《土木工程材料》课程教案Word下载.docx

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材料的细观结构对其力学性质、耐久性等影响很大。

3、微观结构：

用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来研究材料原子、分子级的微观组织称为微观结构，分为晶体与非晶体。

二、材料的物理性质

（一）密度、表观密度与堆积密度

1、密度（ρ）：

是指材料在绝对密实状态下，单位体积的干质量。

2、表观密度（ρo）：

是指材料在自然状态下，单位体积的干质量。

3、堆积密度（ρoˊ）：

是指粒状或粉状材料在堆积状态下，单位体积的质

量。

重点比较三者之间的区别。

（二）材料的密实度与孔隙率

1、密实度（D）：

是指材料体积内被固体物质充实的程度，也就是固体体积

占总体积的比例。

2、孔隙率（P）：

指材料体积内，孔隙体积占总体积的百分率。

D+P=1

（三）材料的填充率与空隙率

1、填充率（Dˊ）：

是指散粒材料在堆积体积中，被其颗粒填充的程度。

2、空隙率（Pˊ）：

是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆

积体积的百分率。

Dˊ+Pˊ=1

（四）材料与水有关的性质

1、材料的亲水性与憎水性

材料在空气中与水接触时，能被水湿润者为亲水性，具有亲水性的材料称为

亲水材料；

否则为憎水性，具有憎水性的材料称为憎水性材料。

2、材料的吸水性与吸湿性

（1）含水率（Wh）：

指材料中所含水的质量占其干质量的百分率。

（2）吸水性：

指材料与水接触吸收水分的性质，其大小用吸水率表示，分

为体积吸水率和体积吸水率。

一般材料的孔隙率愈大，吸水性愈强；

开口而连通的细小孔隙愈多，吸水性

愈强；

闭口孔隙，水分不易进入；

开口的粗大孔隙，水分容易进入，但不能存留，故吸水性较小。

材料的吸水性会对其性质产生不利影响。

如材料吸水后，使其质量增加，体积膨胀，导热性增加，强度和耐久性下降。

3、材料的耐水性

耐水性是指材料长期在水作用下，保持其原有性质的能力。

结构材料的耐水性主要指强度的变化，用软化系数（KR）来表示。

KR的大小，说明材料吸水饱和后其强度下降的程度。

KR越大，表明材料吸水饱和后其强度下降越少，其耐水性越强；

反之则耐水性越差。

一般认为KR≥0.85的材料，称为耐水性材料。

经常位于水中或受潮严重的重要结构物，应选用KR≥0.85的材料；

受潮较轻的或次要结构物，应选用KR≥0.75的材料。

4、材料的抗渗性

抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性能。

用抗渗系数K表示。

5、材料的抗冻性

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，其强度也不严重降低的性质。

用抗冻等级表示。

抗冻等级是以试件在吸水饱和状态下，经冻融循环作用，质量损失和强度下降均不超过规定数值的最大冻融循环次数来表示。

（五）材料的热性质

1、导热性

材料传递热量的性质称为材料的导热性。

用导热系数λ表示。

导热系数越小，材料的隔热保温性能越好。

2、热容量

材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。

用Q表示

3、热变形性

材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质，称为材料的热变形性。

用线膨胀系数α表示。

线膨胀系数α越大，表明材料的热变形量越大。

4、耐燃性

材料在空气中遇火不着火燃烧的性能，称为材料的耐燃性。

按照遇火时的反应将材料分为非燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料三类。

三、材料的力学性质

1、强度：

是指材料在外力（荷载）作用下不破坏时能承受的最大应力。

根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗弯（抗折）、抗剪强度等。

2、强度等级：

根据其极限强度的大小，划分成若干不同的等级，称为材料的强度等级。

脆性材料主要根据其抗压强度来划分；

塑性材料和韧性材料主要根据其抗拉强度来划分。

3、比强度：

材料的强度与其表观密度的比值，称为比强度。

它是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。

比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。

4、弹性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复到原形状的性质。

5、塑性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。

6、脆性：

材料在外力作用下，直到破坏前并无明显的塑性变形而发生突然破坏的性质。

7、韧性：

材料在冲击或震动荷载的作用下，能吸收较大能量，并产生较大变形而不发生破坏的性质。

四、材料的装饰性

建筑装饰材料的作用主要起装饰作用、保护作用和其他特殊作用（绝热、防潮、防火、吸声、隔音等），而装饰效果主要取决于装饰材料的色彩、质感和线型。

五、材料的耐久性

材料在使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不失去其原有性能的性质。

第三章气硬性胶凝材料

本章主要了解石灰、石膏、菱苦土、水玻璃的特性、技术性能要求和应用。

一、胶凝材料概念和分类

在建筑工程中，将散粒材料（如砂子、石子）或块状材料（如砖或石块）粘合为一个整体的材料，统称为胶凝材料。

胶凝材料可分为有机胶凝材料和无机胶凝材料。

有机胶凝材料又分为沥青类、天然树脂类、合成树脂类；

无机胶凝材料又分为气硬性胶凝材料（如石膏、石灰、水玻璃、菱苦土）、水硬性胶凝材料（如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥及其他水泥）

二、建筑石膏的特性及应用

特性：

1、凝结硬化快；

2、微膨胀性；

3、孔隙率大；

4、耐水性差；

5、抗火性好；

6、塑性变形大。

应用：

一般用于室内抹灰及粉刷、装饰制品、石膏板等。

三、石灰的特性

1、石灰的熟化：

生石灰（CaO）加水生成氢氧化钙的过程，称为石灰的熟化或消解过程。

生石灰中常含有过火石灰，过火石灰表面有一层深褐色熔融物，熟化很慢，当石灰已经硬化后，其中过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂。

为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰池中“陈伏“两周以上，”“陈伏”期间，石灰浆表面应留有一层水，与空气隔绝，以免石灰碳化。

2、石灰特性：

石灰具有良好的保水性，凝结硬化慢、强度低，耐水性差；

体积收缩大的特性。

四、菱苦土的应用

菱苦土地板具有保温、无尘土、耐磨、防火、表面光滑和弹性好等特性，若掺入耐碱矿物颜料，可将地面着色，是良好的地面材料。

菱苦土板有较高的紧密度与强度，而且具有吸音、隔热的效果，可做内墙板和其他建筑材料之用。

加筋的菱苦土具有较高的强度，可以代替木材制成垫木、柱子等构件。

菱苦土耐水性较差，故这类制品不宜用于长期潮湿的地方，菱苦土制品中不宜配置钢筋。

五、水玻璃

1、特性：

水玻璃溶液可与水按任意比例混合，不同的用水量可使溶液具有不同的密度和粘度；

水玻璃具有很强的酸腐蚀性，能抵抗多数无机酸、有机酸和侵蚀性气体的腐蚀；

水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶能堵塞材料的毛细孔隙，起到阻止水分渗透的作用；

水玻璃具有良好的耐热性能；

水玻璃对眼睛和皮肤有一定的灼伤作用，使用时应注意安全防护。

2、应用：

用于配制耐酸材料、耐热材料、涂料、灌浆材料、防水堵漏材料。

第四章水泥

本章主要了解六种常用水泥的组成、特性及选用。

一、硅酸盐水泥

1、概念：

由硅酸盐水泥熟料，0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥分为不渗加混合材料的Ⅰ型硅酸盐水泥（代号P•Ⅰ）和掺加不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的Ⅱ型硅酸盐水泥（代号P•Ⅱ）

2、主要熟料矿物：

硅酸三钙（3CaO•SiO2，简写为C3S），含量37%~60%；

硅酸二钙（2CaO•SiO2，简写为C2S），含量15%~37%；

铝酸三钙（3CaO•Al2O3，简写为C3A），含量7%~15%；

铁铝酸四钙（4CaO•Al2O3•Fe2O3，简写为C4AF），含量10%~18%。

3、水泥熟料矿物的水化特性

硅酸三钙

（C3S）

硅酸二钙

（C2S）

铝酸三钙

（C3A）

铁铝酸四钙

（C4AF）

水化、凝结硬化速度

快

慢

最快

28d水化热

多

少

最多

中

强度

高

早期低、后期高

低

4、水泥的凝结硬化：

水泥用适量的水调和后，最初形成具有可塑性的浆体，随着时间的增长，失去可塑性（但无强度），这一过程称为初凝，开始具有强度时称为终凝。

由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。

此后，产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬的石状物—水泥石，这一过程称为水泥的硬化。

影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素：

（1）水泥组成成分；

（2）石膏掺量；

（3）水泥细度；

（4）养护条件（温度、湿度）；

（5）养护龄期；

（6）拌和用水量；

（7）外加剂；

（8）贮存条件。

5、硅酸盐水泥的技术性质：

（1）细度：

指水泥颗粒的粗细程度，它直接影响着水泥的性能和使用。

凡水泥细度不符合规定者为不合格品。

（2）凝结时间：

分初凝时间和终凝时间。

从加入拌和用水至水泥浆开始失去塑性所需的时间，称为初凝时间。

自加入拌和用水至水泥将完全失去塑性，并开始有一定结构强度所需的时间，称为终凝时间。

国家标准规定硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。

凡初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。

（3）体积安定性：

是指水泥在凝结硬化过程中，水泥体积变化的均匀性。

体积安定性不良的水泥作废品处理。

（4）强度及强度等级：

水泥强度是表明水泥质量的重要技术指标，也是划分水泥强度等级的依据。

按标准方法制作的一组试件，分别测定3d和28d的抗压强度和抗折强度，根据测定结果，查表确定硅酸盐水泥的强度等级。

（5）碱含量：

指水泥中Na2O和K2O的含量。

国家标准规定：

水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定.

国家标准中还规定：

凡氧化镁、三氧化硫、安定性、初凝时间中任一项不符合标准规定时，均为废品。

凡细度、终凝时间、强度低于规定指标时称为不合格品。

废品水泥在工程中严禁使用。

若水泥仅强度低于规定指标时，可以降级使用。

二、掺混合材料的硅酸盐水泥

1、掺混合材料的作用：

在水泥熟料中加入混合材料后，可以改善水泥的性能，调节水泥的强度，增加品种，提高产量，降低成本，扩大水泥的使用范围，同时可以综合利用工业废料和地方材料。

根据掺入混合材料的数量和品种不同有：

普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

2、混合材料种类：

（1）活性混合材料：

能与水泥水化产物氢氧化钙起化学反应，生成水硬性胶凝材料，凝结硬化后具有强度并能改善硅酸盐水泥的某些性质。

常用有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰。

（2）非活性混合材料：

与水泥矿物成分不起化学作用或化学作用很小，将其掺入水泥熟料中仅起提高水泥产量、降低水泥强度等级和减少水化热等作用。

材料有：

磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣及各种废渣。

3、普通硅酸盐水泥：

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胶凝材料。

代号P•O。

特点：

与硅酸盐水泥相比，早期硬化速度稍慢，3d的抗压强度稍低，抗冻性与耐磨性也稍差。

4、矿渣硅酸盐水泥：

由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。

代号P•S。

与硅酸盐水泥相比，有以下特点：

（1）凝结硬化慢；

（2）早期强度低，后期强度增长较快；

（3）水化热较低；

（4）抗碳化能力较差；

（5）保水性差，泌水性较大；

（6）耐热性较好；

（7）硬化时对湿热敏感性强。

5、火山灰硅酸盐水泥：

由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。

代号P•P。

水化凝结硬化慢，早期强度低，后期强度增长率较大，水化热低，耐蚀性强，抗冻性差，易碳化，干缩较矿渣水泥显著，具有较高抗渗性。

6、粉煤灰硅酸盐水泥：

由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。

代号P•F。

干缩性比较小、抗裂性好；

吸水率小、配制的混凝土和易性较好。

7、复合水泥：

由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。

代号P•C。

8、六种常用水泥的特性和常用水泥的选用详见教材表4.6和表4.7。

第五章混凝土

本章主要了解普通混凝土的组成材料、主要技术性能和影响性能的因素，重

点掌握普通混凝土配合比设计的方法。

一、概述

混凝土是由胶凝材料、颗粒状的粗细骨料和水（必要时掺入一定数量的外加

剂和矿物混合材料）按适当比例配制，经均匀搅拌、密实成型，并经过硬化后而成的一种人造石材。

土木建筑工程中，应用最广的是以水泥为胶凝材料，以砂、石为骨料，加水拌制成混合物，经一定时间硬化而成的水泥混凝土。

1、混凝土的分类：

（1）按胶结材料分：

水泥混凝土、石膏混凝土、沥青混凝土及聚合物混凝

土等。

（2）按表观密度分：

重混凝土、普通混凝土、轻混凝土及特轻混凝土。

（3）按性能与用途分：

结构混凝土、水工混凝土、装饰混凝土及特种混凝

土。

（4）按施工方法分：

泵送混凝土、喷射混凝土、振密混凝土、离心混凝土

等。

（5）按掺合料分：

粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土、纤

维混凝土等。

2、混凝土的特点：

优点：

（1）使用方便；

（2）价格低廉；

（3）高强耐久；

（4）性能易调；

（5）

有利环保。

主要缺点：

自重大、抗拉强度低、呈脆性、易裂缝。

二、组成材料

基本材料是：

水泥、水、砂子和石子。

砂石主要起骨架作用；

水泥加水形成

的水泥浆，在硬化前起润滑作用，硬化后起胶结作用。

1、水泥：

根据工程性质、部位、施工条件、环境状况等，依据水泥特性选

择水泥品种。

一般水泥强度等级标准值为混凝土等级标准值的1.5~2.0倍。

2、骨料：

按骨料粒径分为粗骨料（粒径大于5mm）和细骨料（粒径小于5mm）。

在行业标准中，从泥和泥块含量、有害物质含量、坚固性、碱含量、级配和粗细程度、骨料的形状和表面特征和强度等方面对砂石提出了明确的技术质量要求。

3、混凝土用水

基本质量要求是：

不能含影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质；

无损于混凝

土强度发展及耐久性；

不能加快钢筋锈蚀；

不引起预应力钢筋脆断；

保证混凝土表面不受污染。

4、混凝土外加剂

是指在拌制混凝土过程中，根据不同的要求，为改善混凝土性能而掺入的物

质。

其掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）。

外加剂按其主要功能，一般有减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂、速凝剂、

膨胀剂、防冻剂、阻锈剂等。

四、普通混凝土的主要技术性能

1、新拌混凝土的和易性

新拌混凝土是指将水泥、砂、石和水按一定比例拌合但尚未凝结硬化时的拌

合物。

和易性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性三方面含义。

流

动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填充模板各个角落的性能。

粘凝性是指混凝土拌合物在施工过程中其组成材料之间有一定的粘聚力，不致发生分层和离析的现象，能保持整体均匀的性质。

保水性是指新拌混凝土在施工过程中，保持水分不易析出的能力。

影响和易性的主要因素：

（1）水泥浆的数量和水灰比；

（2）砂率；

（3）组成

材料的性质；

（4）时间和温度。

2、混凝土强度

混凝土立方体抗压强度（简称抗压强度）是指按标准方法制作的边长为

150mm的立方体试件，在标准养护条件（温度20±

3℃，相对湿度大于90%或置于水中）下，养护至28天龄期，经标准方法测试、计算得到的抗压强度值。

用fcu表示。

非标准试件的立方体试件，其测定结果应乘以换算系数，换成标准试件强度

值：

边长100mm的立方体试件，应乘以0.95；

边长200mm的立方体试件应乘以1.05。

普通混凝土划分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、

C50、C55等11个等级。

强度等级表示中的“C”表示混凝土强度，“C”后边的数值为抗压强度标准值。

影响抗压强度的主要因素：

（1）水泥强度等级和水灰比；

（2）骨料的影响；

（3）龄期与强度的关系；

（4）养护温度和湿度的影响。

3、混凝土的变形性

（1）化学收缩：

混凝土硬化过程中，水化形起的体积收缩。

收缩量随混凝

土硬化龄期的延长而增加，但收缩率很小，一般在40d后渐趋稳定。

（2）温度变形：

温度变化形起的。

对大体积混凝土极为不利。

（3）干缩湿胀：

处在空气中的混凝土当水分散失时会引起体积收缩，称为

干缩；

在受潮时体积又会膨胀，称为湿胀。

（4）荷载作用下的变形

短期荷载作用下的变形—弹塑性变形和弹性模量：

混凝土是一种非匀质材

料，属弹塑性体。

弹性模量反映了混凝土应力—应变曲线的变化。

徐变：

混凝土在持续荷载作用下，随时间增长的变形。

徐变有有利一面，也

有不利一面。

影响混凝土徐变的主要因素是水泥用量多少和水灰比大小。

4、混凝土的耐久性

即保证混凝土在长期自然环境及使用条件下保持其使用性能。

常见的耐久性

问题有：

抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化、碱—骨料反应等。

五、混凝土的质量控制与强度评定

1、混凝土的质量控制

原材料及施工方面的影响因素：

（1）水泥、骨料及外加剂等原材料的质量和

计量的波动；

（2）用水量或骨料含水量的变化所引起水灰比的波动；

（3）搅拌、运输、浇筑、振捣、养护条件的波动以及气温变化等。

试验条件方面的影响因素：

取样方法、试件成型及养护条件的差异、试验机

的误差和试验人员的操作熟练程度等。

2、强度评定

混凝土配制强度：

设计要求的混凝土强度保证率为95%时，配制强度fcu，o

≥fcu，k+1.645σ。

σ取值：

设计强度等级低于C20时，取4.0；

强度等级为C20~C35时，取

5.0；

强度等级高于C35时，取6.0。

六、普通混凝土的配合比设计

混凝土配合比是指混凝土中各组成材料数量之间的比例关系。

1、设计基本要点

（1）设计的基本要求：

A、满足混凝土结构设计要求的强度等级；

B、满足施工所要求的混凝土拌合物的和易性；

C、满足与使用环境相适应的耐久性；

D、在满足以上三项技术性质的前提下，尽量做到节约水泥和降低混凝土成

本，符合经济性原则。

（2）、三个重要参数：

水灰比、单位用水量和砂率。

2、普通混凝土配合比设计的方法和步骤

分三步进行：

（1）初步配合比计算

A、确定配制强度（fcu，o）

fcu，o≥fcu，k+1.645σ

B、初步确定水灰比值（W/C）

fcu，o=αafce（C/W-αb）

变为：

W/C=αafce/（fcu，o+αaαbfce）

当计算所得的水灰比大于规定的最大水灰比值（表5.14）时，应取规定的最

大水灰比值。

C、确定1m3混凝土的用水量（mwo）

根据施工要求的坍落度值和已知的粗骨料种类及最大粒径，查表5.15，选取

单位用水量。

根据已选定的每1m3混凝土用水量（mwo）和已确定的水灰比（C/W）值，

求出水泥用量（mco）

D、计算混凝土的单位水泥用量（mco）

再根据结构使用环境条件和耐久性要求，查表5.14中规定的1m3混凝土最

小水泥用量。

最后取两值中大者确定为1m3混凝土的水泥用量。

E、确定砂率（βs）

主要应根据混凝土拌合物的坍落度、粘聚性及保水性等特征来确定。

一般应

通过试验找出合理砂率，或根据本单位对所用材料的使用经验选用合理砂率。

如无使用经验，可按表5.16选取。

F、计算1m3混凝土的砂、石用量（mso，mgo）

用质量法和体积法计算。

详见教材81页。

（2）实验室配合比的确定

A、和易性调整

调整原则：

若流动性太大，可在砂率不变的条件下，适当增加砂、石用量；

若流动性太小，应在保持水灰比不变的情况下，增加适量的水和水泥；

粘聚性和保水性不良时，实质上是混凝土拌合物中砂浆不足或砂浆过多，可适当增大砂率或适当降低砂率，调整和易性满足要求时的配合比。

B、强度复核

C、混凝土表观密度的校正

（3）混凝土施工配合比的确定

按工地上砂、石的实际含水情况进行修正后的混凝土配合比。

七、其他品种混凝土

1、高强混凝土

强度等级达到C60和超过C60的混凝土称为高强混凝土。

2、轻混凝土

是指干密度小于1950kg/m3的混凝土。

包括轻骨料混凝土、多孔混凝土和大

孔混凝土。

3、防水混凝土（抗渗混凝土）

是通过各种方法提高混凝土的抗渗性能，其抗渗等级等于或大于P6级的混

凝土。

防水混凝土按其配制方法大体可分为四类：

富水泥浆法防水混凝土、引气剂

防水混凝土、密实剂防水混凝土、膨胀水泥防水混凝土。

4、聚合物混凝土

在混凝土组成材料中掺入聚合物的混凝土。

一般可分为三种：

聚合物水泥混

凝土、聚合物胶结混凝土、聚合物浸渍混凝土。

5、纤维混凝土

以普通混凝土为基材，将短而细的分散性纤维，均匀地撒布在普通混凝土中

制成的混凝土。

其目的是提高混凝土的抗拉及