土木工程材料重点复习资料集

土木工程材料重点复习资料集一、绪论土木工程材料是指在土木工程中所使用的各种材料的总称，是构成土木工程建筑物（构筑物）的物质基础。其种类繁多，性能各异，在工程建设中扮演着至关重要的角色。（一）土木工程材料的分类通常可按化学成分、使用功能、来源等进行分类。按化学成分可分为无机材料（如金属材料、非金属材料）、有机材料（如木材、沥青、塑料）和复合材料（如钢筋混凝土、沥青混合料）。（二）土木工程材料的重要性1.工程质量的基础：材料的性能直接影响结构的安全、适用和耐久。2.工程造价的关键：材料费用在工程总造价中占比较大，合理选择材料可有效控制成本。3.工程技术进步的推动力量：新材料的研发和应用往往带来施工技术的革新和工程结构形式的突破。4.可持续发展的要求：绿色、环保、节能、可再生材料的应用是未来工程建设的趋势。（三）学习土木工程材料的方法应注重理解材料的组成、结构与性能之间的内在联系，掌握主要技术性质的含义、检测方法及影响因素，熟悉材料的技术标准和选用原则，并关注新材料、新技术的发展动态。二、气硬性胶凝材料（一）概述胶凝材料是指能将其他材料胶结成整体，并具有一定强度的材料。气硬性胶凝材料是指只能在空气中硬化，也只能在空气中保持和发展其强度的胶凝材料，如石灰、石膏、水玻璃等。（二）石灰1.生产与品种：由含碳酸钙为主的石灰石经煅烧（分解反应）而成，主要成分为氧化钙（CaO）。根据煅烧程度和加工方法不同，有块状生石灰、生石灰粉、消石灰粉（氢氧化钙）、石灰膏等品种。2.熟化与硬化：*熟化：生石灰与水反应生成氢氧化钙的过程，放出大量热，体积膨胀。*硬化：包括干燥硬化（水分蒸发，颗粒靠拢）和碳化硬化（氢氧化钙与空气中二氧化碳反应生成碳酸钙），硬化过程缓慢，强度较低，耐水性差。3.技术性质：保水性好，可塑性好，但硬化慢、强度低、耐水性差、体积收缩大。4.应用：砌筑砂浆、抹灰砂浆、三合土、灰土、硅酸盐制品的原料，以及用作干燥剂等。（三）石膏1.生产与品种：以天然石膏或工业副产品石膏为原料，经煅烧、磨细而成。常见品种有建筑石膏（β型半水石膏）、高强石膏（α型半水石膏）等。2.水化与硬化：半水石膏与水反应生成二水石膏，放出热量，浆体逐渐失去可塑性并凝结硬化，生成的二水石膏晶体相互交织形成坚硬固体。3.技术性质：凝结硬化快，硬化后体积微膨胀（这一特性使其可用于制作精细制品），孔隙率高，表观密度小，保温隔热性能好，吸声性好，防火性好，但强度较低，耐水性和抗冻性差。4.应用：室内抹灰及粉刷，制作石膏板、石膏砌块、装饰制品等。三、水泥（一）概述水泥是一种水硬性胶凝材料，即既能在空气中硬化，又能在水中更好地硬化，并保持和发展其强度。水泥是土木工程中用量最大、使用最广泛的胶凝材料。（二）硅酸盐水泥1.定义与代号：凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%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。分两种类型，不掺混合材料的为Ⅰ型硅酸盐水泥（P·Ⅰ），掺加不超过5%混合材料的为Ⅱ型硅酸盐水泥（P·Ⅱ）。2.矿物组成及其水化特性：主要矿物组成为硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）、铝酸三钙（C₃A）和铁铝酸四钙（C₄AF）。*C₃S：水化较快，早期强度高，水化热较大。*C₂S：水化较慢，早期强度低，后期强度增长显著，水化热较小。*C₃A：水化最快，放热最多，早期强度贡献大，但对水泥石的抗硫酸盐性不利。*C₄AF：水化速度和水化热介于C₃A和C₃S之间，能改善水泥的某些性能。3.水化与凝结硬化：水泥与水混合后，各矿物成分与水发生化学反应（水化），生成水化产物（如氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙、水化铁酸钙等）并放出热量。随着水化反应的进行，浆体逐渐失去流动性（初凝）、可塑性（终凝），并逐渐产生强度（硬化）。凝结硬化过程是一个连续的、复杂的物理化学变化过程。（三）硅酸盐水泥的技术性质1.细度：指水泥颗粒的粗细程度。细度影响水泥的水化速度、早期强度、水化热及需水量。2.凝结时间：分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是指从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是指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。国家标准对初凝和终凝时间均有规定，如硅酸盐水泥初凝不得早于45分钟，终凝不得迟于6.5小时。3.体积安定性：指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。安定性不良会导致混凝土构件产生膨胀性裂缝，影响工程质量，是必须严格控制的指标。4.强度及强度等级：水泥强度是指胶砂试件在规定条件下养护后的抗压强度和抗折强度。根据3天和28天的强度值，硅酸盐水泥分为不同的强度等级。5.水化热：水泥水化过程中放出的热量。大体积混凝土工程应选用水化热较低的水泥。6.碱含量：水泥中碱（Na₂O、K₂O）的含量。当混凝土中碱含量较高且使用了活性骨料时，可能发生碱骨料反应，导致混凝土开裂。（四）掺混合材料的硅酸盐水泥为改善水泥性能、调节水泥强度等级、节约熟料、降低成本，常在硅酸盐水泥熟料中掺入一定量的混合材料，并加入适量石膏共同磨细制成。1.混合材料：分为活性混合材料（如粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等，能与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成具有胶凝性的水化产物）和非活性混合材料（如石英砂、石灰石等，主要起填充作用和调节强度等级）。2.常见品种：普通硅酸盐水泥（P·O）、矿渣硅酸盐水泥（P·S·A、P·S·B）、火山灰质硅酸盐水泥（P·P）、粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）、复合硅酸盐水泥（P·C）等。3.各品种水泥的特性与应用：不同品种的水泥由于混合材料的种类和掺量不同，其凝结硬化速度、水化热、强度发展、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等性能存在差异，应根据工程特点、使用环境和设计要求合理选用。例如，普通水泥适应性广；矿渣水泥耐热性较好，耐硫酸盐侵蚀性较强，但泌水性大；火山灰水泥抗渗性较好；粉煤灰水泥干缩性小，抗裂性较好。（五）水泥的质量检验与选用水泥进场时应查验其产品合格证、出厂检验报告，并按规定进行抽样复验（主要检验项目包括安定性、凝结时间、强度等）。选用时应考虑工程类型、工程部位、环境条件（温度、湿度、侵蚀介质等）、施工条件及经济性等因素。四、混凝土（一）概述混凝土是以胶凝材料、粗细骨料、水及其他外加剂按适当比例配合，经搅拌、成型、养护硬化而成的人造石材。具有原材料丰富、成本低、可塑性好、强度可调范围大、耐久性较好等优点，是目前用量最大的土木工程材料。（二）普通混凝土的组成材料1.水泥：混凝土中的胶凝材料，其品种和强度等级应根据混凝土的强度、耐久性和工作性等要求选择。2.细骨料（砂）：主要起填充作用，并对混凝土的工作性和强度有影响。常用天然砂（河砂、海砂、山砂），其技术要求包括颗粒级配、粗细程度（细度模数）、含泥量、泥块含量、有害物质含量等。3.粗骨料（石子）：主要起骨架作用，对混凝土的强度、变形、耐久性有重要影响。有碎石和卵石之分，技术要求包括最大粒径、颗粒级配、含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量、强度、坚固性、有害物质含量等。4.水：用于拌合水泥，形成水泥浆。水质应符合混凝土拌合用水标准，不得含有影响水泥水化和混凝土质量的有害物质。5.外加剂：为改善混凝土性能或节约水泥，在拌制混凝土时掺入的少量物质。按其主要功能可分为减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、防水剂、膨胀剂、防冻剂等。外加剂的选用应根据工程需要和混凝土性能要求，并通过试验确定最佳掺量。（三）混凝土的主要技术性质1.工作性（和易性）：指混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、捣实）并能获得均匀密实混凝土的性能。它是一项综合性能，包括流动性、黏聚性和保水性三个方面。*流动性：指混凝土拌合物在自重或外力作用下产生流动并填充模板的能力。常用坍落度或维勃稠度作为表征指标。*黏聚性：指混凝土拌合物各组成材料之间不产生分层离析现象的能力。*保水性：指混凝土拌合物在施工过程中保持水分，不致因泌水而造成水分流失的能力。*影响因素：水泥品种和用量、用水量、骨料的种类、级配和粗细程度、砂率（砂的质量占砂石总质量的百分率）、外加剂、时间和温度等。2.强度：是混凝土最重要的力学性能。*立方体抗压强度：按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期用标准试验方法测得的抗压强度，以fcu表示，单位MPa。混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值（fcu,k）来确定的，划分为若干等级。*轴心抗压强度：棱柱体试件的抗压强度，更接近混凝土结构的实际受力情况。*抗拉强度：很低，约为抗压强度的1/10~1/20，是混凝土开裂的主要原因。*影响因素：水泥强度等级与水灰比（是影响混凝土强度最主要的因素，在其他条件相同时，强度随水灰比的增大而降低）、骨料的种类与质量、养护条件（温度、湿度）、龄期、施工质量、外加剂和掺合料等。3.耐久性：指混凝土在长期使用过程中，抵抗环境因素（如碳化、化学侵蚀、冻融循环、磨损、碱骨料反应等）作用，保持其原有性能的能力。*抗渗性：抵抗压力水渗透的能力，用抗渗等级表示。主要与混凝土的密实度和孔隙结构有关。*抗冻性：在饱水状态下经受多次冻融循环而不破坏，同时强度不严重降低的性能，用抗冻等级表示。*抗侵蚀性：抵抗环境水中侵蚀性介质（如硫酸盐、镁盐、碳酸盐等）侵蚀的能力。*碳化（中性化）：混凝土中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙和水，导致混凝土碱度降低，钢筋易锈蚀。*碱骨料反应：水泥中的碱与骨料中的活性成分发生化学反应，生成膨胀性产物，导致混凝土开裂。*提高耐久性的措施：合理选择水泥品种、控制最大水灰比和最小水泥用量、选用优质骨料、掺入外加剂（如引气剂可提高抗冻性）和掺合料（如粉煤灰可改善抗渗性和抗侵蚀性）、加强施工质量控制（保证密实度）、做好表面防护等。4.变形性能：包括化学收缩、干湿变形、温度变形、荷载作用下的变形（弹性变形、塑性变形、徐变）等。过大的变形会导致混凝土开裂或影响结构功能。（四）混凝土的配合比设计混凝土配合比是指混凝土中各组成材料之间的比例关系。配合比设计的目的是在满足混凝土强度、耐久性、工作性等技术要求的前提下，经济合理地确定各材料的用量。1.设计基本要求：满足强度等级、满足工作性、满足耐久性、节约水泥、降低成本。2.设计参数：水灰比（根据强度和耐久性要求确定）、单位用水量（根据工作性和骨料特性确定）、砂率（根据工作性和骨料特性确定）。3.设计步骤：初步配合比计算、试验室配合比调整、施工配合比换算。（五）混凝土的质量控制与强度评定1.施工过程质量控制：原材料质量控制、配合比控制、搅拌过程控制、运输过程控制、浇筑过程控制、振捣密实、养护（保证适宜的温度和湿度，确保水泥充分水化）。2.强度评定：根据标准规定，通过对混凝土试块的强度试验结果进行统计分析，来评定一批混凝土的强度是否合格。（六）其他品种混凝土简介如高性能混凝土、泵送混凝土、大体积混凝土、轻骨料混凝土、纤维混凝土、防水混凝土、抗渗混凝土、抗冻混凝土、耐热混凝土、耐腐蚀混凝土等，它们具有特定的性能和适用范围。五、建筑砂浆（一）概述建筑砂浆是由胶凝材料、细骨料、水以及根据需要掺入的外加剂或掺合料按一定比例配制而成的浆体材料。按用途可分为砌筑砂浆、抹灰砂浆、装饰砂浆和特种砂浆（如防水砂浆、保温砂浆）等。（二）砌筑砂浆1.组成材料：水泥、石灰、石膏等胶凝材料，砂（细骨料），水，以及可能掺入的外加剂（如塑化剂、早强剂）或掺合料（如粉煤灰）。2.主要技术性质：*流动性（稠度）：指砂浆在自重或外力作用下流动的性能，用沉入度表示，影响施工操作和砌筑质量。*保水性：指砂浆保持水分的能力，保水性差易导致分层离析，影响水泥水化和与基层的粘结。用分层度表示。*强度：砌筑砂浆的强度等级是以边长为70.7mm的立方体试块，在标准养护条件下养护28天的抗压强度平均值来确定的。*粘结力：砂浆与基层材料之间的粘结能力，直接影响砌体的整体性和耐久性。3.配合比设计：根据砂浆强度等级、砌体材料特性、施工水平等因素进行，以达到既满足使用要求又经济合理的目的。（三）抹面砂浆抹面砂浆（抹灰砂浆）用于涂抹在建筑物或构筑物表面，起保护、装饰、找平或其他特殊作用。其主要技术要求包括和易性（流动性和保水性）、与基层的粘结力、涂抹后的平整度和光洁度等。根据功能不同，可分为底层抹灰、中层抹灰和面层抹灰，各层砂浆的组成和稠度要求有所不同。六、建筑钢材（一）概述建筑钢材是指用于土木工程中的各种钢材，主要包括钢筋、型钢、钢板、钢管等。具有强度高、塑性和韧性好、可焊性和可加工性好等优点，是现代土木工程中最重要的建筑材料之一。（二）钢材的主要化学成分及其对性能的影响主要化学成分有铁（Fe）、碳（C）及少量的硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）等元素。*碳（C）：是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，塑性