m土木工程材料

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1、建材基本理论土木工程材料的分类土木工程材料的种类繁多，为了研究、使用和叙述上的方便，通常根据材料的组成、功能和用途分别加以分类。（一）、按土木工程材料的使用性能分类通常分为承重结构材料、非承重结构材料及功能材料三大类。1 承重结构材料。主要指梁、板、柱、基础、墙体和其他受力构件所用的土木工程材料。最常用的有钢材、混凝土、砖、砌块、墙板、楼板、屋面板和石材等。2非承重结构材料。主要包括框架结构的填充墙、内隔墙和其他围护材料等等。3功能材料。主要有防水材料、防火材料、装饰材料、保温材料、吸声（隔声）材料、采光材料、防腐材料等等。（二）、按土木工程材料的使用部位分类按土木工程材料的使用部位通常分为结

2、构材料、墙体材料、屋面材料、地面材料、饰面材料和基础材料等等。（三）、按土木工程材料的化学组成分类根据土木工程材料的化学组成，通常可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。这三大类中又分别包含多种材料类别，见下表：建筑材料标准组成作为有关生产、设计应用、管理和研究等部门应共同遵循的依据，对于绝大多数常用的土木工程材料，均由专门的机构制订并颁布了相应的“技术标准”，对其质量、规格和验收方法等作了详尽而明确的规定。在我国，技术标准分为四级：国家标准、部颁标准、地方标准和企业标准。国家标准是由国家标准局发布的全国性的指导技术文件，其代号为GB；部颁标准也是全国性的指导技术文件，但它由各行业主管部门（

3、或总局）发布，其代号按各部门名称而定。如建材标准代号为JC，建工标准代号为JG，与建材相关的部颁标准还有交通标准（JT）、石油标准（SY）、化工标准（HG）、水电标准（SD）、冶金标准（YJ）等等；地方标准（DB）是地方主管部门发布的地方性指导技术文件；企业标准则仅适用于本企业，其代号为QB；凡没有制定国家标准、部颁标准的产品，均应制订相应的企业标准。随着我国对外开放，常常还涉及到一些与土木工程材料关系密切的国际或外国标准，其中主要有国际标准（ISO）、美国材料试验协会标准（ASTM）、日本工业标准（JIS）、德国工业标准（DIN）、英国标准（BS）、法国标准（NF）等。熟悉有关的技术标准，并

4、了解制定标准的科学依据，也是十分必要的。材料的物理性质一、材料的密度、表观密度与堆积密度。（一）密度材料在绝对密实状态下单位体积的重量称为材料的密度（原称比重）。用公式表示为： （1-1）式中：材料的密度（）；m材料在干燥状态下的重量（g）；V干燥材料在绝对密实状态下的体积（）材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积，亦称实体积。土木工程料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定有孔隙的材料密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.20mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。（二）表观密度材料在自然状态下单位体积的重量称为

5、材料的表观密度（原称容重，道路工程中亦称为毛体积密度）。用公式表示为： （1-2）式中：材料的表观密度（或）；m材料的重量（g或kg）；材料在自然状态下的体积（或）。材料在自然状态下的体积是指包含材料内部开口孔隙和闭口孔隙的体积。对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的重量和体积（可用量具量测），即可算得。不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防止水分渗入材料内部而使所测结果不准。材料表观密度的大小与其含水情况有关。当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度

6、。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。（三）堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。用公式表示为： （1-3）式中：散粒材料的堆积密度（）；m散粒材料的重量（kg）；散粒材料在自然堆积状态下的体积（）散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。散粒材料的体积可用已标定容积的容器测得。砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。由于大多数材料或多或少含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度。在土木工程中，计算材料用量、构件自重、配料、材料堆放的体积或面积时，常用到材料的密度、表观密度和堆积密度。常

7、用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表1-1所示。表1-1 常用土木工程材料的密度及表观密度材料名称密度（g/cm3）表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）钢7.857850花岗岩2.8025002900碎石2650275014001700砂2630270014501700粘土2.6016001800水泥3.1011001300烧结普通砖2.7016001900烧结空心砖（多孔砖）2.708001480红松木1.55400800泡沫塑料2050玻璃2.55普通混凝土21002600二、材料的孔隙率、空隙率与密实度（一）孔隙率材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率（）。用公

8、式表示为： （1-4）材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造）可以不同。按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种，连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。孔隙率的大小及其孔隙特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。（二）空隙率散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积的百分率称为空隙率（）。用公式表示为： （1-5）空隙

9、率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。（三）密实度固体物质的体积占总体积的百分率称为密实度。反映材料体积内被固体物质所充实的程度。用公式表示为 （1-6）对于散粒材料在某容器中的密实度，可用下式表示： （1-7）三、材料与水有关的性质（一）亲水性与憎水性当材料在空气中与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，即具有亲水性；有些材料则不能被水润湿，即具有憎水性。材料具有亲水性的原因是材料与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力。当材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力

10、时，材料表现为憎水性。材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角，如图1-1所示。角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当90度时（如图1-1a），材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；90度时（如图1-1b），材料表面不吸附水，此种材料称为憎水性材料。当=0度时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。图1-1 材料润湿示意图亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部。憎水性材料则能阻止

11、水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。土木工程材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料等为憎水性材料。（二）吸水性与吸湿性1吸水性。材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，有以下两种表示方法（1）重量吸水率：重量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的重量占材料干重量的百分率。用下式表示： （1-8）式中：材料的重量吸水率（%）；材料在吸水饱和状态下的重量（g）；材料在干燥状态下的重量（g）。（2）体积吸水率：体积吸水率是指材料在吸水

12、饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用下式表示： （1-9）式中：材料的体积吸水率（%）；干燥材料在自然状态下的体积（）；水的密度（），在常温下可取=1土木工程用材料一般采用重量吸水率。重量吸水率与体积吸水率有下列关系： （1-10）式中：材料在干燥状态下的表观密度（）。材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。材料的吸水性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然

13、较小。各种材料的吸水率差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.5%0.7%，混凝土的吸水率为2%3%，烧结普通砖的吸水率为8%20%，木材的吸水率可超过100%2吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率是指材料内部所含水重量占材料干重量的百分率。用公式表示为： （1-11）式中：材料的含水率（%）；材料在吸湿状态下的重量（g）；材料在干燥状态下的重量（g）。材料的吸湿性随着空气湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小。材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为

14、吸水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积很大，吸附水的能力很强所致。材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用。（三）耐水性材料长期在饱和水作用下，强度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： （1-12）式中：材料的软化系数；材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。值的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。

15、这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。材料的软化系数在01之间。不同材料的值相差颇大，如粘土=0，而金属=1。土木工程中将0.85的材料，称为耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用0.85的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜小于0.75。（四）抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的意义是：一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为： （1-13）式中：材料的渗透系数（cm/h）；Q渗透水量

16、（）；d材料的厚度（cm）；A渗水面积（）；t渗水时间（h）；H静水压力水头（cm）。值愈大，表示渗透材料的水量愈多，即抗渗性愈差。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”表示，其中n为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数，如P4、P6、P8、PS10、P12等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的水压而不渗水。材料的抗渗性与其孔隙特征有关。细微连通的孔隙中水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。封闭孔隙中水不易渗入，因此封闭孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔中水最易

17、渗入，故其抗渗性最差。抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下结构、压力管道、压力容器等结构时，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。（五）抗冻性材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而重量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和重量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用要求、气候条件等来决定。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材

18、料，一般要求其抗冻标号为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9%，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融循环次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对结冰膨胀所产生的冻胀应力的抵抗能力。如果孔隙未充满水，即还未达到饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大的冻胀应力。极细的孔隙虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水冰点很低，它在一

19、般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用。毛细管孔隙中易充满水分，又能结冰，故对材料的冰冻破坏影响最大。若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻融破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项重要指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库

20、）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。四、材料的热工性质土木工程材料除了须满足必要的强度及其他性能要求外，为了降低建筑物的使用能耗，以及为生产和生活创造适宜的条件，常要求土木工程筑材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。常考虑的热工性质有材料的导热性、热容量和比热等。（一）导热性材料传导热量的能力称为导热性。材料的导热性可用导热系数表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1k时，在1s时间内通过1面积的热量。用公式表示为： （1-14）式中：材料的导热系数（

21、）；Q传导的热量（J）；材料厚度（m）；A热传导面积（）Z热传导时间（s）；材料两侧温度差（k）。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，大致在0.0293.5，如泡沫塑料，而大理石。工程中通常把的材料称为绝热材料。导热系数与材料内部孔隙构造有密切关系。由于密闭空气的导热系数很小（），所以，材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高。材料受潮或受冻后，其导热系数大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多（分别为0.58和2.20）。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。（二）热容量

22、与比热热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示： （1-15）式中：Q材料的热容量（J）；m材料的重量（g）；材料受热或冷却前后的温度差（k）；c材料的比热（）。比热的物理意义是指1g重量的材料，在温度升高或降低1k时所吸收或放出的热量。用公式表示为： （1-16）式中：c、Q、m、的意义，同前面所述。比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为4.19，而结冰后比热则是2.05。材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的

23、温度波动。材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的土木工程筑材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要数据。几种典型材料的热工性质指标如表1-2所示，由表可见，水的比热最大。表1-2 几种典型材料的热工性质指标材料导热系数（）比热（）铜3700.38钢560.47花岗岩3.10.82普通混凝土1.60.86烧结普通砖0.650.85松木（横纹）0.151.63泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.584.19静止空气0.0231.00第二节 材料的

24、力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。一、材料的强度及强度等级（一）强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时，应力达到极限值，这个极限应力值就是材料的强度，也称极限强度。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，如图1-2所示图1-2 材料受外力作用示意图材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪的计算公式为：

25、（1-17）式中：f材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪）（）；P试件破坏时的最大荷载（N）；A试件受力面积（）。材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其二支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯极限强度按下式计算： （1-18）式中：材料的抗弯极限强度（）；P试件破坏时的最大荷载（N）；L试件两支点间的距离（mm）；b、h分别为试件截面的宽度和高度（mm）。材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系，如图1-3所示。图1-3 材料强度与孔隙

26、率的关系一般表观密度大的材料，其强度也高。晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。玻璃是脆性材料，抗拉强度很低，但当制成玻璃纤维后，则成了很好的抗拉材料。材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。一般温度高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面性状有关。相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。为了使试验结果准确，且具有可比性，各个国家都制定了统一的材

27、料试验标准。在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。材料强度是大多数材料划分等级的依据（二）强度等级各种材料的强度差别甚大。土木工程材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为4个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级等等。土木工程材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。常用土木工程材料的强度见表1-3所示表1-3 常用土木工程材料的强度（MPa）材

28、料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗岩100250581014烧结普通砖7.530-1.84.0普通混凝土7.560142.08.0松木（须纹）30508012060100钢材23516002351600-（三）比强度为了对不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度反映材料单位体积重量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。几种主要材料的比强度见表1-4所示。由表1-4中比强度数据可知，玻璃钢和木材是轻质高强的材料，它们的比强度大于低碳钢，而低碳钢的比强度大于普通混凝土。普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的

29、材料，所以努力促进普通混凝土这一当代最重要的结构材料，向轻质、高强发展是一项十分重要的工作。表1-4 几种主要材料的比强度材料表观密度（）强度（MPa）比强度（/）低碳钢78504200.054普通混凝土2400400.017松木（顺纹抗拉）5001000.200松木（顺纹抗压）500360.070玻璃钢20004500.225烧结普通砖1700100.006二、材料的弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为弹性模量。材料在弹性变形范围内，弹

30、性模量为常数，其值等于应力 与应变 之比，即： （1-19）弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。弹性模量愈大，材料愈不易变形，亦即刚度愈好。弹性模量是结构设计的重要参数。材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，不能恢复变形的性质称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形，塑性变形为不可逆变形。实际上，纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，当外力超过一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失，混凝土就是这类材料的代表。弹塑性材料的变形曲线如图1

31、-4所示，图中ab为可恢复的弹性变形，bo为不可恢复的塑性变形。图1-4 弹塑性材料的变形曲线三、材料的脆性与韧性材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力很差，只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧性指标 表示。冲击韧性指标是指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，

32、断口处单位面积所吸收的能量。其计算公式为： （1-20）式中：材料的冲击韧性指标（J/）；试件破坏时所消耗的能量（J）；A试件受力净截面积（）。在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。四、材料的硬度与耐磨性（一）硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。测定材料硬度的方法有多种，常用的有刻划法和压入法两种，不同材料其硬度的测定方法不同。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按刻划法矿物硬度分为十级（莫氏硬度），其硬度递增顺序为滑石1级、石膏2级、方解石3级、萤石4级、磷灰石5级、正长石6级、石英7级、黄玉8级、刚玉9级、金钢石1

33、0级。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测定，例如布氏硬度。布氏硬度值是以压痕单位面积上所受压力来表示。一般材料的硬度愈大，则其耐磨性愈好。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。（二）耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示，其计算公式为 （1-21）式中：N材料的磨损率（g/）；、分别为材料磨损前、后的重量（g）；A试件受磨面积（）。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。在土木工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。第三节 材料的耐久性材料的耐久性是指在环

34、境的多种因素作用下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。耐久性是材料的一项综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有着密切关系。一、 环境对材料的作用在构筑物使用过程中，材料除内在原因使其组成、构造、性能发生变化以外，还长期受到周围环境及各种自然因素的作用而破坏。这些作用可概括为以下几方面：1、 物理作用。包括环境温度、湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用。材料在经受这些作用后，将发生膨胀、收缩，产生内应力。长期的反复作用，将使材料渐遭破坏。2 化学作用。包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或

35、其他有害物质对材料的侵蚀作用，以及日光等对材料的作用，使材料产生本质的变化而破坏。3 机械作用。包括荷载的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。4 生物作用。包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、蛀蚀等破坏。各种材料耐久性的具体内容，因其组成和结构不同而异。例如钢材易氧化而锈蚀；无机非金属材料常因氧化、风化、碳化、溶蚀、冻融、热应力、干湿交替作用等而破坏；有机材料多因腐烂、虫蛀、老化而变质等。二、 材料耐久性的测定对材料耐久性最可靠的判断，是对其在使用条件下进行长期的观察和测定，但这需要很长时间。为此，近年来采用快速检验法，这种方法是模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有

36、关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性作出判定。在实验室进行快速试验的项目主要有：干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。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。这里指的其他材料包括粉状材料（石粉等）、纤维材料（钢纤维、矿棉、玻纤、聚酯纤维等）、散粒材料（砂子、石子等）、块状材料（砖、砌块等）、板材（石膏板、水泥板等）等。胶凝材料通常分为有机胶凝材料和无机胶凝材料两大类。1 有机胶凝材料有机胶凝材料是指以天然或人工合成高分子化合物为基本组成的一类胶凝材料。最常用的有沥青、树脂、橡胶等。无机胶凝材料无机胶凝材料是指

37、以无机氧化物或矿物为主要组成的一类胶凝材料。最常用的有石灰、石膏、水玻璃、菱苦土和各种水泥。有时也包括沸石粉、粉煤灰、矿渣、火山灰等活性混合材料。根据凝结硬化条件和使用特性，无机胶凝材料通常又分为气硬性和水硬性两类。气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化并保持和发展强度的材料。主要有石灰、石膏、水玻璃、菱苦土等。这类材料在水中不凝结，也基本没有强度，即使在潮湿环境中强度也很低，通常不宜使用。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中，而且能更好地在水中凝结硬化并保持和发展强度的材料。主要有各类水泥和某些复合材料。这类材料在水中凝结硬化比在空气中更好，因此，在空气中使用时，凝结硬化初期要尽可能浇水或保持潮

38、湿养护。二、石灰石灰是一种传统的气硬性胶凝材料。原料来源广、生产工艺简单、成本低，并具有某些优异性能，至今仍为土木工程广泛使用。一、 石灰的原材料石灰最主要的原材料是含碳酸钙（CaCO3）的石灰石、白云石和白垩。原材料的品种和产地不同，对石灰性质影响较大，一般要求原材料中粘土杂质含量小于8%。二、石灰的生产1生石灰石灰的生产，实际上就是将石灰石在高温下煅烧，使碳酸钙分解成为CaO和CO2，CO2以气体逸出。反应式如下：生产所得的CaO称为生石灰，是一种白色或灰色的块状物质。生石灰的特性：遇水快速产生水化反应，体积膨胀，并放出大量热。煅烧良好的生石灰能在几秒钟内与水反应完毕，体积膨胀两倍左右。3

39、欠火石灰与过火石灰当煅烧温度过低或时间不足时，由于CaCO3不能完全分解，亦即生石灰中含有石灰石 。这类石灰称为欠火石灰。欠火石灰的特点是产浆量低，即石灰利用率下降。原因是CaCO3不溶于水，也无胶结能力，在熟化成为石灰膏时作为残渣被废弃，所以有效利用率下降。当煅烧温度过高或时间过长时，部分块状石灰的表层会被煅烧成十分致密的釉状物，这类石灰称为过火石灰。过火石灰的特点为颜色较深，密度较大，与水反应熟化的速度较慢，往往要在石灰固化后才开始水化熟化，从而产生局部体积膨胀，影响工程质量。由于过火石灰在生产中是很难避免的，所以石灰膏在使用前必须经过“陈伏”。“陈伏”的概念见下述。三、石灰的熟化（一）

40、熟化与熟石灰生石灰CaO加水反应生成Ca（OH）2的过程称为熟化。生成物Ca（OH）2称为熟石灰。反应式如下：熟化过程的特点：1. 速度快。煅烧良好的CaO与水接触时几秒钟内即反应完毕。2. 体积膨胀。CaO与水反应生成Ca（OH）2时，体积增大1.52.0倍。3. 放出大量的热。1克分子CaO熟化生成1克分子Ca（OH）2约产生64.9kJ热量。（二） 石灰膏当熟化时加入大量的水，则生成浆状石灰膏。CaO熟化生成Ca（OH）2的理论需水量只要32.1%，实际熟化过程均加入过量的水。一方面考虑熟化时放热引起水分蒸发损失，另一方面是确保CaO充分熟化。工地上常在化灰池中进行石灰膏的生产，即将块状

41、生石灰用水冲淋，通过筛网，滤去欠火石灰和杂质，流入化灰池沉淀而得。石灰膏面层必须蓄水保养，其目的是隔断与空气直接接触，防止干硬固化和碳化固结，以免影响正常使用和效果。（三） 消石灰粉当熟化时加入适量（60%80%）的水，则生成粉状熟石灰。这一过程通常称为消化，其产品称为消石灰粉。工地上可通过人工分层喷淋消化，但通常是在工厂集中生产消石灰粉，作为产品销售。（四） 石灰的“陈伏”前面已经提到煅烧温度过高或时间过长，将产生过火石灰，这在石灰煅烧中是十分难免的。由于过火石灰的表面包覆着一层玻璃釉状物，熟化很慢，若在石灰使用并硬化后再继续熟化，则产生的体积膨胀将引起局部鼓泡、隆起和开裂。为消除上述过火石

42、灰的危害，石灰膏使用前应在化灰池中存放2周以上，使过火石灰充分熟化，这个过程称为“陈伏”。现场生产的消石灰粉一般也需要“陈伏”。但若将生石灰磨细后使用，则不需要“陈伏”。这是因为粉磨过程使过火石灰表面积大大增加，与水熟化反应速度加快，几乎可以同步熟化，而且又均匀分散在生石灰粉中，不至引起过火石灰的种种危害。四、石灰的凝结硬化石灰在空气中的凝结硬化主要包括结晶和碳化两个过程。结晶作用指的是石灰浆中多余水分蒸发或被砌体吸收，使Ca（OH）2以晶体形态析出，石灰浆体逐渐失去塑性，并凝结硬化产生强度的过程。碳化作用指的是空气中的CO2遇水生成弱碳酸，再与Ca（OH）2发生化学反应生成CaCO3晶体的过

43、程。生成的CaCO3自身强度较高，且填充孔隙使石灰固化体更加致密，强度进一步提高。其反应式如下：石灰凝结硬化过程的特点：1. 速度慢。水分从内部迁移到表层被蒸发或被吸收的过程本身较慢，若表层Ca（OH）2被碳化，生成的CaCO3在石灰表面形成更加致密的膜层，使水分子和CO2的进出更加困难。因此，石灰的凝结硬化过程极其缓慢，通常需要几周的时间。加快硬化速度的简易方法有加强通风和提高空气中CO2的浓度。2. 体积收缩大。容易产生收缩裂缝。五、石灰的主要技术性质（一）保水性与可塑性好Ca（OH）2颗粒极细，比表面积很大，每一颗粒均吸附一层水膜，使得石灰浆具有良好的保水性和塑性。因此，土木工程中常用来

44、改善水泥砂浆保水性和塑性差的缺陷。（二）凝结硬化慢、强度低石灰浆凝结硬化时间一般需要数周，硬化后的强度一般小于1MPa。如1:3的石灰砂浆强度仅为0.20.5MPa。但通过人工碳化，可使强度大幅度提高。如碳化石灰板及其制品。（三）耐水性差石灰浆在水中或潮湿环境中没有强度，在流水中还会溶解流失。但固化后的石灰制品经人工碳化处理后，耐水性大大提高。（四）干燥收缩大石灰浆体中游离水，特别是吸附水蒸发，引起硬化时体积收缩、开裂。碳化过程也引起体积收缩。因此，石灰一般不宜单独使用，通常掺入砂子、麻刀、纸筋等以减少收缩或提高抗裂能力。六、石灰的应用（一）石灰乳涂料和抹面石灰乳通常采用石灰浆（膏）加入大量水

45、调制成稀浆，用于要求不高的室内粉刷。目前已很少使用。石灰膏掺入麻刀或纸筋作为墙面抹面材料，也称之为黄灰，过去较常用。目前主要采用石灰膏与水泥、砂或直接与砂配制成混合砂浆或石灰砂浆抹面。（二）石灰混合砂浆石灰、水泥和砂按一定比例与水配制成混合砂浆，用于砌筑和抹面（详见本书第五章）。（三）石灰土和三合土消石灰粉和粘土拌合后称为石灰土。石灰土中再加入砂和石屑、炉渣等即为三合土。由于Ca（OH）2能和粘土中少量的活性SiO2和Al2O3反应生成具有水硬性的产物，使密实度、强度和耐水性得到改善。因此广泛用于建筑物的基础和道路垫层。如石灰桩加固地基等。但是，目前更常用的方法是石灰、粉煤灰和石子混合成“三合

46、土”作为道路垫层，其固结强度高于粘土（因粉煤灰中活性SiO2和Al2O3的含量高），且利用废渣。（四）用于生产硅酸盐制品硅酸盐制品主要包括粉煤灰混凝土、粉煤灰砖、硅酸盐砌块、灰砂砖、加气混凝土等等。它们主要以石英砂、粉煤灰、矿渣、炉渣等为原料，其中的SiO2、Al2O3与石灰在蒸汽养护或蒸压养护条件下生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性产物，产生强度。若没有Ca（OH）2参与反应，则强度很低。生石灰块和粉料在运输和储存过程中应注意密封防潮，否则吸水潮解后与空气中CO2作用生成碳酸钙，使石灰胶结能力下降。七、石灰的技术标准（一）建筑生石灰 根据MgO含量分为钙质石灰和镁质石灰；又根据CaO和MgO

47、总含量及残渣、CO2含量和产浆量分为优等、一等和合格三个等级。见表2-1。表2-1 建筑生石灰的技术指标项目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量（%，不小于）908580858075未消化残渣含量（5mm圆孔筛余，%，不大于）5101551015二氧化碳（%，不大于）5796810产浆量（L/kg，不小于）2.82.82.02.82.32.0（二）建筑生石灰粉与生石灰一样分为钙质和镁质生石灰粉；又根据CaO和MgO总含量、CO2含量和细度分为优等、一等和合格。见表2-2。 表2-2 建筑生石灰粉的技术指标项目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等

48、品合格品CaO+MgO含量（%，不小于）858075807570二氧化碳（%，不大于）791181012细度0.90mm筛筛余（%，不大于）0.20.51.50.20.51.50.125mm筛筛余（%，不大于）7.012.018.07.012.018.0（三）建筑消石灰粉根据MgO含量分为钙质（MgO4%）、镁质（4%MgO24%）和白云石消石灰粉（24%MgO30%）三类，并根据CaO和MgO总含量、体积安定性和细度分为优等、一等和合格。见表2-3。 表2-3 建筑消石灰粉的技术指标项目钙质消石灰镁质消石灰白云石消石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量（

49、%，不小于）706560656055656055游离水（%）0.420.420.420.420.420.420.420.420.42体积安定性合格合格-合格合格-合格合格细度0.90mm筛筛余（%，不大于）000.5000.5000.50.125mm筛筛余（%，不大于）310153101531015水玻璃一、水玻璃的组成水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃两类，俗称泡花碱。钠水玻璃为硅酸钠水溶液，分子式为。钾水玻璃为硅酸钾水溶液，分子式为。土木工程中主要使用钠水玻璃。当工程技术要求较高时也可采用钾水玻璃。优质纯净的水玻璃为无色透明的粘稠液体，溶于水。当含有杂质时呈淡黄色或青灰色。钠水玻璃分子式中的n称

50、为水玻璃的模数，代表Na2O和SiO2的分子数比，是非常重要的参数。n值越大，水玻璃的粘性和强度越高，但水中的溶解能力下降。当n大于3.0时，只能溶于热水中，给使用带来麻烦。n值越小，水玻璃的粘性和强度越低，越易溶于水。故土木工程中常用模数n为2.62.8，既易溶于水又有较高的强度。我国生产的水玻璃模数一般在2.43.3之间。水玻璃在水溶液中的含量（或称浓度）常用密度或者波美度表示。土木工程中常用水玻璃的密度一般为1.361.50g/cm3，相当于波美度38.448.3。密度越大，水玻璃含量越高，粘度越大。水玻璃通常采用石英粉（SiO2）加上纯碱（NaCO3），在13001400的高温下煅烧生

51、成固体，再在高温或高温高压水中溶解，制得溶液状水玻璃产品。二、水玻璃的凝结固化水玻璃在空气中的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似，主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程来实现，反应式如下：随着碳化反应的进行，硅胶（）含量增加，接着自由水分蒸发和硅胶脱水成固体SiO2而凝结硬化，其特点是：1速度慢。由于空气中CO2浓度低，故碳化反应及整个凝结固化过程十分缓慢。2体积收缩。3强度低。为加速水玻璃的凝结固化速度和提高强度，水玻璃使用时一般要求加入固化剂氟硅酸钠，分子式为 。其反应式如下：氟硅酸钠的掺量一般为12%15%。掺量少，凝结固化慢，且强度低；掺量太多，则凝结硬化过快，不便施工操作，而且硬化后的早期

52、强度虽高，但后期强度明显降低。因此，使用时应严格控制固化剂掺量，并根据气温、湿度、水玻璃的模数、密度在上述范围内适当调整。即：气温高、模数大、密度小时选下限，反之亦然。三、水玻璃的主要技术性质（一）粘结力和强度较高水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶（）和固体，比表面积大，因而具有较高的粘结力。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。（二）耐酸性好可以抵抗除氢氟酸（HF）、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。（三）耐热性好硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，当采用耐热耐火骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1000。因此水玻璃混凝土的耐热度，也可以理解为

53、主要取决于骨料的耐热度。（四）耐碱性和耐水性差因 和 均溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。同样由于、NaF、Na2CO3均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理，提高耐水性。四、水玻璃的应用（一）涂刷材料表面，提高抗风化能力水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。（二）加固土壤将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶

54、结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆。（三）配制速凝防水剂水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过1min，故工地上使用时必须做到即配即用。多矾防水剂常用胆矾（硫酸铜，）、红矾（重铬酸钾，K2Cr2O7）、明矾（也称白矾，硫酸铝钾）、紫矾等四种矾。（四）配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。（五）配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土水玻璃胶凝主要用

55、于耐火材料的砌筑和修补。水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。习题及复习思考题1. 下列名词的基本概念：胶凝材料、气硬性胶凝材料、水硬性胶凝材料、生石灰、熟石灰、消石灰、过火石灰、欠火石灰、石灰的陈伏、石灰土、三合土、生石膏、熟石膏、建筑石膏、二水石膏、半水石膏、硬石膏、无水石膏、高强石膏、水玻璃、水玻璃的模数、菱苦土。2. 石灰熟化过程的特点。3.磨细生石灰为什么不经“陈伏”可直接使用？4. 石灰的凝结硬化过程、特点是什么？提高凝结硬化速度的简易措施有哪些？5. 生石灰的主要技术性质有哪些？使用时掺入麻刀、纸筋等的作用是什么?6. 石灰的主要用途有哪些?7. 某多

56、层住宅楼室内抹灰采用的是石灰砂浆，交付使用后出现墙面普遍鼓包开裂，试分析其原因。欲避免这种情况发生，应采取什么措施?8. 石灰是气硬性胶凝材料，为什么由它配制的石灰土和三合土可以用来建造灰土渠道、三合土滚水坝等水工建筑物?9. 建筑石膏凝结硬化过程的特点是什么？与石灰凝结硬化过程相比怎样？10. 建筑石膏的主要技术性质有哪些？11. 建筑石膏的主要用途有哪些？12. 用于墙面抹灰时，建筑石膏与石灰比较具有哪些优点?13. 水玻璃（）中n的大小与水玻璃哪些性能有关？建筑工程常用n值范围是多少？14. 水玻璃中掺入固化剂的目的及常用固化剂名称是什么？15. 水玻璃的主要技术性质和用途。16. 菱苦

57、土是最主要的镁质胶凝材料，其水化和凝结硬化与石灰相比有何异同？17. 镁质胶凝材料的主要技术性质有哪些?第二章 水泥概述水泥呈粉末状，与适量水拌合成塑性浆体，经过物理化学过程浆体能变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体。水泥是一种良好的胶凝材料，水泥浆体不但能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并发展其强度，故水泥是水硬性胶凝材料。水泥的种类繁多，目前生产和使用的水泥品种已达200余种。按组成水泥的基本物质熟料的矿物组成，一般可分为：硅酸盐系水泥，其中包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等六大常用水泥，以及快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥等； 铝酸盐系水泥，如铝酸盐自应力水泥、铝酸盐水泥等； 硫铝酸盐系水泥，如快硬硫铝酸盐水泥、型低碱硫铝酸盐水泥等； 氟铝酸盐水泥； 铁铝酸盐水泥； 少熟料或无熟料水泥。