土木工程材料期末考试复习资料

土木工程材料期末考试复习资料一、土木工程材料的基本性质

（一）材料的物理性质1.密度定义：材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：\(\rho=\frac{m}{V}\)式中：\(\rho\)为密度（\(g/cm^3\)）；\(m\)为材料的质量（\(g\)）；\(V\)为材料在绝对密实状态下的体积（\(cm^3\)）。测定方法：对于形状规则的材料，可直接测量其尺寸并计算体积；对于形状不规则的材料，可采用蜡封法或排液法测量其体积。2.表观密度定义：材料在自然状态下单位体积的质量，按下式计算：\(\rho_0=\frac{m}{V_0}\)式中：\(\rho_0\)为表观密度（\(kg/m^3\)或\(g/cm^3\)）；\(m\)为材料的质量（\(kg\)或\(g\)）；\(V_0\)为材料在自然状态下的体积（\(m^3\)或\(cm^3\)）。对于某些多孔材料，其表观密度还可细分为干表观密度和湿表观密度。干表观密度是指材料干燥状态下的表观密度，湿表观密度是指材料吸湿饱和状态下的表观密度。3.堆积密度定义：散粒材料在堆积状态下单位体积的质量，按下式计算：\(\rho_0^{\prime}=\frac{m}{V_0^{\prime}}\)式中：\(\rho_0^{\prime}\)为堆积密度（\(kg/m^3\)）；\(m\)为材料的质量（\(kg\)）；\(V_0^{\prime}\)为材料的堆积体积（\(m^3\)），堆积体积包括颗粒体积和颗粒间空隙体积。测定堆积密度时，要注意材料的装填方式和松紧程度，以保证结果的准确性。4.孔隙率定义：材料中孔隙体积与总体积之比，用\(P\)表示，按下式计算：\(P=\frac{V_0V}{V_0}\times100\%=(1\frac{\rho_0}{\rho})\times100\%\)式中：\(V_0\)为材料在自然状态下的体积；\(V\)为材料在绝对密实状态下的体积；\(\rho_0\)为表观密度；\(\rho\)为密度。孔隙率反映了材料的致密程度，孔隙率越大，材料越疏松，其吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性等性能一般也越差。5.密实度定义：材料的密实体积与总体积之比，用\(D\)表示，按下式计算：\(D=\frac{V}{V_0}\times100\%=\frac{\rho_0}{\rho}\times100\%\)密实度与孔隙率的关系为\(D=1P\)。密实度越大，材料越密实，强度、耐久性等性能越好。6.填充率定义：散粒材料在堆积体积中，被其颗粒填充的程度，用\(\psi\)表示，按下式计算：\(\psi=\frac{V}{V_0^{\prime}}\times100\%\)式中：\(V\)为散粒材料的颗粒体积；\(V_0^{\prime}\)为散粒材料的堆积体积。填充率反映了散粒材料在堆积时的紧密程度，填充率越大，堆积越紧密。7.吸水率定义：材料吸收水分的能力，有质量吸水率\(W_m\)和体积吸水率\(W_v\)之分。质量吸水率\(W_m=\frac{m_1m}{m}\times100\%\)式中：\(m_1\)为材料吸水饱和后的质量；\(m\)为材料干燥状态下的质量。体积吸水率\(W_v=\frac{V_1}{V_0}\times100\%\)式中：\(V_1\)为材料吸收水分的体积；\(V_0\)为材料在自然状态下的体积。对于一些具有封闭孔隙的材料，其吸水率较小；而对于开口孔隙较多的材料，吸水率较大。吸水率会影响材料的其他性能，如强度、耐久性等。8.含水率定义：材料中所含水分的质量与干燥材料质量之比，用\(W\)表示，按下式计算：\(W=\frac{m_2m}{m}\times100\%\)式中：\(m_2\)为材料含水状态下的质量；\(m\)为材料干燥状态下的质量。含水率会影响材料的表观密度、强度等性能，在进行材料性能测试和使用时，需要考虑材料的含水率情况。

（二）材料的力学性质1.强度定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度等。抗压强度\(f_c=\frac{F}{A}\)式中：\(f_c\)为抗压强度（\(MPa\)）；\(F\)为材料承受的压力（\(N\)）；\(A\)为材料的受压面积（\(mm^2\)）。抗拉强度\(f_t=\frac{F}{A}\)式中：\(f_t\)为抗拉强度（\(MPa\)）；\(F\)为材料承受的拉力（\(N\)）；\(A\)为材料的受拉面积（\(mm^2\)）。抗剪强度\(f_v=\frac{F}{A}\)式中：\(f_v\)为抗剪强度（\(MPa\)）；\(F\)为材料承受的剪力（\(N\)）；\(A\)为材料的受剪面积（\(mm^2\)）。抗弯强度\(f_m=\frac{3FL}{2bh^2}\)式中：\(f_m\)为抗弯强度（\(MPa\)）；\(F\)为材料承受的弯曲荷载（\(N\)）；\(L\)为两支点间的距离（\(mm\)）；\(b\)为材料截面宽度（\(mm\)）；\(h\)为材料截面高度（\(mm\)）。材料的强度与材料的组成、结构、孔隙率等因素有关。一般来说，材料的孔隙率越大，强度越低。2.弹性模量定义：材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，用\(E\)表示，按下式计算：\(E=\frac{\sigma}{\varepsilon}\)式中：\(\sigma\)为应力（\(MPa\)）；\(\varepsilon\)为应变。弹性模量反映了材料抵抗弹性变形的能力，弹性模量越大，材料在弹性范围内越不容易变形。3.泊松比定义：材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，用\(\nu\)表示，按下式计算：\(\nu=\left|\frac{\varepsilon_{横向}}{\varepsilon_{轴向}}\right|\)泊松比反映了材料横向变形与纵向变形之间的关系。4.硬度定义：材料抵抗硬物压入其表面的能力。常用的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。硬度与材料的成分、组织结构等有关，硬度较高的材料耐磨性较好。5.耐磨性定义：材料抵抗磨损的能力。耐磨性与材料的硬度、强度、化学成分、组织结构等因素有关。一般来说，硬度高、强度大的材料耐磨性较好。在工程中，对于经常受到摩擦的部位，如路面、楼梯踏步等，需要选择耐磨性好的材料。

（三）材料的耐久性1.耐久性的概念材料在长期使用过程中，抵抗各种破坏因素作用，保持其原有性能不变的能力称为耐久性。破坏因素包括物理作用（如干湿交替、温度变化、冻融循环等）、化学作用（如酸、碱、盐等侵蚀）、生物作用（如菌类、昆虫等侵害）等。2.影响耐久性的因素及提高耐久性的措施影响因素：材料的组成与结构：不同组成和结构的材料耐久性不同。例如，无机材料一般比有机材料耐久性好；晶体结构材料比非晶体结构材料耐久性好。孔隙率与孔隙特征：孔隙率大、开口孔隙多的材料耐久性差。因为水分、有害介质容易进入孔隙，导致材料性能下降。环境因素：包括所处的气候条件、使用环境中的化学物质等。如在寒冷地区，材料容易受到冻融破坏；在有化学侵蚀的环境中，材料会受到化学腐蚀。提高措施：选择合适的材料：根据工程环境和使用要求，选择耐久性好的材料。改善材料的结构：通过优化材料的组成和结构，如采用致密结构、添加外加剂等，提高材料的耐久性。采取防护措施：如对材料表面进行涂层、防腐处理等，阻止外界破坏因素对材料的侵蚀。合理设计与施工：在工程设计和施工过程中，考虑材料的耐久性要求，保证施工质量，减少因施工不当对材料耐久性的影响。

二、气硬性胶凝材料

（一）石灰1.石灰的生产与分类生产：石灰是由石灰石、白云石等原料经高温煅烧而成。主要反应式为：\(CaCO_3\xrightarrow{高温}CaO+CO_2\uparrow\)分类：根据煅烧温度和原料的不同，石灰可分为生石灰（\(CaO\)）和熟石灰（\(Ca(OH)_2\)）。生石灰又可分为钙质石灰和镁质石灰。2.石灰的熟化与硬化熟化：生石灰与水发生反应生成氢氧化钙的过程称为熟化。反应式为：\(CaO+H_2O=Ca(OH)_2+64.9kJ/mol\)，熟化过程中会放出大量的热，体积增大\(12.5\)倍。硬化：石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程。干燥结晶是指石灰浆体中的水分逐渐蒸发，氢氧化钙从饱和溶液中结晶析出，使浆体强度提高；碳化是指氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，反应式为：\(Ca(OH)_2+CO_2=CaCO_3\downarrow+H_2O\)。3.石灰的技术性质可塑性好：石灰浆体具有良好的可塑性，能形成平整的表面，适用于室内抹面工程。硬化慢、强度低：石灰浆体硬化过程缓慢，硬化后的强度较低。如石灰砂浆在常温下硬化\(28d\)后的抗压强度一般只有\(0.20.5MPa\)。耐水性差：石灰硬化后的主要成分碳酸钙在水中会逐渐溶解，导致石灰制品耐水性差，不宜用于潮湿环境。4.石灰的应用石灰乳：用于内墙和天棚的粉刷。石灰砂浆：由石灰膏、砂和水按一定比例配制而成，用于砌筑和抹面工程。灰土和三合土：灰土是将消石灰粉与黏土按一定比例混合而成；三合土是由消石灰粉、黏土和砂按一定比例混合而成。它们经夯实后强度较高，可用于基础、路面等工程。

（二）石膏1.石膏的生产与分类生产：石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料，常见的有天然石膏（如二水石膏\(CaSO_4\cdot2H_2O\)）和工业副产石膏（如磷石膏、脱硫石膏等）。天然石膏经煅烧可制成建筑石膏。主要反应式为：\(CaSO_4\cdot2H_2O\xrightarrow{107170^{\circ}C}CaSO_4\cdot\frac{1}{2}H_2O+1.5H_2O\)分类：建筑石膏根据其强度等性能指标可分为优等品、一等品和合格品。2.石膏的凝结硬化建筑石膏加水拌合后，与水发生反应生成二水石膏，反应式为：\(CaSO_4\cdot\frac{1}{2}H_2O+1.5H_2O=CaSO_4\cdot2H_2O\)。随着水分的蒸发，浆体逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为凝结；之后浆体继续硬化，强度不断提高，这一过程称为硬化。3.石膏的技术性质凝结硬化快：建筑石膏加水拌合后，一般在几分钟至半小时内即可初凝，1h左右即可终凝，硬化速度快，有利于施工。硬化时体积微膨胀：石膏浆体在硬化过程中体积会微膨胀，膨胀率为\(0.05\%0.15\%\)，这一特性使石膏制品表面光滑、尺寸精确、形状饱满，可制作各种装饰制品。孔隙率大、强度较低：硬化后的石膏制品孔隙率较大，表观密度较小，强度相对较低。如石膏板的抗压强度一般在\(310MPa\)之间。防火性能好：石膏制品遇火时，二水石膏中的结晶水蒸发，吸收热量，阻止火势蔓延，且在表面形成一层隔热层，起到防火作用。耐水性差：石膏制品在潮湿环境中，二水石膏会逐渐溶解，导致强度下降，耐水性差。4.石膏的应用室内抹灰及粉刷：建筑石膏加水调成石膏浆，可用于室内墙面、顶棚的抹灰和粉刷。石膏板：以石膏为主要原料，加入适量的纤维增强材料等制成的板材，如纸面石膏板、纤维石膏板等，广泛应用于隔墙、吊顶等工程。石膏砌块：由石膏、集料和添加剂等制成的块状墙体材料，具有质量轻、保温隔热、隔音等优点，可用于非承重墙体。

（三）水玻璃1.水玻璃的组成与性质组成：水玻璃是由碱金属氧化物（如\(Na_2O\)、\(K_2O\)）和二氧化硅（\(SiO_2\)）组成的化合物，其化学式为\(R_2O\cdotnSiO_2\)，常用的是硅酸钠水玻璃（\(Na_2O\cdotnSiO_2\)）。性质：粘结力强：水玻璃能与多种材料表面形成很强的粘结力，可用于粘结材料。耐酸性好：水玻璃硬化后的主要成分二氧化硅不溶于水和酸（氢氟酸除外），具有良好的耐酸性，可用于配制耐酸材料。耐热性好：水玻璃硬化后的材料在高温下强度不降低，甚至有所提高，具有较好的耐热性，可用于耐热工程。2.水玻璃的硬化水玻璃在空气中吸收二氧化碳，逐渐析出硅酸凝胶，使浆体硬化，反应式为：\(Na_2O\cdotnSiO_2+CO_2+mH_2O=Na_2CO_3+nSiO_2\cdotmH_2O\)。3.水玻璃的应用涂刷材料表面：可提高材料的抗风化能力，如用于涂刷黏土砖、混凝土等。配制耐酸材料：如耐酸胶泥、耐酸砂浆等，用于有酸性介质侵蚀的工程部位。配制耐热材料：如水玻璃耐热混凝土等，用于高温环境下的工程结构