《土木工程材料》-陈正 习题及解答

第1章材料的基本性质【习题】1-1材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？答：密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量；表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量，也称体积密度；堆积密度是指散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量。测定材料密度时，应先把材料磨成细粉（粒径小于0.2mm），经干燥至恒重后用比重瓶（李氏瓶）测定其体积，然后将重量除以体积计算得到密度值。测定表观密度时，对于外形规则的材料，只需要用尺测量其体积，再称其质量，即可算得。对于不规则材料，先称取干燥材料的重量，再采用排水法测定其体积，在测定前材料表面应预先涂上蜡，以防止水分渗入材料内部而使测值不准。对于堆积密度的测定，通过已标定容积的容器测定散粒材料的体积，再称出材料重量，即可计算出堆积密度。1-2材料的孔隙率和空隙率有何区别？如何计算？答：孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。其公式表示为：P=空隙率是指散粒状材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。其公式表示为：P1-3什么是耐水材料？如何表示？答：材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性，材料的耐水性用软化系数表示，工程中通常将KR＞0.85的材料称为耐水材料。1-4影响材料吸水性的主要因素有哪些？材料含水对哪些性质有影响？影响如何？答：影响材料吸水性的主要因素有：①材料本身的性质，即材料是亲水性还是憎水性的；②材料孔隙率大小，材料孔隙率越大，吸水性越大；③材料孔隙特征，开口连通细孔吸水性大，当开孔孔隙率一定时，孔越细吸水率越大。材料含水会影响材料的表观密度、堆积密度、抗冻性、导热性和强度等。材料含水会使材料的表观密度、堆积密度、导热系数变大，而抗冻性和强度会下降。1-5简述材料的吸水性、吸湿性、抗冻性、导热性的含义及表示方法。答：材料的吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质，材料的吸水性用吸水率来表示，包括质量吸水率和体积吸水率。材料的吸湿性是指材料在潮湿的空气中吸收水分的性质，材料的吸湿性用含水率表示。材料的抗冻性是指材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，材料的抗冻性用抗冻等级表示。材料的导热性是指当材料两面存在温度差时，热量将由温度高的一侧，通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传导热量的能力，称为材料的导热性，材料的导热性用导热系数表示。1-6普通砖进行抗压强度试验，干燥状态时的破坏荷载为207KN，吸水饱和时的破坏荷载为172.5KN。若试验时砖的受压面积均为A＝11.5×12cm，问此砖用在建筑物中常与水接触的部位是否可行？答：干燥时的抗压强度f吸水饱和后的抗压强度f软化系数K=常与水接触的部位，材料的软化系数要求大于0.85，该材料的软化系数0.833<0.85，所以该材料不能满足要求。1-7一块标准尺寸为240×115×53mm的普通粘土砖，吸水饱和后重为2900g，烘干至恒重为2500g，将该砖磨细过筛再烘干后取50g，用李氏瓶测得其体积为18.5cm3。求砖的吸水率、密度、体积密度及孔隙率。答：质量吸水率W密度ρ=体积密度ρ孔隙率P=1-8用容积为10L，质量为6.20kg的标准容器，用规定的方法装入干燥砾石并刮平，称得总质量为21.30kg，然后向容器内注水至平满，使砾石吸水饱和后，称其总质量为26.70kg，将砾石取出擦干表面称得质量为17.30kg(此状态下认为开口孔饱水，饱和面干状态)，求该砾石的体积密度、堆积密度、空隙率、开口孔隙率。答：堆积密度ρV含水=(26.7V空隙=5.4-体积密度ρ空隙率P开口孔隙率P1-9当某一材料的孔隙率增大时，下表内其他性质将如何变化？孔隙率密度表观密度强度吸水率抗冻性导热性增大不变变小变小不确定不确定变小解析：材料的吸水率和抗冻性除了受孔隙率影响，还跟孔隙特征有密切关系。如果仅是因为闭口孔隙导致的孔隙率增加，吸水率和抗冻性不发生变化。1-10什么叫材料的耐久性？提高材料的耐久性有何意义？答：材料的耐久性泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地不改变其原有性质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。在设计建筑物使用材料时，必须考虑材料的耐久性问题，因为只在选用耐久性好的材料，才能保证材料的经久耐用。提高材料的耐久性，可以节约工程材料、保证建筑物长期安全、减少维修费用、延长建筑物使用寿命。第2章气硬性胶凝材料【习题】2-1何谓气硬性胶凝材料、水硬性胶凝材料？两者差异是什么？答：所谓气硬性胶凝材料，是指只能在空气中硬化并保持或继续提高其强度的胶凝材料，气硬性胶凝材料一般只适合用于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化并保持或继续提高其强度的胶凝材料，水硬性胶凝材料既适用于地上，也适用于地下或水中。2-2生石灰、熟石灰、建筑石膏的主要成分是什么？答：生石灰的主要成分是CaO；熟石灰的主要成分是为Ca（OH）2；建筑石膏的主要成分是β型的CaSO4·0.5H2O。2-3石灰浆体是如何硬化的？石灰有哪些特性？其用途如何？答：石灰浆在空气中的硬化是物理变化（干燥结晶作用）和化学反应（碳化作用）两者同时进行的过程。结晶过程是指石灰膏中的游离水分一部分蒸发掉，一部分被砌体吸收。氢氧化钙从过饱和溶液中结晶析出，晶相颗粒逐渐靠拢结合成固体，强度随之提高。碳化过程是指氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的、强度和硬度较高的碳酸钙，析出的水分逐渐蒸发。石灰具有以下特性：（1）保水性、可塑性好；（2）硬化慢、强度低；（3）体积收缩大；（4）耐水性差；（5）吸湿性强。石灰的用途：（1）拌制灰浆、砂浆；（2）拌制灰土、三合土；（3）加固含水的软土地基；（4）磨制生石灰粉；（5）生产硅酸盐制品。（6）制作碳化石灰板材。2-4石灰在使用前为什么要“过筛和陈伏”？答：生石灰中不可避免含有过火石灰及其他杂质，过火石灰因为随煅烧温度的提高和时间的延长，已分解的CaO体积收缩，CaO晶粒粗大，毛体积密度增大，质地致密，表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，因此过火石灰与水反应速度慢，熟化速度慢。当过火石灰用于工程中，其颗粒会在石灰浆硬化后才吸收水分发生水化作用，于是会产生体积膨胀引起局部鼓泡或脱落，影响工程质量。为消除这类杂质的危害，石灰在使用前应进行过筛和陈伏。2-5某建筑内墙面使用石灰砂浆，经过一段时间后发生了这些情况：（1）墙面出现了开花和麻点；（2）墙面出现了不规则的裂纹。试分析原因。答：墙面出现了开花和麻点的原因主要是石灰尚未完全熟化就用于抹面，经过一段时间后，抹灰层中的这些未熟化的石灰会吸收空气中的水分继续熟化，体积膨胀，致使抹灰层出现开花和麻点。墙面出现了不规则的裂纹主要是石灰硬化过程中体积大量收缩所致。2-6建筑石膏与高强石膏有何不同？答：建筑石膏是以β型半水硫酸钙为主要成分，是将天然二水石膏(或主要成分为二水石膏的化工石膏)加热，温度为65～75℃时，开始脱水，至107～170℃时，脱去部分结晶水而得。而高强石膏是以α型半水硫酸钙为主要成分，是将二水石膏置于蒸压釜中，在0.13MPa的水蒸汽中（124℃）加热脱水而成生α型半水石膏晶粒较β型半水石膏粗大、比表面积小，使用时拌和用水量少（石膏用量的35%～45%），硬化后有较高的密实度，所以强度较高。2-7简述建筑石膏水化、凝结与硬化的过程。建筑石膏加水后，首先溶于水，随后与水发生水化反应生成二水石膏，由于水化产物二水石膏在水中的溶解度比β型半水石膏小得多，因此，β型半水石膏的饱和溶液对于二水石膏就成了过饱和溶液，从而逐渐形成晶核，晶核达到某一临界值以后，二水石膏就结晶析出。这时溶液浓度降低，使得新的一批半水石膏又继续溶解和水化。如此循环进行，直到β型半水石膏全部消尽。随着水化的进行，析出的二水石膏胶体晶体的不断增多，水分逐渐减少，浆体开始失去可塑性，此时称为初凝。随着浆体稠度继续增加，颗粒之间的摩擦力、粘结力逐渐增大，彼此互相联结，使石膏开始产生结构强度，表现为终凝。石膏终凝后，其晶粒仍在逐渐长大、连生和互相交错，使其强度不断增长，直至完全干燥，强度停止发展，最后成为坚硬的固体。2-8建筑石膏的等级是依据什么划分的？答：根据国家标准GB9776-88的规定，建筑石膏按其凝结时间、细度、强度指标分为三级，即优等品、一等品、合格品。2-9为什么建筑石膏是一种很好的室内装饰材料，但不适用于室外？答：建筑石膏硬化后表面细腻，呈白色，是一种很好的室内装饰材料，建筑石膏加砂、缓凝剂和水拌合成石膏砂浆，用于室内抹灰，其表面光滑、细腻、洁白、美观。石膏砂浆也可作为腻子用作油漆等的打底层。建筑石膏加缓凝剂和水拌合成石膏浆体，可作为室内粉刷的涂料。由于硬化后建筑石膏的孔隙率较大，二水石膏又微溶于水，具有很强的吸湿性和吸水性，如果处在潮湿环境中，晶体间的粘结力削弱，强度显著降低，遇水则晶体溶解而引起破坏，所以石膏及制品的耐水性较差，不能用于潮湿室外环境中。2-10什么是水玻璃的模数？水玻璃的模数与水玻璃的性质有何关系？答：水玻璃分子式中SiO2和Na2O的分子比n称为水玻璃模数，即二氧化硅与氧化钠的摩尔数比，一般在1.5～3.5之间。水玻璃的模数的大小决定水玻璃的性质。n值越大，水玻璃的粘度越大，粘结能力愈强，易分解、硬化，但也难溶解，体积收缩也大。2-11水玻璃有哪些用途？答：水玻璃的用途包括：（1）配制快凝防水剂；（2）配制耐热砂浆、耐热混凝土或耐酸砂浆、耐酸混凝土；（3）涂刷建筑材料表面,可提高材料的抗渗和抗风化能力；（4）加固地基，提高地基的承载力和不透水性。

第3章水泥【习题】3-1生产硅酸盐水泥的主要原料有哪些？答：生产硅酸盐水泥的主要原料有：石灰质原料，主要提供CaO；粘土质原料，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3；还有铁矿粉作为辅助原料。3-2生产硅酸盐水泥为什么要掺入适量石膏？答：加入适量石膏是为了延缓水泥的凝结时间。若水泥中无石膏存在或掺量太少，C3A会使水泥瞬间产生凝结（闪凝）。石膏掺量过多，会引起水泥体积安定性不良。3-3试述硅酸盐水泥的主要矿物成分及其对水泥性能的影响。答：硅酸三钙水化速度快、水化热大，强度高；硅酸二钙水化速度慢、水化热少、早期强度低，后期强度高；铝酸三钙水化速度最快、水化热也最大，但强度低；铁铝酸四钙水化速较快，水化热中等、强度发展也较快，但强度较低。3-4硅酸盐水泥的主要水化产物有哪几种？水泥石的结构如何？答：硅酸盐水泥的水化产物是：水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶；氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体。水泥石的结构：凝胶体、晶体，和未水化的水泥颗粒及孔隙。3-5试述水泥细度对水泥性质的影响，怎样检验？答：（1）水泥颗粒的细度直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度、干缩及水化热等。（2）水泥颗粒越细，水化作用发展迅速充分，使凝结硬化的速度加快，早期强度越高。（3）水泥颗粒过细，容易与空气中的水分和二氧化碳发生反应，使水泥不易久存，过细的水泥硬化时产生的干缩大，且生产能耗高，使成本提高。国家标准规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度通过勃氏透气仪测定比表面积确定，要求比表面积不小于300m2/kg；而其他水泥的细度用筛析法，要求在80μm的方孔筛上的筛余不大于10%，45μm方孔筛上的筛余不大于30%。3-6造成硅酸盐水泥体积安定性不良的原因有哪几种，怎样检验？答：造成水泥体积安定性不良，一般是由熟料中所含游离氧化钙、游离氧化镁过多或掺入石膏过多等原因所造成。国家标准规定，由游离的氧化钙过多引起的水泥体积安定性不良可用雷氏法或试饼法检验。试饼法是用标准稠度的水泥净浆做成试饼，经恒沸3小时后用肉眼观察未发现裂纹，用直尺检验没有弯曲；雷氏法是用雷氏夹中的水泥浆经沸煮三小时后，测定雷氏夹指针尖端的距离。3-7试述硅酸盐水泥的强度发展规律及影响因素。答：强度发展规律为：水泥的水化和凝结硬化从颗粒表面深入到内部是有一个时间过程的，水化速度开始比较快，强度发展也比较快，以后逐渐减慢。不同水泥的强度发展不完全相同，掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥早期强度比较低，后期增长率高。3-8在下列工程中适宜选择哪些水泥品种？现浇混凝土梁、板、柱，冬季施工；高层建筑基础底板（具有大体积混凝土特性和抗渗要求）;南方受海水侵蚀钢筋混凝土工程；高炉炼铁炉基础；高强度预应力混凝土梁；地下铁道工程；冬季施工的东北某大桥的沉井基础及桥梁墩台。eq\o\ac(○,8)紧急抢修的军事工程答：①现浇混凝土梁、板、柱，冬季施工，选择硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；②高层建筑基础底板（具有大体积混凝土特性和抗渗要求），选择矿渣水泥和粉煤灰水泥③南方受海水侵蚀钢筋混凝土工程，选择矿渣水泥和火山灰水泥④高炉炼铁炉基础，选择铝酸盐水泥⑤高强度预应力混凝土梁，选择硅酸盐水泥和普通水泥⑥地下铁道工程，选择普通硅酸盐水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥⑦冬季施工东北某大桥的沉井基础及桥梁墩台，选择矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥⑧紧急抢修的军事工程，选择铝酸盐水泥3-9某工程用一批普通水泥，强度检验结果如下，试评定该批水泥的标号。龄期抗压强度/MPa抗压破坏荷载/KN3d4.05，4.20，4.1041.0，42.5，46.0，45.5，43.0，43.528d7.00，7.50，8.50112，115，114，113，108，115解：根据GBT

17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)（1）该水泥3d的平均抗折强度（4.05+4.20+4.10）/3=4.12MPa平均值的±10%的范围为：上限：4.12×（1＋10%）＝4.53MPa下限：4.12×（1－10%）＝3.71MPa显然，三个试件抗折强度值中无超过平均值±10%的，因此3d抗折强度应取三个试件抗折强度值的算术平均值，即：4.12MPa（2）该水泥3d的抗压强度根据公式fc0.625×41.0=25.63MPa0.625×42.5=26.56MPa0.625×46.0=28.75MPa0.625×45.5=28.44MPa0.625×43.0=26.88MPa0.625×43.5=27.19MPa（25.63+26.56+28.75+28.44+26.88+27.19）/6=27.24MPa平均值的±10%的范围为：上限：27.24×（1＋10%）＝29.96MPa下限：27.24×（1－10%）＝24.52MPa显然，三个试件抗压强度中无超过平均值±10%的，因此3d抗压强度应取六个试件抗压强度值的算术平均值，即：27.24MPa（3）该水泥28d的平均抗折强度（7.00+7.50+8.50）/3=7.67MPa平均值的±10%的范围为：上限：7.67×（1＋10%）＝8.44MPa下限：7.67×（1－10%）＝6.90MPa当三个强度值中有超出平均值士10%时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。（7.00+7.50）/2=7.25MPa因此28d抗折强度应取两个试件抗折强度值的算术平均值，即：7.25MPa（4）该水泥28d的抗压强度根据公式fc0.625×112=70MPa0.625×115=71.88MPa0.625×114=71.25MPa0.625×113=70.63MPa0.625×108=67.50MPa0.625×115=71.88MPa（70+71.88+71.25+70.63+67.50+71.88）/6=70.52MPa平均值的±10%的范围为：上限：70.52×（1＋10%）＝77.57MPa下限：70.52×（1－10%）＝63.47MPa显然，三个试件抗压强度中无超过平均值±10%的，因此28d抗压强度应取六个试件抗压强度值的算术平均值，即：70.52MPa（5）判定根据测定计算结果，该水泥3d的抗折强度和抗压强度分别为4.12MPa和27.24MPa，该水泥28d的抗折强度和抗压强度分别为7.25MPa和70.52MPa，所以该水泥强度等级为52.5。3-10现有甲、乙两个水泥厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表所示：生产厂C3S（%）C2S（%）C3A（%）C4AF（%）甲54201016乙4528720若用上述熟料分别制成硅酸盐水泥，试估计这两个厂生产的水泥性能有何差异？为什么？答：强度方面：由于水化硅酸钙是影响强度的主要因素，而C3S的含量甲>乙，C3S和C2S的总量上甲<乙，因而甲的早期强度高于乙，但后期强度乙有可能和甲相当甚至超过甲；水化热方面：水泥熟料中放热量主要受C3S和C3A的影响，而C3S和C3A的含量，甲>乙，因而甲的水化热高于乙；凝结时间方面：影响凝结时间的主要是C3S和C3A的含量，而C3S和C3A的含量，甲>乙，因而甲的凝结速度高于乙；抗侵蚀能力方面：影响水泥抗侵蚀能力的是水化产物Ca(OH)2和C3AH6的含量，这主要受C3S和C3A的含量的影响，C3S和C3A的含量，甲>乙，因而甲的抗侵蚀能力低于乙。3-11硅酸盐水泥石腐蚀的类型主要有哪几种？产生腐蚀的主要原因是什么？防止腐蚀的措施有哪些？答：硅酸盐水泥石腐蚀的类型有：软水侵蚀（溶出性侵蚀）：软水能使水化产物中的Ca(OH)2溶解，并促使水泥石中其它水化产物发生分解；盐类腐蚀：硫酸盐先与水泥石结构中的Ca(OH)2起置换反应生产硫酸钙，硫酸钙再与水化铝酸钙反应生成钙钒石，发生体积膨胀；镁盐与水泥石中的Ca(OH)2反应生成松软无胶凝能力的Mg(OH)2；酸类腐蚀：CO2与水泥石中的Ca(OH)2反应生成CaCO3，再与含碳酸的水反应生成易溶于水的碳酸氢钙，硫酸或盐酸能与水泥石中的Ca(OH)2反应；强碱腐蚀：铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱也会产生破坏。腐蚀的防止措施：①根据工程所处的环境，选择合适的水泥品种；②提高水泥石的密实程度；③表面防护处理。3-12试说明下列原因：（1）生产硅酸盐水泥必须掺入适量石膏；（2）水泥出厂前严格控制水泥熟料中的MgO和SO3；（3）测定凝结时间时，应采用标准稠度的水泥净浆。（1）生产硅酸盐水泥必须掺入适量石膏；答：由于硅酸盐水泥熟料的重要组成之一——铝酸三钙在纯水中反应非常快，会发生“闪凝”现象，影响水泥的正常使用，而加入石膏后，由于石膏优先与铝酸三钙反应生成钙矾石，从而阻止了“闪凝”的发生，因此加入石膏可以缓凝，保证水泥的正常使用。但若石膏掺量过少，缓凝效果不明显；而石膏过量时，将造成水泥体积安定性不良，因此掺入必须适量。（2）水泥出厂前严格控制水泥熟料中的MgO和SO3；答：反映水泥硬化后体积变化均匀性的物理性质指标。水泥水化硬化过程往往伴随体积变化。如果这种变化是熟料矿物水化过程发生的均匀的体积变化，或伴随水泥石凝结硬化过程中进行，则对建筑物质量没有什么影响。如果在水泥混凝土硬化后由于水泥中某些有害成分的作用，在水泥石内部产生了剧烈的不均匀体积变化，就会在建筑物内产生破坏应力而导致建筑物质量下降，甚至会使建筑物开裂与崩塌。引起水泥体积安定性不良的主要因素有水泥中SO3含量过高，水泥熟料中的MgO含量过高，水泥熟料中的游离CaO含量过高。（3）测定凝结时间时，应采用标准稠度的水泥净浆。答：水泥凝结时间与水泥浆的水灰比有关。例如，用水量过多，水泥水化速度虽然加快，但水泥颗粒间距加大，凝结时间反而延长；用水量的多少对水泥的性质影响很大，故测定凝结时间时必须测试标准稠度用水量，这样的测定结果才有可比性。3-13什么是活性混合材料和非活性混合材料？掺入硅酸盐水泥中能起到什么作用？答：活性混合材料中有一定的活性组分，常温下能与水泥熟料水化时析出Ca(OH)2或在硫酸钙的作用下生成具有胶凝性质的稳定化合物。非活性混合材料与水泥矿物成分不起化学反应或化学反应很弱，在水泥石中主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要调节水泥强度等级，增加产量，降低水化热等。3-14为什么掺较多活性混合材的硅酸盐水泥早期强度比较低，后期强度发展比较快，长期强度甚至超过同标号的硅酸盐水泥？答：掺较多活性混合材的硅酸盐水泥中水泥熟料含量比较少，加水拌和后，熟料先水化，水化后析出的Ca(OH)2作为碱性激化剂激化活性混合材料水化，生成水化硅酸钙和水化硫铝酸钙等水化产物。水化过程分两步进行，早起强度较低而后期强度发展较快。3-15与普通水泥相比较，矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥在性能上有哪些不同，并分析这四种水泥的适用和禁用范围。答：矿渣水泥保水性差、泌水性大。在施工中由于泌水而形成毛细管通道及水囊，水分的蒸发又易引起干缩，影响混凝土的抗渗性、抗冻性及耐磨性，适用于温度较高和软水、海水、硫酸盐腐蚀的环境中；火山灰质水泥特点是易吸水，易反应。在潮湿条件下养护可以形成较多的水化产物，水泥石结构比较致密，从而具有较高的抗渗性和耐久性。如在干燥环境中，所吸收的水分会蒸发，体积收缩，产生裂缝，因而不宜