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土木工程材料复习资料

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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。

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。

孔隙率：
材料内部孔隙的体积占其总体积的百分率。

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：

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。当时为亲水材料，反之为憎水材料。
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：
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：
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。
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（①孔隙特征；②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1~2.5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：
① 良好的保水性
② 凝结硬化慢、强度低
③ 耐水性差
④ 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：
① 凝结时间短
② 微膨胀性
③ 孔隙率大，因此质轻，隔热、吸声性好，但是强度低，吸水率大
④ 耐水性差
⑤ 抗火性好
⑥ 塑性变形大
建筑石膏适合作装饰材料的原因：
① 具有微膨胀性，不会产生裂缝，形体饱满，光滑细腻，颜色洁白
② 内部多孔结构，保温隔热性能好，吸声性能好
③ 防火性能好
④ 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：
① 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数）提高而提高。
② 耐酸，但是不耐碱、不耐水。
③ 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：
① 有较高强度，但不耐水
② 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、0~5%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，P·I；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，P·II。
在生产水泥时，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
C3S
C2S
C3A
C4AF
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（hcp）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P·O，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：
① 凝结硬化慢，早期强度低（不适用于快硬早强工程）
② 湿热条件养护，适于采用蒸汽养护
③ 水化热低，放热速度较慢（适用于大体积混凝土）
④ 抗软水、硫酸盐侵蚀的能力较强
⑤ 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：
① 不宜在炎热条件下施工，不宜蒸汽养护
② 禁止与硅酸盐水泥或石灰混用
③ 不能用于与碱性溶液相接触的工程
第4章 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：
① 易塑性
② 经济性
③ 安全性
④ 耐火性
⑤ 多用性
⑥ 耐久性
混凝土的缺点：
① 抗拉强度低
② 延展性不高
③ 自重大、比强度低
④ 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。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：

其中取水泥强度实测值，如没有则取

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；水泥胶砂强度偏低；养护温度低或湿度不够；测定强度时未按标准操作（加载速度慢或试件偏心）。
提高混凝土强度的措施：
采用高强度的水泥；降低水灰比；采用机械搅拌和振捣；采用级配良好表面干净的砂石骨料；掺入早强剂；减水剂等外加剂；掺入掺和料；掺入聚合物。
影响混凝土强度试验测试结果的因素：
① 尺寸效应，试件尺寸越小，其内部先天缺陷的尺寸相应的也越小，强度测得越高。
② 环箍效应，摩擦力会对混凝土内部区域产生约束作用，使纵向受压的混凝土所发生的横向拉伸受到约束，强度会测得更大。
③ 加载速度，加载速度越大，混凝土的裂纹扩展来不及充分进行，测得的强度偏高。
混凝土的非荷载变形：
化学减缩，干缩，自收缩，温度变形，碳化收缩等。
温度变形对大体积混凝土和纵长结构混凝土会产生极其不利的影响。要设置伸缩缝，设置温度钢筋或掺入膨胀剂、减缩剂，防止混凝土开裂。
影响混凝土收缩的主要因素：
水泥用量和品种；骨料用量和质量；水灰比；外加剂；环境条件。
徐变：
混凝土承受持续一定的荷载时，保持荷载不变，随时间的延长而增加的变形，称为徐变。
对普通钢筋混凝土构件，能消除混凝土内部温度应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象；而对预应力混凝土结构，徐变会使预应力损失大大增加，这是极其不利的。
混凝土的抗渗性：
混凝土材料抵抗压力水渗透的能力成为抗渗性，它是决定混凝土耐久性最基本的因素。
影响混凝土抗渗性的根本因素是孔隙率和孔隙特征，混凝土孔隙率越低，连通孔越少，抗渗性越好。所以提高混凝土抗渗性的主要措施是降低水灰比、选择好的骨料级配、充分振捣和养护、掺用引气剂和优质粉煤灰掺和料等。
掺用引气剂会使微小气泡切断许多毛细孔的通道，但是会降低混凝土强度。
混凝土的抗冻性：
混凝土在吸水饱和状态下经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力成为抗冻性。
冻融破坏的机理是，混凝土内的毛细孔吸水后结冰，水结冰膨胀9%，将膨胀压力传给周边的未结冰的水，水压力作用在水泥石壁上，当水泥石壁上的拉应力超过抗拉强度时产生损伤和裂缝，反复冻融循环作用后，损伤积累导致体系结构破坏，强度下降，质量损失。
混凝土的密实度、孔隙构造和数量及孔隙的充水程度是决定抗冻性的重要因素。密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土抗冻性较高。
提高抗冻性的措施有降低混凝土水灰比，降低孔隙率；掺加引气剂；提高混凝土强度。
混凝土的抗碳化性：
碳化是空气中的二氧化碳和水泥石中的水化产物（即水泥内部C2S和C3S水化生成的氢氧化钙）在有水条件下发生化学反应，生成碳酸钙和水。
混凝土碳化的影响是丧失钢筋-混凝土的界面粘结；钢筋体积膨胀导致混凝土开裂。
影响碳化的因素有环境湿度；二氧化碳浓度；水泥品种和掺和料用量；混凝土的密实度。
碱-集料反应：
混凝土中的碱性氧化物与骨料中的活性SiO2、活性碳酸盐发生化学反应生成碱-硅酸盐凝胶或碱-碳酸盐凝胶，沉积在骨料与水泥胶体的界面上，吸水后体积膨胀三倍以上导致混凝土开裂破坏。
反应的三个必要条件是：混凝土中必须含有相当数量的碱；混凝土骨料中必须有一定数量能与碱反应的活性岩石或矿物；供应水分的潮湿环境。
预防碱-集料反应的措施：控制混凝土中的碱含量；不采用具有碱活性的砂石骨料；掺入矿物掺和料抑制碱集料反应；混凝土表面进行防水处理，阻挡水分供应。
提高混凝土耐久性的措施：
① 选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥
② 严格控制水灰比和水泥用量
③ 选择技术合格的砂石骨料，改善骨料的颗粒级配
④ 掺加引气剂提高抗冻性
⑤ 掺入减水剂降低水灰比
⑥ 掺入矿物掺合料，提高密实性
⑦ 加强混凝土质量的生产控制

混凝土质量评定：

配合比设计：

再通过方程组可以解出粗细骨料的用量。
最后施工配合比要记得砂石要考虑含有水分的影响进行修正。
第5章 砂浆
建筑砂浆由凝胶材料、细集料、掺和料和水等材料按适当的比例配制而成。建筑砂浆与混凝土的唯一区别就在于不含粗集料。
砂浆强度公式分为不吸水基层和吸水基层。吸水基层的强度决定于水泥强度和水灰比。不吸水基层的强度主要决定于水泥强度和水泥用量。

第6章 钢材
按照脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢，一个比一个脱氧充分。
屈服强度：
一般以下屈服极限对应的应力做为屈服点，用表示，而对于硬钢，在外力作用下没有明显的屈服台阶，通常以0.2%残余变形时对应的应力作为屈服强度，以表示，称为条件屈服点。
屈强比：
屈服点和抗拉强度的比值称为屈强比，是反映钢材安全可靠程度和利用率大小的重要指标。屈强比越小，说明材料的安全度越高，不易发生脆性断裂和局部超载引起的破坏。屈强比越大，表明钢材的强度利用率偏低，不够经济。
冲击韧性：
是指钢材抵抗冲击荷载的能力。
某些钢材在温度降低到一定程度时，钢材会呈脆性断裂，这一现象称为钢材的低温冷脆性，
冷加工性能及时效处理：
将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑性和韧性会降低，这个过程叫做冷加工强化。
将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15~20d，或加热到100~200°C并保持2~3h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程叫做时效处理。
应力应变曲线如下图：

钢材的元素：
有益元素为硅、猛、铝、钒、钛、铌。
有害元素为硫、磷、氧、氮、氢。
钢结构的牌号：
如Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。
第9章 沥青和沥青混合料
石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、树脂和地沥青质三个组分。三种的分子量依次递增。
胶体结构：
石油沥青的结构是以沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分，构成胶团，无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。
胶体结构分为溶胶型、溶凝胶型和凝胶型三种类型。
石油沥青的性质：
黏性由针入度指标表示，单位是1/10mm，针入度越大，表示黏度越小，沥青越软。
延性由延伸度指标表示，延伸度值越大，则沥青的延性越好。
温度敏感性是指石油沥青的黏滞性和延性随温度升降而变化的性能，是沥青的重要指标之一，衡量指标是软化点。软化点是指沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度。由环球法测定。
在大气因素的综合作用下，沥青中的低分子量组分会向高分子量组分递变。但是由于树脂向沥青质转化的速度比油分向树脂转化的速度要快得多，所以石油沥青会随着时间进展而变脆变硬，即“老化”。这是石油沥青递变在空间和时间上的含义。
石油沥青的牌号以针入度表示，牌号越高，针入度越大（即黏性越小），延性越好（延度越大），温度敏感性大（软化点低）。