于30min。(3) 硬石膏：即无水石膏。硬石膏胶凝材料是由天然硬石膏或人工加热脱水所制得的无水石膏，掺加活化剂制成的粉状物料，又称硬石膏水泥。高温煨烧石膏民属于这一类。硬石膏在活人剂的作用下，水化硬化能力增强，凝结时间缩短，强度提高。与建筑石膏相比，硬石膏胶凝材料
17、标准稠度用水量较小，凝结时间较长，强度较高，具有较好的而水性，可以在一般潮湿环境中应用，硬石膏材料具有较好的抗酸、抗碱侵蚀 的能力，适合用作化学药品仓库的建筑材料。高温煨烧石膏的抗水性较好，而磨性好， 可以作为地板材料，故又称为地板石膏。例4、指出下列错误的一个()A、 建筑石膏可用于室内抹灰、粉刷，有良好的效果。B、 建筑石膏可用于制作各种石膏板C建筑石膏可用于湿度、温度过高的环境中D建筑石膏可用于制作装饰涂料的填料，也可以制造人造大理石。答案为：(C)3.2石灰胶凝材料：石灰，是建筑石灰的简称，是在建筑上使用最早的矿物胶凝材料之一。石灰是具有不同 化学成分和物理形态的生石灰、消石灰、水硬性
18、石灰的统称。石灰是一种气硬性胶凝材料，它是以碳酸钙为主要成分的原料如石灰石、白垩等，经过高温煨烧而成，其主要成分是氧化钙，煨烧反应式如下：CaCOj t CaO+C02由于生产石灰的原料中常含有碳酸镁(MgC03),所以石灰中也会含有一定量的氧化镁(MgO)。按照建筑生石灰等有关标准规定，根据氧化镁含量的多少，石灰分为钙质石灰和镁质石灰两类。根据成品加工方法不同，可将石灰分成以下几种：(1) .块状生石灰：由原料煨烧而得的原产品，主要成分为氧化钙。(2) .生石灰粉：由块状生石灰磨细而得的细粉，其细度一般要求为0.125毫米方孔筛的筛余(718) %,主要成分是氧化钙。(3) .消石灰粉：将生
19、石灰用适量水消化而得的粉末，亦称熟石灰，主要成分为氢氧化车(Ca(OI-2)。(4) .石灰浆：将生石灰用过量水(约为生石灰体积的34倍)消化而得的粘稠浆体， 亦称石灰膏，主要成分为氢氧化钙和水。如果水量加得更多，所得到的白色悬浊液，称 为石灰乳。在15C时溶有0. 3%氢氧化钙的透明液体，称为石灰水。石灰的消化与硬化：(1)石灰的消化：生石灰加水变成粉末的方法称为消化，成品称为消石灰粉。石灰的消化过程用下面热反应化学式表示：CaO+HaO Q您勤石灰的消化过程是一个可逆的过程，反应的方向取决于温度和周围介质中蒸汽压。在常温下，反应向右进行。生石灰消化过程需要一定时间，如果生石灰消化不充分，在
20、消石灰粉中残留有 未消化的生石灰，则在使用后，由于未消化的生石灰继续消化，从而导致爆裂或不正常 的膨胀现象。消化时间取决于周围环境的温度和蒸汽压、生石灰的煨烧程度和杂质含量、石 灰块的尺寸以及掺人的外加剂等因素。生石灰消化成消石灰粉或石灰浆可以采用人工的方法，也可采用机械方法。 一般，人工方法的劳动强度大，劳动条件恶劣，而且消化时间长，成品质量不均匀，但 其成本低，所以目前也常使用。(2)石灰硬化：石灰浆体的硬化包括两个同时进行的过程：干燥和碳酸化。石灰浆在干燥环境中，多余的游离水逐渐蒸发，使颗粒聚结在一起，同时生石灰浆体的内部形成大量的毛细孔隙。另外，当水分蒸发时，液体中氢氧化钙达到一定程
21、度的过饱和，从而会产生氢氧化钙的析晶过程，加强了石灰浆中原来的氢氧化钙颗粒之 间的结合。石灰浆能吸收空气中的二氧化碳而碳酸化，其反应如下。Ca(OH)M岫1即&«嗣蜘上式表明，Ca(OH)2与C02只有在水分存在下才能发生碳酸化过程， 形成碳酸钙(CaCO3> 碳酸钙的固相体积比氢氧化钙的固相体积稍微增大一些，使石灰浆体的结构更加致密, 所以碳酸化也是石灰硬化的原因之一。石灰浆在凝结硬化过程中收缩极大且发生开裂，因此，石灰浆不能单独使用，而必须掺 人一些骨料最常用的是砂子。石灰砂浆中的砂子好像是砂浆中的骨架，它可减少和防止 开裂。掺砂可节省石灰用量，降低成本。此外砂子可
22、使砂浆形成较多的孔隙，以利于石 灰浆内部水分的排除和吸收二氧化碳。石灰浆在硬化时，不但游离水分要向环境排出、，而且碳酸化反应生成的水分也要蒸发 到周围环境中去，所以只能用于较干燥的环境，不宜用于潮湿环境和水中。(3) 石灰的应用( i )建筑粉刷建筑室内墙面和顶棚采用消石灰乳进行粉刷，施工方便，颜色洁白，建筑中应用十分广泛。(ii) 建筑砂浆石灰可以单独或者与水泥一起配制成砂浆，用作砖墙和混凝土基层的抹灰或砌筑。(iii) 三合土和灰土 三合土是利用消石灰粉、粘土砂子加水拌和夯实而成。灰土是消石灰粉、粘土加水拌和夯实而成。(iv) 加固含水的软土地基生石灰块可以直接用来加固含水的软土地基，俗称
23、石灰桩。(v) 无熟料水泥和硅酸盐制品(vi) 磨制生石灰粉生石灰粉是将块状生石灰磨细而成，在使用前先经加水消化成石灰浆。生石灰粉的细度一般要求在0.125 毫米筛筛余不超过18。如果生石灰粉加水后立即使用，其凝结硬化 快，而且由于水灰比较低，硬化后密实度、强度和抗水性都较高。例5、指出下列哪一个不是石灰在建筑工程中的应用()A建筑粉刷B、加固含水白软土地基 C磨制生石灰粉D制作模型或雕塑答案为(D),3.3、水玻璃水玻璃俗称泡化碱，是一种水溶性硅酸盐，由碱金属氧化物和二氧化硅组成，如硅酸钠和硅酸钾等。硅酸钠是建筑上常用的水玻璃，其水溶液为无色或淡绿色粘稠液体。水玻璃溶液在空气中吸收二氧化碳形
24、成无定形硅胶，并逐渐干燥而硬化，具化学反应式为：bh01 nSi 电 +式 0 rHiSi回上述反应过程进行很慢，为加速硬化，常在水玻璃中加入促硬剂如氟硅酸钠，促使硅酸凝胶加速析出，其中氟硅酸钠白适宜掺量一般为水玻璃质量的(1215) %。水玻璃的应用：(1)耐酸混凝土应用水玻璃作胶结料，氟硅酸钠作促硬剂，可以配制耐酸混凝土。(2)耐热混凝土应用水玻璃作胶结料，掺入促硬剂氟硅酸钠，可以配制耐热混凝土，极限使用温度可以达至U 1200Co(3)灌浆材料水玻璃可以作为灌浆材料，用于地基加固。另外，水玻璃可以用来配制速凝剂，用于工程抢修、堵漏等，还可以用来涂刷材料 表面，提高密实性和抗风化能力等等。