《土木工程材料》课程教学指导书.doc

土木工程材料课程教学指导书内容简介本书主要是配合土木工程材料教材编写的，是一本让读者在短期内学好土木工程材料知识的教学辅导书。本书共有土木工程材料课程教学大纲、辅导材料、典型复习题、样卷、试题命题格式、期中试题及答案等六个部分组成。其中辅导材料部分包括基本性质、天然石材、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、砂浆、聚合物材料、沥青材料和防水材料、沥青混合料、建筑钢材、墙体材料、木材、绝热材料和吸声隔声材料、材料试验等重要内容，每章由重点知识介绍和典型例题组成。典型复习题部分由计算题、填空题、是非题和简答题等组成。内容丰富，简明扼要。本书可作为土木工程类各专业的学习指导书，还可供相关行业技术人员作为参考用书。前 言本书主要是配合土木工程材料（由浙江工业大学叶青教授和深圳大学丁铸教授担任主编）教材编写的，是一本让读者在短期内学好土木工程材料知识的教学辅导书。本书共有土木工程材料课程教学大纲、辅导材料、典型复习题、样卷、试题命题格式、期中试题及答案等六个部分组成。其中辅导材料部分包括基本性质、天然石材、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、砂浆、聚合物材料、沥青材料和防水材料、沥青混合料、建筑钢材、墙体材料、木材、绝热材料和吸声隔声材料、材料试验等重要内容，每章由重点知识介绍和典型例题组成。典型复习题部分由计算题、填空题、是非题和简答题等组成。内容丰富，简明扼要。本书由浙江工业大学叶青和浙江树人大学盛黎担任主编，浙江工业大学孔德玉和浙江树人大学金小群担任副主编。各章编写人员如下：盛黎编写辅导材料中的气硬性胶凝材料、墙体材料、沥青材料和防水材料、聚合物材料、绝热材料和吸声隔声材料、土木工程材料试验等内容，孔德玉编写辅导材料中的混凝土和砂浆等内容，金小群编写辅导材料中的建筑钢材和木材等内容，其余部分主要由叶青编写。本书可作为土木工程类各专业的学习指导书，还可供相关行业技术人员作为参考用书。由于土木工程材料科学和技术发展很快，新材料、新工艺层出不穷，各行业的技术标准不统一，加之我们的水平所限，编写时间仓促，书中难免有不当、甚至错误之处，敬请读者批评指正。编者2011年3月目 录土木工程材料课程教学大纲.1土木工程材料辅导材料.3绪论.31材料基本性质.2天然石材. 3气硬性胶凝材料. 4水泥. 5水泥混凝土 . 6砂浆.7聚合物材料.8沥青材料和防水材料.9热拌沥青混合料. 10建筑钢材. 11墙体材料. 12木材.13绝热材料和吸声材料. 14其它土木工程材料. 15土木工程材料试验.土木工程材料典型复习题.一、典型计算题.二、典型填空题.三、典型是非题.四、典型简答题.五、典型名词解释题.土木工程材料样卷.土木工程材料试题命题格式.土木工程材料期中试题及答案土木工程材料课程教学大纲1. 课程的性质、目的和任务本课程是土木工程类专业学生的专业基础课，它与公共基础课及专业紧密衔接，起着承上启下的作用。本课程的教学目的在于使学生掌握主要土木工程材料的性质、用途和使用方法以及检测和质量控制方法，并了解土木工程材料的性质与材料结构的关系，以及性能改善的途径。通过本课程的学习，应能针对不同工程合理选用材料，并能与后续课程密切配合，了解材料与设计参数及施工措施选择的相互关系。2. 考试目的与要求主要检验对土木工程材料基本性质及各项特性的掌握程度，以及对材料性质的影响因素，合理选用土木工程材料的要求及实验检验方法的掌握程度。要求：概念明确；分析讨论切题；基本计算方法准确，数据处理符合标准。每一章节中要求“（重点）掌握”部分为重点，占考试内容的主要部分。“一般掌握”部分以基本概念为主。“了解”部分主要是拓宽土木工程材料的知识面。3. 课程的基本要求0绪论了解土木工程材料的发展、地位、分类和标准等。熟练掌握数值修约规则。1土木工程材料的基本性质1.熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。2.掌握土木工程材料的基本物理性质、测定和计算方法。3.掌握土木工程材料的耐久性基本概念。4.了解土木工程材料的基本组成、结构和构造，了解组成、结构和构造与材料性能的关系。通过材料基本性质的学习，要求了解材料科学的一些基本概念，并掌握材料各项基本力学性质、物理性质、化学性质、耐久性质等材料性质的意义，以及它们之间的相互关系和在工程实践中的意义。2石材1.了解岩石的形成与分类，了解常用的天然岩石。2.了解岩石的技术性质、加工类型和选用原则。3气硬性胶凝材料1.了解石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质及使用要点。2.了解石膏、石灰、水玻璃的主要用途。4水泥1.熟悉硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其与水泥性能之间的关系，了解通用硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化机理，熟练掌握通用硅酸盐水泥的技术性能要求、检测方法及选用原则。2.了解其他水泥品种及其性质和使用特点。(自学)5水泥混凝土1.掌握普通混凝土组成材料的品种、技术要求及选用(包括砂、石、水泥、水、掺合料及外加剂)；熟练掌握各种组成材料各项性质的要求，测定方法及对混凝土性能的影响。2.熟练掌握混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法。3.熟练掌握硬化混凝土的力学性质，变形性质和耐久性质及其影响因素。4.熟练掌握普通混凝土的配合比设计方法。5.了解混凝土技术的新进展及其发展趋势。(自学)6.了解其它品种混凝土的特性及应用。(自学)6砂浆1.掌握砌筑砂浆的性质、组成、检测方法及其配比设计方法。2.熟悉抹面砂浆的主要品种性能要求。了解其他砂浆。7聚合物材料（建筑塑料、涂料与胶粘剂）1.熟悉合成聚合物材料的性能特点及主要聚合物材料的品种。2.熟悉土木工程中合成聚合物材料的主要制品及应用(包括塑料及其型材、涂料、粘结剂等)。8沥青材料和防水材料1.掌握沥青材料的基本组成，工程性质及测定方法，了解沥青的改性及主要沥青制品及其用途。2.掌握防水材料的主要类型及性能特点。9热拌沥青混合料熟悉沥青混合料的组成材料、组成结构、矿质混合料的组成设计、热拌沥青混合料的配合比设计。10建筑钢材1.了解建筑钢材的冶炼、加工与分类。2.重点掌握建筑钢材的力学性能和工艺性能，掌握化学成分对钢材性能的影响。3.了解建筑钢材的强化机理及强化方法。4.重点掌握土木工程中常用建筑钢材的分类及其选用原则。11墙体与屋面材料1.掌握常用砌体材料（烧结普通砖、多孔砖和空心砖）的性质和应用特点。2.了解其它墙体与屋面材料。12木材(自学)1.了解木材的宏微观结构；2.掌握木材的物理、力学性能，了解防腐、防火措施。3.了解木材的应用。13绝热材料与吸声材料1.了解保温、隔热材料的主要类型及性能特点。2.了解吸声、隔声材料的主要类型及性能特点。14其它土木工程材料1.掌握装饰材料的基本功能与选择2.了解装饰用面砖、板材、玻璃、卷材和涂料。15土木工程材料试验（下列试验必做）1.水泥标准稠度用水量测定、安定性检验、水泥胶砂强度。2.砂的筛分析、表观密度、堆积密度实验。3.混凝土的拌制、和易性、体积密度、抗压强度实验。4.砖抗压强度实验（演示）。5.钢筋拉伸实验（演示）。6.沥青三大指标。7.沥青混合料（演示）。土木工程材料辅导材料绪 论一、重点知识介绍1.土木工程材料的定义土木工程材料是指在土木工程建设中所使用的各种材料及其制品的总称，它是土木工程的物质基础。2.土木工程材料的分类按材料的使用性能，可分为承重结构材料，非承重结构材料，功能材料。按材料的使用部位，可分为结构材料、墙体材料、屋面材料、地面材料和饰面材料等。按工程类别，可分为建筑材料、道路建筑材料、港工材料、水工材料和核工业材料等。按材料的化学组成，可分为无机材料、有机材料和复合材料。详见表0-1。3.土木工程材料的技术标准在我国，技术标准分为四级：国家标准GB、部颁标准、地方标准DB和企业标准QB。企业标准的要求指标要高于国家标准和部颁标准等。土木工程材料的技术标准是确定产品质量的技术依据。对于生产企业，必须按照标准生产，控制其质量。对于使用部门，则按照标准可进行选材、设计和施工，并按标准验收产品。二、例题例题0-1：全数值比较法和修约值比较法的示例与比较项目极限数值测定值或其计算值按全数值比较是否符合要求修约值按修约值比较是否符合要求中碳钢的硅的质量分数 %0.50.452符合0.5符合0.500符合0.5符合0.549不符合0.5符合0.551不符合0.6不符合盘条直径mm10.00.1(不含0.1)9.94符合9.9不符合9.86不符合9.9不符合10.06符合10.1符合10.05符合10.0符合例题0-2：现测得普通水泥的28d抗折破坏荷载分别为：3330、3800、4000N。试计算抗折强度。解：抗折强度（计算精确至0.1MPa）测定结果取三块试样的平均值，当三个强度值中有超过平均值的10时，应予剔除后再取平均值作为抗折强度实验结果。F/N333038004000f/MPa7.88.99.4f3平均=8.7。(9.48.7)/8.7=8.04%=8%10%，(8.77.8)/8.7=10.34%=10%10%。没有超过10结果28d抗折强度= 8.7 MPaff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.53330100/(40402)=7.8MPaff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.53800100/(40402)=8.9MPaff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.54000100/(40402)=9.4MPa第一章 土木工程材料的基本性质一、重点知识介绍 1.材料的物理性质（1）材料的含水状态及其质量 亲水材料的含水状态主要有湿润状态、饱和面干状态、气干状态和干燥状态四种，其对应的质量按大小排列为湿润状态质量（mwet或m湿）饱和面干状态质量或表干质量（mssd或mb）气干状态质量（mad）干燥质量（mod或m）。（2）材料的含孔状态及其体积大多数材料内部都含有孔隙，孔隙的特征和孔隙的多少对材料的性能均会产生影响。若把开口孔和闭口孔的体积分别记为VK和VB，则材料的孔隙体积VP =VKVB。材料绝对密实体积，用V表示。是指不包括材料内部孔隙体积的固体物质的实体体积。材料绝对密实体积闭口孔隙体积，用VVB=V =V排表示。是指包括了材料内部闭口孔隙体积的固体物质本身的体积。它等于干燥状态粒状或块状材料的排水体积（V排）。因为水不能进入闭口孔，故常用排水法测定该体积。自然状态下的体积，用V0=VVP=VVKVB表示。是指材料的实体体积与材料所含全部孔隙体积之和，即包括材料实体体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。散粒状材料的总体积，用V0=各单个颗粒外观几何形状的体积之和+颗粒之间的空隙体积=V+VP+VV=V+VK+VB+VV表示。（3）材料质量与体积有关的性质将所有密度概括为密度*，即通式为 *=m*/V*。密度*=m*/V*= m/V=；表观密度（如，砂的表观密度）*=m*/V*= m/（V+VB）= m/V排=；体积密度（如，砖的体积（或表观）密度）*=m*/V*= m*/V0= m*/（V+VB+VK）=0；松堆密度*=m*/V*= m*/V筒= m*/（V+VB+VK+VV）=0。材料的密度表观密度体积密度堆积密度。（4）孔隙率与空隙率P*=1*0/*材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率P=10/。散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积（还应包括（部分）开口孔体积）所占总体积的百分率称为空隙率P=10/。体积吸水率约等于开口孔隙率。WV=（mbm）/（V0W）=Wm0/水PK。一般而言，孔隙率较小且连通孔较少的材料，其吸水性较小、强度较高、抗渗性与抗冻性较好。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。（5）材料与水有关的性质亲水性和憎水性当材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力时，材料表现为亲水性。当材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表现为憎水性。亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部，表现为毛细管水上升。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性，表现为毛细管水下降。憎水性材料常被用作防水材料。吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，用含水率表示。含水率是指材料内部所含水质量占材料干质量的百分率。材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态或极限时的含水率即为吸水率。（广义）含水率：材料试样在105温度下烘至恒量时所失去的水的质量与试样干质量的比值，以百分数表示。吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性用吸水率表示，有以下两种表示方法： 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的质量占材料干质量的百分率。体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率，即为开口孔隙率。体积吸水率=质量吸水率体积密度水的密度。对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分进不去，而开口的大孔虽然水分易进入，但不易保留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度与耐久性下降。干湿交替还会引起材料形状和尺寸的改变而影响使用。耐水性材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性，用软化系数表示。 土木工程中将K软0.85的材料，称为耐水材料。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K软0.85的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜0.75。抗渗性 材料抵抗压力水（或溶液）渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数K表示。K值愈大，表示渗透通过材料的水量愈多，即抗渗性愈差。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定。例如，混凝土抗渗等级以符号“Pn”表示，P8表示在标准试验条件下150mm厚的混凝土材料能承受0.8 MPa的水压而不渗水。抗冻性 材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而质量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性，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（慢冻法）（或相对动弹性模量（快冻法）降低和质量损失不超过规定值时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F50、F100等。 材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。掺入引气剂可以提高混凝土的抗冻性。 材料与热有关的性质 导热性：材料传导热量的能力称为导热性，用导热系数表示。工程中通常把导热系数0.23W/(m.K)的材料称为绝热（保温隔热）材料。导热系数与材料的物质组成、微观结构、孔隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等有着密切的关系。热容量：是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。在相同的热源下，物质的热容量越大，则温度越不容易升降。比热：是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。应选用导热系数较小而热容量较大的材料，这有利于保持建筑物室内温度的稳定。耐火性：指材料在长期高温作用下，能保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性能，用耐火度表示。根据耐火度可分为耐火材料、难熔材料和易熔材料。耐燃性：指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据耐燃性可分为不燃材料、难燃材料和易燃材料。材料与声音有关的性质被材料吸收的声能E（包括部分穿透材料的声能在内）与原先传递给材料的全部声能E0之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数。材料内部开口并连通的气孔越多，吸声性能越好。材料的吸声性能除了与材料本身性质及厚度、有无空气层及空气层的厚度、材料表面状况等有关外，还与声波的入射角及频率有关。规定取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz等六个频率的吸声系数来表示材料的吸声特性。吸声材料在上述六个规定频率的平均吸声系数应大于0.2。 2.材料的力学性质强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度f=F/A，f折=1.5FL/（bh2），可分为抗压、抗拉、抗弯及抗剪强度等。量纲/单位，力（F）化为牛顿N代入，长度（b、h、L、“A”）单位以mm代入，则强度单位为MPa或N/mm2。 影响材料强度的主要因素 材料的组成、材料的结构、含水状态、温度、试件形状和尺寸、加荷速度、试件表面性状。强度等级 按强度值的大小可划分为若干个强度等级。例如，普通混凝土按其抗压强度分为C7.5C60共十二个强度等级。比强度 等于材料强度与其体积密度之比，反映材料单位体积质量的强度。是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。材料的弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。典型的弹性材料，如橡皮筋和低碳钢（在屈服前）等。材料的塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，不能恢复变形的性质称为塑性。典型的塑性材料，如橡皮泥和低碳钢（在屈服阶段）等。 材料的脆性 材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等均为脆性材料。材料的韧性 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性。典型的韧性材料，如低碳钢和低合金钢等。对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁和桥梁等所用的材料，均应具有较高的韧性。 材料的硬度 是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按刻划法的矿物硬度分为十级（莫氏硬度）。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测定，例如布氏硬度。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。材料的耐磨性 是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示。材料的耐磨性与材料的化学成分、矿物成分、结构、强度、硬度等因素有关。在土木工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。延伸率是衡量材料塑性性能的指标。工程上通常把5的材料称为塑性材料，如钢、铜、铝合金等；把5的材料称为脆性材料，如铸铁、陶瓷、石材等。低碳钢是典型的塑性材料，其延伸率为2030。铸铁是典型的脆性材料，其延伸率1。3.材料的耐久性材料的耐久性是指在环境的多种因素作用（物理作用、化学作用、机械作用、生物作用和综合作用）下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。耐久性是材料的一项综合性质，诸如抗冻、抗渗、抗碳化、抗风化、抗老化、大气稳定、耐化学腐蚀等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有着密切的关系。耐久性快速试验的项目主要有：冻融循环、人工加速碳化、干湿循环、紫外线干湿循环、盐溶液浸渍干湿循环、化学介质浸渍等。采用耐久性优良的材料，对节约材料、减少维护费用、保证和延长建筑物长期正常使用等，均具有十分重要的意义。因此，重要的土木工程项目，不仅要按强度指标来设计，而且要按耐久性指标来设计。 4.组成、结构和构造对材料性质的影响（1）材料的组成化学组成是指构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量。无机非金属材料中具有特定的晶体结构和物理性质的组织结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。矿物组成是决定材料性质的主要因素。材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相（phase）。凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。两相之间的分界面称为界面，在实际材料中，界面是一个很薄的薄弱区，可称为“界面相”。（2）材料的结构 微观结构是指原子、分子层次的结构，尺寸范围在0.11000nm。可用电子显微镜和X射线衍射仪等手段来研究该层次的结构特征。材料的许多物理性质，如强度、硬度、熔点、导电性、导热性等都是由其微观结构所决定的。材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体和胶体。 细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11000m。对于材料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行具体的分类研究。对天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织；对钢材可分为铁素体、渗碳体、珠光体；对木材可分为木纤维、导管、髓线、树脂道；对混凝土可分为水泥硬化浆体、骨料及其界面。宏观结构是指用肉眼或在10100倍放大镜或显微镜下就可分辨的粗大级组织，其尺寸在1mm以上。材料的宏观结构直接影响到材料的体积密度、渗透性、强度等性质。相同组成的材料，如果质地均匀，结构致密，则强度高，反之则强度低。按孔隙特征分为密实结构和多孔结构。按构造特征分为纤维结构、层状结构、纹理结构、粒状结构和堆聚结构。（3）材料的构造材料的构造是指材料的宏观组织状况，是指具有特定性质的材料结构单元相互组合和搭配的情况。材料构造与结构相比，更强调了相同材料或不同材料的组合和搭配关系。二、例题例题1-1：用同种材料制成的砖，由于其孔隙状况不同，试分析其性能变化规律。解：答案填入下表。孔隙率孔隙特征密度体积密度抗压强度吸水率抗渗性抗冻性导热系数吸声系数大相同(PK=PB)相同小小大差差小大小大大小好好大小相同闭孔相同大小好好小小开口小大差差大大相同大孔相同小小差差大小小孔大大好好小大例题1-2：一加气砼试块，其=2.30g/cm3，m=500g，将它浸没于水中，吸水饱和后测得，mb=600g，V排水=1000cm3。（1）求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？（2）若上述材料为加气砼碎块，则其表观密度为多少？解：（1）PK WV=（mbm）/（V0W）=（600500）/ （1000+（600500）/1.0）1.0=9.1%0=m/V0=500/（1000+（600500）/1.0）=455 kg/m3，P=10/=10.455/2.30=80.2%， PB =P P K=80.29.1=71.1%。（2）=m/V排水=500/1000=0.50 g/cm3=500 kg/m3。例题1-3：一块尺寸标准的烧结普通砖（24011553），其干燥质量为2500g，其质量吸水率为14.0%，其密度为2.70g/cm3。试求该砖的闭口孔隙率。（提示：孔隙率=闭口孔隙率 + 开口孔隙率，开口孔隙率约等于体积吸水率）。解：0=m/V0=2500/（24.011.55.3）=1.71g/cm3 P开=W体=（m1m）/（V0水）= W质0/水=14.0%1.71/1.00=23.9% P=10/=11.71/2.70=36.7%， P闭=PP开=36.723.9=12.8%。例题1-4：一块破砖，其=2.70g/cm3，m=2000g，将它浸没于水中，吸水饱和后测得，mb=2300g，V排水=880cm3。求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？解：PK WV=（mbm）/（V0W）=（23002000）/（880+（23002000）/1.0）1.0=25.4%0=m/V0=2000/（880+（2300-2000）/1.0）=1.69g/cm3，P=10/=11.69/2.70=37.4%， PB =PP K=37.425.4=12.0%。例题1-5：一块破砖，其=2.70g/cm3，m=2000g，将它浸没于水中，吸水饱和后测得，mb=2300g，并在水中称得它（吸水饱和）的重量为1120g。求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？解：PK WV=（mbm）/（V0W）=（23002000）/（20001120）/1.00+（23002000）/1.00）1.00= （23002000）/（23001120）/1.001.00=25.4%V0=V+VB+VK=V排+VK=（mbm水中）/1.00，0=m/V0=2000/（23001120）/1.00）=1.69g/cm3，P=10/=11.69/2.70=37.4%， PB =PP K=37.425.4=12.0%。 例题1-6：某岩石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.9%；今将该岩石破碎为碎石，测得碎石的堆积密度为1450kg/m3，空隙率为45.9%。试求此岩石的体积密度和碎石的表观密度。解：由孔隙率P=10/=10/2.70=1.9%，得此岩石的体积密度0=2.65 g/cm3，由空隙率P=10/=11450/=45.9%，得此岩石的表观密度=2680 kg/m3。例题1-7：某石材在气干、绝干(105烘干)、水饱和条件下测得的抗压强度分别为74、80、65MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解：软化系数=65/80=0.81 不能用于水下工程土木工程中将K软0.85的材料，称为耐水材料。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K软0.85的材料。 例题1-8：称取堆积密度为1480kg/m3的干砂300g，将此砂装入500mL的容量瓶（已有约250mL水）内，并排尽气泡，静止24h小时后加水到刻度，称得总重量为850g；将瓶内砂和水倒出，再向瓶内重新注水到刻度，此时称得总重量为666 g。再将砂敲碎磨细过筛（0.2 mm）烘干后，取样55.01 g，测得其排水体积V排水为20.55 cm3。试计算该砂的空隙率。解：密度=m/V=55.01/20.55=2.68 g/cm3，=3001/(300+666-850)=2.59 g/cm3，空隙率P=10/=11.48/2.59=42.9%。例题1-9：今有湿砂（湿润状态）100.0kg，已知其含水率为8.8，则其干燥质量是多少？解：由W含=(m含m)/m得到，m= m含/(1+W含) = 100.0/ (1+8.8%)=91.9kg。例题1-10：材料的孔隙和体积形式有哪几种？材料各密度与孔隙之间有什么关系？答：材料的孔隙形式：按孔隙尺寸大小，分为微孔、细孔和大孔三种；按孔隙之间是否相互连通，分为孤立孔和连通孔；按孔隙与外界是否连通，分为与外界连通的开口孔和与外界不连通的闭口孔。材料的体积形式：材料绝对密实体积，材料绝对密实体积闭口孔隙体积，自然状态下的体积，散粒状材料的总体积。材料各密度与孔隙之间有什么关系密度= m/V；材料绝对密实体积，无孔。表观密度（例如，砂的表观密度）= m/（V+VB）= m/V排；材料绝对密实体积闭口孔隙体积。（毛）体积密度（例如，砖的表观密度）0= m*/（V+VB+VK）；自然状态下的体积。松堆密度0= m*/（V+VB+VK+VV）；散粒状材料的总体积。例题1-11：什么是材料的耐水性，用什么表示？在材料选用时有什么要求？答：材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。用软化系数表示。土木工程中将K软0.85的材料，称为耐水材料。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K软0.85的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜0.75。例题1-12：什么是材料的导热性？用什么表示？如何利用孔隙提高材料的保温性能？答：材料传导热量的能力称为导热性。用导热系数表示。导热系数与材料的物质组成、微观结构、孔隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等有着密切的关系。由于密闭空气的导热系数很小（0.023W/(m.K)），当材料的孔隙率较大并多数为细小的闭口孔时，其导热系数较小；但当孔隙粗大或贯通时，由于对流作用，材料的导热系数反而增加。例题1-13：什么是材料的强度和强度等级？影响材料强度的因素有哪些？答：材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度，并以单位面积上所能承受的荷载大小来衡量。由于各种材料的强度差别甚大，在土木工程材料中按其强度值的大小所划分的若干个等级，即为强度等级。影响材料强度的主要因素：材料的组成，材料的结构，含水状态，温度，试件形状和尺寸，加荷速度，试件表面性状。例题1-14：什么是材料的耐久性？通常用哪些性质来反映？答：材料的耐久性是指在环境的多种因素作用下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。通常用诸如抗冻、抗渗、抗碳化、抗风化、抗老化、大气稳定、耐化学腐蚀性等来反映。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等与材料的耐久性有着密切的关系。例题1-15：材料的宏观构造对其性质有什么影响？答：材料的构造是指材料的宏观组织状况，是指具有特定性质的材料结构单元相互组合和搭配的情况。如具有特定构造的蜂窝板，是由不同性质的材料经特定组合而形成的一种复合材料，这种构造赋予蜂窝板良好的隔热保温、隔声吸声、坚固耐久等整体功能和综合性质。例题1-16：今有一种粗骨料的干燥质量为1000g、在水中（吸水饱和）的质量为635g、表干质量为1025g。试求其表观密度、表干密度、毛体积密度和质量吸水率。解：试验次数干燥质量m在水中质量msw表干质量mssd水的密度w备注11000 g635 g1025 g0.9982215水2表观密度（g/cm3）=mw/（mmsw）2.73 g/cm3表干密度（g/cm3）饱和面干=mssdw/（mssdmsw）2.62 g/cm3毛体积密度(g/cm3)=mw/（mssdmsw）2.56 g/cm3质量吸水率=（mssdm）/m2.50%第二章 天然石材一、重点知识介绍1. 岩石的形成与分类天然石材源于冷凝的熔融岩浆或再经变质或沉积而成。造岩矿物是具有一定化学成分和一定结构特征的天然固态化合物或单质体，是组成岩石的矿物。主要造岩矿物有30多种，各种造岩矿物各具有不同的颜色和特征。石英 结晶的SiO2。坚硬高强，化学稳定性和耐久性好，常呈白色、乳白或浅灰。长石 结晶的铝硅酸盐。坚硬高强，化学稳定性和耐久性不及石英好，易风化。云母 片状含水铝硅酸盐晶体。有层理，易裂成薄片，耐久性差，强度较低。角闪石、辉石、橄榄石 均为结晶的铁、镁、钙硅酸盐。高强度，韧性好，耐久，暗色。方解石 结晶的碳酸钙。白色，强度中等，易被酸类分解，微溶于水，易溶于碳酸水。白云石 结晶的碳酸钙镁复盐（CaCO3.MgCO3）。白色或灰色，强度高于方解石。天然岩石按形成的原因不同可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩等三大类。岩浆岩是由地壳内部熔融岩浆上升过程中在地下或喷出地面后以不同的冷却速度冷凝而成的岩石，它是组成地壳的主要岩石。根据岩浆冷凝情况的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩。沉积岩是由露出地表的各种岩石经自然界的风化、搬运、沉积并重新成岩而形成的岩石，主要存在于地表及不太深的地下。其特点是结构致密性较差、体积密度较小、孔隙率较大、强度较低、耐久性相对较差。根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、有机沉积岩。变质岩是由原有岩石经变质而成的岩石。即地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，在固体状态下发生再结晶作用，使其矿物成分、结构构造乃至化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石。一般由岩浆岩变质而成的称正变质岩，由沉积岩变质而成的称副变质岩。大理石海洋生物遗骸沉积石灰岩变质大理石粘土/砂岩浆上升，冷却花岗岩变质片麻岩风化石英砂，高岭土石英岩花岗岩砂+SiO2胶结硅质砂岩石英岩2. 石材的技术性质（1）物理性质为了确保石材的强度和耐久性等性能，一般要求所用石材的体积密度较大、吸水率小、耐水性好、抗冻性好和耐火性好等。（2）力学性质抗压强度，是以边长为70mm的立方体试块用标准方法测得的抗压强度的平均值表示。石材共分七个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30和MU20。冲击韧性，石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有较高的韧性。而石英岩、硅质砂岩的脆性较大。通常，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石具有较高的韧性。硬度，它取决于石材的构造与造岩矿物的硬度。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度就高。岩石的硬度以莫氏硬度表示。耐磨性，是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的性质。石材的耐磨性以单位面积磨耗量表示或以磨耗率（试验后磨耗质量与装入试验机圆筒中的石料试样质量之比，如采用洛杉矶磨耗试验）表示。石材的耐磨性与其矿物的硬度、结构、构造特征以及石材的抗压强度和冲击韧性等有关。矿物愈坚硬、构造愈致密以及石材的抗压强度和冲击韧性愈高，石材的耐磨性愈好。（3）工艺性质石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性和抗钻性等方面。3.天然石材的加工类型和应用（1）天然石材的加工类型毛石，是在采石场爆破后直接得到的形状不规则的石块。按其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两类。常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可配制片石混凝土等。料石，是用毛料加工成较为规则的、具有一定规格的六面体石材。按料石表面加工的平整程度可分为以下四种：毛料石、粗料石、半细料石和细料石。料石常用于砌筑墙身、地坪、踏步、拱和纪念碑等。 板材，是由花岗岩或大理岩荒料经锯切、研磨、抛光等加工后的石板。可分为普通型板材、异形板材。（2）常用石材在土木工程中的应用花岗岩，是岩浆岩中分布最广的一种岩石。主要由长石、石英和少量云母等组成。具有孔隙率较小、吸水率较低、抗压强度较高、材质坚硬、耐磨性优异等特点，对酸具有高度的抗腐性，对碱类侵蚀也有较强的抗腐性，耐久性很高。但耐火性较差，当温度达700以上时，花岗岩中的石英产生晶型转变而使体积膨胀，故发生火灾时，花岗岩会发生严重开裂而破坏。花岗岩是公认的高级建筑结构材料和装饰材料。其块状石材可用于大型建筑物的基础、勒脚、柱子、栏杆、踏步等部位，也可用于桥梁、堤坝等工程中，是建造永久性工程、纪念性建筑的良好材料。板状石材，质感坚实，华丽庄重，是室内外均可使用的高级装饰材料。大理石，是一种含碳酸盐矿物（以方解石、白云石为主）大于50%的变质岩。抗压强度为50140MPa。但硬度不大，较易进行锯解、雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超过1%，耐久性较好，一般使用年限为40100年。装饰性好。但其抗风化性能差，因其主要化学成分是碳酸盐类，易被酸侵蚀。建筑上所说的大理石是广义的，是指具有装饰功能的，并可磨光、抛光的各种沉积岩和变质岩。由石英岩或硅质砂岩加工而成的广义大理石，具有强度高、耐磨性能好、抗风化性能好的特点。石灰岩，属于沉积岩，主要化学成分为CaCO3，主要矿物成分为方解石和白云石等。体积密度为20002800kg/m3，抗压强度为20160MPa，吸水率为1%10%。石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性。其块石可作为建筑物的基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它还是生产水泥和石灰的主要原料。砂岩，属于沉积岩，它是由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而形成的岩石。它的性质决定于胶结物的种类及胶结的致密程度。根据胶结物的不同，砂岩可分为硅质砂岩、钙质砂岩、铁质砂岩、粘土质砂岩。硅质砂岩由氧化硅胶结而成，常呈淡灰色，致密的硅质砂岩性能接近于花岗岩；钙质砂岩由碳酸钙胶结而成，呈白色，钙质砂岩的性质类似于石灰岩；铁质砂岩由氧化铁胶结而成，常呈红色。砂岩常用于基础、墙体、人行道和踏步等，还可用作混凝土骨料。纯白色砂岩俗称白玉石，可用做雕刻及装饰材料。石英岩，主要是由硅质砂岩变质而成的，石英含量大于85%。岩体均匀致密，抗压强度大（250400MPa），耐久性好，但硬度大、加工困难。常用作重要建筑物的贴面石，耐磨耐酸的贴面材料，其碎块可用于道路或用作混凝土的骨料。道路用石材，根据造岩矿物的成分、含量以及组织结构分为四大岩石类：岩浆岩类、石灰岩类、砂岩与片麻岩类、砾岩。再根据石材的饱水抗压强度和磨耗率，各岩石类分为四个等级：1级最坚硬的岩石、2级坚硬的岩石、3级中等强度的岩石、4级较软的岩石。（3）天然石材的选用原则土木工程中应根据建筑物的类型、环境条件等慎重选用石材，使其既符合工程要求，又经济合理。一般应从以下几方面选用。力学性能、耐久性、装饰性、经济性和环保性。二、例题例题2-1：按岩石的生成条件，岩石可分为哪几类？举例说明。答：天然岩石按形成的原因不同可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩等三大类。岩浆岩是由地壳内部熔融岩浆上升过程中在地下或喷出地面后以不同的冷却速度冷凝而成的岩石，它是组成地壳的主要岩石。根据岩浆冷凝情况的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩。沉积岩是由露出地表的各种岩石经自然界的风化、搬运、沉积并重新成岩而形成的岩石，主要存在于地表及不太深的地下。其特点是结构致密性较差、体积密度较小、孔隙率较大、强度较低、耐久性相对较差。根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、有机沉积岩。变质岩是由原有岩石经变质而成的岩石。即地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，在固体状态下发生再结晶作用，使其矿物成分、结构构造乃至化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石。一般由岩浆岩变质而成的称正变质岩，由沉积岩变质而成的称副变质岩。例题2-2：在建筑中常用的岩浆岩、沉积岩和变质岩有哪几种？主要用途如何？答：常用的岩浆岩有：深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等，喷出岩有玄武岩、辉绿岩和安山岩等，火山岩有火山灰、浮石、火山凝灰岩等。花岗岩是公认的高级建筑结构材料和装饰材料。其块状石材可用于大型建筑物的基础、勒脚、柱子、栏杆、踏步等部位，也可用于桥梁、堤坝等工程中，是建造永久性工程、纪念性建筑的良好材料。板状石材，质感坚实，华丽庄重，是室内外均可使用的高级装饰材料。常用的沉积岩有：机械沉积岩有砂岩和页岩等，化学沉积岩有石膏、白云石等，有机沉积岩有石灰岩和硅藻土等。石灰岩，主要矿物成分为方解石和白云石等。石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性。其块石可作为建筑物的基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它还是生产水泥和石灰的主要原料。常用的变质岩有：由沉积岩形成的变质岩有大理岩和石英岩等，由岩浆岩形成的变质岩有片麻岩等。大理石，是一种含碳酸盐矿物大于50%的变质岩。抗压强度为50140MPa，但硬度不大，较易进行锯解、雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超过1%，耐久性较好，一般使用年限为40100年。装饰性好。但其抗风化性能差，因其主要化学成分是碳酸盐类，易被酸侵蚀。例题2-3 石材有哪些主要的技术性质？答：物理性质（体积密度、吸水率、耐水性、抗冻性和耐火性等）。力学性质（抗压强度、冲击韧性、硬度和耐磨性等）工艺性质（加工性、磨光性和抗钻性等）例题2-4 花岗岩和大理岩各有何特性及用途？（参见上述“常用石材在土木工程中的应用”）例题2-5 选择天然石材应注意什么？答：土木工程中应根据建筑物的类型、环境条件等慎重选用石材，使其既符合工程要求，又经济合理。一般应从以下几方面选用：力学性能、耐久性、装饰性、经济性和环保性。例题2-6 岩石的饱水率与吸水率有何不同？答：吸水率是指在规定条件（如放入水中浸泡4d）下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比。饱水率（饱和吸水率）是指在强制条件（在一定的负压条件或在沸煮条件下）下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比。因此，饱水率大于等于吸水率。主要差异在开口孔体积的测定。开口孔的体积可由测量材料吸入水的体积或质量来确定，即在常温常压下将干燥试样放入水中浸泡4d后测定吸入水的体积或质量。但对于一些又细又长的开口孔，再加上孔端有空气存在，在常温常压下水是难以深入或渗入到孔的前端的，这部分孔隙体积将成为闭口孔体积的一部分。故在特殊领域，有要求在一定的负压条件或在沸煮条件下测定吸入水的体积或质量，以得到真实的开口孔的体积。通过在一定的负压条件或在沸煮条件下测得的吸水率常称为饱水率。第三章 气硬性胶凝材料一、重点知识介绍1.石灰（1）石灰的生产与分类石灰的生产 石灰岩经过高温煅烧后，碳酸钙将分解得到以CaO为主要成分的生石灰并释放出CO2。石灰的分类根据氧化镁含量不同，可分为MgO含量5%的称为钙质生石灰；MgO含量5%的称为镁质生石灰。根据加工方法不同，可分为块状生石灰、磨细生石灰、消石灰粉和石灰膏。根据煅烧程度不同可分为欠火石灰和过火石灰。欠火石灰：在煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，使得CaCO3不能完全分解，将生成“欠火石灰”。过火石灰：在煅烧过程中，若时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石灰”。（2）石灰的熟化与凝结硬化石灰的熟化生石灰CaO与水作用生成Ca(OH)2的过程称为熟化。石灰熟化过程中，反应速度快，放出大量的热，体积增大1.02.5倍。 石灰的“陈伏”：为了消除过火石灰的危害，石灰膏使用前应在化灰池中存放2周以上，使过火石灰充分熟化。陈伏期间，石灰膏表面应有一层水，以隔绝空气，防止碳化。石灰的凝结硬化 石灰在空气总的硬化包括两个同时进行的过程：结晶过程：水进一步被吸收或蒸发，Ca(OH)2从过饱和溶液中析出晶体。 碳化过程：Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成CaCO3晶体 （3）石灰的性质、技术要求和应用石灰的性质 可塑性、保水性好；熟化放热量大，腐蚀性强；凝结硬化慢、强度低；硬化时体积收缩大；吸湿性强，耐水性差。石灰的技术要求 建筑生石灰和建筑生石灰粉：根据CaO和MgO总含量及残渣、CO2含量和产浆量分为优等品、一等品和合格品三个等级。建筑消石灰粉：根据CaO和MgO总含量、体积安定性和细度分为优等品、一等品和合格品三个等级。石灰的应用制作石灰乳涂料和砂浆；拌制石灰土和石灰三合土；生产硅酸盐制品。2.石膏（1）石膏的生产与分类 建筑石膏 将天然二水石膏在107170条件下煅烧脱去部分结晶水而制得型半水石膏（-CaSO4 0.5H2O)，再经磨细不添加任何外加剂或添加物的的白色粉状胶凝材料，称为建筑石膏。高强石膏 将天然二水石膏置于具有0.13MPa和124的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的型半水石膏(-CaSO4 0.5H2O)，即高强石膏。高温煅烧石膏 加热温度超过800时，生成的煅烧石膏，在分解出的CaO的激发下，重新具有凝结硬化能力，被称为高温煅烧石膏，又称地板石膏。（2）建筑石膏的水化和硬化 建筑石膏的水化 建筑石膏加水拌合后，与水相互作用，还原成二水石膏，这个过程称为水化。 CaSO4 0.5H2O+1.5H2O C