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1、土木工程材料复习资料土木工程材料复习资料 第 1 章 土木工程材料的基本性质 表观密度： 指材料在自然状态下单位体积的质量。 0 0 = m V 堆积密度： 指粉状或散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质 量。 0 0 = m V 孔隙率： 材料内部孔隙的体积占其总体积的百分率。 0 1P 开口孔隙率对吸水、透声、吸声有利，对材料的强 度、抗渗性、抗冻性和耐久性不利。闭口孔隙可以 降低材料的表观密度和导热系数，使材料具有轻质 绝热的性能，并可以提高耐久性。 空隙率： 0 0 1P 材料的亲水性和憎水性： 材料与水接触时，能被水润湿的性质称为亲水性。 不能被水润湿的性质称为憎水性。 用接触角区分。
2、当时为亲水材料，反之为90 憎水材料。 材料的吸水性与吸湿性： 材料与水接触时吸收水分的性质为吸水性。吸水性 的大小用吸水率表示。 质量吸水率： 1 m mm W m 吸水率的大小主要取决于其孔隙特征。材料吸水会 导致材料的强度降低，表观密度和导热性增大，体 积膨胀。 含水率是材料所含水的质量占材料干燥质量的百分 率。 材料的耐水性： 材料在饱和水的长期作用下维持不破坏而且强度也 不明显降低的性质称为耐水性。 材料的耐水性用软化系数来表示： 1 R 0 f K f 材料的抗渗性： 材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。材 料的抗渗性用渗透系数或抗渗等级来表示。 渗透系数越小，抗渗性越好。
3、材料的抗渗性与材料的孔隙率、孔隙特征以及亲 水、憎水性有密切关系。 材料的抗冻性： 材料的抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能抵抗 多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强 度的性质，用抗冻等级来表示。 材料的导热性： 导热性是指材料将热量从温度高的一侧传递到温度 低的一侧的能力，用导热系数来表示。 导热系数小的材料，导热性差、绝热性好。 影响导热系数大小的因素有物质构成、微观结构、 孔隙率与孔隙特征、温度、湿度与热流方向等（ 孔隙特征；含水的情况） 。材料孔隙率越大，尤 其是闭口孔隙率越大，导热系数越小。 材料的强度： 材料在荷载作用下抵抗破坏的能力成为强度。 强度与材料的组成、构造等因素
4、有关。孔隙率越 低，强度越高。 材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分 的材料比干燥时强度低，温度高时一般来说强度会 降低。 采用小试件测得的强度较大试件高，加载速度越 快，强度测得越高，表面涂抹润滑剂，测得强度会 变低。 材料的结构： 分为微观结构、细观结构和宏观结构。 微观结构可分为晶体、玻璃体和胶体。 晶体具有特定的几何外形和固定的熔点及化学稳定 性。 玻璃体的结构特征为质点在空间上呈非周期性排 列，没有固定的熔点。 胶体分为溶胶、溶凝胶和凝胶。 第 2 章 气硬性凝胶材料 凝胶材料的分类： 气硬性凝胶材料只能在空气中硬化，也只能在空气 中保持和发展其强度。水硬性凝胶材料不仅能在空
5、 气中，而且能在水中硬化且保持和发展其强度。 石灰： 作为凝胶材料的石灰即为生石灰，主要成分是氧化 钙（CaO） 。 氢氧化钙称为熟石灰、消石灰。 石灰石经过煅烧，其主要成分碳酸钙分解成为氧化 钙，得到块状生石灰。若煅烧温度过低，煅烧时间 不足，则碳酸钙不能完全分解，生成欠火石灰，产 浆量较低，质量较差，降低了石灰的利用率；若煅 烧温度过高，将生成颜色较深、密度较大的过火石 灰，影响工程质量。 生石灰加水生成氢氧化钙的过程，称为石灰的熟化 或消解过程。石灰熟化时放出大量的热，其体积膨 胀 12.5 倍。 欠火石灰的危害用筛网剔除。为了防止过火石灰体 积膨胀引起的隆起和开裂，石灰浆应在储灰坑中存
6、 放两星期以上，叫做陈伏。陈伏期间，石灰浆表面 应保持一层水分，与空气隔绝，以免碳化。 石灰的性能： 良好的保水性 凝结硬化慢、强度低 耐水性差 体积收缩大 建筑石膏： 石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性凝胶材料。 生产石膏的主要原料是天然二水石膏（CaSO4 2H2O） 。 在建筑工程中使用的石膏是天然二水石膏经加工而 成的半水石膏，亦称熟石膏。 因加热条件不同，所获得的半水石膏有型和 型，型半水石膏称为建筑石膏。型半水石膏称 为高强石膏。高强石膏的比表面积小，所以拌合需 水量较小，扣除反应用水后剩余的水少，故强度较 高。 建筑石膏的性能： 凝结时间短 微膨胀性 孔隙率大，因此质轻，隔热、吸声
7、性好，但是 强度低，吸水率大 耐水性差 抗火性好 塑性变形大 建筑石膏适合作装饰材料的原因： 具有微膨胀性，不会产生裂缝，形体饱满，光 滑细腻，颜色洁白 内部多孔结构，保温隔热性能好，吸声性能好 防火性能好 可以调节室内温度 水玻璃： 水玻璃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，也是一种气硬性凝胶材 料。 水玻璃溶液在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅 酸，并逐渐干燥而硬化。硬化过程很慢，故常将其 加热或加入氟硅酸钠作用促硬剂。 水玻璃的性能： 黏度大，黏结力强，强度高。随浓度、模数 （氧化硅和氧化钠的分子比称为水玻璃的模n 数）提高而提高。 耐酸，但是不耐碱、不耐水。
8、耐热性好。 镁氧水泥： 是气硬性凝胶材料，主要成分氧化镁（MgO） 。 强度来源是 518 相的针状晶体的连接、交错、咬 合。 镁氧水泥的性能： 有较高强度，但不耐水 可作板材、地面材料，仅适用于干燥环境 第 3 章 水泥 凡磨细成粉末状，与水混合后，经过物理、化学反 应，能由可塑性浆体变成坚硬石状物，既能在空气 中、又能在水中硬化，保持并增长强度的水硬性胶 凝材料。 硅酸盐水泥： 由硅酸盐水泥熟料、05%混合材、适量石膏磨细 制成的水硬性凝胶材料，称为硅酸盐水泥。 不掺加混合材料的称为 I 型硅酸盐水泥，PI；不掺 加超过水泥质量 5%的混合材料的称为 II 型硅酸盐 水泥，PII。 在生产
9、水泥时，需加入水泥质量 3%左右的石膏， 其作用是延缓水泥的凝结，便于施工。 熟料的主要组成有硅酸三钙（C3S） 、硅酸二钙 （C2S） 、铝酸三钙（C3A） 、铁铝酸四钙（C4AF） 。 各种熟料矿物单独水化的特性： 名称 C3SC2SC3AC4AF 凝结硬化速度快慢最快次快 28d 水化放热多少最多中 强度高早低后高低低 通过调整熟料中各矿物组成的比例，水泥的性质将 有相应的变化。 硅酸盐水泥的水化： 只有 C3S 和 C2S 的水化产物里有 CaOH。石膏与水 化硫酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾 石，呈针状晶体，英文简称 AFt。 硅酸盐水泥的凝结、硬化： 硬化后的水泥石（hc
10、p）由水泥水化产物、未水化 完的水泥颗粒、孔隙与水所组成。 水化产物主要有凝胶和晶体两类物质，胶体为主， 晶体其次。水化硅酸钙凝胶难溶于水，且有较高的 凝结能力，其水硬性与胶结力决定水泥的水硬性和 强度，是水泥水化物中的关键成分。 水泥石中孔隙通常包含毛细孔、气孔和凝胶孔。 水泥的水化、凝结、硬化与熟料的矿物组成、水泥 细读、拌合水量（水灰比） 、温度、湿度、养护时 间和石膏掺量有关。 体积安定性： 水泥的体积安定性是反映水泥加水硬化后体积变化 均匀性的物理指标。 体积安定性不良是指，水泥硬化后，产生不均匀的 体积变化，会使构件产生膨胀开裂。 体积安定性不良的主要原因是熟料中含有过量的游 离氧
11、化钙、游离氧化镁或石膏。 游离氧化钙引起的安定性不良可用沸煮法检验，游 离氧化镁用压蒸法，石膏需要长期在常温水中才能 发现。 掺混合材料的目的： 改善水泥的性能、调节水泥的强度、增加水泥品 种、提高产量、节约水泥熟料、降低成本。 普通硅酸盐水泥： 简称普通水泥，代号为 PO，由硅酸盐水泥熟料、 6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性凝 胶材料组成。 与硅酸盐水泥性能相比：硬化稍慢，早期强度稍 低，水化热稍小，抗冻性与耐磨性也稍差。 大体积混凝土工程不宜选用这两种水泥，因为水化 热高。 三种水泥与硅酸盐水泥、普通水泥相比的共同特 点： 凝结硬化慢，早期强度低（不适用于快硬早强 工程） 湿热
12、条件养护，适于采用蒸汽养护 水化热低，放热速度较慢（适用于大体积混凝 土） 抗软水、硫酸盐侵蚀的能力较强 抗冻性、抗碳化性、耐磨性较差（不适用于施 工阶段易受冻或者施工进度快的工程） 三种水泥各自的特点： 矿渣水泥耐热性好，抗渗性差，保水性差。 火山灰水泥抗渗性好，保水性好，干燥收缩显 著。 粉煤灰水泥干缩小，抗裂性好，流动性好。 铝酸盐水泥： 以铝矾土和石灰石为原料，经煅烧制得的、以铝酸 钙为主要成分、氧化铝含量约占 50%的熟料，经磨 细制成的水硬性凝胶材料。 快硬早强。 注意事项： 不宜在炎热条件下施工，不宜蒸汽养护 禁止与硅酸盐水泥或石灰混用 不能用于与碱性溶液相接触的工程 第 4 章
13、 混凝土 混凝土是由凝胶材料、骨料按适当比例配合，与水 拌和制成具有一定可塑性的流体，经硬化而成的具 有一定强度的人造石。 水泥浆的作用： 在硬化前起润滑作用，使混凝土拌和物具有可塑 性；在硬化后，水泥浆则起胶结和填充作用。 混凝土的优点： 易塑性 经济性 安全性 耐火性 多用性 耐久性 混凝土的缺点： 抗拉强度低 延展性不高 自重大、比强度低 体积不稳定性 混凝土性能的三要求： 新拌混凝土要具有和易性、工作性 强度 耐久性 细骨料： 骨料的级配，是指骨料中不同粒径颗粒的搭配分布 情况。 砂的颗粒级配，即表示砂大小颗粒的搭配情况。 砂的粗细程度，是指不同粒径的沙粒混合在一起后 的总体粗细程度。
14、粗砂的比表面积小，所需的水泥 浆最少。 砂的颗粒级配和粗细程度是用筛分法来测定的。用 级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗 细。 细度模数越大，表示砂越粗。 粗骨料： 碎石流动性差，和易性差，但是界面粘结好。 卵石流动性好，和易性好，但是界面粘结差。 理想的颗粒形状是球体或者立方体，不良颗粒外形 是针状、片状，因为受力易折断，使骨料作用下 降。 外加剂： 减水剂可以减少拌和用水量和增强作用。 引气剂可以改善混凝土拌和物的和易性（提高流动 性、保水性和粘聚性） ，提高混凝土的耐久性（提 高抗渗性和抗冻性） ，会降低混凝土的强度，降低 混凝土的弹性模量，提高抗裂性。 混凝土的和易性： 新拌
15、混凝土必须具有良好的施工性能，如保持混凝 土不发生分层、离析、泌水等现象，并获得质量均 匀、成型密实的混凝土，这种施工性能称之为和易 性。 包括流动性、粘聚性和保水性三方面的含义。 和易性测定用坍落度法，将新拌混凝土分三层装入 圆锥形筒内，每层均匀捣插 25 次，捣实后每层高 度为筒高的 1/3 左右，然后把筒提起，坍落高度即 为坍落度。坍落度值越大，流动性越好。 影响和易性的因素： 水泥浆的数量；水灰比；砂率；水泥品种；骨料品 种与级配；混凝土外加剂；矿物掺合料；搅拌方 式；时间和温度。 改善和易性的措施： 在水灰比不变的情况下，增加水泥浆量；选择级配 良好的砂石骨料；选择合理的砂率；掺入减
16、水剂； 采用强制式搅拌技术。 混凝土的力学性能： 混凝土受压破坏的本质，是混凝土在受纵向压力荷 载作用下引发了横向拉伸变形，当横向拉伸变形达 到混凝土的极限拉应变时，混凝土发生破坏。这是 一种在纵向压力荷载作用下的横向拉伸破坏。 I 阶段，没有裂纹扩展；II 阶段，界面裂纹扩展； III 阶段，界面裂纹扩展的同时，还发生砂浆裂纹 扩展；IV 阶段，界面裂纹和砂浆裂纹不断扩展， 并逐渐互相连通、贯穿，混凝土破坏。 混凝土立方体抗压强度标准值，是指对于某一指定 的混凝土，在其混凝土立方体抗压强度值的总体分 布中的某一特定抗压强度值，即总体分布中强度不 低于该特定抗压强度值的保证率为 95%。以 fcu,k表 示。 混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压强度标准值 划分的等级。 混凝土强度公式： cuaceb (/)ffC W 其中取水泥强度实测值，如没有则取 ce f cece 1.13ff ，g 影响混凝土强度的因素： 水泥石的强度、水灰比、骨料级配、搅拌与振捣效 果、养护条件、龄期。 混凝土强度偏低的原因： 水灰比偏大；骨料强度低或级配不好
