土木工程材料典型例题分析

例1-1 材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？材料含水后的影响？答：三者均表示材料单位体积的质量。但测定方法不同，计算时采用的体积不同。密度：采用材料的绝对密实体积；表观密度：采用材料的表观体积（实体体积+闭口孔隙体积）；堆积密度：采用材料的堆积体积（材料总体积+颗粒间空隙体积）。含水对密度、表观密度无影响，因密度、表观密度均指绝对干燥状态下的物理常数。对堆积密度的影响则较为复杂，一般含水后堆积密度增大。【评注】本题目主要考查密度、表现密度、堆积密度的基本概念。相同点在于三者都是表示材料单位体积的质量，不同点在于计算时三者的体积概念不同。材料密实体积绝于状态，绝对密实，不含任何孔隙。材料表观体积自然状态，含闭口孔隙，不含开口孔隙。材料堆积体积绝干或含水状态，自然堆积状态，含颗粒间空隙。例1-2 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174，178，165Mpa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。答：该石材的软化系数为KR=fb/fg=165/178=0.93 该石材的软化系数为0.930.85，为耐水石材， 可用于水下工程。【评注】考点为软化系数的概念及耐水标准，还应区别气干和绝干状态。软化系数为材料吸水饱和状态下的抗压强度与材料在绝对干燥状态下的抗压强度之比。例2-1 为什么说屈服点、抗拉强度和伸长率是建筑工程用钢的重要性能指标？答：屈服点s表示钢材在正常工作时承受应力不超过该值，是结构设计时取值的依据 。屈服点与抗拉强度的比值s/b 称为屈强比，反映钢材的利用率和使用中的安全可靠程度。伸长率表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重新分布，以避免结构物的破坏。 【评注】考点为三项性能指标的工程意义。注意：钢材常温下施工基本都需要加工成一定形状，则要求钢材具有一定塑性(伸长率)。但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中发生超过允许的变形值的后果。 例2-2 何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？答：冷加工强化是指在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放1520d（自然时效），或者加热到100200，并保持在2h以内（人工时效），这个过程称为时效处理。冷拉并时效处理后的钢筋，屈服点可提高20%25%, 抗拉强度也有所提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。【评注】在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采用。例3-1 现有一批砂样欲配制水泥混凝土，经筛分试验结果列于下表，试计算：筛孔尺寸 （mm）52.51.250.630.3150.16筛底存留量 （g）20258511513010025分计筛余ai （%）45172326205累积筛余Ai （%）4926497595100通过率Pi （%）969174512550级配范围要求（%）901007510050903059830010(1) 计算级配的三个参数？(1) 计算砂的细度模数？(3) 评定该砂的工程适应性？解：(1) 级配的三个参数见上表。(2) 砂的细度模数 属于中砂。(3) 该砂符合配制混凝土的级配要求，可以用于配制混凝土。【评注】根据细度模数，该砂属中砂。在级配区内画出该砂的筛分曲线。该曲线落在区 (MX=2.33.0)内，说明该砂为中砂；MX=3.13.7为粗砂 ，MX=1.62.2为细砂。例3-2 富勒理论和泰波理论在研究矿质混合料的级配方面有何不同的观点？答：富勒理论的观点：矿质混合料按照一定的比例搭配，级配曲线越接近抛物线其密实度越大，为抛物线时，具有最大的密实度。最大密度曲线公式为：P=100(d/D)0.5。泰波理论的观点：矿质混合料组配的级配曲线应在一定的范围内波动，将泰波理论公式改成了n次幂的形式：P=100(d/D)n。【评注】泰波理论是对富勒理论的扩展，对矿质混合料配合比的设计具有重要的指导意义。n的适宜范围为0.30.7。例4-1 某住宅楼的内墙使用石灰砂浆抹面，数月后墙面上出现了许多不规则的网状裂纹，同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹，试分析原因。答：引发石灰砂浆墙面出现不规则网状裂纹的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，水的大量蒸发而引起体积收缩的结果。墙面上个别部位出现凸出的放射状裂纹的原因，在于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。因其在消解、陈伏阶段未完全熟化，导致在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸气继续熟化，造成体积膨胀的结果。【评注】过火石灰的陈伏非常必要，由于过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。若未经充分陈伏，当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨胀，极易引起鼓包隆起和开裂。 例4-2 石灰不耐水，但为什么配制的石灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？答：原因1.石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成，加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以石灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。原因2.由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使其密实度大大提高，降低了孔隙率，水的侵入大为减少。因此，灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。 【评注】粘士表面存在少量的的活性氧化硅和氧化铝，可与消石灰Ca(OH)2反应，生成水硬性物质。例4-3 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？生产厂熟料矿物成分(%)C3SC2SC3AC4AF甲56171215乙42357l6答：由上表可知甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热、28d 时的强度均高于由乙厂的硅酸盐水泥，但耐腐蚀性则低于由乙厂的硅酸盐水泥。【评注】考点为硅酸盐水泥的特性。甲厂硅酸盐水泥熟料中的C3S、C3A含量均高于乙厂硅酸盐水泥熟料，而乙厂硅酸盐水泥熟料中C2S含量高于甲厂硅酸盐水泥熟料。熟料矿物成分含量不同是造成上述差异的主要原因。例4-4 何谓水泥的体积安定性？引起水泥体积安定性不良的原因是什么？安定性不良的水泥应如何处理？答：水泥的体积安定是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性。即水泥硬化浆体能保持一定的形状，具有不开裂、不变形、不溃散的性质。导致水泥安定不良的主要原因是：1.熟料中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁。这是一种最为常见，影响也最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都经过过烧，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其他成分所包裹，使其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的Ca(OH)2晶体，使体积膨胀97%以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。2.掺入石膏过多。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，也导致水泥石开裂。体积安定性不良的水泥，会发生膨胀性裂纹使水泥制品或混凝土开裂，造成结构破坏。因此体积安定性不良的水泥，应判为废品，不得在工程中使用。【评注】水泥体积安定性主要采用用雷氏法检验。试件沸煮前后雷式夹两针尖之间距离增加值的平均值不大于5.Omm时，评定水泥安定性合格。沸煮法仅能检验游离氧化钙的危害，对游离氧化镁和过量石膏往往不进行检验，而由生产厂控制含量，并低于标准规定的数量。例5-1 混凝土中，骨料级配良好的标准是什么？答：骨料级配是指骨料中不同粒径颗粒的组配情况。骨料级配良好的标准是骨料的空隙率和总表面积均较小。使用良好级配的骨料，不仅所需水泥浆量较少，经济性好，而且还可提高混凝土的和易性、密实度和强度。【评注】石子的空隙是由砂浆所填充的，砂子的空隙是由水泥浆所填充的。砂子的空隙率愈小，则填充的水泥浆量越少，达到同样和易性的混凝土混合料所需水泥量较少，因此可以节约水泥。砂粒的表面是由水泥浆所包裹的。在空隙率相同的条件下，砂粒的比表面积愈小，则所需包裹的水泥浆也就愈少，达到同样和易性的混凝土混合料的水泥用量较少。由此可见，骨料级配良好的标准应当是空隙率小，同时比表面积也较小。例5-2 为什么不宜用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土？也不宜用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土？答：采用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，只需少量的水泥或较大的水灰比就可满足强度要求，但却满足不了施工要求的良好的和易性，使施工困难，并且硬化后的耐久性较差。因而不宜用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土。用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土时，一是很难达到要求的强度，二是需采用很小的水灰比或者水泥用量很大，因而硬化后混凝土的干缩变形和徐变变形大，对混凝土结构不利，易于干裂。同时由于水泥用量大，水化放热量也大，对大体积或较大体积的工程也极为不利。此外经济上也不合理。所以不宜用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土。【评注】若用低强度水泥来配制高强度混凝土，为满足强度要求必然使水泥用量过多。这不仅不经济，而且使混凝土收缩和水化热增大，还会因必须采用很小的水灰比而造成混凝土太干，施工困难，不易捣实，使混凝土质量不能保证。若用高强度水泥来配制低强度混凝土，单从强度考虑只需用少量水泥就可满足要求，但还考虑要满足混凝土拌合物和易性及及耐久性的要求，就必须再增加水泥用量。这样往往产生超强现象，也不经济。当在实际工程中因受供应条件限制而发生这种情况时，可在高强度水泥中掺入一定量的掺合料(如粉煤灰)能使问题得到较好地解决。例5-3 混凝土的流动性如何表示？工程上如何选择流动性的大小？答：混凝土拌合物的流动性以坍落度或维勃稠度作为指标。坍落度适用于流动性较大的混凝土拌合物，维勃稠度适用于干硬的混凝土拌合物。工程中选择混凝土拌合物的坍落度，主要依据构件截面尺寸大小、配筋疏密和施工捣实方法等来确定。当截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些。反之，如构件截面尺寸较大，钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。【评注】正确选择混凝土拌合物的坍落度，对于保证混凝土的施工质量及节约水泥，有重要意义。在选择胡落度时，原则上应在不妨碍施工操作，并能保证振捣密实的条件下，尽可能采用较小的胡落度，以节约水泥并获得质量较高的混凝土。例5-4 现场浇灌混凝土时严禁施工人员随意向混凝土拌合物中加水，试从理论上分析加水对混凝土质量的危害。答：现场浇灌混凝土时，施工人员向混凝土拌合物中加水，虽然增加了用水量，提高了流动性，但是将使混凝土拌合物的粘聚性和保水性降低。特别是因水灰比(W/C)增大，增加了混凝土内部的毛细孔隙的含量，因而会降低混凝土的强度和耐久性，并增大混凝土的变形，造成质量事故。故现场浇灌混凝土时，必须严禁施工人员随意向混凝土拌合物中加水。【评注】不能单纯采用增加用水量的方式来提高混凝土的流动性。施工现场万一必须提高混凝土的流动性时，一定要在保证水灰比不变的情况下，增加水泥浆量，既同时增加水和水泥用量。例5-5 某框架结构工程现浇钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C30，施工要求混凝土拥落度为3050mm，根据施工单位历史资料统计，混凝土强度标准差=5MPa。可供应以下原材料：水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥密度为c=3.lOg/cm3，水泥的富余系数为1.08；中砂：级配合格，砂子表观密度0s=2.60g/cm3；石子：530mm碎石，级配合格，石子表观密度0g=2.65g/cm3。设计要求：(1) 混凝土计算配合比；(2) 若经试配混凝土的工作性和强度等均符合要求，无需作调整。又知现场砂子含水率为 3%，石子含水率为1%，试计算混凝土施工配合比。解：(1) 求混凝土计算配合比。1) 确定混凝土配制强度fcu,ofcu,o = fcu,k + 1.645= 30 + 1.6455 = 38.2 MPa2) 确定水灰比 (W/C) fce =cfce,k = 1.0842.5 = 45.9 MPaW/C = 框架结构混凝土梁处于干燥环境，查表得容许最大水灰比为0.65，可确定水灰比为 0.53。3) 确定用水量 mW0对于最大粒径为30mm的碎石混凝土,当所需拥落度为3050mm时，查表得：lm3混凝土的用水量可选用185kg。4) 计算水泥用量 mcomco = mW0/(W/C)= 185/0.53 = 349 kg/m3查表，对于干燥环境的钢筋混凝土，最小水泥用量为260 kg/m3，取mco=349kg/m3。5) 确定砂率S对于采用最大粒径为40mm的碎石，当水灰比为0.53时，查表得砂率值可选取32%37%，取S=35%。6) 计算砂、石用量mSO、mgo用体积法计算， 得：mso= 641kg，mgo =l192kg。7) 该混凝土计算配合比为 水泥：砂：石子 = 1：1.84：3.42，W/C=0.53。(2) 确定施工配合比现场砂子含水率为3%，石子含水率为1%，则施工配合比为水泥 mc = mco=349kg砂 ms = mso(1+3%) = 641(l+3%)=660kg石子 mg = mgo(1+1%) =1192(1+1%)=1204kg水 mw = mwo-mso3% - m1% = 185-6413% - 11921% = 154kg【评注】耐久性问题是混凝土的一个重要性能指标，所有混凝土均应考虑。因此，国家规范规定所有混凝土在配合比设计时都应当按该混凝土使用时所处的环境条件，考虑其满足耐久性要求所必要的水灰比及水泥用量值。例5-6 新拌砂浆的和易性包括哪两方面含义？如何测定？答：砂浆的和易性包括流动性和保水性两方面的含义。砂浆的流动性是指砂浆在自重或外力作用下产生流动的性质，也称稠度。流动性用砂浆稠度测定仪测定，以沉入量(mm)表示。砂浆的保水性是指新拌砂浆保持其内部水分不泌出流失的能力。砂浆的保水性用砂浆分层度仪测定，以分层度(mm)表示。【评注】影响砂浆稠度、分层度的因素很多，如胶凝材料种类及用量、用水量、砂子糙细和粒形、级配、搅拌时间等。为提高水泥砂浆的保水性，往往掺入适量的石灰膏。例6-1 何谓烧结普通砖的泛霜和石灰爆裂？它们对建筑物有何影响？答：泛霜是指粘土原料中的可溶性盐类 (如硫酸销等)，随着砖内水分蒸发而在砖表面产生的盐析现象，一般为白色粉末，常在砖表面形成絮团状斑点。泛霜的砖用于建筑物中的潮湿部位时，由于大量盐类的溶出和结晶膨胀会造成砖砌体表面粉化及剥落，内部孔隙率增大，抗冻性显著下降。当原料土中夹杂有石灰质时，烧砖时将被烧成过烧状态的石灰留在砖中，石灰有时也由掺入的内燃料(煤渣)带入。这些石灰在砖体内吸水消化时产生体积膨胀，导致砖发生胀裂破坏，这种现象称为石灰爆裂。石灰爆裂对砖砌体影响较大，轻则影响外观，重则将使砖砌体强度降低直至破坏。砖中石灰质颗粒越大，含量越多，则对砖砌体强度影响越大。【评注】GB5101-2000 规定，优等品砖不允许有泛霜现象，一等品砖不允许出现中等泛霜，合格品砖不允许出现严重泛霜。标准规定，优等品砖不允许出现最大破坏尺寸大于2mm的爆裂区域；一等品砖不允许出现最大破坏尺寸大于1Omm的爆裂区域，在2lOmm之间爆裂区域，每组砖样不得多于15处。例6-2 某烧结普通砖试验，10块砖样的抗压强度值分别为：14.2，21.1，9.5，22.9，l3.3，18.8，18.2，18.2，19.8，19.8，试确定该砖的强度等级。解：计算10块试样的抗压强度平均值：=(14.2+21.1+9.5+22.9+13.3+18.8+18.2+18.2+19.8+19.8)/10=17.6MPa计算标准差: =4.05 MPa,计算强度变异系数: 变异系数 =0.23 0.21，采用单块最小抗压强度值fmin和抗压强度平均值 评定砖的强度等级。fmin=9.5 Mpa 7.5 MPa； =17.6 MPa 10 MPa，依据GB5101-2000，该砖的强度等级为 MU10。【评注】如砖强度变异系数0.21，则强度标准值fk和强度平均值 ，评定砖的强度等级。例7-1 石油沥青的主要技术性质是什么？各用什么指标表示？答：石油沥青的主要技术性质有：(1) 粘滞性：又称粘结性。粘滞性应以绝对粘度表示，但为工程上检测方便，采用条件粘度表示。粘稠石油沥青的粘结性指标：用针入度表示；对液体石油：采用粘度表示。(2) 塑性：指在外力作用下沥青产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。石油沥青的塑性：用延度表示。(3) 温度敏感性：温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。表征沥青温度敏感性的指标：软化点、针入度指数表示沥青高温性能指标。沥青的脆点反映沥青的低温变形能力指标。(4) 大气稳定性：石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，称为大气稳定性， 也是沥青材料的耐久性。石油沥青的大气稳定性的评价指标：加热蒸发损失百分率、加热后针入度比、加热后残渣延度。【评注】应注意粘稠石油沥青技术性质表征指标的意义。针入度与粘结性成反比；延度与塑性成正比；软化点与温度敏感性成反比。针入度、延度、软化点粘稠石油沥青的三大经典指标。例7-2 某建筑工程屋面防水，需用软化点为75的石油沥青，但工地仅有软化点为95和25的两种石油沥青，问应如何掺配？解：掺配时较软石油沥青(软化点为25 )用量为：较硬石油沥青(软化点为95)用量为： 【评注】以估算的掺配比例和其邻近的比例(5%l0%)进行试配(混合熬制均匀)，测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比软化点”关系曲线，即可从曲线上确定出所要求的掺配比例。例8-1 试述采用矿物填充料对沥青进行改性的机理。答：由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青与矿粉发生交互作用，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层扩散溶剂化膜，在此膜厚度以内的沥青称为“ 结构沥青”。如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结，这样促成沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜的接触面积，因而使沥青可以获得更大的粘聚力。【评注】结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作用，而引起沥青化学组分在矿料表面的重分布。沥青可以单分子状态排列在矿物颗粒(或纤维)表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，称之为“结构沥青”。结构沥青具有较高的粘性和耐热性。例8-2 简述沥青混凝土的技术性质。答：沥青混凝土的技术性质主要有：(1) 高温稳定性：沥青混合料的高温稳定性是指在夏季高温条件下，沥青混合料承受多次重复荷载作用而不发生过大的累积塑性变形的能力。沥青混合料路面在车轮作用下受到垂直力和水平力的综合作用，能抵抗高温而不产生车辙和波浪等破坏现象的为高温稳定性符合要求。(2) 低温抗裂性：沥青混合料为弹性-粘性-塑性材料，其物理性质随温度而有很大变化。沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力，称为低温抗裂性能。(3) 耐久性：沥青混合料的耐久性是指其在修筑成路面后，在车辆荷载和大气因素(如阳光、空气和雨水等)的长期作用下，仍能基本保持原有性能的能力。(4) 抗滑性：沥青混凝土路面的抗滑能力与沥青混合料的粗糙度、级配组成、沥青用量和矿质集料的微表面性质等因素有关。 面层集料应选用质地坚硬具有棱角的碎石，通常采用玄武岩。采取适当增大集料粒径，适当减少一些沥青用量及严格控制沥青的含蜡量等措施，均可提高路面的抗滑性。(5) 施工和易性：影响沥青混合料施工和易性的因素很多，如当地气温、施工条件以及混合料性质等。单纯从混合料材料性质而言，影响施工难易性的因素有混合料的级配、沥青用量的多少，矿粉用量等。【评注】沥青混合料在路面中，承受汽车荷载的反复作用，同时还受到各种自然因素的影响。为保证安全、舒适、快速、耐久等要求，沥青混合料需满足一定的技术要求。例9-1 常用建筑塑料有哪几种？其特性和用途是什么？答：建筑上常用塑料有：(1) 聚乙烯塑料：是由聚乙烯树脂聚合而成。为白色半透明材料，具有优良的电绝缘性能和化学稳定性，但机械强度不高，质地较柔韧，不耐高温。在建筑上主要制成管子或作水箱，用于排放或储存冷水；制成薄膜用于防潮、防水工程，或作绝缘材料。(2) 聚氯乙烯塑料：是一种通用塑料，由聚氯乙烯树脂加入增塑剂填料、颜料和其他附加剂等制成各色半透明、不透明的塑料。按加入不同量的增塑剂，可制得硬质或软质制品。它的使用温度范围为：-1555，化学稳定性好，可耐酸碱盐的腐蚀，并耐磨，具有消声、减震功用，其抗弯强度大于6OMPa。(3) 酚醛塑料：酚醛树脂塑料是酚类和醛类结合而成的，有热塑性和热固性两类，具有耐热、耐湿、耐化学侵蚀和电绝缘等性能。颜色有棕色和黑色两种，但较脆，不耐撞击。在建筑工程中主要用作电木粉、玻璃钢、层压板等。(4) 聚甲基丙烯酸甲酯塑料：聚甲基丙烯酸甲酯是由丙酮、 氰化物和甲醇反应、聚合而成。在不加其他组分时制成的塑料具有高度透明性，在建筑上制成采光用的平板或瓦楞板(亦称有机玻璃)，在树脂中加入颜料、染料、稳定剂和填充料，可挤压或模塑制成表面光洁的建筑制品，用玻璃纤维增强的树脂可制成浴缸等卫生用品。【评注】常用的热塑性塑料有：聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、ABS塑料、聚甲基丙烯酸甲酯塑料等。常用的热固性塑料有：酚醛塑料、脲醛塑料、聚酯塑料、有机硅塑料等。例9-2 胶粘剂的主要组成有哪些？其作用如何？解：胶粘剂的主要组成有合成树脂、固化剂或交联剂、填料及稀释剂等。合成树脂主要起粘结作用；固化剂或交联剂主要使线型分子结合或交联成为体型的热固性的树脂或网型的弹性体(即橡胶)；填