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《土木工程材料》课程教学指导书

《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

Ⅰ《土木工程材料》课程教学大纲...…………………………………..….1

Ⅱ《土木工程材料》辅导材料……………………………….…………….3

绪论……………………………….…………………………..………….3

§1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……………………………………...................

Ⅲ《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…………………………………………………..

Ⅳ《土木工程材料》样卷……………………………………....................

Ⅴ《土木工程材料》试题命题格式……………………………………....

Ⅵ《土木工程材料》期中试题及答案……………………………………

Ⅰ《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）。

Ⅱ《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①承重结构材料，②非承重结构材料，③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%

≤0.5

0.452

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mm

10.0±0.1

（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/N

3330

3800

4000

f/MPa

7.8

8.9

9.4

f3平均=8.7。

（9.4－8.7）/8.7=8.04%=8%＜10%，（8.7－7.8）/8.7=10.34%=10%≤10%。

没有超过10％

结果

28d抗折强度=8.7MPa

ff=1.5FfL/（bh2）=1.5Ff×100/（40×402）=1.5×3330×100/（40×402）=7.8MPa

ff=1.5FfL/（bh2）=1.5Ff×100/（40×402）=1.5×3800×100/（40×402）=8.9MPa

ff=1.5FfL/（bh2）=1.5Ff×100/（40×402）=1.5×4000×100/（40×402）=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=VK＋VB。

①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。

②材料绝对密实体积＋闭口孔隙体积，用V＋VB=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。

③自然状态下的体积，用V0=V＋VP=V＋VK＋VB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。

④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ρ*=m*/V*。

密度ρ*=m*/V*=m/V=ρ；

表观密度（如，砂的表观密度）ρ*=m*/V*=m/（V+VB）=m/V排=ρ’；

体积密度（如，砖的体积（或表观）密度）ρ*=m*/V*=m*/V0=m*/（V+VB+VK）=ρ0；

松堆密度ρ*=m*/V*=m*/V筒=m*/（V+VB+VK+VV）=ρ0’。

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—ρ*0/ρ*

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=1—ρ0/ρ。

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’=1—ρ0’/ρ’。

体积吸水率约等于开口孔隙率。

WV=（mb－m）/（V0ρW）=Wmρ0/ρ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

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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0.8MPa的水压而不渗水。

⑥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。

⑦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。

⑧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

①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。

②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。

③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C7.5～C60共十二个强度等级。

④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。

⑤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。

⑥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。

⑦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。

⑧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。

⑨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。

⑩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20～30％。

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0.1～1000nm。

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1～1000μm。

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10～100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