土木工程材料期末考試復(fù)習(xí)資料?一、土木工程材料的基本性質(zhì)

（一）材料的物理性質(zhì)1.密度定義：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：\(\rho=\frac{m}{V}\)式中：\(\rho\)為密度（\(g/cm^3\)）；\(m\)為材料的質(zhì)量（\(g\)）；\(V\)為材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（\(cm^3\)）。測(cè)定方法：對(duì)于形狀規(guī)則的材料，可直接測(cè)量其尺寸并計(jì)算體積；對(duì)于形狀不規(guī)則的材料，可采用蠟封法或排液法測(cè)量其體積。2.表觀密度定義：材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：\(\rho_0=\frac{m}{V_0}\)式中：\(\rho_0\)為表觀密度（\(kg/m^3\)或\(g/cm^3\)）；\(m\)為材料的質(zhì)量（\(kg\)或\(g\)）；\(V_0\)為材料在自然狀態(tài)下的體積（\(m^3\)或\(cm^3\)）。對(duì)于某些多孔材料，其表觀密度還可細(xì)分為干表觀密度和濕表觀密度。干表觀密度是指材料干燥狀態(tài)下的表觀密度，濕表觀密度是指材料吸濕飽和狀態(tài)下的表觀密度。3.堆積密度定義：散粒材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：\(\rho_0^{\prime}=\frac{m}{V_0^{\prime}}\)式中：\(\rho_0^{\prime}\)為堆積密度（\(kg/m^3\)）；\(m\)為材料的質(zhì)量（\(kg\)）；\(V_0^{\prime}\)為材料的堆積體積（\(m^3\)），堆積體積包括顆粒體積和顆粒間空隙體積。測(cè)定堆積密度時(shí)，要注意材料的裝填方式和松緊程度，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.孔隙率定義：材料中孔隙體積與總體積之比，用\(P\)表示，按下式計(jì)算：\(P=\frac{V_0V}{V_0}\times100\%=(1\frac{\rho_0}{\rho})\times100\%\)式中：\(V_0\)為材料在自然狀態(tài)下的體積；\(V\)為材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積；\(\rho_0\)為表觀密度；\(\rho\)為密度。孔隙率反映了材料的致密程度，孔隙率越大，材料越疏松，其吸水性、吸濕性、抗?jié)B性、抗凍性等性能一般也越差。5.密實(shí)度定義：材料的密實(shí)體積與總體積之比，用\(D\)表示，按下式計(jì)算：\(D=\frac{V}{V_0}\times100\%=\frac{\rho_0}{\rho}\times100\%\)密實(shí)度與孔隙率的關(guān)系為\(D=1P\)。密實(shí)度越大，材料越密實(shí)，強(qiáng)度、耐久性等性能越好。6.填充率定義：散粒材料在堆積體積中，被其顆粒填充的程度，用\(\psi\)表示，按下式計(jì)算：\(\psi=\frac{V}{V_0^{\prime}}\times100\%\)式中：\(V\)為散粒材料的顆粒體積；\(V_0^{\prime}\)為散粒材料的堆積體積。填充率反映了散粒材料在堆積時(shí)的緊密程度，填充率越大，堆積越緊密。7.吸水率定義：材料吸收水分的能力，有質(zhì)量吸水率\(W_m\)和體積吸水率\(W_v\)之分。質(zhì)量吸水率\(W_m=\frac{m_1m}{m}\times100\%\)式中：\(m_1\)為材料吸水飽和后的質(zhì)量；\(m\)為材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。體積吸水率\(W_v=\frac{V_1}{V_0}\times100\%\)式中：\(V_1\)為材料吸收水分的體積；\(V_0\)為材料在自然狀態(tài)下的體積。對(duì)于一些具有封閉孔隙的材料，其吸水率較??；而對(duì)于開口孔隙較多的材料，吸水率較大。吸水率會(huì)影響材料的其他性能，如強(qiáng)度、耐久性等。8.含水率定義：材料中所含水分的質(zhì)量與干燥材料質(zhì)量之比，用\(W\)表示，按下式計(jì)算：\(W=\frac{m_2m}{m}\times100\%\)式中：\(m_2\)為材料含水狀態(tài)下的質(zhì)量；\(m\)為材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。含水率會(huì)影響材料的表觀密度、強(qiáng)度等性能，在進(jìn)行材料性能測(cè)試和使用時(shí)，需要考慮材料的含水率情況。

（二）材料的力學(xué)性質(zhì)1.強(qiáng)度定義：材料在外力作用下抵抗破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等?？箟簭?qiáng)度\(f_c=\frac{F}{A}\)式中：\(f_c\)為抗壓強(qiáng)度（\(MPa\)）；\(F\)為材料承受的壓力（\(N\)）；\(A\)為材料的受壓面積（\(mm^2\)）?？估瓘?qiáng)度\(f_t=\frac{F}{A}\)式中：\(f_t\)為抗拉強(qiáng)度（\(MPa\)）；\(F\)為材料承受的拉力（\(N\)）；\(A\)為材料的受拉面積（\(mm^2\)）。抗剪強(qiáng)度\(f_v=\frac{F}{A}\)式中：\(f_v\)為抗剪強(qiáng)度（\(MPa\)）；\(F\)為材料承受的剪力（\(N\)）；\(A\)為材料的受剪面積（\(mm^2\)）?？箯潖?qiáng)度\(f_m=\frac{3FL}{2bh^2}\)式中：\(f_m\)為抗彎強(qiáng)度（\(MPa\)）；\(F\)為材料承受的彎曲荷載（\(N\)）；\(L\)為兩支點(diǎn)間的距離（\(mm\)）；\(b\)為材料截面寬度（\(mm\)）；\(h\)為材料截面高度（\(mm\)）。材料的強(qiáng)度與材料的組成、結(jié)構(gòu)、孔隙率等因素有關(guān)。一般來說，材料的孔隙率越大，強(qiáng)度越低。2.彈性模量定義：材料在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，用\(E\)表示，按下式計(jì)算：\(E=\frac{\sigma}{\varepsilon}\)式中：\(\sigma\)為應(yīng)力（\(MPa\)）；\(\varepsilon\)為應(yīng)變。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力，彈性模量越大，材料在彈性范圍內(nèi)越不容易變形。3.泊松比定義：材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，用\(\nu\)表示，按下式計(jì)算：\(\nu=\left|\frac{\varepsilon_{橫向}}{\varepsilon_{軸向}}\right|\)泊松比反映了材料橫向變形與縱向變形之間的關(guān)系。4.硬度定義：材料抵抗硬物壓入其表面的能力。常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。硬度與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等有關(guān)，硬度較高的材料耐磨性較好。5.耐磨性定義：材料抵抗磨損的能力。耐磨性與材料的硬度、強(qiáng)度、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。一般來說，硬度高、強(qiáng)度大的材料耐磨性較好。在工程中，對(duì)于經(jīng)常受到摩擦的部位，如路面、樓梯踏步等，需要選擇耐磨性好的材料。

（三）材料的耐久性1.耐久性的概念材料在長(zhǎng)期使用過程中，抵抗各種破壞因素作用，保持其原有性能不變的能力稱為耐久性。破壞因素包括物理作用（如干濕交替、溫度變化、凍融循環(huán)等）、化學(xué)作用（如酸、堿、鹽等侵蝕）、生物作用（如菌類、昆蟲等侵害）等。2.影響耐久性的因素及提高耐久性的措施影響因素：材料的組成與結(jié)構(gòu)：不同組成和結(jié)構(gòu)的材料耐久性不同。例如，無機(jī)材料一般比有機(jī)材料耐久性好；晶體結(jié)構(gòu)材料比非晶體結(jié)構(gòu)材料耐久性好。孔隙率與孔隙特征：孔隙率大、開口孔隙多的材料耐久性差。因?yàn)樗?、有害介質(zhì)容易進(jìn)入孔隙，導(dǎo)致材料性能下降。環(huán)境因素：包括所處的氣候條件、使用環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)等。如在寒冷地區(qū)，材料容易受到凍融破壞；在有化學(xué)侵蝕的環(huán)境中，材料會(huì)受到化學(xué)腐蝕。提高措施：選擇合適的材料：根據(jù)工程環(huán)境和使用要求，選擇耐久性好的材料。改善材料的結(jié)構(gòu)：通過優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，如采用致密結(jié)構(gòu)、添加外加劑等，提高材料的耐久性。采取防護(hù)措施：如對(duì)材料表面進(jìn)行涂層、防腐處理等，阻止外界破壞因素對(duì)材料的侵蝕。合理設(shè)計(jì)與施工：在工程設(shè)計(jì)和施工過程中，考慮材料的耐久性要求，保證施工質(zhì)量，減少因施工不當(dāng)對(duì)材料耐久性的影響。

二、氣硬性膠凝材料

（一）石灰1.石灰的生產(chǎn)與分類生產(chǎn)：石灰是由石灰石、白云石等原料經(jīng)高溫煅燒而成。主要反應(yīng)式為：\(CaCO_3\xrightarrow{高溫}CaO+CO_2\uparrow\)分類：根據(jù)煅燒溫度和原料的不同，石灰可分為生石灰（\(CaO\)）和熟石灰（\(Ca(OH)_2\)）。生石灰又可分為鈣質(zhì)石灰和鎂質(zhì)石灰。2.石灰的熟化與硬化熟化：生石灰與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣的過程稱為熟化。反應(yīng)式為：\(CaO+H_2O=Ca(OH)_2+64.9kJ/mol\)，熟化過程中會(huì)放出大量的熱，體積增大\(12.5\)倍。硬化：石灰漿體的硬化包括干燥結(jié)晶和碳化兩個(gè)過程。干燥結(jié)晶是指石灰漿體中的水分逐漸蒸發(fā)，氫氧化鈣從飽和溶液中結(jié)晶析出，使?jié){體強(qiáng)度提高；碳化是指氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，反應(yīng)式為：\(Ca(OH)_2+CO_2=CaCO_3\downarrow+H_2O\)。3.石灰的技術(shù)性質(zhì)可塑性好：石灰漿體具有良好的可塑性，能形成平整的表面，適用于室內(nèi)抹面工程。硬化慢、強(qiáng)度低：石灰漿體硬化過程緩慢，硬化后的強(qiáng)度較低。如石灰砂漿在常溫下硬化\(28d\)后的抗壓強(qiáng)度一般只有\(zhòng)(0.20.5MPa\)。耐水性差：石灰硬化后的主要成分碳酸鈣在水中會(huì)逐漸溶解，導(dǎo)致石灰制品耐水性差，不宜用于潮濕環(huán)境。4.石灰的應(yīng)用石灰乳：用于內(nèi)墻和天棚的粉刷。石灰砂漿：由石灰膏、砂和水按一定比例配制而成，用于砌筑和抹面工程?；彝梁腿贤粒夯彝潦菍⑾曳叟c黏土按一定比例混合而成；三合土是由消石灰粉、黏土和砂按一定比例混合而成。它們經(jīng)夯實(shí)后強(qiáng)度較高，可用于基礎(chǔ)、路面等工程。

（二）石膏1.石膏的生產(chǎn)與分類生產(chǎn)：石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料，常見的有天然石膏（如二水石膏\(CaSO_4\cdot2H_2O\)）和工業(yè)副產(chǎn)石膏（如磷石膏、脫硫石膏等）。天然石膏經(jīng)煅燒可制成建筑石膏。主要反應(yīng)式為：\(CaSO_4\cdot2H_2O\xrightarrow{107170^{\circ}C}CaSO_4\cdot\frac{1}{2}H_2O+1.5H_2O\)分類：建筑石膏根據(jù)其強(qiáng)度等性能指標(biāo)可分為優(yōu)等品、一等品和合格品。2.石膏的凝結(jié)硬化建筑石膏加水拌合后，與水發(fā)生反應(yīng)生成二水石膏，反應(yīng)式為：\(CaSO_4\cdot\frac{1}{2}H_2O+1.5H_2O=CaSO_4\cdot2H_2O\)。隨著水分的蒸發(fā)，漿體逐漸變稠失去可塑性，這一過程稱為凝結(jié)；之后漿體繼續(xù)硬化，強(qiáng)度不斷提高，這一過程稱為硬化。3.石膏的技術(shù)性質(zhì)凝結(jié)硬化快：建筑石膏加水拌合后，一般在幾分鐘至半小時(shí)內(nèi)即可初凝，1h左右即可終凝，硬化速度快，有利于施工。硬化時(shí)體積微膨脹：石膏漿體在硬化過程中體積會(huì)微膨脹，膨脹率為\(0.05\%0.15\%\)，這一特性使石膏制品表面光滑、尺寸精確、形狀飽滿，可制作各種裝飾制品?？紫堵蚀?、強(qiáng)度較低：硬化后的石膏制品孔隙率較大，表觀密度較小，強(qiáng)度相對(duì)較低。如石膏板的抗壓強(qiáng)度一般在\(310MPa\)之間。防火性能好：石膏制品遇火時(shí)，二水石膏中的結(jié)晶水蒸發(fā)，吸收熱量，阻止火勢(shì)蔓延，且在表面形成一層隔熱層，起到防火作用。耐水性差：石膏制品在潮濕環(huán)境中，二水石膏會(huì)逐漸溶解，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，耐水性差。4.石膏的應(yīng)用室內(nèi)抹灰及粉刷：建筑石膏加水調(diào)成石膏漿，可用于室內(nèi)墻面、頂棚的抹灰和粉刷。石膏板：以石膏為主要原料，加入適量的纖維增強(qiáng)材料等制成的板材，如紙面石膏板、纖維石膏板等，廣泛應(yīng)用于隔墻、吊頂?shù)裙こ獭Ｊ嗥鰤K：由石膏、集料和添加劑等制成的塊狀墻體材料，具有質(zhì)量輕、保溫隔熱、隔音等優(yōu)點(diǎn)，可用于非承重墻體。

（三）水玻璃1.水玻璃的組成與性質(zhì)組成：水玻璃是由堿金屬氧化物（如\(Na_2O\)、\(K_2O\)）和二氧化硅（\(SiO_2\)）組成的化合物，其化學(xué)式為\(R_2O\cdotnSiO_2\)，常用的是硅酸鈉水玻璃（\(Na_2O\cdotnSiO_2\)）。性質(zhì)：粘結(jié)力強(qiáng)：水玻璃能與多種材料表面形成很強(qiáng)的粘結(jié)力，可用于粘結(jié)材料。耐酸性好：水玻璃硬化后的主要成分二氧化硅不溶于水和酸（氫氟酸除外），具有良好的耐酸性，可用于配制耐酸材料。耐熱性好：水玻璃硬化后的材料在高溫下強(qiáng)度不降低，甚至有所提高，具有較好的耐熱性，可用于耐熱工程。2.水玻璃的硬化水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，逐漸析出硅酸凝膠，使?jié){體硬化，反應(yīng)式為：\(Na_2O\cdotnSiO_2+CO_2+mH_2O=Na_2CO_3+nSiO_2\cdotmH_2O\)。3.水玻璃的應(yīng)用涂刷材料表面：可提高材料的抗風(fēng)化能力，如用于涂刷黏土磚、混凝土等。配制耐酸材料：如耐酸膠泥、耐酸砂漿等，用于有酸性介質(zhì)侵蝕的工程部位。配制耐熱材料：如水玻璃耐熱混凝土等，用于高溫環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)