第 1 章工程材料

第1章工程材料 • 1.1 工程材料的分类与基本性质 • 1.2 水泥 • 1.3 混凝土 • 1.4 建筑砂浆 • 1.5 砌体材料 • 1.6 建筑钢材 • 1.7 防水材料

1.按化学组成分类 1.1.1 工程材料的分类

2.按使用功能分类

开口孔隙：与外界相连通的孔隙； 闭口孔隙：与外界隔绝的孔隙。极细孔隙：孔径D<0.01mm；细小孔隙：孔径D<1.0mm；粗大孔隙：孔径D>1.0mm。 1.1.2 工程材料的物理性质

式中： —材料的密度，g/cm3； —材料的质量（干燥至恒重），g； —材料在绝对密实状态下的体积，cm3。 (一)密度、表观密度、体积密度和堆积密度 1. 密度在测定有孔隙材料（如砖、石等）的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏密度瓶测定其绝对密实体积。

式中： —材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； —材料在干燥状态下的质量； —材料在包含闭口孔隙条件下的体积，m3或cm3。 2. 表观密度（视密度）材料在包含闭口孔隙条件下的体积是采用排液置换法或水中称重法测量。

式中： —材料的体积密度，kg/m3或g/cm3； —材料的质量，按有关标准规定，该质量是指自然状态下的气干质量，即将试件置于通风良好的室内存放7 d后测得的质量，kg或g； —材料在自然状态下的体积，包括材料实体及内部孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）体积，m3或cm3。 3. 体积密度（容重）对于不规则形状材料的体积，可采用封蜡排液法测得。

式中： —材料的堆积密度，kg/m3； —材料的质量，kg； —材料的堆积体积，m3。 4. 堆积密度材料的堆积体积包括材料绝对体积、材料内部所有孔隙体积和颗粒间的空隙体积。

表1-1 常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度

材料的孔隙率是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率。材料的孔隙率是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率。密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。 (二) 材料的孔隙率和密实度 1.孔隙率 2.密实度

材料空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积占堆积体积的百分率。材料空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积占堆积体积的百分率。填充率是指散粒状材料在自然堆积状态下，其中的颗粒体积占自然堆积状态下的体积的百分率。 (三) 材料的空隙率和填充率 1.空隙率 2.填充率

例：某容量筒质量为3.4 kg，容积为10L。容量筒装满绝对干燥石子后的总质量为18.4 kg。若向筒内注入水，待石子吸水饱和后，再注满此筒，共注入水 4.27 kg。将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为15.2kg。求该石子的表观密度、体积密度、堆积密度和填充率。

(四) 材料与水有关的性质 1.亲水性与憎水性亲水性是指材料与水接触后能被水湿润并将水吸入内部的性质；憎水性是指材料与水接触后能将水排斥在外的性质。亲水性材料：水泥、砂、石材、砖、木材等；憎水性材料：沥青、油漆、塑料、防水油膏等。

式中： ——质量吸水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料在吸水饱和状态下的质量，g。 1）质量吸水率质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数。 2．材料的吸水性与吸湿性（1）吸水性

2）体积吸水率 体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材料体积的百分数。式中： ——体积吸水率，％； ——干操材料体积，cm3； ——水的密度，g/cm3。

吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。 式中： ——材料的含水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料含水状态下的质量，g。材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。（2）吸湿性

材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。式中： ——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。软化系数的范围波动在0～1之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。 3．耐水性

抗渗性指材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。抗渗性指材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。式中： —渗透系数，cm/h； —透水量，cm3； —试件厚度，cm； —透水面积，cm2； —时间，h； H—水头高度，cm。渗透系数的物理意义是：单位时间内，在一定的水压作用下，单位厚度的材料，单位截面积上的透水量。渗透系数越小的材料表示其抗渗性越好。 4．抗渗性

抗渗等级是指在规定试验条件下，材料渗透时所能承受的最大水压力。如混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，有P2、P4、 P6、 P8、 P10、 P12等几个等级。

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质。 材料的抗冻性用抗冻等级来表示。如混凝土的抗冻等级以符号F表示，F100表示所能承受的最大冻融循环次数不少于100次，试件的相对动弹性模量下降至≤60％或质量损失不超过5％。 5．抗冻性

［工程实例］加气混凝土砌块吸水分析 现象：某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为表现密度为700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样的方式往墙上浇水，发现原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块虽表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。

材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力 。材料的热容量用比热容来表示。式中： ——材料的热容量，kJ； ——材料的重量，kg； ——材料受热或冷却前后的温度差，K； ——材料的比热容，kJ/（kg·K）。材料比热容的物理意义是：单位重量的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。 (五)材料的热工性质 1.材料的热容量

当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。式中： ——材料的导热系数，W/（m·K）； ——传导的热量，J； ——材料的厚度，m； ——材料传热的面积，m2； ——传热时间，s； ——材料两侧温度差，K。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在1s时间内通过1m2面积的热量。 2．材料的导热性

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，工程中通常把 ＜0.23 W/（m·K）的材料称为绝热材料。材料的导热系数和热容量是建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算要用到的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。

表1-2常用土木工程材料的热工性质指标

加气混凝土砌块与几种墙体材料导热系数比较

1.1.3 工程材料的力学性质 (一)强度强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。表1－3常用材料强度(MPa)

比强度，指材料强度与其体积密度之比。它是评价材料是否轻质高强的指标。材料比强度越大，越轻质高强。 表1-4钢材、木材和混凝土的强度比较

弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。式中： ——材料所受的应力， MPa； ——材料在应力作用下产生的应变，无量纲。塑性指在外力作用下材料产生变形，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形。 (二)弹性和塑性

(三)脆性和韧性 脆性指材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度比其抗拉强度往往要高很多倍。它对承受振动作用和抵抗冲击荷载是不利的。砖、石材、陶瓷、玻璃、铸铁等都属于脆性材料。韧性指在冲击或振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。低碳钢、木材等属于韧性材料。

(四) 硬度和耐磨性 硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。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，即材料受磨损后单位受磨面积损失的材料质量。材料的耐磨性与材料的组成结构及强度、硬度有关。

1.1.4 工程材料的耐久性 • 物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等 • 化学作用：酸、碱、盐等 • 生物作用：细菌、微生物等材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。

作业 1.名词解释 ⑴平衡含水率 ⑵耐水性 ⑶比强度 ⑷弹性 2.简答题 ⑴材料的密度、表观密度、体积密度及堆积密度有何区别？ 3.计算题某材料密度为2.60g/cm3，干燥表观密度为1600 kg/m3，现将质量为954g的该材料浸入水中，待吸水饱和后取出称得质量为1086g。试求该材料的孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。

1. 按矿物组成分 可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和铁铝酸盐类水泥等。 2. 按用途分通用水泥：用于一般土木建筑工程的水泥，包括硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥。专用水泥：专门用途的水泥，如油井水泥、低热水泥、道路水泥等。特性水泥：某种性能比较突出的水泥，如快硬水泥、白色水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥等。 1.2.1 水泥的分类

1.2.2 硅酸盐水泥 (一)硅酸盐水泥的生产与基本组成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（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型：不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号P•I；在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质量 5％的石灰石或料化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P•Ⅱ。

石膏石灰质原料按比例配合磨细煅烧(1450℃) 粘土质原料生料熟料水泥铁矿粉等图1-2硅酸盐水泥的生产流程 1. 硅酸盐水泥的生产硅酸盐水泥的生产过程分为制备生料、煅烧熟料、粉磨水泥三个主要阶段，该生产工艺过程可概括为“两磨一烧”，如图1-2所示。

2. 硅酸盐水泥熟料矿物组成 表1-5硅酸盐水泥熟料主要矿物及其含量

表1-6各种熟料矿物单独与水作用的性质 矿物名称性质

硅酸盐水泥硬化后生成的主要水化物有： 水化硅酸钙(3CaO•2SiO2•3H2O) 水化铁酸钙(CaO•Fe2O3•H2O) 水化铝酸钙(3CaO•Al2O3•6H2O) 水化硫铝酸钙(3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O) 氢氧化钙 Ca(OH)2 水化硅酸钙对水泥石的强度和其他主要性质起主导作用。

(二)硅酸盐水泥的主要技术要求 1. 细度细度是指水泥颗粒的粗细程度。根据国家标准（GB175-2007）规定，硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg(1kg水泥所具有的总表面积)。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。优点：水泥越细硬化收缩越大；易受潮而降低活性；成本越高。缺点:

2. 凝结时间 水泥凝结时间分初凝时间和终凝时间。水泥加水拌合时起开始失去可塑性完全失去可塑性初凝终凝

水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义。例如：混凝土的施工。水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义。例如：混凝土的施工。结论2：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。结论1：水泥的初凝时间不能过短，否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。硅酸盐水泥初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于6.5 h。凡凝结时间不符合规定的水泥，为不合格品。

3. 体积安定性 体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀程度，又称水泥安定性。安定性不良的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不合格品。国家标准规定，硅酸盐水泥熟料中游离氧化钙含量用沸煮法检验必须合格，游离氧化镁的含量一般不得超过5%，三氧化硫的含量不得超过3.5%。

4. 强度 水泥强度等级是按规定龄期水泥胶砂的抗压强度和抗折强度来划分，水泥胶砂的抗压强度和抗折强度是指按水泥：标准砂（质量比）=1：3，水灰比0.5，以规定方法制成尺寸为40×40×160mm胶砂试件，在标准温度20℃±1℃的水中养护，测定3天、28天的试件抗压强度和抗折强度。

表1-7 硅酸盐水泥的强度要求

(三)硅酸盐水泥石的腐蚀与防止 1. 硅酸盐水泥石的腐蚀 (1)软水腐蚀软水侵蚀又称溶出性侵蚀，它是指水泥石长期与雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水等含少量碳酸氢盐的软水相接触，使水泥石中氢氧化钙不断溶解流失，从而使水泥石的结构受到破坏。 (2)硫酸盐腐蚀含硫酸盐的海水、湖水、地下水及某些工业污水，长期与水泥石接触时，其中的硫酸盐会与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）。二水硫酸钙与水泥石中的水化铝酸钙作用会生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）： 3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaSO4·2H2O）+19H2O =3CaO·Al2O3·3CaSO4·3lH2O

(3)镁盐腐蚀 在海水及地下水中，常含有大量的镁盐，主要是硫酸镁和氯化镁。它们与水泥石中的氢氧化钙发生反应： MgSO4+ Ca(OH)2+H2O=CaSO4·2H2O+ Mg(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+ Mg(OH)2 (4)一般酸性腐蚀无机酸中的盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸和有机酸中的醋酸等对水泥石都有不同程度的腐蚀作用。例如，盐酸与水泥石中的氢氧化钙作用生成氯化钙，反应产物易溶于水，导致水泥石破坏。

(5)强碱腐蚀 碱类溶液在浓度不大时，一般对水泥石是无害的。但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也会发生腐蚀。氢氧化钠与水泥熟料中未水化的铝酸盐反应，会生成易溶的铝酸钠： 3CaO·Al2O3+6NaOH=3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2

2. 腐蚀的防止 (1)根据侵蚀环境特点，合理选用适当品种的水泥。 (2)尽量提高水泥石的密实度，减少腐蚀水的渗透作用。 (3)必要时可在混凝土表面设置防护层。

1.2.3 掺混合材料的硅酸盐水泥 (一)水泥混合材料 1. 活性混合材料活性混合材料也称为水硬性混合材料，它是具有火山灰性或潜在水硬性，以及兼有火山灰性和水硬性的矿物质材料，包括粒化高炉矿渣、火山灰质混合料、粉煤灰。 2. 非活性混合材料非活性混合材料是不具备上述活性材料性能或只具有微弱活性的材料，如石英砂、石灰石粉等，另外，不符合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰质混合料、粉煤灰，也可作为非活性混合材料应用。

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