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土木工程材料

土木工程材料

土木工程材料（第二版）主编：

苏达根

一、考点目录

1.名词解释

密度、表观密度、堆积密度、亲水性、憎水性、抗渗性、抗冻性、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、气硬性胶凝材料、水硬性胶凝材料、安定性（水泥）、碱集料反应、和易性、徐变、纤维混凝土、聚合物混凝土、抹面砂浆、绝热砂浆、沥青的延性、乳化沥青

2.问答

1）、土木工程材料的分类？

2）、材料在使用的过程中，受到环境中哪些自然因素的破坏作用？

3）、生产材料时，在组成一定的情况下，可采取什么措施来提高材料的强度和耐久性？

4）、胶凝材料的分类?

5）、石灰的性质？

6）、建筑石膏的性质？

7）、水玻璃的性质？

8）、水玻璃的应用？

9）、什么是水泥的“两磨一烧”？

10）、矿物掺合料及矿物掺合料的分类？

11）、水泥的矿物组成及简式？

12）、水泥石的几种主要侵蚀类型

13）、水泥石的腐蚀预防？

14）、某住宅工程工期较短，现有强度与等级同为42.5级的硅酸盐水泥和矿渣水泥可选用。

从有利于完成工期的角度看，选用哪种水泥更有利？

15）、混凝土的优缺点？

16）、集料的技术性质对混凝土性能的影响？

17）、混凝土外加剂按其主要功能的分类？

18）、试举例说明三种常用的减水剂？

19）、引气剂在混凝土中具有的特性？

20）、影响混凝土拌合物的和易性的主要因素？

21）、和易性的调整与改善？

22）、影响混凝土强度的因素？

23）、影响混凝土干缩的原因？

24）、影响混凝土徐变的因素？

25）、混凝土耐久性能包括哪些方面？

26）、影响混凝土抗渗性的因素？

27）、提高混凝土耐久性的措施？

28）、高性能混凝土的共识？

29）、抹面砂浆的特点？

30）、粉煤灰的作用机理？

31）、减少水泥石中氢氧化钙的含量对水泥石的影响？

3、

计算

1a）、混凝土配合比的计算：

某混凝土的实验室配合比，水泥﹕砂﹕石=1﹕2.1﹕4.0；W/C=0.60，混凝土的体积密度为2410Kg/m3

求：

1m3混凝土各材料用量？

1b）、某工程现浇钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C25，施工要求坍落度为50-70mm。

不受雨雪等作用。

施工单位的强度标准差为4.0Mpa。

所用材料：

42.5级普通硅酸盐水泥，实测其48Mpa。

ρc=3150kg/m3;中砂，复合级配要求，ρos=2600kg/m3;碎石，粒径5-40mm，ρog=2650kg/m3；自来水。

请进行混凝土配合比计算。

2）、沥青掺合，各型号沥青的需求量的计算：

某工程需用软化点为85°C的石油沥青，现有10号及60号石油沥青，其软化点分别为95°C和45°C。

试估算如何掺配才能满足工程需要？

参考答案

密度：

指材料在绝对密实的状态下，单位体积的质量。

表观密度：

俗称容重或视密度，指单位体积（含材料实体及闭口孔隙体积）材料的干质量。

堆积密度：

俗称松散密度，指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口空隙体积及颗粒间空隙体积）的质量。

有干堆积密度及湿堆积密度之分。

亲水性：

当润湿角Ө≦90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的相互吸引力，具有这种性质的材料称为亲水性材料。

憎水性：

当润湿角Ө≧90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的相互吸引力，具有这种性质的材料称为亲水性材料。

抗渗性：

材料抵抗压力水渗透的性质。

抗冻性：

指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（即冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质。

弹性模量：

钢材（混凝土）受力初期，在弹性阶段，应力与应变成比例地增长，应力与应变之比的常数，称为弹性模量。

屈服强度：

材料开始产生宏观塑性变形时的应力。

例如，低碳钢拉伸时，在屈服阶段的下屈服点。

抗拉强度：

钢材（混凝土）受拉所承受的最大拉应力。

气硬性胶凝材料：

只能在空气中硬化，也只能在空气中保持和发展其强度的胶凝材料。

水硬性胶凝材料：

既能在空气中，又能更好地在水中硬化，保持并继续发展其强度。

安定性（水泥）：

指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。

碱集料反应：

指水泥、外加剂等混凝土构成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。

和易性：

指混凝土拌合物易于施工操作（如搅拌、运输、浇灌、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的混凝土的性能。

徐变：

混凝土在长期恒定荷载作用下，沿着作用力方向，随时间的延长而增加的变形。

纤维混凝土：

是以混凝土为基体，外掺各种纤维材料而成。

聚合物混凝土：

是由有机聚合物、无机胶凝材料和集料结合而成的一种新型混凝土。

抹面砂浆：

指涂抹在基底材料的表面，兼有保护基底和增加美观作用的砂浆。

绝热砂浆：

采用水泥、石灰、石膏等胶凝材料与膨胀珍珠岩、膨胀蛭（zhì）石或陶粒砂等轻质多孔集料，按一定比例配制的砂浆称为绝热砂浆。

延性（沥青）：

是当其受到外力作用是，所能承受的塑性变形的总能力，通常用延度作为条件延性指标来表征。

乳化沥青：

石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下，经乳化加工制得的均匀沥青产品。

1）、土木工程材料的分类？

答：

按化学组成分：

无机材料、有机材料、复合材料；

按使用功能分：

承重结构材料、非承重结构材料、功能材料。

2）、材料在使用的过程中，受到环境中哪些自然因素的破坏作用？

答：

1．物理作用。

包括环境温度湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用。

材料在经受这些作用后，将发生膨胀、收缩，产生内应力。

长期的反复作用，将使材料渐遭破坏。

2．化学作用。

包括大气和环境水中的酸、碱盐等溶液或其他有害物质对材料的侵蚀作用，以及日光等对材料的作用，使材料产生本质的变化而破坏。

　　3．机械作用。

包括荷载的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。

　　4．生物作用。

包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、蛀蚀等破坏。

3）、生产材料时，在组成一定的情况下，可采取什么措施来提高材料的强度和耐久性？

答：

1.降低材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率。

2.降低材料内部裂纹的数量和长度；使材料的内部结构均质化。

对多相复合材料应增加相界面间的粘结力。

如对混凝土材料，应增加砂、石与水泥石间的粘结力。

4）、胶凝材料的分类?

答：

有机胶凝材料，如：

沥青、各种树脂。

无机胶凝材料，又分为，气硬性胶凝材料，如：

石灰、石膏、水玻璃；水硬性胶凝材料，如：

各种水泥。

5）、石灰的性质？

答：

6）、建筑石膏的性质？

答：

7）、水玻璃的性质？

答：

8）、水玻璃的应用？

答：

9）、什么是水泥的“两磨一烧”？

答：

———→生料———————→熟料—→——————→通用硅酸

10）、矿物掺合料及矿物掺合料的分类？

答：

定义：

生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度与等级，而加到水泥中去得人工的和天然的矿物材料，称为矿物掺合料。

分类：

11）、水泥的矿物组成及简式？

答：

硅酸三钙→C3S

硅酸二钙→C2S

铝酸三钙→C3A

铁铝酸四钙→C4AF

12）、水泥石的几种主要侵蚀类型

软水侵蚀（溶出性侵蚀）：

不含或仅含少量重碳酸盐的水称为软水，当水泥石长期与软水相接触时，水化产物将按其稳定存在所必需的平衡氢氧化钙浓度的大小，依次逐渐溶解或分解，从而造成水泥石的破坏，这就是溶出性侵蚀。

在各种水化产物中，氢氧化钙首先溶出，这样不仅增加了水泥石的孔隙率，使水更容易渗入，而且由于氢氧化钙浓度降低，还会使水化产物依次发生分解，如高碱性的水化硅酸钙、水化铝酸钙等分解成为低碱性的水化产物，并最终变成硅酸凝胶、氢氧化铝等无胶凝能力的物质。

在静水及无压力水的情况下，由于周围的软水易为溶出的氢氧化钙所饱和，使溶出作用停止，所以对水泥石的影响不大；但在流水及压力水的作用下，水化产物的溶出将会不断地进行下去，水泥石结构的破坏将由表及里地不断进行下去。

当水泥石与硬水接触时，水泥石中的氢氧化钙与重碳酸盐发生反应，生成的几乎不溶于水的碳酸钙积聚在水泥石的孔隙内，形成致密的保护层，可阻止水化产物的溶出。

碳酸侵蚀：

在某些工业污水和地下水中常溶解有二氧化碳，这种水分对水泥石的侵蚀作用称为碳酸侵蚀。

首先水泥石中的氢氧化钙与溶有CO2的水反应生成不溶于水的碳酸钙；接着碳酸钙又再与碳酸水反应生成易于水的碳酸氢钙。

当水中含有较多的碳酸，反应向右进行，导致水泥石中的氢氧化钙不断地转变为易溶的Ca（HCO3）2而流失，进一步导致其他水化产物的分解，使水泥石结构遭到破坏。

一般酸侵蚀：

水泥的水化产物呈碱性，因此酸类对水泥石一般都会有不同程度的侵蚀作用，其中侵蚀作用最强的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸及有机酸中的醋酸、蚁酸和乳酸等，它们与水泥石中的氢氧化钙反应后的生成物，或者易溶于水，或者体积膨胀，都对水泥石结构产生破坏作用。

13）、水泥石的腐蚀预防？

答：

根据侵蚀环境的特点，合理选用水泥及熟料矿物组成；

提高水泥石的密实度，改善孔结构；

加做保护层。

14）、某住宅工程工期较短，现有强度与等级同为42.5级的硅酸盐水泥和矿渣水泥可选用。

从有利于完成工期的角度看，选用哪种水泥更有利？

答：

相同强度等级的硅酸盐水泥与矿渣水泥28d强度指标是相同的，但3d的强度指标是不同的。

矿渣水泥3d抗压强度、抗折强度低于同强度等级的硅酸盐水泥，硅酸盐水泥早期强度高，若其他性能均可满足需要，从缩短工期来看选用硅酸盐水泥更为有利。

15）、混凝土的优缺点？

答：

优点

缺点

16）、集料的技术性质对混凝土性能的影响？

答：

集料的各项性能指标将直接影响混凝土的施工性能和使用性能。

集料的主要技术性质包括：

颗粒级配及粗细程度、颗粒形态和表面特征、强度、坚固性、含泥量、你快含量、有害物质及碱集料反应。

17）、混凝土外加剂按其主要功能的分类？

答：

改善混凝土拌合物流动性能的外加剂。

如：

减水剂、引气剂。

调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。

如：

缓凝剂、早强剂。

改善混凝土耐久性的外加剂。

如：

引气剂、防水剂。

改善混凝土其他性能的外加剂。

如：

阻锈剂。

18）、试举例说明三种常用的减水剂？

答：

木质素系减水剂；

多环芳香族磺酸盐系减水剂（奈系减水剂）；

水溶性树脂系减水剂；

19）、引气剂在混凝土中具有的特性？

答：

改善混凝土拌合物的和易性；

提高混凝土的抗渗性、抗冻性；

降低混凝土强度；

降低混凝土弹性模量；

不能用于预应力混凝土和蒸气（或蒸压）养护混凝土。

20）、影响混凝土拌合物的和易性的主要因素？

答：

21）、和易性的调整与改善？

答：

当混凝土流动性小于设计要求时，为了保证混凝土的强度和耐久性，不能单独加水，必须保持水灰比不变，增加水泥浆用量。

当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的前提下，增加砂石用量，实际上减少水泥浆用量。

选择合理的浆骨比。

改善集料级配，既可增加混凝土流动性，也能改善粘聚性和保水性。

掺减水剂或引气剂，是改善混凝土和易性的有效措施。

尽可能选用最优砂率。

22）、影响混凝土强度的因素。

答：

原材料因素

生产工艺因素

试验因素

23）、影响混凝土干缩的原因？

答：

24）、影响混凝土徐变的因素？

答：

水灰比一定时，水泥用量越大，徐变越大。

水灰比越小，徐变越小。

龄期长、结构致密、强度高则徐变小。

集料用量多，徐变小。

应力水平高，徐变越大。

25）、混凝土耐久性能包括哪些方面？

答：

抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化、碱集料反应、混凝土中得钢筋锈蚀等性能。

26）、影响混凝土抗渗性的因素？

答：

27）、提高混凝土耐久性的措施？

答：

合理选择水泥品种，使其与工程环境相适应。

选择质量良好、级配合理的集料和合理的砂率。

采用较小水灰比和保证水泥用量。

掺用合适的外加剂。

混凝土表面涂覆相关的保护材料。

28）、高性能混凝土的共识？

答：

使用寿命较普通混凝土长。

具有较高的体积稳定性。

具有良好的施工性能。

具有一定的强度和密实度。

29）、抹面砂浆的特点？

答：

抹面层不承受荷载。

抹面层与基底层要有足够的粘结强度，使其在施工中或长期自重的环境作用下不脱落、不开裂。

抹面层多为薄层，并分层涂抹，面层要求平整、光洁、细致、美观。

多用于干燥环境，大面积暴露在空气中。

30）、粉煤灰的作用机理？

答：

粉煤灰的形态效应。

粉煤灰的主要矿物组成物是海绵状玻璃体，铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细、质地致密，内比表面积小，不仅是水泥浆需水量小，而且它们往往填充水泥浆体空隙中，使混凝土密实性大大提高，或者在相同用水量的情况下，可增大流动性，改善和易性和可泵（bèng）性。

粉煤灰的微集粒效应。

粉煤灰中得微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚。

而处于分散状态有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密实度得以提高。

粉煤灰的活性效应。

也称火山灰效应，粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3与水泥和实惠的水化产物在水溶液中发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。

31）、减少水泥石中氢氧化钙的含量对水泥石的影响？

答：

a、水化时液相中的Ca（OH）2是水泥石在凝胶中的碱性物质，对水泥石有利。

b、但有些水泥水化后的Ca（OH）2与空气中的CO2反应，生成白色像霜的CaCO3附在水泥石表面，影响混凝土耐蚀性和美观。

c、再有水泥熟料中死烧状态的游离CaO水化速度很慢，在硬化的水泥石中继续生成Ca（OH）2晶体，体积增大，产生膨胀应力，破坏水泥石，这就是造成所谓的安定性不良。

结论：

可增强混凝土的耐蚀性，改善混凝土的安定性。

1a）、混凝土配合比的计算：

某混凝土的实验室配合比水泥﹕砂﹕石=1﹕2.1﹕4.0；W/C=0.60，混凝土的体积密度为2410Kg/m3

求：

1m3混凝土各材料用量？

解：

设1m3混凝土水用量、水泥用量、砂用量、石用量、混凝土量分别为Mw、Mc、Mg、Ms,依题意可得：

由方程1、2可得：

Mw=0.6Mc

Mg=2.1Mc

Ms=4Mc

代入方程3可得：

Mc=313Kg

代入方程1、2可得：

Mw=188Kg

Mg=657Kg

Ms=1252Kg

1b）、某工程现浇钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C25，施工要求坍落度为50-70mm。

不受雨雪等作用。

施工单位的强度标准差为4.0Mpa。

所用材料：

42.5级普通硅酸盐水泥，实测其48Mpa。

ρc=3150kg/m3;中砂，复合级配要求，ρos=2600kg/m3;碎石，粒径5-40mm，ρog=2650kg/m3；自来水。

请进行混凝土配合比计算。

解：

设1m3混凝土中各配料水、水泥、砂、石的含量分别为Mw、Mc、Mg、Ms、2400kg.

1、计算混凝土配置强度。

Fcu.o=Fcu·k+1.645σ=25+1.645*4.0=31.58Mpa

——Fcu·k为混凝土立方体抗压强度标准值，σ为混凝土强度标准差

2、计算水灰比。

W/C=αaFce/（Fcu+αaαbFce）=0.46*48/（31.58+0.46*0.07*48）=0.67

大于混凝土最大水灰比要求，所以按要求取0.65.

根据书中表4-22确定用水量，因为本表用水量是采用石砂时的平均取值，采用细砂时，1m3混凝土用水量可增加5-10Kg；采用粗砂时，则可减少5-10Kg，所以在表中差得用水量185Kg/m3，又为细砂，所以应加上5Kg，用水量取190Kg。

由W/C=0.65W=190Kg

求得：

C=284.6Kg

——Fce是水泥28天实测强度。

3、查书中表4-23，确定砂率，取38%

ρs=Ms/（Mg+Ms）=38%

Mw+Mc+Mg+Ms=2400

可解得：

Mw=190kg

Mc=292.3kg

Ms=0.6129Mg=1189

Mg=728.7

2）、沥青掺合，各型号沥青的需求量的计算：

某工程需用软化点为85°C的石油沥青，现有10号及60号石油沥青，其软化点分别为95°C和45°C。

试估算如何掺配才能满足工程需要？

解：

由公式Q1=（T2-T）/（T2-T1）*100%

Q2=100%-Q1

T2：

较高沥青软化点。

T1:

较低沥青软化点。

代入上述公式可得:

60号石油沥青用量：

Q1=20%

10号石油沥青用量：

Q2=80%