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及其制品的总称。它是一切土木工程的物质基础，材料的性能直接影响到工程的质量、成本、寿命以及功能等方面。

（一）土木工程材料的分类1.按化学成分分类无机材料金属材料：如钢铁、铝合金等，具有强度高、韧性好等特点，广泛应用于建筑结构中。非金属材料：包括天然石材（如大理石、花岗岩）、陶瓷、玻璃、水泥、石灰、石膏等。天然石材硬度高、耐久性好；水泥是混凝土和砂浆的胶凝材料，在土木工程中不可或缺。有机材料植物材料：如木材，质轻、强度较高、加工方便，但易腐朽、易燃。合成高分子材料：像塑料、橡胶、纤维等。塑料具有质轻、耐腐蚀等优点，可用于给排水管道等；橡胶用于防水卷材等；纤维增强塑料（玻璃钢）可用于建筑结构部件等。复合材料由两种或两种以上不同性质的材料组合而成。如钢筋混凝土，由钢筋和混凝土两种材料组成，发挥了钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度，大大提高了结构的承载能力。2.按材料的功能分类结构材料：主要承受各种荷载作用，如钢材、混凝土、木材等，用于建筑结构的梁、板、柱等构件。墙体材料：用于建筑物的墙体，如砖、砌块、墙板等，起到围护和分隔空间的作用。屋面材料：如瓦、卷材等，用于屋面防水和保温隔热。地面材料：包括地砖、木地板等，满足地面的使用功能和装饰要求。保温隔热材料：如聚苯板、岩棉板等，减少建筑物的热量传递，起到保温隔热节能的作用。防水材料：如防水卷材、防水涂料等，防止建筑物渗漏。

（二）土木工程材料的基本性质1.物理性质密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量，反映了材料的物质组成。表观密度：材料在自然状态下单位体积的质量，包括材料内部的孔隙。堆积密度：散粒材料在堆积状态下单位体积的质量，如砂、石的堆积密度。孔隙率：材料中孔隙体积占总体积的比例，孔隙率影响材料的强度、吸水性、保温隔热性等。吸水率：材料吸收水分的能力，分为质量吸水率和体积吸水率。吸水率大的材料，如多孔砖，会影响其保温性能和耐久性。2.力学性质强度：材料抵抗破坏的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。不同材料的强度特点不同，如混凝土抗压强度高，而钢材抗拉强度高。弹性模量：材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，反映材料抵抗弹性变形的能力。泊松比：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。硬度：材料抵抗硬物压入其表面的能力。耐磨性：材料抵抗磨损的能力，与材料的硬度、强度等有关。3.耐久性材料在长期使用过程中，抵抗环境介质作用并保持其原有性能的能力。耐久性包括抗渗性、抗冻性、耐化学腐蚀性、抗碳化性等。例如，处于潮湿环境的混凝土结构需要考虑抗渗性，寒冷地区的混凝土构件要重视抗冻性。

二、胶凝材料（一）气硬性胶凝材料1.石灰原料及生产：以碳酸钙为主要成分的石灰石等原料，经高温煅烧生成生石灰（CaO），再经消化得到熟石灰（Ca(OH)₂）。熟石灰的性质可塑性和保水性好：可用于配制石灰砂浆、石灰乳等，石灰砂浆可用于砌筑普通砖墙。硬化缓慢：石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由氢氧化钙结晶和碳化两个过程完成的。强度较低：硬化后的石灰强度不高，通常用于次要结构或非承重部位。耐水性差：受潮后石灰会溶解，强度降低，不宜用于潮湿环境。2.石膏原料及生产：主要原料是天然二水石膏（CaSO₄·2H₂O），经加热煅烧可得到建筑石膏（β型半水石膏）等。建筑石膏的性质凝结硬化快：加水后几分钟即可初凝，半小时左右终凝，便于施工。硬化后孔隙率高：具有轻质、保温隔热、吸音等性能，可用于室内隔墙、吊顶等。防火性能好：遇火时，石膏中的结晶水蒸发吸收热量，且生成的无水硫酸钙是良好的绝热体，能阻止火势蔓延。耐水性和抗冻性差：吸水后强度显著降低，不宜用于潮湿和冻融环境。

（二）水硬性胶凝材料--水泥1.水泥的定义和分类水泥是一种粉末状水硬性无机胶凝材料。按其主要水硬性矿物分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。常用的是硅酸盐水泥。2.硅酸盐水泥的组成和生产组成：主要由硅酸三钙（3CaO·SiO₂）、硅酸二钙（2CaO·SiO₂）、铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）和铁铝酸四钙（4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃）等矿物组成。生产：以石灰石、黏土等为原料，经破碎、配料、粉磨制成生料，再煅烧成熟料，加入适量石膏共同磨细而成。3.硅酸盐水泥的技术性质细度：水泥颗粒越细，水化反应速度越快，早期强度越高，但在空气中硬化时收缩性较大。凝结时间初凝时间：从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间，不得早于45min。终凝时间：从水泥加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间，硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于6.5h。安定性：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。用沸煮法检验，必须合格。强度：根据规定龄期的抗压强度和抗折强度划分强度等级。如42.5、52.5等强度等级，强度等级越高，强度越高。4.水泥的水化和凝结硬化水化：水泥与水发生化学反应，生成水化产物的过程。如硅酸三钙水化生成水化硅酸钙和氢氧化钙等。凝结硬化：水泥加水拌合后形成具有可塑性的水泥浆，随着水化反应的进行，水泥浆逐渐失去可塑性，转变为具有一定强度的水泥石，这个过程称为凝结硬化。5.水泥的特性及应用特性：早期强度高、抗冻性好、耐磨性好、水化热大、耐腐蚀性差等。应用：适用于一般建筑工程中的地上结构、不受侵蚀作用的地下结构和早期强度要求高的工程，如高层建筑的基础、桥梁的墩台等。但不适用于大体积混凝土工程，因为水化热大易产生温度裂缝；也不适用于有硫酸盐侵蚀的环境。

6.水泥的验收与储存验收：检查水泥的品种、强度等级、包装日期等是否符合要求，同时检查其安定性、强度等指标是否合格。储存：水泥应储存于干燥、通风的仓库内，防止受潮。袋装水泥堆放高度不宜超过10袋，散装水泥应采用专用的储存罐储存，储存期一般不宜超过3个月，超过3个月的水泥应重新检验，按其实际强度使用。

三、混凝土（一）混凝土的定义和分类混凝土是由胶凝材料、粗细骨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。按胶凝材料不同可分为水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等；按表观密度分为重混凝土（表观密度大于2600kg/m³）、普通混凝土（表观密度为20002600kg/m³）、轻混凝土（表观密度小于2000kg/m³）；按用途分为结构混凝土、防水混凝土、耐热混凝土等。

（二）普通混凝土的组成材料1.水泥应根据工程特点、所处环境等选择合适品种和强度等级的水泥。如一般建筑工程常用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；大体积混凝土工程宜用中低热的水泥，如矿渣硅酸盐水泥等。2.粗细骨料细骨料：一般采用天然砂，按粒径分为粗砂、中砂和细砂。砂的颗粒级配和粗细程度会影响混凝土的工作性和强度。级配良好的砂空隙率小，可节约水泥。粗骨料：常用碎石或卵石。碎石表面粗糙，与水泥石粘结力强，但空隙率较大；卵石表面光滑，空隙率小，但与水泥石粘结力相对较弱。粗骨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.水应采用清洁的饮用水，不得含有影响水泥正常凝结硬化的有害物质。4.外加剂减水剂：能在保持混凝土工作性不变的情况下，减少用水量，提高混凝土强度，或在保持强度不变时，增大混凝土的流动性。如高效减水剂可显著提高混凝土的性能。早强剂：加速混凝土早期强度发展，可缩短养护时间，提高模板周转率，适用于冬季施工或紧急抢修工程。引气剂：引入微小气泡，改善混凝土的工作性和抗冻性等，适用于有抗冻要求的混凝土工程。

（三）混凝土的技术性质1.工作性流动性：混凝土拌合物在自重或机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。用坍落度或维勃稠度表示。坍落度适用于塑性和流动性混凝土，维勃稠度适用于干硬性混凝土。黏聚性：混凝土拌合物在施工过程中，各组成材料之间有一定的黏聚力，不致产生分层离析现象的性能。保水性：混凝土拌合物在施工过程中，保持水分不泌出的能力。良好的工作性有利于混凝土的施工操作和保证工程质量。2.强度立方体抗压强度：以边长为150mm的立方体试件，在标准养护条件（温度20℃±2℃，相对湿度95%以上）下养护28d，测得的抗压强度值作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用fcu,k表示。强度等级：混凝土按立方体抗压强度标准值划分为多个强度等级，如C15、C20、C25、C30等。强度等级越高，混凝土的抗压强度越高。影响混凝土强度的因素水泥强度等级和水灰比：水泥强度等级越高，混凝土强度越高；在一定范围内，水灰比越小，混凝土强度越高。骨料的质量和级配：优质骨料可提高混凝土强度，良好的级配有利于混凝土性能的发挥。养护条件：温度越高、湿度越大，养护时间越长，混凝土强度发展越好。施工工艺：搅拌均匀、振捣密实可提高混凝土强度。3.耐久性抗渗性：混凝土抵抗压力水渗透的能力，用抗渗等级表示，如P6、P8等。抗渗性好的混凝土可防止地下水、压力水的渗漏，保证工程的耐久性。抗冻性：混凝土在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性能，用抗冻等级表示，如F100、F200等。抗冻性对于寒冷地区的混凝土工程至关重要。碳化：混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙和水的过程。碳化会使混凝土碱度降低，钢筋易锈蚀，同时可能导致混凝土收缩产生裂缝，影响耐久性。碱骨料反应：混凝土中的碱与骨料中的活性成分发生化学反应，使混凝土产生膨胀、开裂甚至破坏的现象。预防碱骨料反应需控制水泥含碱量、选用非活性骨料等。

（四）混凝土配合比设计1.设计步骤确定设计要求的混凝土强度等级和耐久性指标：如强度等级C30，抗渗等级P6等。计算初步配合比确定水灰比：根据混凝土强度公式和耐久性要求计算水灰比。确定用水量：根据混凝土的工作性要求，参考经验数据确定用水量。确定水泥用量：由水灰比和用水量计算水泥用量。确定砂率：根据粗、细骨料的品种、规格及混凝土的工作性要求确定砂率。计算粗、细骨料用量：可采用体积法或质量法计算。2.试配、调整与确定设计配合比试配：按初步配合比进行试拌，检查工作性是否满足要求，如不满足，调整配合比。调整：根据试配结果，调整水灰比、砂率等，直至工作性满足要求。强度检验：制作试件，在标准养护条件下养护28d，测定抗压强度，根据强度结果调整配合比，确定满足设计要求的混凝土配合比。

四、建筑钢材（一）钢材的分类和牌号表示方法1.分类按化学成分分类碳素钢：含碳量小于2%，根据含碳量不同分为低碳钢（含碳量小于0.3%）、中碳钢（含碳量0.3%0.6%）、高碳钢（含碳量大于0.6%）。合金钢：在碳素钢基础上加入合金元素，按合金元素总含量分为低合金钢（合金元素总含量小于5%）、中合金钢（合金元素总含量5%10%）、高合金钢（合金元素总含量大于10%）。按主要质量等级分类普通钢：杂质含量较多，质量和性能相对较差。优质钢：杂质含量较少，质量和性能较好。高级优质钢：杂质含量更少，质量和性能更优，在钢号后加"A"表示。2.牌号表示方法碳素结构钢：由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号等组成。如Q235B·F，表示屈服强度为235MPa的B级沸腾钢。优质碳素结构钢：以两位数字表示平均含碳量的万分之几。如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。低合金高强度结构钢：由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号等组成。如Q345C，表示屈服强度为345MPa的C级钢。

（二）钢材的主要性能1.力学性能抗拉性能：是钢材最主要的力学性能，包括屈服强度、抗拉强度和伸长率。屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据；抗拉强度与屈服强度之比称为强屈比，强屈比越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高；伸长率表示钢材的塑性变形能力，伸长率越大，钢材的塑性越好。冲击韧性：钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力，用冲击吸收功表示。冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态、温度等有关。在低温下，钢材的冲击韧性会显著降低，可能发生脆性破坏。硬度：钢材抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度与强度有一定的关系，通过硬度测试可间接估计钢材的强度。耐疲劳性：钢材在交变应力作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂的现象称为疲劳破坏。钢材的耐疲劳性用疲劳极限表