土木工程材料復(fù)習(xí)資料?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種材料的總稱，它是一切土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。（一）分類1.按化學(xué)成分分類無機(jī)材料金屬材料：如鋼鐵、鋁合金等。鋼鐵具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中，如鋼梁、鋼柱等。鋁合金則具有質(zhì)量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，常用于建筑門窗、幕墻等。非金屬材料：包括天然石材（如大理石、花崗巖）、陶瓷、玻璃、膠凝材料（如水泥）、砂漿、混凝土等。天然石材質(zhì)地堅(jiān)硬、美觀，常用于建筑裝飾；陶瓷可用于衛(wèi)生潔具等；玻璃在建筑采光、裝飾等方面應(yīng)用廣泛；水泥是混凝土的重要膠凝材料，砂漿用于砌墻等。有機(jī)材料植物材料：如木材，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度較高、加工方便等特點(diǎn)，常用于建筑木結(jié)構(gòu)，如木屋架、木門窗等。瀝青材料：包括石油瀝青和煤瀝青，常用于道路路面、防水工程等。石油瀝青具有良好的粘結(jié)性、塑性和防水性。合成高分子材料：如塑料、橡膠、纖維等。塑料可用于給排水管道、建筑裝修材料等；橡膠用于密封材料、防水卷材等；纖維增強(qiáng)塑料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，可用于建筑結(jié)構(gòu)部件。復(fù)合材料有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料：如玻璃鋼，它是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料制成的，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可用于建筑采光罩、通風(fēng)管道等。金屬非金屬復(fù)合材料：如鋼筋混凝土，由鋼筋和混凝土兩種材料組成，利用了鋼筋的高強(qiáng)度和混凝土的耐久性，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。2.按使用功能分類結(jié)構(gòu)材料：主要承受各種荷載作用，如鋼材、木材、混凝土等，用于建造房屋的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。墻體材料：用于建筑物的墻體，如磚、砌塊、墻板等。磚和砌塊是傳統(tǒng)的墻體材料，墻板則具有輕質(zhì)、保溫隔熱等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代建筑中常用的墻體材料。屋面材料：用于建筑物的屋面防水和保溫隔熱，如瓦、卷材等。瓦有傳統(tǒng)的黏土瓦、琉璃瓦，也有新型的彩鋼板瓦等；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、地磚、地毯等，用于建筑物的地面裝飾和保護(hù)。木地板給人溫暖、舒適的感覺；地磚具有耐磨、易清潔等特點(diǎn)；地毯則起到隔音、裝飾的作用。裝飾材料：用于建筑物室內(nèi)外裝飾，如涂料、壁紙、裝飾石材、陶瓷面磚等。涂料可改變建筑物的外觀顏色和質(zhì)感；壁紙圖案豐富，能營造不同的室內(nèi)氛圍；裝飾石材和陶瓷面磚用于墻面和地面裝飾，美觀大方。防水材料：防止建筑物滲漏，如防水卷材、防水涂料、密封材料等。防水卷材鋪設(shè)在屋面、地下室等部位；防水涂料可涂刷在基層表面形成防水膜；密封材料用于建筑縫隙的密封，防止雨水、空氣等滲透。（二）作用1.滿足建筑功能要求結(jié)構(gòu)材料要具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以承受建筑物的各種荷載，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。例如，高層建筑的框架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼材作為梁、柱，能有效承受豎向和水平荷載。墻體材料要具有保溫隔熱、隔音、防火等性能，保證室內(nèi)的舒適度和安全性。如加氣混凝土砌塊墻體，其保溫隔熱性能良好，可減少建筑物的能耗。屋面材料要防水、保溫隔熱，防止雨水滲漏和熱量傳遞。優(yōu)質(zhì)的防水卷材和保溫隔熱屋面材料能延長建筑物的使用壽命，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。2.影響建筑的經(jīng)濟(jì)性合理選用土木工程材料可以降低工程造價。例如，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，選用價格合理的地方材料，如當(dāng)?shù)氐纳笆茸鳛榛炷恋募希蓽p少運(yùn)輸成本。材料的耐久性也影響建筑的經(jīng)濟(jì)性。耐久性好的材料，使用壽命長，維修費(fèi)用低。如采用不銹鋼管材用于建筑給排水系統(tǒng)，可減少因腐蝕而更換管材的費(fèi)用。3.影響建筑的美觀性裝飾材料直接影響建筑物的外觀。精美的裝飾石材、多彩的涂料、獨(dú)特的壁紙等能賦予建筑物獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格和美感，提升建筑的整體形象。材料的質(zhì)感和色彩搭配也對建筑美觀起著重要作用。例如，光滑的大理石墻面與粗糙的文化石墻面搭配，可營造出豐富的視覺效果。二、水泥（一）定義與分類水泥是一種粉狀水硬性無機(jī)膠凝材料。加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，能在空氣中硬化或者在水中更好地硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。1.按用途及性能分類通用水泥：用于一般土木工程的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥。專用水泥：專門用途的水泥，如中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、道路硅酸鹽水泥等。中熱硅酸鹽水泥水化熱低，適用于大體積混凝土工程；道路硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度高，耐磨性好，用于道路工程。特性水泥：某種性能比較突出的水泥，如快硬硅酸鹽水泥、白色硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥等。快硬硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化快，早期強(qiáng)度高；白色硅酸鹽水泥可用于配制彩色水泥漿、彩色混凝土等，用于建筑裝飾工程。2.按主要水硬性物質(zhì)名稱分類硅酸鹽水泥：以硅酸鈣為主要成分的水泥。鋁酸鹽水泥：以鋁酸鈣為主要成分的水泥。硫鋁酸鹽水泥：以無水硫鋁酸鈣為主要成分的水泥。（二）硅酸鹽水泥1.定義與代號凡由硅酸鹽水泥熟料、0～5%的石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。代號為P·Ⅰ、P·Ⅱ。2.生產(chǎn)原料及生產(chǎn)過程原料：主要原料為石灰石、黏土和鐵礦石。石灰石提供鈣元素，黏土提供硅、鋁、鐵等元素，鐵礦石提供鐵元素。生產(chǎn)過程：包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個階段。將原料按一定比例配合，磨制成生料；生料在水泥窯中煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料；水泥熟料加入適量石膏，共同磨細(xì)，制成硅酸鹽水泥。3.技術(shù)性質(zhì)細(xì)度：水泥顆粒越細(xì)，水化反應(yīng)速度越快，早期強(qiáng)度越高，但水泥的需水量增大，硬化時收縮也較大。通常采用篩析法或比表面積法來測定水泥的細(xì)度。凝結(jié)時間：初凝時間不宜過早，以便有足夠的時間進(jìn)行攪拌、運(yùn)輸和澆筑；終凝時間不宜過遲，以免影響施工進(jìn)度。硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于6.5h。安定性：水泥的安定性是指水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻性。安定性不良會導(dǎo)致水泥制品產(chǎn)生膨脹性裂縫，影響工程質(zhì)量。用沸煮法或壓蒸法來檢驗(yàn)水泥的安定性。強(qiáng)度：水泥強(qiáng)度是評定水泥質(zhì)量的重要指標(biāo)。硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個等級。其中，帶"R"的為早強(qiáng)型水泥，其3d強(qiáng)度較高。4.水化與凝結(jié)硬化水化：硅酸鹽水泥加水后，水泥熟料中的礦物成分與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅酸三鈣（$C_3S$）水化生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣；硅酸二鈣（$C_2S$）水化生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣；鋁酸三鈣（$C_3A$）水化迅速，生成水化鋁酸鈣；鐵鋁酸四鈣（$C_4AF$）水化生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣。凝結(jié)硬化：水泥的水化反應(yīng)是一個從水泥顆粒表面逐漸深入內(nèi)部的過程。隨著水化產(chǎn)物的不斷生成，水泥漿體逐漸失去可塑性，開始凝結(jié)。隨后，水化產(chǎn)物進(jìn)一步填充孔隙，晶體逐漸長大，水泥漿體強(qiáng)度不斷提高，進(jìn)入硬化階段。（三）其他通用水泥1.普通硅酸鹽水泥定義與代號：由硅酸鹽水泥熟料、6%～20%的混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥。代號為P·O。性能特點(diǎn)：與硅酸鹽水泥相比，普通硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度較高，抗凍性較好，水化熱較大，耐腐蝕性稍差。它適用于一般土木工程中的混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，受凍融作用及干濕交替作用的混凝土工程。2.礦渣硅酸鹽水泥定義與代號：由硅酸鹽水泥熟料、20%～70%的粒化高爐礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥。代號為P·S。性能特點(diǎn)：礦渣水泥早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長較快。水化熱較低，耐熱性較好，耐腐蝕性較強(qiáng)，但抗凍性較差，泌水性較大。適用于大體積混凝土工程、高溫車間的建筑、有抗硫酸鹽侵蝕要求的工程等。3.火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥定義與代號：由硅酸鹽水泥熟料、20%～50%的火山灰質(zhì)混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。代號為P·P。性能特點(diǎn)：火山灰水泥早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長較快。水化熱較低，抗?jié)B性較好，耐腐蝕性較強(qiáng)，但干縮性較大，抗凍性較差。適用于地下、水下工程，大體積混凝土工程，有抗?jié)B要求的混凝土工程等。4.粉煤灰硅酸鹽水泥定義與代號：由硅酸鹽水泥熟料、20%～40%的粉煤灰、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為粉煤灰硅酸鹽水泥。代號為P·F。性能特點(diǎn)：粉煤灰水泥早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長較快。水化熱較低，抗裂性較好，耐腐蝕性較強(qiáng)，但抗凍性較差，干縮性較小。適用于大體積混凝土工程、水工混凝土工程、有抗裂要求的混凝土工程等。（四）水泥的選用1.根據(jù)工程特點(diǎn)選用對于大體積混凝土工程，如大壩、大型基礎(chǔ)等，應(yīng)選用水化熱低的水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥等，以防止混凝土內(nèi)部溫度過高產(chǎn)生裂縫。對于有抗凍要求的混凝土工程，如北方地區(qū)的冬季施工混凝土、水工混凝土等，應(yīng)選用抗凍性好的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥等。對于有抗?jié)B要求的混凝土工程，如地下室、水池等，應(yīng)選用抗?jié)B性好的水泥，如火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥等。2.根據(jù)環(huán)境條件選用在干燥環(huán)境中的混凝土工程，可選用普通硅酸鹽水泥。在潮濕環(huán)境或水中的混凝土工程，宜選用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥等耐水性較好的水泥。在高溫環(huán)境下的混凝土工程，可選用礦渣硅酸鹽水泥，因其耐熱性較好。在有硫酸鹽侵蝕的環(huán)境中，應(yīng)選用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥等具有抗硫酸鹽侵蝕性能的水泥。三、混凝土（一）定義與分類混凝土是由膠凝材料、粗細(xì)集料與水按一定比例配制，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得的一種人造石材。1.按膠凝材料分類水泥混凝土：以水泥作為膠凝材料，是最常用的混凝土類型。石膏混凝土：以石膏為膠凝材料，具有凝結(jié)硬化快、孔隙率大、保溫隔熱性能好等特點(diǎn)，常用于室內(nèi)隔墻、保溫層等。水玻璃混凝土：以水玻璃為膠凝材料，具有耐酸、耐熱性能好等特點(diǎn)，常用于化工防腐蝕工程、高溫車間等。2.按表觀密度分類重混凝土：表觀密度大于2600kg/$m^3$，如采用重晶石、鐵礦石等作為集料配制的混凝土，具有防射線的功能，常用于核工程等。普通混凝土：表觀密度為2000～2600kg/$m^3$，是土木工程中最常用的混凝土，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、道路等工程。輕混凝土：表觀密度小于2000kg/$m^3$，如加氣混凝土、陶粒混凝土等。加氣混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好等特點(diǎn)，常用于非承重墻體；陶粒混凝土可用于保溫隔熱混凝土結(jié)構(gòu)等。3.按使用功能分類結(jié)構(gòu)混凝土：用于建筑結(jié)構(gòu)，承受荷載作用，如梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)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。可通過調(diào)整配合比或添加外加劑等方法提高其防水性能。耐熱混凝土：能承受高溫作用，用于高溫車間、窯爐基礎(chǔ)等工程。耐酸混凝土：具有耐酸性能，用于化工、冶金等有酸性介質(zhì)侵蝕的工程。（二）普通混凝土的組成材料1.水泥水泥是混凝土的膠凝材料，其品種和強(qiáng)度等級應(yīng)根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級、耐久性要求及施工條件等因素合理選擇。如前所述，不同品種的水泥對混凝土的性能有不同影響。2.集料細(xì)集料：通常指粒徑小于4.75mm的砂。砂按其產(chǎn)源可分為天然砂（河砂、海砂、山砂）和人工砂。河砂顆粒圓滑，質(zhì)地堅(jiān)硬，是配制混凝土常用的細(xì)集料。砂的粗細(xì)程度用細(xì)度模數(shù)表示，細(xì)度模數(shù)越大，砂越粗。砂的顆粒級配反映了砂中不同粒徑顆粒的搭配情況，良好的顆粒級配可使混凝土在水泥用量較少的情況下達(dá)到較好的工作性和強(qiáng)度。粗集料：粒徑大于4.75mm的集料。常用的粗集料有碎石和卵石。碎石表面粗糙，與水泥石的粘結(jié)力強(qiáng)，但孔隙率較大；卵石表面光滑，孔隙率較小，但與水泥石的粘結(jié)力較弱。粗集料的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)截面最小尺寸的1/4，且不得超過鋼筋最小凈間距的3/4。3.水混凝土用水應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不得含有影響水泥正常凝結(jié)硬化的有害物質(zhì)。一般來說，飲用水可直接用于混凝土攪拌。4.外加劑減水劑：能在保持混凝土坍落度基本相同的條件下，顯著減少用水量，從而提高混凝土強(qiáng)度，或在保持強(qiáng)度不變的情況下，節(jié)約水泥用量。常用的減水劑有木質(zhì)素磺酸鹽類、萘系減水劑、聚羧酸系減水劑等。早強(qiáng)劑：能提高混凝土早期強(qiáng)度，并對后期強(qiáng)度無顯著影響。如氯鹽早強(qiáng)劑、硫酸鹽早強(qiáng)劑、有機(jī)胺類早強(qiáng)劑等。早強(qiáng)劑常用于冬季施工或緊急搶修工程。引氣劑：能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，可提高混凝土的抗凍性、抗?jié)B性和工作性。常用的引氣劑有松香熱聚物、松香皂等。引氣劑適用于有抗凍、抗?jié)B要求的混凝土工程。緩凝劑：能延緩混凝土的凝結(jié)時間，便于混凝土的攪拌、運(yùn)輸和澆筑。緩凝劑常用于高溫季節(jié)施工或大體積混凝土工程。如糖類緩凝劑、木質(zhì)素磺酸鹽類緩凝劑等。5.摻合料粉煤灰：是火力發(fā)電廠燃煤排出的煙灰，作為混凝土摻合料可改善混凝土的工作性、降低水化熱、提高混凝土的耐久性。粒化高爐礦渣粉：是高爐冶煉生鐵時排出的以硅酸鈣與鋁硅酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)水淬急冷成粒后干燥磨細(xì)而成。它可提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，降低水泥用量。（三）混凝土的技術(shù)性質(zhì)1.工作性定義：混凝土拌合物易于施工操作（攪拌、運(yùn)輸、澆筑、搗實(shí)）并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能。測定方法：常用坍落度試驗(yàn)和維勃稠度試驗(yàn)來測定混凝土的工作性。坍落度適用于塑性和