《土木工程材料》 教案 柯龙 第1-6章 绪论、土木工程材料的基本性质-混凝土

±

木

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程

材

料

教案

课程信息

课程名称土木工程材料授课专业土木工程

必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（V）；

课程类型

选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）

讲授（V）；实践课（V）；

授课方式考核方式考试（）；考杳（V）

其它（）

课程教学

32学时学分数2学分

总学时数

学时分配理论课20时;实践课12学时;

作柯龙；董西安电子科技

教材名称土木工程材料出版社

者萌；赵影大学出版社

出版

书号978-7-5606-6993-9

时间2023.09

班级课程名称土木工程材料

授课教师授课课时2

学习课题绪论

教学基本

对土木工程材料有一个总体的、全貌的了解。

要求

土木工程材料的分类。

教学重点、

土木工程材料的发展。

难点

土木工程材料的标准。

教学方法、手

案例导入法、讲授法、小组讨论法

段

教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结

参考案例来自教材、相关参考书

教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案

时间

教学

分配

授课提纲及重难点分析方法

及旁

设计

注

1.1土木工程与土木工程材料

土木工程既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、

设计、施工、保养、维修等技术活也指工程建设的对象，

即建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生

活、生动，产、军事、科研服务的各种工程设施,如房屋、

道路、铁路、管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电

站、飞机场、海洋平台、给水排水设施以及防护工程设施

等。土木工程的范围非常宽泛,而土木工程材料的范围同

样非常宽泛，泛指用于土木工程建设的各类材料及制品。

土木工程材料品种繁多，性能各异。在土木工程建造过程狗

中，能够根据工程所处环境和功能要求等条件，正确合理30min

地选用土木工程材料，对于节约材料、降低工程造价（通

常材料费占工程造价的30%〜70%）、保障工程质量等具

有非常重要的意义。

1.2土木工程材料的分类

土木工程材料种类繁多，其分类方法也多种多样。按

照使用功能和用途的不同，土木工程材料可以分为结构材

料、装饰材料和功能材料（防水材料、保温材料、吸声

材料、耐火材料等）；按照使用部位的不同，土木工程

材料可以分为墙体材料、屋面材料等。

一般来说，优良的土木工程材料必须具备足够的强

度，能够安全地承受设计荷载；自身的重量（表观密度）

以轻为宜，以减少下部结构和地基的负荷；具有与使用环

境相适应的耐久性，以便减少维修费用；用于装饰的材

料应能美化房屋并能产生一定的艺术效果；用于特殊部

位的材料应具有相应的特殊功能（如屋面材料要能隔热、

防水，楼板和内墙材料要能隔声等）。除此之外，土木工

程材料在生产过程中还应尽可能地保证低能耗、低物耗及

环境友好。

1.3土木工程材料的发展

作为传统的土木工程材料，木材、石灰、水泥、沥青、

混凝土、砌筑材料、钢筋混凝土等是工业和民用建筑的基

础。随着材料科学与工程学的形成和发展，土木工程材料

的性能和质量不断改善，品种不断增加。一些具有特殊功

能的新型土木工程材料，如绝热材料、吸声隔声材料、各

种装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料以及耐磨、耐

的

腐蚀、防爆和防辐射材料等应运而生。土木工程材料从强

调经济性和适用性，开始向"可再生、绿色化”方向发展。40min

建筑材料的绿色发展融合了绿色建材、清洁生产、循环经

济和低碳排放等诸多领域的先进理念，这些理念也对土木

工程材料的进一步发展提出了更高的要求，具体表现为以

下几方面：

Q）高性能化。研制轻质、高强、高耐久性、高抗震性、

高保温性、高吸声性、优异装饰性及优异防水性的材料，

实现结构功能一体化。这对提高建筑物的安全性、适用性、

艺术性、经济性及使用寿命等起着非常重要的作用。例如，

现今钢筋混凝土结构材料自重大(重约2500kg/m3)，限

制了建筑物向高层、大跨度方向进一步发展。通过减轻材

料自重及结构物自重，可提高经济效益。目前，世界各国

都在大力研究高强混凝土、加气混凝土、轻骨料混凝土、

空心砖、石骨板等工程材料，以适应土木工程发展的需要。

(2)智能化。所谓智能化材料，是指材料本身具有自

感知、自调节、自清洁、自修复等能力，可实现构筑物自

我监控的功能，并且具有可重复利用性。土木工程材料向

智能化方向发展是人类社会向智能化发展过程中降低成本

的需要。

⑶复合化、多功能化。利用复合技术生产多功能材料、

特殊性能材料及高性能材料对增强建筑物的使用功能、提

局其经济性及加快施工速度等有着十分重要的作用。

(4)工业化。工业化生产主要是指应用先进施工技术，

改造或淘汰陈旧设备，以及采用工业化生产技术，使产品

规范化、系列化。

(5)节能化、绿色化。土木工程材料在使用中的消耗

量很大，而以往材料的生产大多利用天然资源，因此现今

可利用的自然资源、能源已非常有限。绿色建材就是从可

持续发展角度出发，尽可能少用天然资源，充分利用再生

资源，大量使用工业或城市固体废弃物，采用低能耗、无

污染的生产技术，生产和开发能够降解有害气体、抑菌与

杀菌，对人体健康和环境无害并且可循环再生利用的新型

材料。

1.4土木工程材料的技术标准

技术标准是评价土木工程材料质量的依据。目前，

我国绝大多数土木工程材料都制定由产品技术标准，这些

标准通常包括产品分类、规格、技术要求、检险指标和

方法、产品验收以及储运等方面的内容。

土木工程材料的技术标准分为国家标准、行业标

准、地方标准和企业标准四大类，分别由相应的标准化

管理部门批准并发布，代号中带字母"T"的属于推荐

性标准。国家标准和行业标准属于全国通用标准，地方

标准适用于发布该标准的省、自治区或直辖术，而企

业标准仅适用于企业内部。本书主要参考国家标准和行

业标准。

标准的表本方法由产品（或技术）名称、部门代号、

编号和批准年份组成。例如，《普通混凝土配合比设计

规程》（JGJ55-2011）,前面为技术名称,部门代号为

JGJ,编号为55，批准年份为2011.

伴随着〃一带一路〃倡议的实施，我国承建的国际，

程会越来越多，很多工程在设计和建造过程中会参考国际

标准或具他国家的标准，如国际标准（代ISO）,美国国

家标准（代号ANSI）,美国材料与试验学会标准（代号

ASTM）、欧盟标准（代号EN）、英国标准（代号BS）

等。

1.教师总结约20

2.课后练习题钟

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授课教师授课课时2

学习课题土木工程材料的基本性质

教学基本

对土木工程材料有一个总体的、全貌的了解。

要求

材料的物理性质，力学性质的相关概念，表示方法及影响因素。

教学重点、土木工程材料的密度，与水有关的性质，强度，弹性，黏性与塑

难点性。

对砂石的表观密度，堆积密度，吸水率和含水率进行检测。

教学方法、手

案例导入法、讲授法、小组讨论法

段

教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结

参考案例来自教材、相关参考书

教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案

时间

教学

分配

授课提纲及重难点分析方法

及旁

设计

注

2.1材料的组成与结构

2.1.1材料的组成

材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组

成。它不仅影响材料的化学稳定性，而且也是决定材料物理

及力学性质的重要因素。

1.化学组成

化学组成指构成材料的基本化合物或化学元素的种

类和数量。当材料与外界自然环境及各类物质相接触时，

它们之间必然要按照化学变化规律发生作用，如木材的腐

的

蚀、钢材的锈蚀等方面的性质都是由材料的化学组成决

定的。30min

2.矿物组成

无机非金属材料中具有特定的晶体结构和特定的物

理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成即构成材料的

矿物种类和数量。材料中的天然石材、无机胶凝材料等，

其矿物组成是决定材料性质的主要因素。例如，硅酸盐类

的水泥主要由硅酸钙、铝酸钙等熟料矿物组成，决定了水

泥易水化成碱性凝胶体，具有凝结硬化的性能，司时，当

水泥所含的熟料矿物不同或含量不同时，又可形成各种不

同性质的水泥。

3.相组成

材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为

相。凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材

料。土木工程材料大多数是多相固体，可看作复合材料。

例如，混凝土可认为是骨料颗粒(骨料相)分散在水泥浆

基体(基相)中所组成的两相复合材料。

复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性

有密切关系。所谓界面，是指多相材料中相与相之间的

分界面0在实际材料中，界面是一个各种性能(尤其是

强度性能)较薄弱的区域，它的成分和结构与相内的部分

是不一样的，可作为〃相界面〃来处理。因此，对于土

木工程材料，可通过改变和控制其相组成和界面特性来改

善和提高材料的性能e

2.1.2材料的结构

材料的结构是决定材料性质的重要因素。材料的结

构可分为宏观结构、细观结构和微观结构。

1.宏观结构

宏观结构是指用肉眼或放大镜就可分辨的毫米级组

织。其分类及特点如下：

(1)致密结构。具有致密结构的材料可以看作为无

孔隙的材料，如钢材、玻璃、塑料、致密大然石材等。

这类材料强度和硬度高、吸水性小、抗冻性和抗渗性好。

(2)多孔结构。多孔结构的材料是指材料内部有分

布较均匀的孔隙，其孔隙率高，例如加气混凝土、泡沫

塑料、烧土制品、石管制品等。这类材料质量轻、保

温隔热、吸声隔声性能好。

(3)纤维结构。纤维结构的材料内部质点排列具有

方向性，其平行纤维方向、垂直纤维方向的强度和导热

性等性质具有明显的方向性，即各向异性如木材、石棉、

玻璃纤维、钢纤维混凝土等。

（4）层状结构。天然形成或用人工黏结等方法将材

料叠合形成层状结构的材料，如胶合板、纸面石膏板、

蜂窝夹心板、各种节能复合墙板等。这类结构能提高材

料的强度、硬度、保温及装饰等性能，扩大了材料的使

用范围。

2.细观结构（亚微观结构）

细观结构是指用光学显微镜能观察到的微米组织，如

分析金属材料的金相组织，观察木材的木纤维、导管、

髓线、树脂道等组织，以及观察混凝土内的微裂缝等。

材料内部各种组织的性质各不相同，这些组织的特

征、数量、分布及界面之间的结合情况等都对材料的性

质有重要的影响。

3.微观结构

微观结构是材料的极小尺度结构，定义为材料在原

子、离子、分子层次上的组成形式。材料（如金属、

聚合物、陶瓷或复合材料）的微观结构可以强烈影响物理

性能，如强度、韧性、延展性、硬度、耐腐蚀性、

高/低温行为或耐磨性。这些特性反过来决定了材料在_1_

业实践中的应用。

材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶

体。

1）晶体

晶体是质点（离子、原子、分子）在空间上按特定

的规则呈周期性排列时所形成的。晶体具有特定的几何

外形、各向异性、固定的熔点和化学稳定性等特点。

根据组成晶体的质点及化学键的不同可分为以下几

种：

(1)原子晶体：中性原子以共价键结合而成的晶

体。其强度、硬度、熔点均较高，而空度小,如石英

等。

(2)离子晶体:止坟离子以离子键结合而成的晶体。

其强度、硬度、熔点也较高，密度中等，不耐水，如石

膏等。

(3)分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合

而成的晶体。其强度、硬度、熔点较低，密度小，如

有机化合物等。

(4)金属晶体：以金属阳离子为晶格，由自由电

子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体。其强度、

硬度变化大，密度大，如钢材等。

晶体材料在外力作用下具有弹性变形的特点，但因质

点的密集程度不同而具有许多滑移面，当外力达到一定限

度时，易沿着滑移面产生塑性变形。

晶体内质点的相对密集程度，质点间的结合力和晶粒

的大小，对晶体材料的性质有着重要的影响。以碳素钢

材为例，因为晶体内的质点相对密集程度高,质点间又以

金属键联结，其结合力强，所以钢材具有较高的强度和较

好的塑性变形能力。若再经热处理使晶粒更细小、均匀，

则钢材的强度还可以提高。又因为其晶格间隙中存在有自

由运动的电子，所以钢材具有良好的导电性和导热性。

2)玻璃体

具有一定的化学成分的熔融物质，经急冷，使质点来

不及按一定的规则排列，便凝固成固体，即得玻璃体。

玻璃体的特点：无一定的几何外形，无熔点而只有软

化现象，具有各向同性，化学性质不稳定等。例如，水

淬粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等均属玻璃体。在一

定的条件下，玻璃体具有较大的化学潜能，因此，经常

被大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以便改善其性能。

3）胶体

物质以极微小的质点（粒径为1~100pm）分散在

连续相介质中形成的分散体系称为胶体。胶体的总表面

积很大，因而表面能很大，具有很强的吸附力和较强的黏

结力。

胶体由于脱水作用或质点的凝聚而形成凝胶，凝胶具

有固体的性质,在长期应力下，又具有黏性液体流动的性

质，如水泥水化物中的凝胶体。

2.1.3材料的构造

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的

相互组合搭配情况。构造概念与结构概念相比,更强调

了相同材料或不同材料的搭配组合关系。

2.1.4材料的孔隙

1.孔隙的分类

按孔隙的大小，可将材料的孔隙分为微小孔隙、细小

孔隙（毛细孔）、粗大孔隙等。对于无机非金属材料，孔

径小于20nm的微小孔隙，水或有害气体难以侵入,可视为

无害孔。按孔隙形状可将材料的孔隙分为球形孔隙、片

状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带尖角

的孔隙等。片状孔隙、管状孔隙、带尖角的孔隙对材料

性质的影响较大。按常压下水能否进入到孔隙中,将常压

水可以进入的孔隙称为开口孔隙，而将常压水不能进入

的孔隙称为闭口孔隙。另外，开口孔中有些孑豚仅与外

界相通，而且彼此贯通，称为连通孔。开口孔隙对材料

性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降

低（吸声性除外）。

2.孔隙特征对材料性质的影响

孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、

连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力然质均有

显著影响。一般情况下，材料的孔隙率越大很1」材料的表

观密度、堆积密度、强度均越小，耐磨性、抗冻性、抗

渗性、耐腐蚀性、耐水性及其他耐久性越差，而保温性、

吸声性、吸水性与吸湿性等越强。

2.2材料的基本性质

2.2.1材料的饰积

体积是物体所占有的空间尺寸大小，其度量单位通常

以cm3或m3表小。依据不同的结构状态，材料

的体积可以米用不同的参数来表示O

1）材料的密实体积

材料在绝对致密状态下的体积，或材料内不包括孔

隙时的体积，称为材料的密实体积，以v表示，自然状

态下，除严格控制条件卜生产的钢材、玻璃等少数材料

可视为绝对密实状态，绝大多数材料并非绝对密实，其

密实体积也难以直接测定。测定有孔隙材料的密度时，

通常将材料磨成一定纽度的粉末，干燥至恒重后用李氏

瓶测定具体积。

2）材料的表观体积

整体材料（包括内部孔隙）的外观体积称为材料的表

观体现，以vO表示。外形规则且表面平整材料的表观

体积，可直接以尺度量后用体积公式计算求得；外形不规

则材料（如图2-1（A）所示）的表观体积，常用排水法

（或排油法）来测定。

3）材料的堆积体积

颗粒材料堆积状态下的总体外观体积称为材料的堆

积体积，以v表示。颗粒材料的堆积体积中既包含颗

粒内部的孔隙体积，也包含颗粒间的间隙体积（如图2-1

（B）所小）。堆积体积可以通过测量其所占有容器的容

积，或通过测量其规则堆积形状的几何尺寸计算求得。

根据上述定义可知，材料的密实体积仅取决于其微观

或细观结构，而与宏观结构无关；材料的表观体积则与其

宏观组成结构有关；堆积体积不仅与材料内部的微观结

构、细观结构、宏观结构有关，而且还与其颗粒间相

互填充和接触的程度有关。

2.2.2材料的密度、表观空度、饰积密度与堆积密

度

1.密度

密度是指材料在绝对密实状态卜单位体积的质量

2.表观密度

表观密度是指材料单位体积（含材料实体及闭口孔隙

体积）的质量，也称视密度

3.体积密度

体积密度是指材料在自然状态卜单位体积（含材料实

体及开口孔隙、闭口孔隙体积）的质量，俗称容重

4.堆积密度

堆积密度是指散粒或粉状材料（如砂、石子、水泥

等）在堆积状态下单位体积的质量

2.2.3材料的密实度与孔隙率

1.密实度

材料体积内被固体物质充实的程度称为空实度

2.孔隙率

材料体积内,孔隙体积所占的比例称为孔隙率

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度,它对材料

的物理、力学性质均有影响。根据材料内部的构造，

可将?L隙分为连通的与封闭的两种。连通孔隙彼此贯通且

与外界相通，而封闭孔隙则彼此不连通且与外界相隔绝。

孔隙按尺寸又分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔

隙。孔隙的大小及其分布特征对材料的性能影响较大。

2.2.4材料的填充率与空隙率

1.填充率

散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度称为填充率

2.空隙率

散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比

例称为空隙率

2.2.5材料与水有关的性质

材料在使用过程中，经常与水接触，如雨水、雪水、

地下水、生活用水、大气中的水汽等。不同的固体材

料表面与水之间作用的情况不同，对材料性质的影响也不

同，因此要研究材料与水接触后的有关性质。

1.材料的亲水性与憎水性

1）亲水性

材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具

备这种性质的材料称为亲水性材料，例如砖、混凝土、

木材等o

2）憎水性

材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。具

备这种性质的材料称为憎水性材料，例如石蜡、沥青等。

这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情

况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。

大多数土木工程材料（如砖、瓦、砂、石、木材、

钢材、玻璃等）都属于亲水性材料，沥青、石蜡、某些

油漆、塑料等属于憎水性材料。

2.材料的吸水性与吸湿性

1）吸水性

材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质用

吸水率表小

2）吸湿性

材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力用含水率

表示

材料的吸湿性作用一般是可逆的，也就是说材料既可

吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。在一定的

温度和湿度条件下，材料与空气湿度达到平衡时的含水率

称为平衡含水率。木材的吸湿性特别明显，它能大量吸

收水汽而增加质量、降低强度和改变尺寸。

木门窗在潮湿环境往往不易开关，就是由于吸湿而引

起的。保温材料吸收水分后将降低或丧失其性能，所以

应特别注意采取有效的防护措施。

3.材料的耐水性

材料的软化系数在0~1的范围内。用于水中、潮

湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于

0.85的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则软

化系数不宜小于0.70~0.85。通常软化系数大于0.85

的材料称为耐水性材料。处于干燥环境的材料可以不考

虑软化系数。

花岗石长期浸泡在水中，强度下降3%,普通黏土

砖和木材所受影响更为显者。根据建筑物所处的环境，

软化系数成为选择材料的重要依据。

4.材料的抗冻性与抗渗性

1）抗冻性

材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用

而不被破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻

性，用抗冻等级表示O

冰冻的破坏作用是由材料孔隙内的水分结冰而引起

的。水分结冰时体积约增大9%,从而对孔隙产生压力

而使孔壁开裂。抗冻等级表示材料经过的冻融循环次数，

其质量损失、强度卜降均不超过规定值。例如，混凝

土的抗冻等级为F15,指混凝土所能承受的最大冻融循

环次数是15次（在一15乙的温度卜冻结后，再在

20℃的水中融化，为1次冻融循环），这时，强度

损失率不超过25%,质量损失不超过5%。

冬季室外温度低于一15T的地区,其重要工程

材料必须进行抗冻性实验。对材料抗冻性的要求，视

工程类别、结构部位、所处环境、使用条件以及建筑物

等级而定。

2）抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，用渗透系

数表示

2.2.6材料与热有关的性质

土木工程材料在满足强度和其他性能的基础上，还要

考虑材料的热工性能，以保证室内温度在一定的温度范

围内，为学习、生产和生活创造适宜的条件。

1.材料的导热性

材料传导热量的性质称为导热性,以导热系数表示

材料的导热系数越大，其传导的热量就越多。

影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构成、

微观结构、孔隙构造、温度、湿度和热流方向等。

(1)物质构成。金属材料的导热系数最大，无机^

金属材料次之，有机材料的导热系数最小。

(2)微观结。相同化学组成的材料,结晶结构的导

热系数最大，微晶结构次之，玻璃体结构的导热系数最

的

小。

40min

(3)孔隙构造。由于固体物质的导热系数比空气的

导热系数大得多，一般来说，材料的孔隙率越大，导热系

数越小。在孔隙率相近的情况下，孔径越大，孔隙相通将

使材料导热系数有所提高，这是由于孔内空气流通与对流

的结果。对于纤维状材料，导热系数还与压实程度有关。

当压实到某一表观密度时，其导热系数最小，该表观密度

称为最佳表观密度；当小于最佳表观密度时，材料内空隙

过大，由于空气对流作用，导热系数将有所提高。

(4)温度。温度材料的导热系数随温度升高而增

大。因此，绝热材料在低温下的使用效果更佳。

(5)湿度。由于固体导热最好，液体次之，气体最

差，因此，材料受潮会使导热系数增大，若水分结冰，

材料导热系数会进一步增大，因为冰的导热系数比水的导

热系数更大。为了保证保温效果，绝热材料要特别注意

防潮。

(6)热流。对于木材等纤维状材料，热流方向与纤

维排列方向垂直时材料的导热系数要小于平行时的导热

系数。

2.材料的热容量

材料受热(或冷却)时吸收(或放出)热量的性质称

为材料的热容量，用比热容表示

3.耐燃性

建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不被破

坏，强度不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。根据

耐燃性可将材料分为三大类：

(1)不燃烧类。材料遇火遇高温不易起火，不阴燃，

不碳化，如普通石材、混凝土、砖、石棉等。

(2)难燃烧类。材料遇火遇高温不易起火、不阴

燃或不碳化，只有在火源存在时能继续燃烧或阴燃，火焰

熄灭后,即停止燃烧或阴燃,如沥青混凝土、经防火处理

的木材等。

(3)燃烧类。材料遇火遇高温即起火或阴燃，在火

源移去后，能继续燃烧或阴燃，如木材、沥青等O

4.耐火性

材料在长期的高温作用下，保持不熔性并能工作的性

能称为材料的耐火性，如砌筑窑炉、锅炉、烟道等的材

料。按耐火性高低可将材料分为以卜二类：

(1)耐火材料：耐火度不低于158CTC的材料，如耐

火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、铭砖等。

(2)难熔材料：耐火度为1350~580℃的材料,如

难熔黏土砖、耐火混凝土等。

（3）易熔材料：耐火度低于135CTC的材料，如普

通黏土砖等。

2.2.7材料的吸声性能

1.吸声性

当声波传播到材料的表面时，一部分声波被

反射，另一部分穿透材料，其余部分则传递给

材料。对于含有大量连通孔隙的材料，传递给材

料的声能在材料的孔隙中将引起空气分子与孔壁

的摩擦和黏滞阻力，使相当一部分声能转化为热能

而被材料吸收或消耗。

2.隔声性

隔声与吸声不同，不能简单地把吸声材料作为

隔声材料使用。

声波在建筑结陶中的传播主要通过空气和固

体来实现，因而隔声可分为隔空气声和隔固体

声两种，两者隔声方法是不同的。

隔声量R（又称传声损失）表示材料隔绝空

气声的能力，是在标准隔声试验室内测出的，其

单位为分贝（dB）。R越大，隔声效果越好。

2.3材料的力学性质

2.3.1材料的强度

材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称

为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生

应力，外力逐渐增加，应力相应地加大，直到质点

间作用力不能够再承受时，材料即被破坏，此时

的极限应力值就是材料的强度。

1.材料的抗压、抗拉及抗剪强度

2.材料抗弯强度

2.3.2材料的弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当取消外力

后，变形能完全消失的性质称为弹性。这种可

恢复的变形称为弹性变形或瞬时变形。

2.3.3材料的脆性与韧性

外力作用于材料，当外力达到一定限度后，

材料突然被破坏，而被破坏时无明显的塑性变形，

这种性质称为材料的脆性。

2.3.4材料的硬度与耐磨性

1.硬度

硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能

力。土木工程中为保持建筑物的使用性能和外

观，常要求材料具有一定的硬度，如部分装饰材

料、预应力钢筋混凝土锚具等。工程中用于表

示材料硬度的指标有很多，对金属、木材等材料

常以压入法检测其硬度，其方法分别有洛氏硬度

（HR,它是以金刚石圆锥或圆球的压痕深度计算

求得的硬度值）、布氏硬度（HB,它是以压痕直

径计算求得的硬度值）等。天然矿物材料的硬度

常用摩氏硬度表示，它以两种矿物相互对刻的方

法确定矿物的相对硬度，并非材料绝对硬度的等

级。其硬度的对比标准分为十级，由软到硬依

次分别为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰

石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。

磨光天然石材的硬度常用肖氏硬度计检测（用测得

的撞销回跳的高度来表示)0

2.耐磨性

材料的耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能

力。

材料的磨损率G值越低，表明该材料的耐磨

性越好。-般硬度较高的材料，耐磨性也较

好。土木工程中有些部位经常受到磨损的作用，

如路面、地面等。选择这些部位的材料时，其

耐磨性应满足工程的使用寿命要求。

2.4材料的耐久性

材料在长期使用过程中，抵抗各种自然因素及

有害介质的作用，保持其原有性能不变质和不被

破坏的能力称为材料的耐久性。

作用于材料的自然因素和有害介质可概括为

以下几个方面：

(1)物理作用。物理作用指材料经干湿、

冷热、冻融变化等，使材料体积发生收缩与膨

胀，或产生内应力而开裂损坏。

(2)化学作用。化学作用指材料在大气和

环境水中的酸碱盐等溶液的侵蚀下，逐渐发生质

变而损坏。

(3)生物作用。生物作用指材料在昆虫或

菌类等的侵害下，发生虫蛀、腐朽而损坏。

建筑材料中的砖、石、混凝土等矿物材料，大

多数是由于物理作用而被破坏的。金属材料主要

是因化学作用而被腐蚀的。

木材、植物等天然材料，主要是因生物作用而

被腐蚀的。

为了提高材料的耐久性，延长建筑的使用寿命

和减少维修费用，可根据使用情况和材料特点采

取相应的措施。例如：设法减轻大气或周围介质对

材料的破坏作用（降低湿度、排除侵蚀性物质

等）；提高材料本身对外界作用的抵抗性（提高材

料的密度、采取防腐措施等），也可用其他材

料保护主体材料免受破坏（覆面、抹灰、刷涂

料等）。

现代工程对材料的耐久性的要求越来越高，提

出耐久性指标的工程设计也越来越多。对材料的

质量评定也应逐渐由强度指标发展为耐久性指标。

未来工程设计中将用耐久性设计取代目前按强

度进行的设计。研究耐久性具有明确的经济意义：

节约材料、降低成本；减少维修费用；延长土

木工程结构使用寿命。

2.教师总结约20

2.课后练习题钟

±

木

I

程

材

料

教案

课程信息

课程名称土木工程材料授课专业土木工程

必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（V）；

课程类型

选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）

讲授（V）；实践课（V）；

授课方式考核方式考试（）；考杳（V）

其它（）

课程教学

32学时学分数2学分

总学时数

学时分配理论课20时;实践课12学时;

作柯龙；董西安电子科技

教材名称土木工程材料出版社

者萌；赵影大学出版社

出版

书号978-7-5606-6993-9

时间2023.09

班级课程名称土木工程材料

授课教师授课课时2

学习课题气硬性胶凝材料

教学基本

对气硬性胶凝材料有一个总体的、全貌的了解。

要求

石灰、石膏、水玻璃这三种常用气硬性胶凝材料的性质、技术要

教学重点、求和应用。

难点石灰、石膏、水玻璃的水化、凝结、硬化的规律。

石灰、石骨、水玻璃的原料和生产。

教学方法、手

案例导入法、讲授法、小组讨论法

段

教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结

参考案例来自教材、相关参考书

教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案

时间

教学

分配

授课提纲及重难点分析方法

及旁

设计

注

3.1石灰

石灰是土木工程中最早使用的无机胶凝材料之一，

石灰的原料-石灰石分布广泛、生产工乙简单、成本低

廉、使用方便，在土木工程中被广泛应用。

3.1.1石灰的原料与生产

生产石灰的原料主要是石灰石或tte石质石灰石、

白娶等天然岩石，其主要成分为碳酸钙（CAC03）,经

过城烧，碳酸钙可分解为生石灰（CAO）和C02气体。

石灰塘烧窑主要有土窑和立窑。土窑使用间歇式城

的

烧，立窑使用连续式燃烧。由于机械化立窑具有操作可

靠、能耗低、生产效率高和成品质量好等优点,因而在30min

目刖石灰生产中被较多米用。立窑生产石灰的过程为：

原料和燃料按一定比例从窑顶分层装入，逐层下降,在

窑中经预热、燃烧、冷却等阶段后，从窑底卸出成品。

石灰的搬烧需要足够的温度和时间。在搬烧过程中，

石灰石在600℃左右开始分解，并随着温度的提高，其

分解速度也逐渐加快；当温度达到900（时，CO2分压

达到1x105PA,此时的分解达到较快的速度，因此，

常将这个温度作为CACO3的分解温度。在实际生产

中为了提局生产效率，可米用更高的城烧温度以进一步

加快石灰石的分解速度，但不得米用过高的温度，通常

控制在looo〜i20（rc之间。

正常燃烧温度和燃烧时间所得的石灰具有多孔结

构，内部孔隙率大，表观密度较小，晶粒细小，与水反

应迅速，这种石灰称为正火石灰。若燃烧温度低或爆烧时

间短时，石灰的表层部分可能为正火石灰，而内部会有

未分解的石灰石核心，该核心称为欠火石灰。含有欠火

石灰的石灰块与水反应时仅表面水化，而其石灰仁核心不

能水化，降彳氐了石灰的利用率，属于废品石灰o若城

烧温度过高或高温持续时间过长，则会因高温烧结收缩而

使石灰内部孔隙率减小，体积收缩，晶粒变得粗大，这

种石灰称为过火石灰。过火石灰的结构较致密，具表面

常被黏土杂质融熔形成的玻璃种状物所覆盖而带有玻璃状

外壳或产生裂纹，它与水反应时速度很慢，往往需要很

长的时间才能产生明显的水化效果。

原料纯净、燃烧良好的块状石灰，质轻色白，呈疏

松多孔结构,密度为3.1~3.4g/cm3,堆枳密度为

800~1000kg/m3。

由于石灰石中常含有一定量的碳酸镁（MgCO3）,

在燃烧过程中碳酸镁分解得到氧化镁（MgO）

3.1.2石灰的消解与凝结硬化

1.石灰的消解

石灰的消解（又称熟化或消化）是生石灰与水作用生

成氢氧化钙的化学反应过程

经过消解所得的氢氧化钙称为消石灰（又称熟石灰）o

生石灰具有强烈的水化能力，水化时放出大量的热，

同时体积增大1~2.5倍。原因可归结为如下几点：

(1)生石灰消化过程吸收24.3%的水分;

(2)生石灰的相对密度由3.35kg/m3降低到熟

石灰的2.34kg/m3;

(3)生石灰的比表面积为0.2〜0.4m2/g,而熟

石灰可高达10~30m2/g。

2.石灰的凝结硬化

石灰浆体在空气中凝结硬化包含了两个同时进行的

过程：结晶作用和碳化作用。

1)结晶作用

石灰浆体在干燥过程中多余水分蒸发或被砖石砌体

吸收从而使石灰粒子紧密接触，获得一定强度。这种强

度类似于黏土失水后获得的强度，强度值不大，而且冉遇

水后又会丧失。随着游离水分的减少，氢氧化钙逐渐从

饱和溶液中结晶析出，形成晶体结构网、使强度继续增

加。但由于析出的晶体数量较少，所以这种结晶引起的强

度增长并不显著。

2)碳化作用

氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体，

释放水分并蒸发，称为碳化

3.1.3石灰的技术性质

石灰具有以下的技术性质：

(1)保水性与可塑性好。生石灰消解为石灰浆时，

能自动形成极微细的呈胶体状态的氢氧化钙，表面吸附一

层较厚的水膜，由于其颗粒数量多，总表面积大，可吸附

大量水，因此具有良好的保水性与可塑性。在水泥砂浆

中掺入石灰膏，能使具可塑性和保水性显著提高。

(2)凝结硬化慢、强度低。由于空气中CO2的

浓度很低，且与空气接触的表层碳化后形成碳酸的硬壳阻

止了C02的持续渗入，也不利于内部水分向外蒸发，使

碳酸钙和氢氧化钙晶冰生成缓慢且数量少，因此石灰是

一种硬化缓慢的胶凝材料，硬化后强度也很低。另外，

为使石灰浆具有一定的可塑性以便于使用,同时考虑到

-部分水分因消解时放热而被蒸发，故实际消解用水量

很大，多余水分在硬化后蒸发，将留下大量孔隙，导致了

硬化石灰密实度和强度低(如1：3的石灰砂浆，28d抗

压强度只有0.2〜0.5MPa)。

(3)硬化时体积收缩大。石灰浆体硬化的过程中，

由于水分大量蒸发，引起体积收缩，使其开裂，因此，

除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。工程上应用

时，常在石灰中掺入砂、麻刀、纸筋等，以抵抗收缩

引起的开裂和提高抗拉强度。

(4)耐水性差。由于石灰浆体硬化慢，强度低，

尚未硬化的石灰浆体处于潮湿环境中，石灰中的水分不易

蒸发，因此不会硬化；已硬化的石灰中，大部分是尚未

碳化的氢氧化钙，氢氧化钙微溶于水(2(rc时,100g水

中的溶解度为0.166g)，石灰硬化体遇水后容易被水软

化而破坏，县至产生溃散，因而耐水性差。所以，石灰

不宜用于与水接触或潮湿的环境,也不宜单独用于建筑物

基础。

3.1.4石灰的分类与技术标准

建筑工程中常用的石灰有建筑生石灰和建筑消石

灰，由于生产生石灰的原料中常含有碳酸镁，因此在建

筑生石灰中也常含有氧化镁。根据建材行业标准《建筑生

石灰》(JC/T479-2013)规定,按石从中MgO的含量，

将石从分为钙质和镁质两大类。根据建材行业标准《建

筑消石灰》(JC/T481-2013)规定，建筑消石灰按扣除

游离水和结合水后(CAO十MgO)的含量加以分类，分

为钙质消石灰和核质循石灰。

钙质石灰(MgO含量三5%)包括钙质石灰90、钙

质石灰85和钙质石灰75。镁质石灰(MgO含量＞5%)

包括镁质石灰85和镁质石灰750

钙质消石灰包括钙质消石灰90、钙质消石灰85和

钙质消石灰75。

镁质消石灰包括镁质消石灰85和镁质消石灰75。

钙质石灰的热化速度较快，而镁质石灰的消化速度较

慢，但硬化后强度稍高。通常生石灰质量好坏与其氧化

钙和氧化镁的含量密切相关。此外，建筑消石灰使用时还

需要注意体积安定性问题。建筑消石灰的体积安定性是

指将一定稠度的清石灰浆做成中间厚边缘薄的一定直

径的试饼，然后在100~105℃下烘4h,若尢横散、裂

纹、鼓包等现象，则为体积安定性合格。

建筑工程中还可能会用到石灰乳和石灰膏。石灰乳

是将生石灰加大量水消化而成的一种乳状液体，主要成

分为CA(OH)2和H20,石灰膏是由消石灰粉加水

拌合调制成的具有一定稠度的骨状物。石灰宵含水约

50%,主要成分为CA(OH)2和H20,表观密度为

1300~1400kg/m3。

3.1.5石灰的工程应用

1.配制砂浆和石灰乳涂料

石灰膏或消石灰粉可以单独配制石灰砂浆，也可与水

泥或石膏一起配制成水泥石灰混合砂浆、石膏石灰混合

砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。

将消石灰粉或石灰膏加入大量水，稀释成石灰乳涂

料，主要用于要求不图的内墙及房屋顶棚的刷白。

2.配制灰土和