土木工程材料复习资料

土木工程材料复习资料一、土木工程材料的基本概念土木工程材料是用于土木工程的各种材料的总称，它是一切土木工程的物质基础。（一）分类1.按化学成分分类无机材料金属材料：如钢铁、铝合金等。钢铁具有强度高、韧性好等优点，广泛应用于建筑结构中，如钢梁、钢柱等。铝合金则具有质量轻、耐腐蚀等特点，常用于建筑门窗、幕墙等。非金属材料：包括天然石材（如大理石、花岗岩）、陶瓷、玻璃、胶凝材料（如水泥）、砂浆、混凝土等。天然石材质地坚硬、美观，常用于建筑装饰；陶瓷可用于卫生洁具等；玻璃在建筑采光、装饰等方面应用广泛；水泥是混凝土的重要胶凝材料，砂浆用于砌墙等。有机材料植物材料：如木材，具有质轻、强度较高、加工方便等特点，常用于建筑木结构，如木屋架、木门窗等。沥青材料：包括石油沥青和煤沥青，常用于道路路面、防水工程等。石油沥青具有良好的粘结性、塑性和防水性。合成高分子材料：如塑料、橡胶、纤维等。塑料可用于给排水管道、建筑装修材料等；橡胶用于密封材料、防水卷材等；纤维增强塑料具有强度高、质量轻等优点，可用于建筑结构部件。复合材料有机无机复合材料：如玻璃钢，它是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料制成的，具有强度高、耐腐蚀、质量轻等特点，可用于建筑采光罩、通风管道等。金属非金属复合材料：如钢筋混凝土，由钢筋和混凝土两种材料组成，利用了钢筋的高强度和混凝土的耐久性，广泛应用于建筑结构中。2.按使用功能分类结构材料：主要承受各种荷载作用，如钢材、木材、混凝土等，用于建造房屋的梁、板、柱等结构构件。墙体材料：用于建筑物的墙体，如砖、砌块、墙板等。砖和砌块是传统的墙体材料，墙板则具有轻质、保温隔热等优点，是现代建筑中常用的墙体材料。屋面材料：用于建筑物的屋面防水和保温隔热，如瓦、卷材等。瓦有传统的黏土瓦、琉璃瓦，也有新型的彩钢板瓦等；卷材防水屋面常用的有SBS防水卷材、APP防水卷材等。地面材料：如木地板、地砖、地毯等，用于建筑物的地面装饰和保护。木地板给人温暖、舒适的感觉；地砖具有耐磨、易清洁等特点；地毯则起到隔音、装饰的作用。装饰材料：用于建筑物室内外装饰，如涂料、壁纸、装饰石材、陶瓷面砖等。涂料可改变建筑物的外观颜色和质感；壁纸图案丰富，能营造不同的室内氛围；装饰石材和陶瓷面砖用于墙面和地面装饰，美观大方。防水材料：防止建筑物渗漏，如防水卷材、防水涂料、密封材料等。防水卷材铺设在屋面、地下室等部位；防水涂料可涂刷在基层表面形成防水膜；密封材料用于建筑缝隙的密封，防止雨水、空气等渗透。（二）作用1.满足建筑功能要求结构材料要具备足够的强度、刚度和稳定性，以承受建筑物的各种荷载，确保建筑结构的安全。例如，高层建筑的框架结构采用高强度钢材作为梁、柱，能有效承受竖向和水平荷载。墙体材料要具有保温隔热、隔音、防火等性能，保证室内的舒适度和安全性。如加气混凝土砌块墙体，其保温隔热性能良好，可减少建筑物的能耗。屋面材料要防水、保温隔热，防止雨水渗漏和热量传递。优质的防水卷材和保温隔热屋面材料能延长建筑物的使用寿命，提高室内环境质量。2.影响建筑的经济性合理选用土木工程材料可以降低工程造价。例如，在满足设计要求的前提下，选用价格合理的地方材料，如当地的砂石等作为混凝土的集料，可减少运输成本。材料的耐久性也影响建筑的经济性。耐久性好的材料，使用寿命长，维修费用低。如采用不锈钢管材用于建筑给排水系统，可减少因腐蚀而更换管材的费用。3.影响建筑的美观性装饰材料直接影响建筑物的外观。精美的装饰石材、多彩的涂料、独特的壁纸等能赋予建筑物独特的艺术风格和美感，提升建筑的整体形象。材料的质感和色彩搭配也对建筑美观起着重要作用。例如，光滑的大理石墙面与粗糙的文化石墙面搭配，可营造出丰富的视觉效果。二、水泥（一）定义与分类水泥是一种粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好地硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。1.按用途及性能分类通用水泥：用于一般土木工程的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。专用水泥：专门用途的水泥，如中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥等。中热硅酸盐水泥水化热低，适用于大体积混凝土工程；道路硅酸盐水泥早期强度高，耐磨性好，用于道路工程。特性水泥：某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥等。快硬硅酸盐水泥凝结硬化快，早期强度高；白色硅酸盐水泥可用于配制彩色水泥浆、彩色混凝土等，用于建筑装饰工程。2.按主要水硬性物质名称分类硅酸盐水泥：以硅酸钙为主要成分的水泥。铝酸盐水泥：以铝酸钙为主要成分的水泥。硫铝酸盐水泥：以无水硫铝酸钙为主要成分的水泥。（二）硅酸盐水泥1.定义与代号凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。代号为P·Ⅰ、P·Ⅱ。2.生产原料及生产过程原料：主要原料为石灰石、黏土和铁矿石。石灰石提供钙元素，黏土提供硅、铝、铁等元素，铁矿石提供铁元素。生产过程：包括生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段。将原料按一定比例配合，磨制成生料；生料在水泥窑中煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料；水泥熟料加入适量石膏，共同磨细，制成硅酸盐水泥。3.技术性质细度：水泥颗粒越细，水化反应速度越快，早期强度越高，但水泥的需水量增大，硬化时收缩也较大。通常采用筛析法或比表面积法来测定水泥的细度。凝结时间：初凝时间不宜过早，以便有足够的时间进行搅拌、运输和浇筑；终凝时间不宜过迟，以免影响施工进度。硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。安定性：水泥的安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。安定性不良会导致水泥制品产生膨胀性裂缝，影响工程质量。用沸煮法或压蒸法来检验水泥的安定性。强度：水泥强度是评定水泥质量的重要指标。硅酸盐水泥的强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级。其中，带"R"的为早强型水泥，其3d强度较高。4.水化与凝结硬化水化：硅酸盐水泥加水后，水泥熟料中的矿物成分与水发生化学反应。硅酸三钙（$C_3S$）水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙；硅酸二钙（$C_2S$）水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙；铝酸三钙（$C_3A$）水化迅速，生成水化铝酸钙；铁铝酸四钙（$C_4AF$）水化生成水化铝酸钙和水化铁酸钙。凝结硬化：水泥的水化反应是一个从水泥颗粒表面逐渐深入内部的过程。随着水化产物的不断生成，水泥浆体逐渐失去可塑性，开始凝结。随后，水化产物进一步填充孔隙，晶体逐渐长大，水泥浆体强度不断提高，进入硬化阶段。（三）其他通用水泥1.普通硅酸盐水泥定义与代号：由硅酸盐水泥熟料、6%～20%的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥。代号为P·O。性能特点：与硅酸盐水泥相比，普通硅酸盐水泥早期强度较高，抗冻性较好，水化热较大，耐腐蚀性稍差。它适用于一般土木工程中的混凝土及预应力混凝土结构，受冻融作用及干湿交替作用的混凝土工程。2.矿渣硅酸盐水泥定义与代号：由硅酸盐水泥熟料、20%～70%的粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥。代号为P·S。性能特点：矿渣水泥早期强度低，后期强度增长较快。水化热较低，耐热性较好，耐腐蚀性较强，但抗冻性较差，泌水性较大。适用于大体积混凝土工程、高温车间的建筑、有抗硫酸盐侵蚀要求的工程等。3.火山灰质硅酸盐水泥定义与代号：由硅酸盐水泥熟料、20%～50%的火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥。代号为P·P。性能特点：火山灰水泥早期强度低，后期强度增长较快。水化热较低，抗渗性较好，耐腐蚀性较强，但干缩性较大，抗冻性较差。适用于地下、水下工程，大体积混凝土工程，有抗渗要求的混凝土工程等。4.粉煤灰硅酸盐水泥定义与代号：由硅酸盐水泥熟料、20%～40%的粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥。代号为P·F。性能特点：粉煤灰水泥早期强度低，后期强度增长较快。水化热较低，抗裂性较好，耐腐蚀性较强，但抗冻性较差，干缩性较小。适用于大体积混凝土工程、水工混凝土工程、有抗裂要求的混凝土工程等。（四）水泥的选用1.根据工程特点选用对于大体积混凝土工程，如大坝、大型基础等，应选用水化热低的水泥，如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等，以防止混凝土内部温度过高产生裂缝。对于有抗冻要求的混凝土工程，如北方地区的冬季施工混凝土、水工混凝土等，应选用抗冻性好的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等。对于有抗渗要求的混凝土工程，如地下室、水池等，应选用抗渗性好的水泥，如火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。2.根据环境条件选用在干燥环境中的混凝土工程，可选用普通硅酸盐水泥。在潮湿环境或水中的混凝土工程，宜选用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等耐水性较好的水泥。在高温环境下的混凝土工程，可选用矿渣硅酸盐水泥，因其耐热性较好。在有硫酸盐侵蚀的环境中，应选用抗硫酸盐硅酸盐水泥等具有抗硫酸盐侵蚀性能的水泥。三、混凝土（一）定义与分类混凝土是由胶凝材料、粗细集料与水按一定比例配制，经搅拌、成型、养护而得的一种人造石材。1.按胶凝材料分类水泥混凝土：以水泥作为胶凝材料，是最常用的混凝土类型。石膏混凝土：以石膏为胶凝材料，具有凝结硬化快、孔隙率大、保温隔热性能好等特点，常用于室内隔墙、保温层等。水玻璃混凝土：以水玻璃为胶凝材料，具有耐酸、耐热性能好等特点，常用于化工防腐蚀工程、高温车间等。2.按表观密度分类重混凝土：表观密度大于2600kg/$m^3$，如采用重晶石、铁矿石等作为集料配制的混凝土，具有防射线的功能，常用于核工程等。普通混凝土：表观密度为2000～2600kg/$m^3$，是土木工程中最常用的混凝土，广泛应用于建筑结构、道路等工程。轻混凝土：表观密度小于2000kg/$m^3$，如加气混凝土、陶粒混凝土等。加气混凝土具有轻质、保温隔热性能好等特点，常用于非承重墙体；陶粒混凝土可用于保温隔热混凝土结构等。3.按使用功能分类结构混凝土：用于建筑结构，承受荷载作用，如梁、板、柱等结构构件的混凝土。防水混凝土：具有防水性能，用于地下室、水池、屋面等防水工程。可通过调整配合比或添加外加剂等方法提高其防水性能。耐热混凝土：能承受高温作用，用于高温车间、窑炉基础等工程。耐酸混凝土：具有耐酸性能，用于化工、冶金等有酸性介质侵蚀的工程。（二）普通混凝土的组成材料1.水泥水泥是混凝土的胶凝材料，其品种和强度等级应根据混凝土的设计强度等级、耐久性要求及施工条件等因素合理选择。如前所述，不同品种的水泥对混凝土的性能有不同影响。2.集料细集料：通常指粒径小于4.75mm的砂。砂按其产源可分为天然砂（河砂、海砂、山砂）和人工砂。河砂颗粒圆滑，质地坚硬，是配制混凝土常用的细集料。砂的粗细程度用细度模数表示，细度模数越大，砂越粗。砂的颗粒级配反映了砂中不同粒径颗粒的搭配情况，良好的颗粒级配可使混凝土在水泥用量较少的情况下达到较好的工作性和强度。粗集料：粒径大于4.75mm的集料。常用的粗集料有碎石和卵石。碎石表面粗糙，与水泥石的粘结力强，但孔隙率较大；卵石表面光滑，孔隙率较小，但与水泥石的粘结力较弱。粗集料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋最小净间距的3/4。3.水混凝土用水应符合国家现行标准的规定，不得含有影响水泥正常凝结硬化的有害物质。一般来说，饮用水可直接用于混凝土搅拌。4.外加剂减水剂：能在保持混凝土坍落度基本相同的条件下，显著减少用水量，从而提高混凝土强度，或在保持强度不变的情况下，节约水泥用量。常用的减水剂有木质素磺酸盐类、萘系减水剂、聚羧酸系减水剂等。早强剂：能提高混凝土早期强度，并对后期强度无显著影响。如氯盐早强剂、硫酸盐早强剂、有机胺类早强剂等。早强剂常用于冬季施工或紧急抢修工程。引气剂：能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，可提高混凝土的抗冻性、抗渗性和工作性。常用的引气剂有松香热聚物、松香皂等。引气剂适用于有抗冻、抗渗要求的混凝土工程。缓凝剂：能延缓混凝土的凝结时间，便于混凝土的搅拌、运输和浇筑。缓凝剂常用于高温季节施工或大体积混凝土工程。如糖类缓凝剂、木质素磺酸盐类缓凝剂等。5.掺合料粉煤灰：是火力发电厂燃煤排出的烟灰，作为混凝土掺合料可改善混凝土的工作性、降低水化热、提高混凝土的耐久性。粒化高炉矿渣粉：是高炉冶炼生铁时排出的以硅酸钙与铝硅酸钙为主要成分的熔融物，经水淬急冷成粒后干燥磨细而成。它可提高混凝土的强度和耐久性，降低水泥用量。（三）混凝土的技术性质1.工作性定义：混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能。测定方法：常用坍落度试验和维勃稠度试验来测定混凝土的工作性。坍落度适用于塑性和