土木工程材料

第六章

砌筑材料

第一節(jié)天然石材石材是最古老的土木工程材料之一，藏量豐富、分布很廣，便于就地取材，堅固耐用，砌筑石材廣泛用于砌墻和造橋。世界上許多的古建筑都是由石材砌筑而成，不少古石建筑至今仍保存完好。如全國重點保護文物的趙州橋、廣州圣心教堂等都是以石材砌筑而成。

但天然石材加工困難，自重大，開采和運輸不夠方便。

巖石是在地質(zhì)作用下產(chǎn)生的、由一種或多種礦物按一定的規(guī)律組成的自然集合體。天然石材是指從天然巖石中采得的毛石，或經(jīng)加工制成的石塊、石板及其定型制品等。天然石材具有抗壓強度高、耐久性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，是古今土木建筑工程的主要建筑材料。巖石根據(jù)其成因可分為：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三種。一工程砌筑石材工程對砌筑石材的要求有：（１）石材尺寸規(guī)格常用的砌筑石材有毛石和料石。毛石為不規(guī)則形，但毛石的中間厚度不小于15ｃｍ，至少有一個方向的長度不小于30㎝，平毛石應(yīng)有兩個大致平行的面。料石的寬度和厚度均不宜小于20ｃｍ，長度不宜大于厚度的４倍，形狀應(yīng)大致呈六面體。（２）石材抗壓強度根據(jù)邊長70ｍｍ立方體試件的抗壓強度，砌筑石材的強度等級分為ＭＵ10、ＭＵ15、ＭＵ20、ＭＵ30、ＭＵ40、ＭＵ50、ＭＵ60、ＭＵ80、ＭＵ100共九個等級。注：其強度是由平均值確定的。天然石材抗壓強度的大小，取決于巖石的礦物成分、結(jié)晶粗細(xì)、膠結(jié)物質(zhì)的種類及均勻性，以及荷載等因素。從巖石結(jié)構(gòu)角度考慮，具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的天然石料，其強度比玻璃質(zhì)的高，細(xì)粒結(jié)晶的比中?；虼至＝Y(jié)晶的強度高，等粒結(jié)晶的比斑狀的強度高，結(jié)構(gòu)疏松多孔的天然石料，強度遠(yuǎn)小于構(gòu)造均勻致密的石料。具有層理、片狀構(gòu)造的石料，其垂直于層理、片理方向的強度較平行于層理、片理的高。對于有層理、片理構(gòu)造的天然石料，在測定抗壓強度時，其受力方向應(yīng)與石料在砌體中的實際受力方向相同。

（３）石材耐水性石材的耐水性用軟化系數(shù)K表示。高耐水性石材，其軟化系數(shù)為K＞0.90,中耐水性石材，其軟化系數(shù)為0.7～0.9,低耐水性石材,其軟化系數(shù)為Ｋ＝0.6～0.7。(４)石材抗凍性試件在規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)內(nèi)無（穿過試件兩棱角的）貫穿裂紋，質(zhì)量損失不超過５％，強度降低不大于２５％的石材方為合格。對于有特殊要求的工程，還可能要求石材的耐磨性、吸水性或抗沖擊性。決定石材上述技術(shù)性質(zhì)的因素有：礦物組成、結(jié)構(gòu)特征、構(gòu)造特點、受風(fēng)化作用的程度等。常用砌筑石材有花崗巖、石灰?guī)r、砂巖、片麻巖等。

A、B、C三塊石料均具有層理，其層理及受力方向如圖。請討論這幾種石料的砌筑有何問題。

C石料的砌筑方向不對，具有層理構(gòu)造的石塊其垂直層理的強度高于平行于層理的強度，宜轉(zhuǎn)90°放置。二裝飾石材（1）天然大理石天然大理石是石灰?guī)r或白云巖在地殼內(nèi)經(jīng)過高溫高壓作用形成的變質(zhì)巖，多為層狀結(jié)構(gòu)，有明顯的結(jié)晶，紋理有斑紋、條紋之分，是一種富有裝飾性的天然石材。天然大理石化學(xué)成分為碳酸鹽（如碳酸鈣或碳酸鎂），礦物成分為方解石或白云石，純大理石為白色，當(dāng)含有部分其它深色礦物時，便產(chǎn)生多種色彩與優(yōu)美花紋。從色彩上來說，有純黑、純白、純灰、墨綠等數(shù)種。從紋理上說，有晚霞、云霧、山水、海浪等山水圖案、自然景觀。大理石抗壓強度較高，但硬度并不太高，易于加工雕刻與拋光。由于這些優(yōu)點，使其在工程裝飾中得以廣泛應(yīng)用。當(dāng)大理石長期受雨水沖刷，特別是受酸性雨水沖刷時，可能使大理石表面的某些物質(zhì)被侵蝕，從而失去原貌和光澤，影響裝飾效果，因此大理石多用于室內(nèi)裝飾。（2）天然花崗石建筑用天然花崗石是由天然花崗石加工成板材、塊材用于建筑裝飾工程中。花崗巖是典型的火成巖，是全晶質(zhì)巖石，其主要成分是石英、長石和少量的暗色礦物和云母。按結(jié)晶顆粒大小，分為細(xì)粒、中粒和斑狀等。顏色呈灰色、黃色、薔薇色、紅花等。優(yōu)質(zhì)花崗巖石英含量多（２０～４０％），云母含量少，晶粒細(xì)而勻，結(jié)構(gòu)緊密，不含其他雜質(zhì)，拋光后光澤明亮，不易風(fēng)化，色調(diào)鮮明，花色豐富，莊重大方?；◢弾r比大理石密度大，密度為2300～2800㎏／ｍ3，抗壓強度高達(dá)120～250MPa。孔隙率吸水率極低，材質(zhì)硬度高，其耐磨、耐久、耐腐蝕性能均優(yōu)于其他石材。經(jīng)拋光后，是室內(nèi)外地面、墻面、踏步、柱石、勒腳等處首選裝飾材料。第二節(jié)磚一.燒結(jié)普通磚燒結(jié)普通磚是以粘土、頁巖、煤矸石、粉煤灰為主要原材料，經(jīng)焙燒而成的尺寸為240×115×53㎜直角六面體塊材。粘土質(zhì)材料在一定溫度下，其中的鋁硅酸鹽礦物部分熔融，冷卻后將其余礦物顆粒粘結(jié)成一體，保持磚坯的形體，并具有一定的物理、力學(xué)性能。這一工藝稱為“燒結(jié)”或“焙燒”。燒結(jié)普通磚俗稱小磚、標(biāo)準(zhǔn)磚、實心磚等。燒結(jié)普通磚根據(jù)抗壓強度分為ＭＵ30、ＭＵ25、ＭＵ20、ＭＵ15、ＭＵ10五個強度等級。強度和抗風(fēng)化性能合格的磚，根據(jù)尺寸偏差、外觀質(zhì)量、泛霜和石灰爆裂等分為優(yōu)等品（Ａ）、一等品（Ｂ）和合格品（Ｃ）三個質(zhì)量等級。二燒結(jié)普通磚的缺陷指標(biāo)當(dāng)生產(chǎn)燒結(jié)磚的原料中含有有害雜質(zhì)或生產(chǎn)工藝不當(dāng)時，均可造成燒結(jié)磚的質(zhì)量缺陷，影響磚的耐久性。主要缺陷及耐久性指標(biāo)有：1）燒結(jié)磚的泛霜當(dāng)生產(chǎn)燒結(jié)磚的原料中含有可溶性無機鹽時，會隱含在成品燒結(jié)磚的內(nèi)部，磚吸水后再次干燥時，水分會向外遷移，這些可溶性鹽隨水滲到磚的表面，水分蒸發(fā)后便留下白色粉末狀的鹽，形成白霜，這就是泛霜現(xiàn)象。泛霜嚴(yán)重時，由于大量鹽類的溶出和結(jié)晶膨脹會造成磚砌體表面粉化及剝落，內(nèi)部孔隙率增大，抗凍性顯著下降。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定優(yōu)等磚不得有泛霜現(xiàn)象，合格磚不得嚴(yán)重泛霜。請觀察圖，分析燒結(jié)普通磚表面產(chǎn)生白霜的原因及其后果

磚內(nèi)可溶性鹽，如硫酸鈉等在磚的使用過程中的鹽析現(xiàn)象稱為泛霜。這些可溶性鹽受潮吸水溶解后，隨水份蒸發(fā)向磚表面遷移，并在過飽和下結(jié)晶析出，產(chǎn)生膨脹，從而使磚表面結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致磚的強度降低。泛霜還會導(dǎo)致磚面與砂漿抹面層剝離。

２）燒結(jié)磚的石灰爆裂有時生產(chǎn)燒結(jié)磚的原料中夾有石灰石等雜物，經(jīng)焙燒后磚內(nèi)形成了顆粒狀的石灰塊等物質(zhì)。處于干燥條件下時，這些雜質(zhì)不會影響磚的性能，一旦吸水后，就會產(chǎn)生局部體積膨脹，導(dǎo)致磚體開裂甚至崩潰。石灰爆裂不僅造成磚體的外觀缺陷和強度降低，還可能造成對砌體的嚴(yán)重危害。3）欠火磚與過火磚燒結(jié)磚的形成是磚坯經(jīng)高溫焙燒，使部分物質(zhì)熔融，冷凝后將未經(jīng)熔融的顆粒粘結(jié)在一起成為整體。當(dāng)焙燒溫度不足時，熔融物太少，難以充滿磚體內(nèi)部，粘結(jié)不牢，這種磚稱為欠火磚。欠火磚孔隙率大，強度低，抗凍性差，外觀顏色較淺，為有缺陷磚。當(dāng)焙燒溫度過高時，磚內(nèi)熔融物過多，造成高溫下的磚體變軟，此時磚在點支撐下易產(chǎn)生彎曲變形，這種磚為過火磚。它也屬于有缺陷磚。欠火磚與過火磚均為不合格產(chǎn)品。（5）燒結(jié)磚的耐久性燒結(jié)磚的耐久性除了磚的泛霜和石灰爆裂性外，還包括抗風(fēng)化性能。磚的抗風(fēng)化性能用抗凍融試驗或吸水率試驗來衡量。標(biāo)準(zhǔn)GBS101一2000規(guī)定，黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆等五省、區(qū)必須進行凍融試驗；其他地區(qū)，磚的吸水率滿足規(guī)范后，可不做凍融試驗。某磚混結(jié)構(gòu)浸水后倒塌

某縣城于1997年7月8號至10日遭受洪災(zāi)，某住宅樓底部單車庫進水，12日上午倒塌，墻體破壞后部分呈粉末狀，該樓為五層半磚砌體承重結(jié)構(gòu)。在殘存北縱墻基礎(chǔ)上隨機抽取20塊磚試驗進行試驗。自然狀態(tài)下實測抗壓強度平均值為5.85MPa，低于設(shè)計要求的MU10磚抗壓強度。從磚廠成品堆中隨機抽取了磚測試，抗壓強度十分離散，高的達(dá)21.8MPa，低的僅5.1MPa。請對其砌體材料進行分析討論。①磚的質(zhì)量差。設(shè)計要求使用MU10磚，而在施工時使用的磚大部分為MU7.5，現(xiàn)場檢測結(jié)果磚的強度低于MU7.5。該磚廠土質(zhì)不好，磚勻質(zhì)性差。

②磚的軟化系數(shù)小，且被積水浸泡過，強度大幅度下降，故部分磚破壞后呈粉末狀。

③砌筑砂漿強度低，無粘結(jié)力。

(1)含可溶性鹽較高的燒結(jié)粘土磚壽命較短圖是海南某地?zé)Y(jié)粘土磚墻和花崗巖石墻。幾年后燒結(jié)粘土磚墻出現(xiàn)明顯腐蝕，而花崗巖石墻無此現(xiàn)象。請分析原因。海南等沿海地區(qū)氣候潮濕，而且空氣中含較多鹽、堿等腐蝕介質(zhì)，因此部分含可溶性鹽較高的燒結(jié)黏土磚出現(xiàn)鹽析，并導(dǎo)致磚的使用壽命縮短。而花崗巖表現(xiàn)密度大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、孔隙率小、吸水率低，耐鹽堿腐蝕能力強，耐久性好。

2蒸壓灰砂磚以石灰和砂為主要原料，允許摻入顏料和摻加劑，經(jīng)坯料制備，壓機成型，蒸壓養(yǎng)護而成的實心灰砂磚。根據(jù)其抗壓強度和抗折強度分MU25,MU20,MU15,MU10四級。其中MU25,MU20,MU15的磚可用于基礎(chǔ)及其它建筑；MU10的磚僅可用于防潮層以上的建筑。灰砂磚不得用于長期受熱20℃以上、受急冷急熱和又酸性介質(zhì)侵蝕的建筑部位。

新疆某石油基地庫房砌筑采用蒸壓灰砂磚，由于工期緊，灰砂磚亦緊俏。出廠四天的灰砂磚即砌筑。8月完工，后發(fā)現(xiàn)墻體有較多垂直裂縫，至11月底裂縫基本固定。

①首先是磚出廠到上墻時間太短，灰砂磚出釜后含水量隨時間而減少，20多天后才基本穩(wěn)定。出釜時間太短必然導(dǎo)致灰砂磚干縮大。

②氣溫影響。砌筑時氣溫很高，而幾個月后氣溫明顯下降，從而溫差導(dǎo)致溫度變形。

③灰砂磚表面光滑，砂漿與磚的粘結(jié)程度低。需要說明的是灰砂磚砌體的抗剪強度普遍低于普通粘土磚。三.燒結(jié)多孔磚和空心磚（1）燒結(jié)多孔磚燒結(jié)多孔磚是以粘土﹑頁巖或煤矸石為主要原料經(jīng)焙燒而成主要用于承重部位的多孔磚。主要原料與燒結(jié)空心磚相同，但為大面有孔洞的磚，孔的尺寸小而數(shù)量多，其孔洞率不小于15％，不大于35%，孔洞分布在大面尚且均勻合理，非孔部分磚體較密實，所以強度較高。工程中使用時常以孔洞垂直于承壓面，以充分利用磚的抗壓強度。燒結(jié)多孔磚根據(jù)10塊的抗壓強度分為ＭＵ30、ＭＵ25、ＭＵ20、ＭＵ15、ＭＵ10五個強度等級。

（2）燒結(jié)空心磚燒結(jié)空心磚是指孔洞率大于3５％，孔尺寸大而孔數(shù)量少的磚。燒結(jié)空心磚的尺寸一般較大，空洞通常平行于承壓面，抗壓強度較低。依據(jù)抗壓強度可劃分為ＭＵ5.0、ＭＵ3.0和ＭＵ2.0三種強度等級。根據(jù)空心磚（含空洞）的表觀密度劃分為800、900、1100㎏/m3三個等級的空心磚。每個密度級別根據(jù)外觀質(zhì)量、強度等級、尺寸偏差和物理性能，又分為優(yōu)等品（Ａ）、一等品（Ｂ）與合格品（Ｃ）三個等級。多孔磚與空心磚有何異同？⑴兩種磚孔洞率要求均為等于或大于15％，空心磚一般大于35%；

⑵多孔磚孔的尺寸小而數(shù)量多，空心磚孔的尺寸大而數(shù)量小；

⑶多孔磚常用于承重部位，空心磚常用于非承重部位。

第三節(jié)砌塊

砌塊是砌筑用的人造塊材。砌塊系列中主規(guī)格的長度、寬度或高度有一項或一項以上分別大于365mm、240mm或115mm。但高度不大于長度或?qū)挾鹊牧?，長度不超過高度的三倍。砌塊按其尺寸規(guī)格分為小型砌塊、中型砌塊和大型砌塊；按用途分為承重砌塊和非承重砌塊；按孔洞設(shè)置狀況分為空心砌塊（空心率≥25％）和實心砌塊（空心率＜25％）。

（1）混凝土空心砌塊工程中常用的混凝土空心砌塊尺寸一般為３９０×１９０×１９０ｍｍ、２９０×１９０×１９０ｍｍ和１９０×１９０×１９０ｍｍ，孔洞率一般為３５％～６０％。強度等級分別為ＭＵ3.5、ＭＵ5.0、ＭＵ7.5、ＭＵ10、ＭＵ15.0和ＭＵ20.0六個等級。按其尺寸偏差和外觀質(zhì)量分為優(yōu)等品（Ａ）、一等品（Ｂ）及合格品（Ｃ）三個等級?；炷疗鰤K使用前，應(yīng)首先檢驗外觀質(zhì)量和尺寸偏差，合格后再檢驗其抗壓強度及相對含水率。必要時檢驗其抗?jié)B性和抗凍性。其中相對含水率是指砌塊的實際含水率與其最大吸水率之比。當(dāng)混凝土砌塊使用輕集料時，空心砌塊的重量大為減輕，按其表觀密度（含孔洞）有500～1000kg／ｍ3不等。常用的輕集科有陶粒、煤渣、自燃煤矸石和膨脹珍珠巖等。為什么輕集料混凝土小型空心砌塊用于墻體時要設(shè)置伸縮縫？

這是由于輕集料混凝土小型空心砌塊的溫度變形和干縮變形大于燒結(jié)普通磚，為防裂縫，可根據(jù)具體情況設(shè)置伸縮縫，在必要的部位增加構(gòu)造鋼筋。（2）蒸壓加氣混凝土砌塊（ＡＣＢ）凡以鈣質(zhì)材料或硅質(zhì)材料為基本的原料，以鋁粉等為發(fā)氣劑，經(jīng)過切割、蒸壓養(yǎng)護等工藝制成的，多孔、塊狀墻體材料稱蒸壓加氣混凝土砌塊。蒸壓加氣混凝土砌塊的特性為多孔輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、加工性能好，但其干縮較大。使用不當(dāng)，墻體會產(chǎn)生裂紋。

粘土磚與加氣混凝土砌塊吸水率的比較

將粘土磚與加氣混凝土砌塊分別在水中浸泡2min后，再分別敲開，觀察新斷面中孔的大小、形狀分布及水滲入的程度，請分析其吸水率不同的原因。

從新斷面可見，水已滲入實心粘土磚內(nèi)部，而僅滲入加氣混凝土砌塊表面。之所以有這樣的差異，是其孔結(jié)構(gòu)不同造成的。加氣混凝土砌塊為多孔結(jié)構(gòu)，其孔是封閉的、不連通的小孔，故水難以滲入到其內(nèi)部。實心粘土磚雖也是多孔結(jié)構(gòu)，但其孔徑大，且有大量連通孔存在。封閉不連通的小孔可以有效的阻止水的滲透；孔徑大且存在連通孔則為水的滲透提供了條件

在加氣混凝土砌塊砌筑的墻上澆一次水后馬上抹砂漿層，為什么砂漿容易出現(xiàn)干裂或空鼓？

加氣混凝土砌塊的氣孔大部分是“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，只有小部分是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔，肚大口小，毛細(xì)管作用較差，故吸水導(dǎo)熱緩慢。燒結(jié)普通磚淋水后易吸足水，而加氣混凝土表面澆水不少，實則吸水不多。用一般的砂漿抹灰易被加氣混凝土吸去水分，而易產(chǎn)生干裂或空鼓。故可分多次澆水，且采用保水性好、粘結(jié)強度高的砂漿。

新型墻體材料的發(fā)展

砌體材料主要用于砌筑墻體。墻體材料的改革是一個重要而難度大的問題，發(fā)展新型墻體材料不僅是取代實心粘土磚的問題，首要是保護環(huán)境、節(jié)約資源、能源。另外是滿足建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，包括抗震以及多功能。還有是給傳統(tǒng)建筑行業(yè)帶來變革性新工藝，擺脫人海式施工，采用工廠化、現(xiàn)代化、集約化施工。新型墻體材料正朝著大型化、輕質(zhì)化、節(jié)能化、利廢化、復(fù)合化、裝飾化以及集約化等方面發(fā)展。墻體材料除磚與砌塊外，還有墻用板材。常用的墻用板材有多種：石膏空心條板、紙面石膏板、金屬面硬質(zhì)聚氨酯夾芯板、玻璃纖維增強水泥板和鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙烯夾芯板等。除紙面石膏板第3章已作介紹外，以下再介紹后兩種板材。

①玻璃纖維增強水泥復(fù)合板（簡稱GRC墻板）

玻璃纖維增強水泥復(fù)合板是以低堿水泥和硫酸鹽早強水泥為膠結(jié)料，耐堿（或抗堿）玻璃纖維作增強材料，填充保溫心材，如水泥珍珠巖、巖棉等，經(jīng)成型、養(yǎng)護而成的一種輕質(zhì)復(fù)合板材。

GRC墻板的主要特點是輕質(zhì)、高強、韌性好、加工簡易、施工方便。但其中一些GRC板會在接縫處開裂，影響了其推廣應(yīng)用。

鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙烯夾心板

從圖中可見，該墻板由四種不同的材料構(gòu)成，分別是：裝飾層、水泥砂漿面層、鋼筋網(wǎng)肋片和聚苯乙烯。各層分別有不同的作用。裝飾層起到美觀的效果；水泥砂漿面層作為鋼筋網(wǎng)肋片和裝飾層之間的過渡，可抹平鋼筋網(wǎng)肋片，使裝飾層平整易施工；鋼筋網(wǎng)肋片提供墻體所需要的強度；聚苯乙烯芯材由于輕質(zhì)，可降低墻體重量，同時由于多孔，可起到保溫的作用。各種材料綜合作用，使墻體材料具備高的性能。

頂層墻體開裂

某四層磚混結(jié)構(gòu)的平屋面住宅在竣工兩年后，在頂層墻體出現(xiàn)正八字裂縫，請分析原因。由于平屋面和墻體所受高溫和太陽輻