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1、第一节 材料的组成、结构和构造 一、材料的组成 材料的组成是指材料的化学成分、矿物成分和相组成。它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。（一）化学组成：各种土木工程材料都具有一定的化学成分。材料所含的化学成分及其含量的多少既影响材料的物理力学性质，也影响材料抵抗外界侵蚀作用的化学稳定性。（二）矿物组成将材料中具有特定的晶体结构和特定物理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。一般具有相对固定的化学成分，矿物是组成岩石和矿石的基本单元。某些土木工程材料如天然石材、无机胶凝材料等，其矿物组成是决定其材料性质的主要因素。例如硅酸盐水泥中，熟科矿物
2、硅酸三钙含量高的，其硬化速度就较快，强度也较高。（三）相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。土木工程材料大多数是多相固体。凡由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数可看成复合材料。混凝土材料可认为是集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料。复合材料的性质与材料的相组成和界面特性有密切关系。所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面，在实际材料中，界面是一个薄区，它的成分和结构与相内是不一样的，它们之间是不均匀的，可将其作为“界面相”来处理。因此，通过改变和控制材料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。二、材料的结构
3、(一)宏观结构指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸在 10-3m 级以上。可按孔隙特征分为：（1）致密结构（2）多孔结构（3）微孔结构按存在状态分：（1）堆聚结构（2）纤维结构（3）层状结构(二)细观结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸在 10-310-6m级。材料的细观结构层次上的各种组织性质各不相同，这些组织的特征、数量和分布和界面性质对材料性能有重要影响。(三)微观结构微观结构是指原子和分子层次上的结构。其尺寸在 10-610-10m级。材料的许多物理力学性能如强度、硬度、熔点、导热和导电等性能都是由其微观结构决定的。微观结构可以分为晶体、非晶体和胶体三种。1、晶体结构
4、晶体结构是由质点(离子、原子或分子)按照周期性排列而成的微观结构。晶体本身具有固定的几何外形、由于其各个方向的质点排列情况和数量不同，故晶体具有各向异性的性质。(1)原子晶体 是由中性原子构成的晶体，其原于之间是由共价键来联系的。原子之间靠数个共同电子对来结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此种晶体的强度、硬度与熔点都是比较高的。如石英、金刚石、碳化硅等都属于原子晶体。(2)离子晶体 是由正、负离子所构成的晶体，因为离子是带电荷的，它们之间是靠静电吸引力(即库仑引力)所形成的离子链来结合的。离子晶体一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是比较高的，但在溶液中离子晶体要离解成离子。如 Na
5、Cl、KCl、MgCl 等。土木工程材料总结(3)分子晶体 中性的分子由于电荷的非对称分布而产生的分子极化或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成的一种结合力，即范德华力。因为此种控力较弱，故其硬度、熔点也低。一般分子晶体大部分属于有机化合物。(4)金属晶体 金属晶体是由金属阳离子排列成一定形式的晶格，在晶格间隙中有自由运动的电子(这些电子称为自由电子)，自由电子可使金属具有良好的导热性和导电性。在金属材料中，晶粒的形状和大小也会影响材料的性质。常采用热处理的方法使金属晶粒产生变化，以收到调节和控制金属材料机械性能(强度、韧性、硬度等)的效果。2、非晶体 非晶体也称玻璃体或无定形体，如无机玻璃。
6、非晶体的结合力为共价链与离于键。熔融物冷却后可以生成晶体。如果冷却速度较快，将近凝固温度时尚具有很大的粘度质点来不及按一定规则排列便凝固成固体状态，此时即得到非晶体结构。非晶体结构是无定形物质，其质点的排列是没有规律的，因此它没有一定的几何外形而具有备向同性的性质。非晶体没有一定的熔点，只是出现软化现象。非晶体内质点的排列虽然不规则，实际上也是由许多极微小的晶体 微晶集合而成的，微晶与微晶之间则具有无定形结构。非晶体是化学不稳定结构，容易与其它物质起化学作用。如火山灰质、粉煤灰、粒化高沪矿渣能与石灰在有水的条件下水化反应，而被用作土木工程材料或原料。3、胶体结构 胶体结构是一种细小的固体粒子(
7、直径 10-710-9m)分散在介质中所组成的结构。这是一种亚微观结构。由于胶体粒子很微小，其总表面积很大，因而表面能很大，故吸附能力很强。这就是胶体具有很大粘结力的原因。胶体脱水为质点凝聚而产生凝胶。凝胶体具有固体的性质，而在长期应力作用下却又具有粘滞性流动的性质。这是由于固体微粒为很薄的吸附薄膜所包围，这种薄膜越薄凝胶体的刚性越大，吸附膜越厚，则流动性越大。混凝土的强度与变形等力学性能，都与水泥水化后所形成的凝胶体密切相关。天然岩石中的硅质砂岩也是由硅胶的凝胶体作用将石英砂粒胶结而成的。三、材料的构造 材料的构造是指它的宏观的组织状态而言。例如石料中的孔隙和层理等，就是指石材的构造而言的。
8、材料的性质除与材料的组成和结构有关外，也与材料的构造有着密切的关系。同一种材料，构造越密实、越均匀其强度越高。如果材料内部含有孔隙则不但减少了有效的受力面积，而且受力时会在孔隙尖端出现应力集中现象，而使强度降低。例如混凝土的孔隙率每增加 1，其强度就相应地降低 3一 5。层状和纤维状构造使材料具有各向异性如木材的物理、力学性质均随木纹方向而改变。疏松、多封闭孔隙的材料表观密度较小，强度较低不容易导热；开口连通的孔隙容易吸水，使侵蚀性介质浸入材料内部，故而耐冻性和耐久性都较差。土木工程材料的构造状态常常决定其使用性能。人们常常根据对使用性能的不同要求，做成不同构造状态的材料。例如泡沫塑料相加气混
9、凝土是很好的隔热保温材料、而要求承重的混凝土结构物或高强度混凝土则要求均匀密实。玻璃纤维与塑料复合制成的增强塑料可以大大提高材料的抗拉强度。一、材料与质量有关的基本物理性质（一）材料的密度、表观密度与堆积密度 堆积体积：含有孔隙和空隙的体积（V0）。表观体积：含有孔隙但不含空隙的体积(V0)。（用排水法测得的扣除了材料内部开口孔隙的 体积称为近视表观体积，也称视体积。）密实体积：不含有孔隙和空隙的体积(V)。（一）材料的密度、表观密度与堆积密度 名称 定义 表达式 单位 密度 材料在绝对密实状态下,单位体积的质量 g/cm3 表观密度 材料在自然状态下，单位体积的质量。/m3 或 g/cm3
10、堆积密度 材料在堆积状态下，单位体积的质量。/m3（二）密实度与孔隙率 密实度是指材料体积内，被固体物质所充实的程度。孔隙率是指材料体积内，孔隙体积占总体积的百分率。（三）填充率与空隙率 填充率是指散粒材料在其堆积体积中，被其颗粒填充的程度 空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率 二、材料与水有关的性质（一）材料的亲水性与憎水性(润湿边角)（二）吸水性 定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。质量吸水率:体积吸水率:影响吸水性的因素：材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；材料的孔隙率孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。（三）吸湿性 定义
11、：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示 影响吸湿性的因素：材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；材料的孔隙率；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；周围空气的温度和湿度。（四）材料的耐水性 定义：材料在长期饱和水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。工程对材料软化系数的要求 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其 K 软 0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其 K 软 0.75；K 软 0.80的材料，一般称为耐水的材料。(五)材料的抗渗性
12、 定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。衡量指标：AtHQdK=vm=vom=00vm=渗透系数 k，单位 cm/h，k 越大，材料的抗渗性越差。抗渗等级 Pn 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(P)表示：Pt6个试件中 4个未出现渗水时的最大水压值（MPa）P设计要求的抗渗等级值。影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性（六）材料的抗冻性 定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级 Fn 表示，表示经过 n 次冻融循环次数后，质量损失不超过
13、 5%，强度损失不超过 25%。冻融破坏的原因 材料有孔且孔隙含水；水冰，体积膨胀 9，结冰压力高达 100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。三、材料的热工性质 一、导热性 导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（）表示。式中 导热系数（W/m.K）Q传导的热量（J）A热传导面积（m2）d材料的厚度（m）t热传导时间（s）(T2-T1)材料两侧温差（K）导热系数的物理意义：表示单位厚度的材
14、料，当两侧温差为 1K 时，在单位时间内通过单位面积的热量。影响材料导热系数的因素有：材料的组成与结构 孔隙率及孔隙特征 含水情况 二、热容性 热容性 材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。其计算公式：Q=m.C(t1-t2)2 010+PPt E=式中：Q材料的热容量（kJ）m 材料的质量（kg）C材料的比热容 kJ/kg.K t1-t2 材料受热或冷却前后的温度差 比热容 1 kg材料在温度改变 1K 时吸收或放出的热量。第三节 材料的力学性质 一、材料的强度与强度等级 强度指材料抵抗破坏的能力。材料的抗压、抗拉、抗剪强度。二、材料的比强度 衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表
15、观密度之比，即：比强度材料的强度与其表观密度的比值（f/o），它是评价材料是否轻质高强的指标。几种材料的强度比较 材 料 表观密度(kg/m3)强度 f(MPa)比强度（f/o）低碳钢 7860 415 0.053 松 木 500 34.3 0.059 混凝土 2400 60 0.025 三、弹性与塑性 弹性：材料在外力作用下产生变形，外力撤掉后变形能完全恢复的性质 塑性：材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质 四、材料的脆性与韧性 脆性：在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵
16、抗冲击或震动荷载的能力很差。韧性：在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材、纤维等。桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。五、硬度和耐磨性 硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体刻划、压入其表面的能力。测定方法：刻划法、回弹法、压入法。磨损率 N=(M1 M2)/A m1 试件磨损前的质量（g）；m2 试件磨损后的质量（g）；A试件受磨面积（cm2）。第四节 材料的耐久性 材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的或外来因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原有性能不影响使用的性质。这是一个综合性指标。化学作用包括酸、碱、盐等物质
17、的水溶液以及有害气体的侵蚀作用。生物作用是指虫、菌的作用。砖、石材、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，同时也可能受到化学破坏作用。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变坏。二、提高耐久性的措施 减轻介质对材料的破坏作用 提高材料密实度 对材料进行憎水或防腐处理 在材料表面设置保护层 第三章 气硬性胶凝材料 胶凝材料：指经过自身的物理化学作用后，能够由浆体变成固体，并在变化过程中把一些散粒材料或块状材料胶结成具有一定强度的整体。煅烧石灰石或白垩,内含 CaCO3 温度过低时，欠火石灰（碳
18、酸钙没有完全分解，降低了生石灰的产量）温度在 900左右时，正火石灰 温度过高时，过火石灰（因煅烧温度过高使粘土杂质融化并包裹石灰，从而延缓石灰的熟化导致已硬化的砂浆产生鼓泡、崩裂等现象）生石灰的熟化：生石灰+水熟石灰 水化过程中体积增大 1-2.5倍，迅速放出大量热。将生石灰放入水中，注意水要过量，池中透明液体为氢氧化钙饱和溶液，下部沉淀即为熟石灰。工程上使用的石灰大都是熟石灰，有时需要使用石灰膏，有时使用熟石灰粉。“陈伏”，在这段时间里生石灰会完全和水反应，不会因含有过火石灰造成熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。将生石灰块淋水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。石灰的
19、硬化 干燥、结晶和碳化三个过程同时进行，但极为缓慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过程主要在内部发生。原因：空气中 CO2 含量稀薄，使碳化反应进展缓慢，同时表面的石灰浆一旦硬化就形成外壳，阻止了 CO2 的渗入，同时又使内部的水分无法析出，影响硬化过程的进行。石灰的技术要求 石灰的特性：可塑性好和保水性好（Ca(OH)2 粒子表面可以吸附水膜）；吸湿性好（生石灰可以用来做干燥剂）；凝结硬化慢；强度低；体积收缩大；耐水性差 石灰的应用：配制石灰砂浆、石灰乳；配制石灰土、三合土；生产碳化石灰板；加固含水的软土地基；静态破碎剂 石膏的凝结硬化：干燥硬化和结晶硬化两个过程交错进行 建筑石膏的特性：硬
20、化后体积微膨胀性 硬化后孔隙率大，其强度较低、表观密度小、吸声性较强、吸湿性较强。耐水性与抗冻性较差 凝结硬化快 防火性好但耐高温性差 建筑石膏的应用：纸面石膏板；装饰石膏板；吸声用穿孔石膏板；石膏艺术制品 特性水泥则是指某种性能比较突出的水泥 专用水泥是指专门用途的水泥 生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)主要矿物组成：硅酸三钙(C3S)；硅酸二钙(C2S)；铝酸三钙(C3A)；铁铝酸四钙(C4AF)水泥熟料单矿物水化时特征：有效成分含量未消化残渣含量生石灰的技术要求欠火程度产浆量有效成分含量游离水含量熟石灰粉的技术要求体积安定性细度 名称 硅酸 三钙 硅酸二钙 铝酸 三钙 铁铝酸 四钙 凝结
21、硬化速度 28d水化放热量 强度 快 多 高 慢 少 早期低，后期高 最快 最多 低 快 中 低 水化反应：方程式 硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。硅酸盐水泥的技术性质：细度；凝结时间；标准稠度用水量；体积安定性；强度与强度等级；水化热 细度 指水泥颗粒的粗细程度。水泥越细 优点：总表面积越大，与水发生水化反应的速度越快，水泥石的早期强度越高。缺点:硬化收缩越大；易受潮而降低活性；成本越高。GB 规定：硅酸盐水泥的比表面积应大于 300m2/kg；同时规定凡细度不符合规定者为不合格品。凝结（开始失去可塑性）终凝（完全失去可塑性）水泥的初凝时间不能过
22、短，否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。水泥的终凝时间不能过长，否则将延长施工进度和模板周转期。同时规定:初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品 在测定水泥的凝结时间、体积安定性时，要将水泥净浆拌到标准稠度，为了使试验结果具有可比性。不同的水泥品种，标准稠度用水量各不相同，一般在 24%33%之间。水泥标准稠度用水量=用水量/水泥用量（x100%）水泥的体积安定性 指水泥硬化后体积变化是否均匀的性质 不良：水泥硬化后体积发生不均匀膨胀，导致水泥石开裂、翘曲等现象。注意：安定性不良的水泥为废品水泥，严禁在工程中使用 引起安定性不良的原因：熟料中含有过多的游离 CaO
23、;熟料中含有过多的游离 MgO;石膏掺量过多 GB 规定：用沸煮法（试饼法、雷氏夹法）检验必须合格；熟料中 MgO 含量 5%；熟料中 SO3 含量 3.5%；水泥强度 水化热：水泥与水发生水化反应所放出的热量 对工程的影响：高水化热的水泥在大体积混凝土工程中是非常不利的，在大体积混凝土中应选择低热水泥；在混凝土冬期施工时，水化热有利于水泥的凝结、硬化和防止混凝土受冻。水泥石的腐蚀：水泥石在正常使用条件下，具有较好的耐久性，但在某些腐蚀性介质作用下，水泥石的结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部溃裂的这种现象 主要原因：淡水腐蚀；硫酸盐腐蚀；溶解性化学腐蚀 防止措施：根据工程所处环境，选用适当品种
24、的水泥；增加水泥制品的密实度，减少侵蚀介质的渗透；加做保护层 凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。粒化高炉矿渣活性混合材料 火山灰质混合材料粉煤灰混合材料磨细石英砂石灰石粉非活性混合材料 高炉渣在急冷水淬后，大部分来不及结晶呈 玻璃体，因而具有较大活性。如果缓慢冷却生成稳定的结晶，则不易产生化学反应，矿渣的水淬程度可以用 玻璃化率 来表示。矿渣的主要化学成分为 SiO2、A12O3、CaO、MgO 等。矿粉具有微弱的 自身水硬性。1862 年，德国的 E Langen 发现通过碱性激发，能发挥水淬矿渣的潜在水硬性。矿渣作
25、为水泥的混合材早已使用于水泥生产中，但因其细度不够，活性远末被利用，只是充当微集料而已。硬度较大，如果将矿渣单独磨细到比表面积 4000cm2/g 以上，其活性大大增加。通过不同 比表面积 和对 水泥置换率 组合，得到很有特色的混凝土。SiO2 和 Al2O3 是粉煤灰中的主要活性成分，粉煤灰的烧失量主要是 未燃尽碳，其 吸水量大，强度低，易风化，为粉煤灰中的有害成分。粉煤灰在水泥混凝土中可产生三种作用，即 形态减水效应 煤粉在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，可减少内摩擦力，从而减少混凝土用水量）、活性效应（粉煤灰中所含的活性 SiO2 和 Al2O3 能与水泥水化产生的
26、CH 反应生成类似水泥的水化产物)、微集料效应（粉煤灰中的微细颗粒均匀分散于水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构，增大了密实度）矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥分为 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等 6 个强度等级。三种水泥的水化特点：一次水化反应：首先是水泥熟料水化，生成较多的水化硅酸钙、氢氧化钙等水化产物 二次水化反应：氢氧化钙+Si02水化硅酸钙：氢氧化钙+Al2O3 水化铝酸钙 三种水泥的共同性质 凝结硬化慢，早期强度低，后期强度发展较快 抗软水、抗腐蚀能力强 水化热低、放热速度慢 抗碳化能力差抗冻性差、耐磨性差 湿热敏感性强，适合蒸汽养护
27、 三种水泥各自的特性 矿渣水泥耐热性强、干缩性较大、保水性差 火山灰水泥保水性好、抗渗性好、硬化干缩性显著 粉煤灰水泥干缩性小、抗裂性好 复合硅酸盐水泥特性取决于所掺混合材料的种类、掺量及相对比例 水泥包装袋上应清楚标明：生产者名称、生产许可证标志（QS）及编号、水泥名称、代号、强度等级、出厂编号、执行标准号、包装日期、净含量。包装袋两侧应根据水泥的品种采用不 同的颜色 印刷水泥名称和强度等级，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥采用 红色，矿渣硅酸盐水泥采用 绿色；火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥采用 黑色或蓝色。散装发运时应提交与袋装标志相同内容的 卡片。铝酸盐水泥：以铝酸钙为主
28、的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，代号为 CA。铝酸盐水泥的特性：快硬早强，后期强度下降；耐热性强；水化热高，放热快；抗渗性及耐腐蚀性强。砌筑水泥，适用于砖、石、砌块等砌体的砌筑砂浆和内墙抹面砂浆，但不得用于钢筋混凝土，作其他用途必须通过试验来确定。道路水泥早期强度高，特别是抗折强度高、干缩率小、耐磨性好、抗冲击性好，主要用于道路路面、飞机场跑道、广场、车站以及对耐磨性、抗干缩性要求较高的混凝土工程。中热水泥适用于要求水化热较低的大体积混凝土；可以克服因水化热引起的温差应力而导致混凝土的破坏；低热矿渣水泥主要适用于大坝或大体积混凝土及水下等要求低水化热的工程。快硬硅酸盐水泥 水泥的选
29、用：环境条件；工程特点；水泥的验收：标志验收；数量验收；质量验收；结论 水泥的运输与保管：防潮防水；分类储存；储存期不宜过长 混凝土：由胶凝材料、骨料、水按适当比例配合拌制而成的混合物，经一定的时间硬化而成的人造石材 按干表观密度分：普通混凝土的四种基本组成材料：水泥、砂子、石子、水 水泥的强度等级应与混凝土强度等级相匹配。细骨料：粒径在 0.154.75mm 之间的岩石颗粒。细骨料主要采用天然砂（河砂、海砂、山砂）和人工砂(机制砂、混合砂)。砂子技术性能：含泥量、石粉含量和泥块含量 表观密度、堆积密度、空隙率 有害物质含量 活性氧化硅 粗细程度和颗粒级配 坚固性 筛分析试验 评定砂的粗细程度
30、和颗粒级配 筛余量；a分计筛余百分率（%）；A 累计筛余百分率（%）；细度模数 3.73.1为粗砂（I区），3.02.3为中砂（II区），2.21.6（III区）为细砂。除 4.75mm 和 0.60mm 号外，允许稍有超出分界线，但其总量百分率不应大于 5。以累计筛余百分率为纵坐标，画出砂、级配区的筛分曲线 粗骨料技术要求 有害杂质含量；强度 针片状颗粒含量 颗粒级配与最大粒径 坚固性 石子强度指标(1)岩石抗压强度:将母岩制成 50mm 50mm 50mm 的立方体试件或 50mm 50mm 的圆柱体试件，在水中浸泡 48h 以后，取出擦干表面水分，测得其在饱和水状态下的抗压强度值(2)压
31、碎指标值:公式 粗骨料的颗粒级配按供应情况分 连续粒级 和 单粒级。最大粒径：公称粒级的上限 最大粒径不得超过 结构截面最小尺寸 的 1/4；不得超过 钢筋最小净距 的 3/4；对于实心板，不得超过板厚的 1/2且不得超过 50mm；对于泵送混凝土，最大粒径与输送管道内径之比，碎石不宜大于 1:3，卵石不宜大于 1:2.5。骨料粒径太大使转换梁浇筑不密实 骨料的含水状态一 般可分为 干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态 等四种 细骨料的体积和堆积密度与其含水状态紧密相关。气干状态的砂随着其含水率的增大，砂颗粒表面形成一层吸附水膜，引起砂体积增加，这种现象称为砂的 容胀，细砂的 湿胀 要比
32、粗砂大得多。当砂的含水率增大至 5一 8%，其体积最大而堆积密度最小，砂的体积可增加20一 30。若含水率继续增大，砂表面水膜增厚，水的自重超过砂粒表面对水的吸附力而产生流动，水迁入砂粒间的间隙中，砂体积减小。流动性测定：1.坍落度法：适用于坍落度不小于 10mm，骨料最大粒径不大于 40mm 2.维勃稠度法：适用于坍落度小于 10mm，维勃稠度在 530s的混凝土拌合物。影响混凝土和易性的因素 水泥浆量及水灰比。在水灰比不变的情况下，如果水泥浆越多，则拌合物的流动性越大；但若水泥浆过多，使拌合物的流动性、粘聚性变差。砂率。砂率是指砂用量占砂、石总用量的质量百分比。砂率过大或过小都会导致混凝土
33、和易性变差，应选择合理砂率。水泥品种及细度、骨料的性质。用矿渣水泥时，坍落度较普通水泥小，泌水性增加。环境因素、施工条件、时间、外加剂 石子表面状态 砂率对混凝土坍落度的影响：注意图 混凝土的强度 混凝土立方体抗压强度及强度等级 混凝土轴心抗压强度 混凝土的抗拉强度 1.立方体抗压强度 GB/T 50081 2002 规定，按标准方法制作的试件，在标准条件养护到 28d 龄期，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度，以 fcu 表示。2.混凝土强度等级是 根据混凝土的立方体抗压强度标准值划分的 立方体抗压强度标准值系指在 28d 龄期用标准试验方法测得的具有 95保证率的抗压强度，以 fc
34、u.k表示。普通混凝土划分为十二个强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55 和 C60。混凝土破坏情况：骨料最先破坏；水泥石破坏；骨料与粘结面的破坏 混凝土的强度 主要取决于骨料和水泥石的粘结力及水泥石的强度。而骨料与水泥石的粘结力又与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质有密切关系。此外，混凝土的强度还与养护条件、龄期、试验条件有关。水泥强度等级和水灰比是影响混凝土强度最主要因素。在 W/C 不变时，水泥强度等级愈高，则配制的混凝土强度也就愈高 在水泥强度等级一定时，混凝土的强度则主要取决于 W/C.。水灰比定律 在材料相同的条件下，砼强度
35、值随水灰比的增大而减小，其变化规律呈近似双曲线形状。(1918年阿布拉姆斯发表)在材料相同的条件下，当砼 W/C 在 0.33 0.80，砼 28d 的抗压强度与灰水比呈直线关系 混凝土强度经验公式(又称 鲍罗米公式)fcu 混凝土 28d 抗压强度；fce 水泥的 28d 抗压强度实测值 经验系数：碎石 a=0.46;b=0.07 卵石 a=0.48;b=0.33 骨料的影响：骨料的表面状态；骨料的级配；骨料的强度、有害杂质含量等；石子形状 养护温度及湿度（温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素）。龄期（在正常养护的条件下，混凝土的强度将随龄期的增长而不断发展）。普通砼，在标准养护条件
36、下，砼强度的发展，大致与其龄期的常用对数成正比关系：公式 试验条件：试件尺寸，应根据骨料的最大粒径选择，相同的混凝土，试件尺寸越小测得的强度越高；试件的形状，当试件受压面积(a a)相同，而高度(h)不同时，高宽比(h/a)越大，抗压强度越小；表面状态，试件表面有、无润滑剂，其对应的破坏形式不一，所测强度值大小不同；加荷速度，加荷速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加，所测强度值偏高。提高混凝土强度的措施 采用高等级水泥或早强型水泥；采用低水灰比的干硬性混凝土；采用湿热处理养护混凝土；采用机械搅拌、机械振捣；掺入混凝土外加剂、掺合料等。混凝土的变形性能(一)非荷载作用下的变形 化学收缩 混
37、凝土的干缩湿胀 温度变形(二)荷载作用下的变形 短期荷载作用下的变形 长期荷载作用下的变形 徐变 化学收缩：在混凝土硬化过程中，由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小，从而引起混凝土的收缩 干湿变形：由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。混凝土在干燥过程中，由于毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空气湿度的降低负压逐渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。同时，凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，凝胶体因失水而产生紧缩。温度变形：混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体渗透的能力。抗渗性好坏用抗渗等级来表示。抗渗等级
38、分为 P4、P6、P8、P10、P12 等 5个等级。混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用。提高混凝土抗渗性的根本措施在于增强混凝土的密实度。抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性能，抗冻等级根据混凝土所能承受的反复冻融循环的次数，划分为 F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300 等 9 个等级。混凝土的密实度、孔隙的构造特征是影响抗冻性的重要因素 混凝土的碳化：指空气中的 CO2 在湿度适宜的条件下与水泥水化产物 Ca(OH)2 发生反应，生成碳酸钙和水，使混凝土碱度降低的过程，碳化也称中性化。混凝土的碱骨料反应：
39、是指水泥中的碱(Na2O 和 K2O)含量较高时与骨料中的活性 SiO2 发生反应，在骨料表面生成碱 硅酸凝胶，这种凝胶具有吸水膨胀特性，会使包裹骨料的水泥石胀裂，这种现象称为碱 骨料反应。提高混凝土耐久性的主要措施（1）合理选择水泥品种（2）适当控制混凝土的水灰比及水泥用量（3）选用质量良好的砂石骨料（4）掺入引气剂或减水剂（5）加强混凝土的施工质量控制 混凝土的质量控制 混凝土生产前的 初步控制（人员配备、设备调试、组成材料的检验及配合比的确定与调整）混凝土 生产 过程中的 控制（称量、搅拌、运输、浇筑、振捣及养护）混凝土生产后的 合格 性 控制（批量划分，确定批取样数，确定检测方法和验收
40、界限）强度平均值只反应混凝土强度总体强度水平,不能说明强度波动的大小.标准差小,正态颁布曲线窄而高,说明强度分布集中，混凝土质量均匀性好；反之，混凝土 的施工控制质量较差 变异系数：由于随强度等级的提高而增大，当混凝土强度不同时,可采用 v作为评定混凝土质量均匀性的指标。v，表示混凝土质量；v，则表示混凝土质量。混凝土配合比设计的四项基本要求：1.满足结构对 强度 等级要求；2.满足施工所要求的 和易性；3.满足工程 耐久性 的要求；4.符合 经济 原则.混凝土配合比：是指单位体积的混凝土中各组成材料的质量比例。混凝土配合比设计：确定这种数量比例关系的工作 混凝土配合比的表示方法（1）相对用量
41、表示法（2）绝对用量表示法 初步配合比试验室配合比施工配合比 配合比设计的三参数：水灰比、单位用水量、砂率 水灰比 混凝土中水与水泥的比例 砂率 砂子占砂石总量的百分率 单位用水量 用水量是指 1m3 混凝土拌和物中水的用量（kg/m3）初步配合比的确定 1.确定配制强度(fcu,o)。1。645 2.确定水灰比值(W/C)复核耐久性 3.确定用水量(mwo)干硬性和塑性混凝土用水量 流动性和大流动性混凝土用水量 4.计算混凝土的单位水泥用量(mco)复核耐久性 5.确定合理砂率(查表、试验、计算)6.确定 1m3 混凝土的砂石用量（体积法）6.质量法确定砂石用量 7 得出初步配合比，表示为
42、m：C:S:G:W 或者 1：s/c：g/c：w/c 混凝土实验室配合比设计包括 配合比的试配、调整与确定。按初步配合比计算实际各项材料用量，进行试拌，过程如下：（1）检验工作性，确定基准配合比 mga。按计算出的初步配合比进行试拌，以校核混凝土拌和物的工作性。如试拌得出的拌和物的坍落度（或维勃稠度）不能满足要求，或粘聚性和保水性能不好时，措施：保证水灰比不变的条件下，相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。提出供混凝土强度校核用的“基准配合比”，表示为 mca：mwa：msa：（2）检验强度 拟定三个不同的配合比，其中一个为按上述得出的基准配合比，另外两个配合比的水灰比值，应较基准配合比分别
43、增加及减少 0.05（或 0.10），其用水量应该与基准配合比相同，但砂率值可增加及减少 1%。制作检验混凝土强度的试件时，尚应检验拌和物的坍落度（或维勃稠度）、粘聚性、保水性及测定混凝土的表观密度，并以此结果表征该配合比的混凝土拌和物的性能。每种配合比至少制作一组（3 块）试件，在标准养护 28d 条件下进行抗压强度测试。确定满足强度要求的配合比，表示为 mcb：mwb：msb：mgb。（3）密度复核，确定实验室配合比 混凝土计算表观密度：wb gb sb cbm m m moh 计 2%时需校正 确定校正系数：确定试验室配合比：实测施工现场砂、石含水率分别为 a%、b%，则施工配合比的各种
44、材料单位用量为：施工配合比为：CWSG 粉煤灰掺入混凝土具有三大效应:形态效应;火山灰效应;微集料效应“等量取代法”。如果掺粉煤灰后水泥用量略有减少，而以等体积粉煤灰取代细骨料即为 超量取代法 国家标准 GB 807587中按外加剂的主要功能将混凝土外加剂分为四类：(1)改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，其中包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。(2)调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，其中包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。(3)改善混凝土耐久性的外加剂，其中包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。(4)改善混凝土其他性能的外加剂，其中包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂和泵送剂等。减水剂：指能保持混凝
45、土的和易性不变，而显著减少其拌和用水量的外加剂.水泥加水拌和后，水泥颗粒间会相互吸引，形成许多絮状物。当加入减水剂后，减水剂能拆散这些絮状结构，把包裹的游离水释放出来。减水剂 主要有 木质素系、萘系、树脂系、糖蜜系和腐殖酸 等几类。早强剂：加速混凝土早期强度发展的外加剂。外加剂能加速水泥的水化过程，提高混凝土的早期强度并对后期强度无显著影响.目前常用的早强剂有氯盐、硫酸盐、三乙醇胺三大类及以它们为基础的复合早强剂。在搅拌混凝土的过程中，能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂称为引气剂。0.051.25mm 的气泡，能改善混凝土的 和易性，提高混凝土的抗冻性、抗渗性等耐久性，适用于港口
46、、土工、地下防水混凝土等工程。缓凝剂：延长混凝土凝结时间的外加剂 一般外加剂 不能直接加入 混凝土搅拌机内。掺入方法有：先掺法、同掺法、后掺法。轻骨料混凝土 是一种轻质、高强、多功能的新型建筑材料，具有表观密度小、保湿性好、抗震性强等优点。普通防水混凝土（提高自身密实度和抗渗性）膨胀水泥防水混凝土（积增大的 水化硫铝酸钙，总孔隙率减少，孔径减小，从而提高混凝土抗渗性）C60 C90 的混凝土称为 高强混凝土，C100 以上的混凝土称为 超高强混凝土。高性能混凝土：1.高强度。2.高耐久性。3.高尺寸稳定性。4.高抗裂性。5.经济合理性 纤维改性水泥基复合材料（纤维的阻裂、增韧和增强作用）建筑材
47、料 第一章 绪言 1.1土木工程材料的分类 按材料的化学成分分类：无机材料。金属材料。钢、铁、铝等。非金属材料。石、玻璃、水泥、混凝土等。金属-非金属复合材料。钢筋混凝土等。有机材料。木材、石油沥青、塑料等。有机-无机复合材料。无机非金属-有机复合材料。金属-有机复合材料。按功能分类;结构材料主要作用承重的材料，如梁、板、柱所用材料。功能材料主要利用材料的某些特殊功能，如用于防水、保温、装饰等的材料。1.2材料的基本状态参数 1.2.1材料的密度、表观密度和堆积密度 1.2.1.1密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为密度。=m/V。材料的密度，g/cm；m材料在干燥状态下的质量，g；
48、V材料在绝对密实状态下的体积，cm。土木工程材料重点总结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的实体积。常用的土木工程材料中，除了钢、玻璃、沥青等认为不含孔隙外，绝大多数都含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简单方法，是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法测得的粉末体积，即为绝对密实体积。一般要求细粉的粒径至少小于 0.20mm。1.2.1.2表观密度 材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度。o=m Vo。o材料的表观密度，kg/m；m材料的质量，kg；Vo材料在自然状态下的体积，m。所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。测定材料自然状态下的体
49、积，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算。若外观形状不规则，可用排液法求得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值，应在材料表面涂蜡。1.2.1.3堆积密度 散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量，称为堆积密度。o=m Vo。o散粒材料的堆积密度，kg m；m散粒材料的质量，kg；Vo散粒材料的自然堆积体积，m。散粒材料堆积状态下的外观体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积。散粒材料的堆积体积，常用其所填充满的容器的标定容积来表示。1.2.2材料的孔隙和空隙 1.2.2.1材料的孔隙 孔隙从两个方面对材料产生影响：孔隙的多少孔隙的特征 材料中含有孔隙
50、的多少常用孔隙率表征。孔隙率是材料内部孔隙体积 VP占材料总体积 VO的百分率。孔隙率p=（VO-V）VO*100%.与孔隙率相对应的是密实度，即材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率。密实度 D=V VO*100%=o*100%=1-材料的孔隙特征。按孔隙尺寸的大小。分为微孔、细孔和大孔。按孔隙之间是否相互贯通。分为孤立孔和连通孔。按孔隙与外界之间是否连通。分为开口孔和封闭孔。1.2.2.2材料的空隙 散粒材料颗粒间的空隙体积 VS占堆积体积的百分率。空隙率 p=（VO-Vo）Vo*100%=（1-oo）*100%与空隙率相对应的是填充率，即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。填充率