《土木工程材料》課程教學(xué)指導(dǎo)書.doc

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《土木工程材料》課程教學(xué)指導(dǎo)書 內(nèi)容簡介 本書主要是配合《土木工程材料》教材編寫的，是一本讓讀者在短期內(nèi)學(xué)好土木工程材料知識的教學(xué)輔導(dǎo)書。本書共有《土木工程材料》課程教學(xué)大綱、輔導(dǎo)材料、典型復(fù)習(xí)題、樣卷、試題命題格式、期中試題及答案等六個部分組成。其中輔導(dǎo)材料部分包括基本性質(zhì)、天然石材、氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土、砂漿、聚合物材料、瀝青材料和防水材料、瀝青混合料、建筑鋼材、墻體材料、木材、絕熱材料和吸聲隔聲材料、材料試驗等重要內(nèi)容，每章由重點知識介紹和典型例題組成。典型復(fù)習(xí)題部分由計算題、填空題、是非題和簡答題等組成。內(nèi)容豐富，簡明扼要。 本書可作為土木工程類各專業(yè)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，還可供相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員作為參考用書。 前 言 本書主要是配合《土木工程材料》（由浙江工業(yè)大學(xué)葉青教授和深圳大學(xué)丁鑄教授擔(dān)任主編）教材編寫的，是一本讓讀者在短期內(nèi)學(xué)好土木工程材料知識的教學(xué)輔導(dǎo)書。本書共有《土木工程材料》課程教學(xué)大綱、輔導(dǎo)材料、典型復(fù)習(xí)題、樣卷、試題命題格式、期中試題及答案等六個部分組成。其中輔導(dǎo)材料部分包括基本性質(zhì)、天然石材、氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土、砂漿、聚合物材料、瀝青材料和防水材料、瀝青混合料、建筑鋼材、墻體材料、木材、絕熱材料和吸聲隔聲材料、材料試驗等重要內(nèi)容，每章由重點知識介紹和典型例題組成。典型復(fù)習(xí)題部分由計算題、填空題、是非題和簡答題等組成。內(nèi)容豐富，簡明扼要。 本書由浙江工業(yè)大學(xué)葉青和浙江樹人大學(xué)盛黎擔(dān)任主編，浙江工業(yè)大學(xué)孔德玉和浙江樹人大學(xué)金小群擔(dān)任副主編。各章編寫人員如下：盛黎編寫輔導(dǎo)材料中的氣硬性膠凝材料、墻體材料、瀝青材料和防水材料、聚合物材料、絕熱材料和吸聲隔聲材料、土木工程材料試驗等內(nèi)容，孔德玉編寫輔導(dǎo)材料中的混凝土和砂漿等內(nèi)容，金小群編寫輔導(dǎo)材料中的建筑鋼材和木材等內(nèi)容，其余部分主要由葉青編寫。 本書可作為土木工程類各專業(yè)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，還可供相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員作為參考用書。 由于土木工程材料科學(xué)和技術(shù)發(fā)展很快，新材料、新工藝層出不窮，各行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，加之我們的水平所限，編寫時間倉促，書中難免有不當(dāng)、甚至錯誤之處，敬請讀者批評指正。 編者 2011年3月 目 錄 Ⅰ《土木工程材料》課程教學(xué)大綱...…………………………………..….1 Ⅱ《土木工程材料》輔導(dǎo)材料……………………………….…………….3 緒論……………………………….…………………………..………….3 1材料基本性質(zhì)……….…….……………………………………….… 2天然石材……………………………………………………………... 3氣硬性膠凝材料……………………………………………………... 4水泥…………………………………………………………………... 5水泥混凝土 …………………………………………………........... 6砂漿…………………………………………………………………. 7聚合物材料…………………………………………………………. 8瀝青材料和防水材料………………………………………………. 9熱拌瀝青混合料……………………………………………………. 10建筑鋼材…………………………………………………………... 11墻體材料…………………………………………………………... 12木材……………………………………………………................... 13絕熱材料和吸聲材料…………………………………................... 14其它土木工程材料……………………………………................... 15土木工程材料試驗……………………………………................... Ⅲ《土木工程材料》典型復(fù)習(xí)題……………………………………….... 一、典型計算題……………………………………………………….. 二、典型填空題……………………………………………………….. 三、典型是非題……………………………………………………….. 四、典型簡答題……………………………………………………….. 五、典型名詞解釋題………………………………………………….. Ⅳ《土木工程材料》樣卷…………………………………….................... Ⅴ《土木工程材料》試題命題格式…………………………………….... Ⅵ《土木工程材料》期中試題及答案…………………………………… Ⅰ《土木工程材料》課程教學(xué)大綱 1. 課程的性質(zhì)、目的和任務(wù) 本課程是土木工程類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，它與公共基礎(chǔ)課及專業(yè)緊密銜接，起著承上啟下的作用。 本課程的教學(xué)目的在于使學(xué)生掌握主要土木工程材料的性質(zhì)、用途和使用方法以及檢測和質(zhì)量控制方法，并了解土木工程材料的性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及性能改善的途徑。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能針對不同工程合理選用材料，并能與后續(xù)課程密切配合，了解材料與設(shè)計參數(shù)及施工措施選擇的相互關(guān)系。 2. 考試目的與要求 主要檢驗對土木工程材料基本性質(zhì)及各項特性的掌握程度，以及對材料性質(zhì)的影響因素，合理選用土木工程材料的要求及實驗檢驗方法的掌握程度。 要求：概念明確；分析討論切題；基本計算方法準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理符合標(biāo)準(zhǔn)。每一章節(jié)中要求“（重點）掌握”部分為重點，占考試內(nèi)容的主要部分?！耙话阏莆铡辈糠忠曰靖拍顬橹?。“了解”部分主要是拓寬土木工程材料的知識面。 3. 課程的基本要求 0緒論 了解土木工程材料的發(fā)展、地位、分類和標(biāo)準(zhǔn)等。熟練掌握數(shù)值修約規(guī)則。 1土木工程材料的基本性質(zhì) 1.熟練掌握土木工程材料的基本力學(xué)性質(zhì)。 2.掌握土木工程材料的基本物理性質(zhì)、測定和計算方法。 3.掌握土木工程材料的耐久性基本概念。 4.了解土木工程材料的基本組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，了解組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與材料性能的關(guān)系。 通過材料基本性質(zhì)的學(xué)習(xí)，要求了解材料科學(xué)的一些基本概念，并掌握材料各項基本力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、耐久性質(zhì)等材料性質(zhì)的意義，以及它們之間的相互關(guān)系和在工程實踐中的意義。 2石材 1.了解巖石的形成與分類，了解常用的天然巖石。 2.了解巖石的技術(shù)性質(zhì)、加工類型和選用原則。 3氣硬性膠凝材料 1.了解石膏、石灰、水玻璃等氣硬性膠凝材料的硬化機理、性質(zhì)及使用要點。 2.了解石膏、石灰、水玻璃的主要用途。 4水泥 1.熟悉硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及其與水泥性能之間的關(guān)系，了解通用硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)和硬化機理，熟練掌握通用硅酸鹽水泥的技術(shù)性能要求、檢測方法及選用原則。 2.了解其他水泥品種及其性質(zhì)和使用特點。(自學(xué)) 5水泥混凝土 1.掌握普通混凝土組成材料的品種、技術(shù)要求及選用(包括砂、石、水泥、水、摻合料及外加劑)；熟練掌握各種組成材料各項性質(zhì)的要求，測定方法及對混凝土性能的影響。 2.熟練掌握混凝土拌和物的性質(zhì)及其測定和調(diào)整方法。 3.熟練掌握硬化混凝土的力學(xué)性質(zhì)，變形性質(zhì)和耐久性質(zhì)及其影響因素。 4.熟練掌握普通混凝土的配合比設(shè)計方法。 5.了解混凝土技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢。(自學(xué)) 6.了解其它品種混凝土的特性及應(yīng)用。(自學(xué)) 6砂漿 1.掌握砌筑砂漿的性質(zhì)、組成、檢測方法及其配比設(shè)計方法。 2.熟悉抹面砂漿的主要品種性能要求。了解其他砂漿。 7聚合物材料（建筑塑料、涂料與膠粘劑） 1.熟悉合成聚合物材料的性能特點及主要聚合物材料的品種。 2.熟悉土木工程中合成聚合物材料的主要制品及應(yīng)用(包括塑料及其型材、涂料、粘結(jié)劑等)。 8瀝青材料和防水材料 1.掌握瀝青材料的基本組成，工程性質(zhì)及測定方法，了解瀝青的改性及主要瀝青制品及其用途。 2.掌握防水材料的主要類型及性能特點。 9熱拌瀝青混合料 熟悉瀝青混合料的組成材料、組成結(jié)構(gòu)、礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計、熱拌瀝青混合料的配合比設(shè)計。 10建筑鋼材 1.了解建筑鋼材的冶煉、加工與分類。 2.重點掌握建筑鋼材的力學(xué)性能和工藝性能，掌握化學(xué)成分對鋼材性能的影響。 3.了解建筑鋼材的強化機理及強化方法。 4.重點掌握土木工程中常用建筑鋼材的分類及其選用原則。 11墻體與屋面材料 1.掌握常用砌體材料（燒結(jié)普通磚、多孔磚和空心磚）的性質(zhì)和應(yīng)用特點。 2.了解其它墻體與屋面材料。 12木材(自學(xué)) 1.了解木材的宏微觀結(jié)構(gòu)； 2.掌握木材的物理、力學(xué)性能，了解防腐、防火措施。 3.了解木材的應(yīng)用。 13絕熱材料與吸聲材料 1.了解保溫、隔熱材料的主要類型及性能特點。 2.了解吸聲、隔聲材料的主要類型及性能特點。 14其它土木工程材料 1.掌握裝飾材料的基本功能與選擇 2.了解裝飾用面磚、板材、玻璃、卷材和涂料。 15土木工程材料試驗（下列試驗必做） 1.水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量測定、安定性檢驗、水泥膠砂強度。 2.砂的篩分析、表觀密度、堆積密度實驗。 3.混凝土的拌制、和易性、體積密度、抗壓強度實驗。 4.磚抗壓強度實驗（演示）。 5.鋼筋拉伸實驗（演示）。 6.瀝青三大指標(biāo)。 7.瀝青混合料（演示）。 Ⅱ《土木工程材料》輔導(dǎo)材料 緒 論 一、重點知識介紹 1.土木工程材料的定義 土木工程材料是指在土木工程建設(shè)中所使用的各種材料及其制品的總稱，它是土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2.土木工程材料的分類 按材料的使用性能，可分為①承重結(jié)構(gòu)材料，②非承重結(jié)構(gòu)材料，③功能材料。 按材料的使用部位，可分為結(jié)構(gòu)材料、墻體材料、屋面材料、地面材料和飾面材料等。 按工程類別，可分為建筑材料、道路建筑材料、港工材料、水工材料和核工業(yè)材料等。 按材料的化學(xué)組成，可分為無機材料、有機材料和復(fù)合材料。詳見表0-1。 3.土木工程材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 在我國，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為四級：國家標(biāo)準(zhǔn)GB、部頒標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)DB和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求指標(biāo)要高于國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)等。 土木工程材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是確定產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)依據(jù)。對于生產(chǎn)企業(yè)，必須按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，控制其質(zhì)量。對于使用部門，則按照標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行選材、設(shè)計和施工，并按標(biāo)準(zhǔn)驗收產(chǎn)品。 二、例題 例題0-1：全數(shù)值比較法和修約值比較法的示例與比較 項目 極限數(shù)值 測定值或其計算值 按全數(shù)值比較是否符合要求 修約值 按修約值比較是否符合要求 中碳鋼的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) % ≤0.5 0.452 符合 0.5 符合 0.500 符合 0.5 符合 0.549 不符合 0.5 符合 0.551 不符合 0.6 不符合 盤條直徑mm 10.00.1 (不含－0.1) 9.94 符合 9.9 不符合 9.86 不符合 9.9 不符合 10.06 符合 10.1 符合 10.05 符合 10.0 符合 例題0-2：現(xiàn)測得普通水泥的28d抗折破壞荷載分別為：3330、3800、4000N。試計算抗折強度。解： 抗折強度（計算精確至0.1MPa）測定結(jié)果取三塊試樣的平均值，當(dāng)三個強度值中有超過平均值的10％時，應(yīng)予剔除后再取平均值作為抗折強度實驗結(jié)果。 F/N 3330 3800 4000 f/MPa 7.8 8.9 9.4 f3平均=8.7。(9.4－8.7)/8.7=8.04%=8%＜10%，(8.7－7.8)/8.7=10.34%=10%≤10%。沒有超過10％ 結(jié)果 28d抗折強度= 8.7 MPa ff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.53330100/(40402)=7.8MPa ff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.53800100/(40402)=8.9MPa ff=1.5FfL/(bh2)=1.5Ff100/(40402)=1.54000100/(40402)=9.4MPa 第一章 土木工程材料的基本性質(zhì) 一、重點知識介紹 1.材料的物理性質(zhì) （1）材料的含水狀態(tài)及其質(zhì)量 親水材料的含水狀態(tài)主要有濕潤狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)、氣干狀態(tài)和干燥狀態(tài)四種，其對應(yīng)的質(zhì)量按大小排列為濕潤狀態(tài)質(zhì)量（mwet或m濕）＞飽和面干狀態(tài)質(zhì)量或表干質(zhì)量（mssd或mb）＞氣干狀態(tài)質(zhì)量（mad）＞干燥質(zhì)量（mod或m）。 （2）材料的含孔狀態(tài)及其體積 大多數(shù)材料內(nèi)部都含有孔隙，孔隙的特征和孔隙的多少對材料的性能均會產(chǎn)生影響。若把開口孔和閉口孔的體積分別記為VK和VB，則材料的孔隙體積VP =VK＋VB。 ①材料絕對密實體積，用V表示。是指不包括材料內(nèi)部孔隙體積的固體物質(zhì)的實體體積。 ②材料絕對密實體積＋閉口孔隙體積，用V＋VB=V =V排表示。是指包括了材料內(nèi)部閉口孔隙體積的固體物質(zhì)本身的體積。它等于干燥狀態(tài)粒狀或塊狀材料的排水體積（V排）。因為水不能進(jìn)入閉口孔，故常用排水法測定該體積。 ③自然狀態(tài)下的體積，用V0=V＋VP=V＋VK＋VB表示。是指材料的實體體積與材料所含全部孔隙體積之和，即包括材料實體體積和內(nèi)部孔隙的外觀幾何形狀的體積。 ④散粒狀材料的總體積，用V0=各單個顆粒外觀幾何形狀的體積之和+顆粒之間的空隙體積=V+VP+VV=V+VK+VB+VV表示。 （3）材料質(zhì)量與體積有關(guān)的性質(zhì) 將所有密度概括為密度*，即通式為 ρ*=m*/V*。 密度ρ*=m*/V*= m/V=ρ； 表觀密度（如，砂的表觀密度）ρ*=m*/V*= m/（V+VB）= m/V排=ρ’； 體積密度（如，磚的體積（或表觀）密度）ρ*=m*/V*= m*/V0= m*/（V+VB+VK）=ρ0； 松堆密度ρ*=m*/V*= m*/V筒= m*/（V+VB+VK+VV）=ρ0’。 材料的密度＞表觀密度＞體積密度＞堆積密度。 （4）孔隙率與空隙率P*=1—ρ*0/ρ* 材料內(nèi)部孔隙體積占總體積的百分率稱為材料的孔隙率P=1—ρ0/ρ。 散粒材料堆積體積中，顆粒間空隙體積（還應(yīng)包括（部分）開口孔體積）所占總體積的百分率稱為空隙率P’=1—ρ0’/ρ’。 體積吸水率約等于開口孔隙率。WV=（mb－m）/（V0ρW）=Wmρ0/ρ水≈PK。 一般而言，孔隙率較小且連通孔較少的材料，其吸水性較小、強度較高、抗?jié)B性與抗凍性較好。空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒之間相互填充的密實程度。 （5）材料與水有關(guān)的性質(zhì) ①親水性和憎水性 當(dāng)材料與水之間的分子親合力大于水本身分子間的內(nèi)聚力時，材料表現(xiàn)為親水性。當(dāng)材料與水之間的分子親合力小于水本身分子間的內(nèi)聚力時，材料表現(xiàn)為憎水性。親水性材料易被水潤濕，且水能通過毛細(xì)管作用而滲入材料內(nèi)部，表現(xiàn)為毛細(xì)管水上升。憎水性材料則能阻止水分滲入毛細(xì)管中，從而降低材料的吸水性，表現(xiàn)為毛細(xì)管水下降。憎水性材料常被用作防水材料。 ②吸濕性 材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性，用含水率表示。含水率是指材料內(nèi)部所含水質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。材料中所含水分與周圍空氣的濕度相平衡時的含水率，稱為平衡含水率。當(dāng)材料吸濕達(dá)到飽和狀態(tài)或極限時的含水率即為吸水率。 （廣義）含水率：材料試樣在105℃溫度下烘至恒量時所失去的水的質(zhì)量與試樣干質(zhì)量的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。 ③吸水性 材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。吸水性用吸水率表示，有以下兩種表示方法： 質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時，其內(nèi)部所吸收水分的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。 體積吸水率是指材料在吸水飽和時，其內(nèi)部所吸收水分的體積占干燥材料自然體積的百分率，即為開口孔隙率。體積吸水率=質(zhì)量吸水率體積密度／水的密度。 對于細(xì)微連通的孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。封閉的孔隙內(nèi)水分進(jìn)不去，而開口的大孔雖然水分易進(jìn)入，但不易保留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。材料吸水后會導(dǎo)致其自重增大、導(dǎo)熱性增大、強度與耐久性下降。干濕交替還會引起材料形狀和尺寸的改變而影響使用。 ④耐水性 材料長期在飽和水作用下，強度不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性，用軟化系數(shù)表示。 土木工程中將K軟＞0.85的材料，稱為耐水材料。在設(shè)計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)時，必須選用K軟＞0.85的材料。用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其值不宜＜0.75。 ⑤抗?jié)B性 材料抵抗壓力水（或溶液）滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性。材料的抗?jié)B性通常用滲透系數(shù)K表示。K值愈大，表示滲透通過材料的水量愈多，即抗?jié)B性愈差。 材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級表示。抗?jié)B等級是以規(guī)定的試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下所能承受的最大水壓力來確定。例如，混凝土抗?jié)B等級以符號“Pn”表示，P8表示在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下150mm厚的混凝土材料能承受0.8 MPa的水壓而不滲水。 ⑥抗凍性 材料在吸水飽和狀態(tài)下，經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而質(zhì)量損失不大，強度也無顯著降低的性質(zhì)稱為材料的抗凍性，用抗凍等級表示?？箖龅燃壥且砸?guī)定的試件，在規(guī)定的試驗條件下，測得其強度（慢凍法）（或相對動彈性模量（快凍法））降低和質(zhì)量損失不超過規(guī)定值時所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)，用符號“Fn”表示，其中n即為最大凍融循環(huán)次數(shù)，如F50、F100等。 材料受凍融破壞主要是因其孔隙中的水結(jié)冰所致。摻入引氣劑可以提高混凝土的抗凍性。 ⑦材料與熱有關(guān)的性質(zhì) 導(dǎo)熱性：材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性，用導(dǎo)熱系數(shù)表示。工程中通常把導(dǎo)熱系數(shù)＜0.23W/(m.K)的材料稱為絕熱（保溫隔熱）材料。導(dǎo)熱系數(shù)與材料的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、孔隙特征、濕度、溫度和熱流方向等有著密切的關(guān)系。 熱容量：是指材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力。在相同的熱源下，物質(zhì)的熱容量越大，則溫度越不容易升降。 比熱：是反映材料的吸熱或放熱能力大小的物理量。應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)較小而熱容量較大的材料，這有利于保持建筑物室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。 耐火性：指材料在長期高溫作用下，能保持其結(jié)構(gòu)和工作性能的基本穩(wěn)定而不損壞的性能，用耐火度表示。根據(jù)耐火度可分為耐火材料、難熔材料和易熔材料。 耐燃性：指材料能經(jīng)受火焰和高溫的作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能，是影響建筑物防火、結(jié)構(gòu)耐火等級的重要因素。根據(jù)耐燃性可分為不燃材料、難燃材料和易燃材料。 ⑧材料與聲音有關(guān)的性質(zhì) 被材料吸收的聲能E（包括部分穿透材料的聲能在內(nèi)）與原先傳遞給材料的全部聲能E0之比，是評定材料吸聲性能好壞的主要指標(biāo)，稱為吸聲系數(shù)。材料內(nèi)部開口并連通的氣孔越多，吸聲性能越好。材料的吸聲性能除了與材料本身性質(zhì)及厚度、有無空氣層及空氣層的厚度、材料表面狀況等有關(guān)外，還與聲波的入射角及頻率有關(guān)。規(guī)定取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz等六個頻率的吸聲系數(shù)來表示材料的吸聲特性。吸聲材料在上述六個規(guī)定頻率的平均吸聲系數(shù)應(yīng)大于0.2。 2.材料的力學(xué)性質(zhì) ①強度 材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為強度[f=F/A，f折=1.5FL/（bh2）]，可分為抗壓、抗拉、抗彎及抗剪強度等。量綱/單位，力（F）化為牛頓N代入，長度（b、h、L、“A”）單位以mm代入，則強度單位為MPa或N/mm2。 ②影響材料強度的主要因素 材料的組成、材料的結(jié)構(gòu)、含水狀態(tài)、溫度、試件形狀和尺寸、加荷速度、試件表面性狀。 ③強度等級 按強度值的大小可劃分為若干個強度等級。例如，普通混凝土按其抗壓強度分為C7.5～C60共十二個強度等級。 ④比強度 等于材料強度與其體積密度之比，反映材料單位體積質(zhì)量的強度。是衡量材料輕質(zhì)高強性能的重要指標(biāo)。優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，必須具有較高的比強度。 ⑤材料的彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后變形即可消失并能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。典型的彈性材料，如橡皮筋和低碳鋼（在屈服前）等。 ⑥材料的塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，不能恢復(fù)變形的性質(zhì)稱為塑性。典型的塑性材料，如橡皮泥和低碳鋼（在屈服階段）等。 ⑦材料的脆性 材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)到一定值時，材料突然破壞，而無明顯的塑性變形的性質(zhì)稱為脆性。脆性材料的抗壓強度遠(yuǎn)大于其抗拉強度，可高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。天然巖石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等均為脆性材料。 ⑧材料的韌性 材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生較大變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。典型的韌性材料，如低碳鋼和低合金鋼等。對于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁和橋梁等所用的材料，均應(yīng)具有較高的韌性。 ⑨材料的硬度 是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力?？虅澐ǔＳ糜跍y定天然礦物的硬度，按刻劃法的礦物硬度分為十級（莫氏硬度）。鋼材、木材及混凝土等材料的硬度常用壓入法測定，例如布氏硬度。工程中有時也可用硬度來間接推算材料的強度。 ⑩材料的耐磨性 是指材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨損率表示。材料的耐磨性與材料的化學(xué)成分、礦物成分、結(jié)構(gòu)、強度、硬度等因素有關(guān)。在土木工程中，對于用作踏步、臺階、地面、路面等部位的材料，應(yīng)具有較高的耐磨性。 延伸率是衡量材料塑性性能的指標(biāo)。工程上通常把＞5％的材料稱為塑性材料，如鋼、銅、鋁合金等；把＜5％的材料稱為脆性材料，如鑄鐵、陶瓷、石材等。低碳鋼是典型的塑性材料，其延伸率為20～30％。鑄鐵是典型的脆性材料，其延伸率＜1％。 3.材料的耐久性 材料的耐久性是指在環(huán)境的多種因素作用（物理作用、化學(xué)作用、機械作用、生物作用和綜合作用）下，能經(jīng)久不變質(zhì)、不破壞，長久地保持其性能的性質(zhì)。耐久性是材料的一項綜合性質(zhì)，諸如抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗風(fēng)化、抗老化、大氣穩(wěn)定、耐化學(xué)腐蝕等均屬耐久性的范圍。此外，材料的強度、抗?jié)B性、耐磨性等也與材料的耐久性有著密切的關(guān)系。 耐久性快速試驗的項目主要有：凍融循環(huán)、人工加速碳化、干濕循環(huán)、紫外線＋干濕循環(huán)、鹽溶液浸漬＋干濕循環(huán)、化學(xué)介質(zhì)浸漬等。 采用耐久性優(yōu)良的材料，對節(jié)約材料、減少維護(hù)費用、保證和延長建筑物長期正常使用等，均具有十分重要的意義。因此，重要的土木工程項目，不僅要按強度指標(biāo)來設(shè)計，而且要按耐久性指標(biāo)來設(shè)計。 4.組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對材料性質(zhì)的影響 （1）材料的組成 化學(xué)組成是指構(gòu)成材料的基本化學(xué)元素或化合物的種類和數(shù)量。 無機非金屬材料中具有特定的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。礦物組成是決定材料性質(zhì)的主要因素。 材料中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻部分稱為相（phase）。凡由兩相或兩相以上物質(zhì)組成的材料稱為復(fù)合材料。兩相之間的分界面稱為界面，在實際材料中，界面是一個很薄的薄弱區(qū)，可稱為“界面相”。 （2）材料的結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)，尺寸范圍在0.1～1000nm?？捎秒娮语@微鏡和X射線衍射儀等手段來研究該層次的結(jié)構(gòu)特征。材料的許多物理性質(zhì)，如強度、硬度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等都是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的。材料在微觀結(jié)構(gòu)層次上可分為晶體、玻璃體和膠體。 細(xì)觀結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)，其尺寸范圍在1～1000μm。對于材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，只能針對某種具體材料來進(jìn)行具體的分類研究。對天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體組織；對鋼材可分為鐵素體、滲碳體、珠光體；對木材可分為木纖維、導(dǎo)管、髓線、樹脂道；對混凝土可分為水泥硬化漿體、骨料及其界面。 宏觀結(jié)構(gòu)是指用肉眼或在10～100倍放大鏡或顯微鏡下就可分辨的粗大級組織，其尺寸在1mm以上。材料的宏觀結(jié)構(gòu)直接影響到材料的體積密度、滲透性、強度等性質(zhì)。相同組成的材料，如果質(zhì)地均勻，結(jié)構(gòu)致密，則強度高，反之則強度低。按孔隙特征分為密實結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。按構(gòu)造特征分為纖維結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)和堆聚結(jié)構(gòu)。 （3）材料的構(gòu)造 材料的構(gòu)造是指材料的宏觀組織狀況，是指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元相互組合和搭配的情況。材料構(gòu)造與結(jié)構(gòu)相比，更強調(diào)了相同材料或不同材料的組合和搭配關(guān)系。 二、例題 例題1-1：用同種材料制成的磚，由于其孔隙狀況不同，試分析其性能變化規(guī)律。 解：答案填入下表。 孔隙率 孔隙特征 密度 體積密度 抗壓強度 吸水率 抗?jié)B性 抗凍性 導(dǎo)熱系數(shù) 吸聲系數(shù) 大 相同 (PK=PB) 相同 小 小 大 差 差 小 大 小 大 大 小 好 好 大 小 相同 閉孔 相同 大 小 好 好 小 小 開口 小 大 差 差 大 大 相同 大孔 相同 小 小 差 差 大 小 小孔 大 大 好 好 小 大 例題1-2：一加氣砼試塊，其ρ=2.30g/cm3，m=500g，將它浸沒于水中，吸水飽和后測得，mb=600g，V排水=1000cm3。（1）求其閉口孔隙率、體積密度和體積吸水率？（2）若上述材料為加氣砼碎塊，則其表觀密度為多少？ 解：（1）PK ≈WV=（mb－m）/（V0ρW）=（600－500）/ [（1000+（600－500）/1.0）1.0]=9.1% ρ0=m/V0=500/（1000+（600－500）/1.0）=455 kg/m3， P=1—ρ0/ρ=1－0.455/2.30=80.2%， PB =P－ P K=80.2－9.1=71.1%。 （2）ρ’=m/V排水=500/1000=0.50 g/cm3=500 kg/m3。 例題1-3：一塊尺寸標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)普通磚（24011553），其干燥質(zhì)量為2500g，其質(zhì)量吸水率為14.0%，其密度為2.70g/cm3。試求該磚的閉口孔隙率。（提示：孔隙率=閉口孔隙率 + 開口孔隙率，開口孔隙率約等于體積吸水率）。 解：ρ0=m/V0=2500/（24.011.55.3）=1.71g/cm3 P開=W體=（m1－m）/（V0ρ水）= W質(zhì)ρ0/ρ水=14.0%1.71/1.00=23.9% P=1－ρ0/ρ=1－1.71/2.70=36.7%， P閉=P－P開=36.7－23.9=12.8%。 例題1-4：一塊破磚，其ρ=2.70g/cm3，m=2000g，將它浸沒于水中，吸水飽和后測得，mb=2300g，V排水=880cm3。求其閉口孔隙率、體積密度和體積吸水率？ 解：PK ≈WV=（mb－m）/（V0ρW）=（2300－2000）/[（880+（2300－2000）/1.0）1.0]=25.4% ρ0=m/V0=2000/（880+（2300-2000）/1.0）=1.69g/cm3， P=1—ρ0/ρ=1－1.69/2.70=37.4%， PB =P－P K=37.4－25.4=12.0%。 例題1-5：一塊破磚，其ρ=2.70g/cm3，m=2000g，將它浸沒于水中，吸水飽和后測得，mb=2300g，并在水中稱得它（吸水飽和）的重量為1120g。求其閉口孔隙率、體積密度和體積吸水率？ 解：PK ≈WV=（mb－m）/（V0ρW）=（2300－2000）/[（2000－1120）/1.00+（2300－2000）/1.00）1.00]= （2300－2000）/[（2300－1120）/1.00]1.00]=25.4% V0=V+VB+VK=V排+VK=（mb－m水中）/1.00， ρ0=m/V0=2000/（（2300－1120）/1.00）=1.69g/cm3， P=1—ρ0/ρ=1－1.69/2.70=37.4%， PB =P－P K=37.4－25.4=12.0%。 例題1-6：某巖石的密度為2.70g/cm3，孔隙率為1.9%；今將該巖石破碎為碎石，測得碎石的堆積密度為1450kg/m3，空隙率為45.9%。試求此巖石的體積密度和碎石的表觀密度。 解：由孔隙率P=1－ρ0/ρ=1－ρ0/2.70=1.9%，得此巖石的體積密度ρ0=2.65 g/cm3， 由空隙率P’=1－ρ’0/ρ’=1－1450/ρ’=45.9%，得此巖石的表觀密度ρ’=2680 kg/m3。 例題1-7：某石材在氣干、絕干(105℃烘干)、水飽和條件下測得的抗壓強度分別為74、80、65MPa，求該石材的軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程。 解：軟化系數(shù)=65/80=0.81 不能用于水下工程 土木工程中將K軟＞0.85的材料，稱為耐水材料。在設(shè)計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)時，必須選用K軟＞0.85的材料。 例題1-8：稱取堆積密度為1480kg/m3的干砂300g，將此砂裝入500mL的容量瓶（已有約250mL水）內(nèi)，并排盡氣泡，靜止24h小時后加水到刻度，稱得總重量為850g；將瓶內(nèi)砂和水倒出，再向瓶內(nèi)重新注水到刻度，此時稱得總重量為666 g。再將砂敲碎磨細(xì)過篩（0.2 mm）烘干后，取樣55.01 g，測得其排水體積V排水為20.55 cm3。試計算該砂的空隙率。 解：密度ρ=m/V=55.01/20.55=2.68 g/cm3， ρ’=3001/(300+666-850)=2.59 g/cm3， 空隙率P’=1－ρ’0/ρ’=1－1.48/2.59=42.9%。 例題1-9：今有濕砂（濕潤狀態(tài)）100.0kg，已知其含水率為8.8％，則其干燥質(zhì)量是多少？ 解：由W含=(m含－m)/m得到，m= m含/(1+W含) = 100.0/ (1+8.8%)=91.9kg。 例題1-10：材料的孔隙和體積形式有哪幾種？材料各密度與孔隙之間有什么關(guān)系？ 答：材料的孔隙形式：①按孔隙尺寸大小，分為微孔、細(xì)孔和大孔三種；②按孔隙之間是否相互連通，分為孤立孔和連通孔；③按孔隙與外界是否連通，分為與外界連通的開口孔和與外界不連通的閉口孔。 材料的體積形式：①材料絕對密實體積，②材料絕對密實體積＋閉口孔隙體積，③自然狀態(tài)下的體積，④散粒狀材料的總體積。 材料各密度與孔隙之間有什么關(guān)系 密度ρ= m/V；材料絕對密實體積，無孔。 表觀密度（例如，砂的表觀密度）ρ’= m/（V+VB）= m/V排；材料絕對密實體積＋閉口孔隙體積。 （毛）體積密度（例如，磚的表觀密度）ρ0= m*/（V+VB+VK）；自然狀態(tài)下的體積。 松堆密度ρ0’= m*/（V+VB+VK+VV）；散粒狀材料的總體積。 例題1-11：什么是材料的耐水性，用什么表示？在材料選用時有什么要求？ 答：材料長期在飽和水作用下，強度不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。用軟化系數(shù)表示。 土木工程中將K軟＞0.85的材料，稱為耐水材料。在設(shè)計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)時，必須選用K軟＞0.85的材料。用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其值不宜＜0.75。 例題1-12：什么是材料的導(dǎo)熱性？用什么表示？如何利用孔隙提高材料的保溫性能？ 答：材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。用導(dǎo)熱系數(shù)表示。 導(dǎo)熱系數(shù)與材料的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、孔隙特征、濕度、溫度和熱流方向等有著密切的關(guān)系。由于密閉空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很?。?.023W/(m.K)），當(dāng)材料的孔隙率較大并多數(shù)為細(xì)小的閉口孔時，其導(dǎo)熱系數(shù)較小；但當(dāng)孔隙粗大或貫通時，由于對流作用，材料的導(dǎo)熱系數(shù)反而增加。 例題1-13：什么是材料的強度和強度等級？影響材料強度的因素有哪些？ 答：材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為強度，并以單位面積上所能承受的荷載大小來衡量。由于各種材料的強度差別甚大，在土木工程材料中按其強度值的大小所劃分的若干個等級，即為強度等級。 影響材料強度的主要因素：①材料的組成，②材料的結(jié)構(gòu)，③含水狀態(tài)，④溫度，⑤試件形狀和尺寸，⑥加荷速度，⑦試件表面性狀。 例題1-14：什么是材料的耐久性？通常用哪些性質(zhì)來反映？ 答：材料的耐久性是指在環(huán)境的多種因素作用下，能經(jīng)久不變質(zhì)、不破壞，長久地保持其性能的性質(zhì)。通常用諸如抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗風(fēng)化、抗老化、大氣穩(wěn)定、耐化學(xué)腐蝕性等來反映。此外，材料的強度、抗?jié)B性、耐磨性等與材料的耐久性有著密切的關(guān)系。 例題1-15：材料的宏觀構(gòu)造對其性質(zhì)有什么影響？ 答：材料的構(gòu)造是指材料的宏觀組織狀況，是指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元相互組合和搭配的情況。如具有特定構(gòu)造的蜂窩板，是由不同性質(zhì)的材料經(jīng)特定組合而形成的一種復(fù)合材料，這種構(gòu)造賦予蜂窩板良好的隔熱保溫、隔聲吸聲、堅固耐久等整體功能和綜合性質(zhì)。 例題1-16：今有一種粗骨料的干燥質(zhì)量為1000g、在水中（吸水飽和）的質(zhì)量為635g、表干質(zhì)量為1025g。試求其表觀密度、表干密度、毛體積密度和質(zhì)量吸水率。解： 試驗次數(shù) 干燥質(zhì)量m 在水中質(zhì)量msw 表干質(zhì)量mssd 水的密度ρw 備注 1 1000 g 635 g 1025 g 0.99822 15℃水 2 表觀密度（g/cm3） =mρw/（m－msw） 2.73 g/cm3 表干密度（g/cm3） 飽和面干 =mssdρw/（mssd－msw） 2.62 g/cm3 毛體積密度(g/cm3) =mρw/（mssd－msw） 2.56 g/cm3 質(zhì)量吸水率 =（mssd－m）/m 2.50% 第二章 天然石材 一、重點知識介紹 1. 巖石的形成與分類 天然石材源于冷凝的熔融巖漿或再經(jīng)變質(zhì)或沉積而成。 造巖礦物是具有一定化學(xué)成分和一定結(jié)構(gòu)特征的天然固態(tài)化合物或單質(zhì)體，是組成巖石的礦物。主要造巖礦物有30多種，各種造巖礦物各具有不同的顏色和特征。 ①石英 結(jié)晶的SiO2。堅硬高強，化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性好，常呈白色、乳白或淺灰。 ②長石 結(jié)晶的鋁硅酸鹽。堅硬高強，化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性不及石英好，易風(fēng)化。 ③云母 片狀含水鋁硅酸鹽晶體。有層理，易裂成薄片，耐久性差，強度較低。 ④角閃石、輝石、橄欖石 均為結(jié)晶的鐵、鎂、鈣硅酸鹽。高強度，韌性好，耐久，暗色。 ⑤方解石 結(jié)晶的碳酸鈣。白色，強度中等，易被酸類分解，微溶于水，易溶于碳酸水。 ⑥白云石 結(jié)晶的碳酸鈣鎂復(fù)鹽（CaCO3.MgCO3）。白色或灰色，強度高于方解石。 天然巖石按形成的原因不同可分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖等三大類。 巖漿巖是由地殼內(nèi)部熔融巖漿上升過程中在地下或噴出地面后以不同的冷卻速度冷凝而成的巖石，它是組成地殼的主要巖石。根據(jù)巖漿冷凝情況的不同，又分為深成巖、噴出巖和火山巖。 沉積巖是由露出地表的各種巖石經(jīng)自然界的風(fēng)化、搬運、沉積并重新成巖而形成的巖石，主要存在于地表及不太深的地下。其特點是結(jié)構(gòu)致密性較差、體積密度較小、孔隙率較大、強度較低、耐久性相對較差。根據(jù)沉積巖的生成條件，可分為機械沉積巖、化學(xué)沉積巖、有機沉積巖。 變質(zhì)巖是由原有巖石經(jīng)變質(zhì)而成的巖石。即地殼中原有的各類巖石，在地層的壓力或溫度作用下，在固體狀態(tài)下發(fā)生再結(jié)晶作用，使其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造乃至化學(xué)成分發(fā)生部分或全部改變而形成的新巖石。一般由巖漿巖變質(zhì)而成的稱正變質(zhì)巖，由沉積巖變質(zhì)而成的稱副變質(zhì)巖。 大理石 海洋生物遺骸→沉積→石灰?guī)r→變質(zhì)→大理石 粘土/砂 巖漿→上升，冷卻→花崗巖→變質(zhì)→片麻巖→風(fēng)化→石英砂，高嶺土 石英巖 花崗巖→砂+SiO2膠結(jié)→硅質(zhì)砂巖→石英巖 2. 石材的技術(shù)性質(zhì) （1）物理性質(zhì) 為了確保石材的強度和耐久性等性能，一般要求所用石材的體積密度較大、吸水率小、耐水性好、抗凍性好和耐火性好等。 （2）力學(xué)性質(zhì) ①抗壓強度，是以邊長為70mm的立方體試塊用標(biāo)準(zhǔn)方法測得的抗壓強度的平均值表示。石材共分七個強度等級：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30和MU20。 ②沖擊韌性，石材的沖擊韌性決定于巖石的礦物組成與構(gòu)造。含暗色礦物較多的輝長巖、輝綠巖等具有較高的韌性。而石英巖、硅質(zhì)砂巖的脆性較大。通常，晶體結(jié)構(gòu)的巖石較非晶體結(jié)構(gòu)的巖石具有較高的韌性。 ③硬度，它取決于石材的構(gòu)造與造巖礦物的硬度。凡由致密、堅硬礦物組成的石材，其硬度就高。巖石的硬度以莫氏硬度表示。 ④耐磨性，是指石材在使用條件下抵抗摩擦、邊緣剪切以及沖擊等復(fù)雜作用的性質(zhì)。石材的耐磨性以單位面積磨耗量表示或以磨耗率（試驗后磨耗質(zhì)量與裝入試驗機圓筒中的石料試樣質(zhì)量之比，如采用洛杉磯磨耗試驗）表示。石材的耐磨性與其礦物的硬度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征以及石材的抗壓強度和沖擊韌性等有關(guān)。礦物愈堅硬、構(gòu)造愈致密以及石材的抗壓強度和沖擊韌性愈高，石材的耐磨性愈好。 （3）工藝性質(zhì) 石材的工藝性質(zhì)，主要指其開采和加工過程的難易程度及可能性，包括加工性、磨光性和抗鉆性等方面。 3.天然石材的加工類型和應(yīng)用 （1）天然石材的加工類型 ①毛石，是在采石場爆破后直接得到的形狀不規(guī)則的石塊。按其表面的平整程度分為亂毛石和平毛石兩類。常用于砌筑基礎(chǔ)、勒腳、墻身、堤壩、擋土墻等，也可配制片石混凝土等。 ②料石，是用毛料加工成較為規(guī)則的、具有一定規(guī)格的六面體石材。按料石表面加工的平整程度可分為以下四種：毛料石、粗料石、半細(xì)料石和細(xì)料石。料石常用于砌筑墻身、地坪、踏步、拱和紀(jì)念碑等。 ③板材，是由花崗巖或大理巖荒料經(jīng)鋸切、研磨、拋光等加工后的石板?？煞譃槠胀ㄐ桶宀?、異形板材。 （2）常用石材在土木工程中的應(yīng)用 ①花崗巖，是巖漿巖中分布最廣的一種巖石。主要由長石、石英和少量云母等組成。具有孔隙率較小、吸水率較低、抗壓強度較高、材質(zhì)堅硬、耐磨性優(yōu)異等特點，對酸具有高度的抗腐性，對堿類侵蝕也有較強的抗腐性，耐久性很高。但耐火性較差，當(dāng)溫度達(dá)700℃以上時，花崗巖中的石英產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變而使體積膨脹，故發(fā)生火災(zāi)時，花崗巖會發(fā)生嚴(yán)重開裂而破壞。花崗巖是公認(rèn)的高級建筑結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料。其塊狀石材可用于大型建筑物的基礎(chǔ)、勒腳、柱子、欄桿、踏步等部位，也可用于橋梁、堤壩等工程中，是建造永久性工程、紀(jì)念性建筑的良好材料。板狀石材，質(zhì)感堅實，華麗莊重，是室內(nèi)外均可使用的高級裝飾材料。 ②大理石，是一種含碳酸鹽礦物（以方解石、白云石為主）大于50%的變質(zhì)巖?？箟簭姸葹?0～140MPa。但硬度不大，較易進(jìn)行鋸解、雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超過1%，耐久性較好，一般使用年限為40～100年。裝飾性好。但其抗風(fēng)化性能差，因其主要化學(xué)成分是碳酸鹽類，易被酸侵蝕。建筑上所說的大理石是廣義的，是指具有裝飾功能的，并可磨光、拋光的各種沉積巖和變質(zhì)巖。由石英巖或硅質(zhì)砂巖加工而成的廣義大理石，具有強度高、耐磨性能好、抗風(fēng)化性能好的特點。 ③石灰?guī)r，屬于沉積巖，主要化學(xué)成分為CaCO3，主要礦物成分為方解石和白云石等。體積密度為2000～2800kg/m3，抗壓強度為20～160MPa，吸水率為1%～10%。石灰?guī)r來源廣，硬度低，易劈裂，便于開采，具有一定的強度和耐久性。其塊石可作為建筑物的基礎(chǔ)、墻身、階石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它還是生產(chǎn)水泥和石灰的主要原料。 ④砂巖，屬于沉積巖，它是由石英砂或石灰?guī)r等細(xì)小碎屑經(jīng)沉積并重新膠結(jié)而形成的巖石。它的性質(zhì)決定于膠結(jié)物的種類及膠結(jié)的致密程度。根據(jù)膠結(jié)物的不同，砂巖可分為硅質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)砂巖、鐵質(zhì)砂巖、粘土質(zhì)砂巖。硅質(zhì)砂巖由氧化硅膠結(jié)而成，常呈淡灰色，致密的硅質(zhì)砂巖性能接近于花崗巖；鈣質(zhì)砂巖由碳酸鈣膠結(jié)而成，呈白色，鈣質(zhì)砂巖的性質(zhì)類似于石灰?guī)r；鐵質(zhì)砂巖由氧化鐵膠結(jié)而成，常呈紅色。砂巖常用于基礎(chǔ)、墻體、人行道和踏步等，還可用作混凝土骨料。純白色砂巖俗稱白玉石，可用做雕刻及裝飾材料。 ⑤石英巖，主要是由硅質(zhì)砂巖變質(zhì)而成的，石英含量大于85%。巖體均勻致密，抗壓強度大（250～400MPa），耐久性好，但硬度大、加工困難。常用作重要建筑物的貼面石，耐磨耐酸的貼面材料，其碎塊可用于道路或用作混凝土的骨料。 ⑥道路用石材，根據(jù)造巖礦物的成分、含量以及組織結(jié)構(gòu)分為四大巖石類：巖漿巖類、石灰?guī)r類、砂巖與片麻巖類、礫巖。再根據(jù)石材的飽水抗壓強度和磨耗率，各巖石類分為四個等級：1級最堅硬的巖石、2級堅硬的巖石、3級中等強度的巖石、4級較軟的巖石。 （3）天然石材的選用原則 土木工程中應(yīng)根據(jù)建筑物的類型、環(huán)境條件等慎重選用石材，使其既符合工程要求，又經(jīng)濟(jì)合理。一般應(yīng)從以下幾方面選用。力學(xué)性能、耐久性、裝飾性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。 二、例題 例題2-1：按巖石的生成條件，巖石可分為哪幾類？舉例說明。 答：天然巖石按形成的原因不同可分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖等三大類。 巖漿巖是由地殼內(nèi)部熔融巖漿上升過程中在地下或噴出地面后以不同的冷卻速度冷凝而成的巖石，它是組成地殼的主要巖石。根據(jù)巖漿冷凝情況的不同，又分為深成巖、噴出巖和火山巖。 沉積巖是由露出地表的各種巖石經(jīng)自然界的風(fēng)化、搬運、沉積并重新成巖而形成的巖石，主要存在于地表及不太深的地下。其特點是結(jié)構(gòu)致密性較差、體積密度較小、孔隙率較大、強度較低、耐久性相對較差。根據(jù)沉積巖的生成條件，可分為機械沉積巖、化學(xué)沉積巖、有機沉積巖。 變質(zhì)巖是由原有巖石經(jīng)變質(zhì)而成的巖石。即地殼中原有的各類巖石，在地層的壓力或溫度作用下，在固體狀態(tài)下發(fā)生再結(jié)晶作用，使其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造乃至化學(xué)成分發(fā)生部分或全部改變而形成的新巖石。一般由巖漿巖變質(zhì)而成的稱正變質(zhì)巖，由沉積巖變質(zhì)而成的稱副變質(zhì)巖。 例題2-2：在建筑中常用的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖有哪幾種？主要用途如何？ 答：①常用的巖漿巖有：深成巖有花崗巖、正長巖、橄欖巖、閃長巖等，噴出巖有玄武巖、輝綠巖和安山巖等，火山巖有火山灰、浮石、火山凝灰?guī)r等。 花崗巖是公認(rèn)的高級建筑結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料。其塊狀石材可用于大型建筑物的基礎(chǔ)、勒腳、柱子、欄桿、踏步等部位，也可用于橋梁、堤壩等工程中，是建造永久性工程、紀(jì)念性建筑的良好材料。板狀石材，質(zhì)感堅實，華麗莊重，是室內(nèi)外均可使用的高級裝飾材料。 ②常用的沉積巖有：機械沉積巖有砂巖和頁巖等，化學(xué)沉積巖有石膏、白云石等，有機沉積巖有石灰?guī)r和硅藻土等。 石灰?guī)r，主要礦物成分為方解石和白云石等。石灰?guī)r來源廣，硬度低，易劈裂，便于開采，具有一定的強度和耐久性。其塊石可作為建筑物的基礎(chǔ)、墻身、階石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它還是生產(chǎn)水泥和石灰的主要原料。 ③常用的變質(zhì)巖有：由沉積巖形成的變質(zhì)巖有大理巖和石英巖等，由巖漿巖形成的變質(zhì)巖有片麻巖等。 大理石，是一種含碳酸鹽礦物大于50%的變質(zhì)巖。抗壓強度為50～140MPa，但硬度不大，較易進(jìn)行鋸解、雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超過1%，耐久性較好，一般使用年限為40～100年。裝飾性好。但其抗風(fēng)化性能差，因其主要化學(xué)成分是碳酸鹽類，易被酸侵蝕。 例題2-3 石材有哪些主要的技術(shù)性質(zhì)？ 答：①物理性質(zhì)（體積密度、吸水率、耐水性、抗凍性和耐火性等）。 ②力學(xué)性質(zhì)（抗壓強度、沖擊韌性、硬度和耐磨性等） ③工藝性質(zhì)（加工性、磨光性和抗鉆性等） 例題2-4 花崗巖和大理巖各有何特性及用途？（參見上述“常用石材在土木工程中的應(yīng)用”） 例題2-5 選擇天然石材應(yīng)注意什么？ 答：土木工程中應(yīng)根據(jù)建筑物的類型、環(huán)境條件等慎重選用石材，使其既符合工程要求，又經(jīng)濟(jì)合理。一般應(yīng)從以下幾方面選用：力學(xué)性能、耐久性、裝飾性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。 例題2-6 巖石的飽水率與吸水率有何不同？ 答：吸水率是指在規(guī)定條件（如放入水中浸泡4d）下，巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比。 飽水率（飽和吸水率）是指在強制條件（在一定的負(fù)壓條件或在沸煮條件下）下，巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比。 因此，飽水率大于等于吸水率。 主要差異在開口孔體積的測定。開口孔的體積可由測量材料吸入水的體積或質(zhì)量來確定，即在常溫常壓下將干燥試樣放入水中浸泡4d后測定吸入水的體積或質(zhì)量。但對于一些又細(xì)又長的開口孔，再加上孔端有空氣存在，在常溫常壓下水是難以深入或滲入到孔的前端的，這部分孔隙體積將成為閉口孔體積的一部分。故在特殊領(lǐng)域，有要求在一定的負(fù)壓條件或在沸煮條件下測定吸入水的體積或質(zhì)量，以得到真實的開口孔的體積。通過在一定的負(fù)壓條件或在沸煮條件下測得的吸水率常稱為飽水率。 第三章 氣硬性膠凝材料 一、重點知識介紹 1.石灰 （1）石灰的生產(chǎn)與分類 ①石灰的生產(chǎn) 石灰?guī)r經(jīng)過高溫煅燒后，碳酸鈣將分解得到以CaO為主要成分的生石灰并釋放出CO2。 ②石灰的分類 根據(jù)氧化鎂含量不同，可分為MgO含量≤5%的稱為鈣質(zhì)生石灰；MgO含量＞5%的稱為鎂質(zhì)生石灰。 根據(jù)加工方法不同，可分為塊狀生石灰、磨細(xì)生石灰、消石灰粉和石灰膏。 根據(jù)煅燒程度不同可分為欠火石灰和過火石灰。欠火石灰：在煅燒過程中，若溫度過低或煅燒時間不足，使得CaCO3不能完全分解，將生成“欠火石灰”。過火石灰：在煅燒過程中，若時間過長或溫度過高，將生成顏色較深、塊體致密的“過火石灰”。 （2）石灰的熟化與凝結(jié)硬化 ①石灰的熟化生石灰CaO與水作用生成Ca(OH)2的過程稱為熟化。 石灰熟化過程中，反應(yīng)速度快，放出大量的熱，體積增大1.0～2.5倍。 石灰的“陳伏”：為了消除過火石灰的危害，石灰膏使用前應(yīng)在化灰池中存放2周以上，使過火石灰充分熟化。陳伏期間，石灰膏表面應(yīng)有一層水，以隔絕空氣，防止碳化。 ②石灰的凝結(jié)硬化 石灰在空氣總的硬化包括兩個同時進(jìn)行的過程： 結(jié)晶過程：水進(jìn)一步被吸收或蒸發(fā)，Ca(OH)2從過飽和溶液中析出晶體。 碳化過程：Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3晶體 （3）石灰的性質(zhì)、技術(shù)要求和應(yīng)用 ①石灰的性質(zhì) 可塑性、保水性好；熟化放熱量大，腐蝕性強；凝結(jié)硬化慢、強度低；硬化時體積收縮大；吸濕性強，耐水性差。 ②石灰的技術(shù)要求 建筑生石灰和建筑生石灰粉：根據(jù)CaO和MgO總含量及殘渣、CO2含量和產(chǎn)漿量分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個等級。 建筑消石灰粉：根據(jù)CaO和MgO總含量、體積安定性和細(xì)度分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個等級。 ③石灰的應(yīng)用 制作石灰乳涂料和砂漿；拌制石灰土和石灰三合土；生產(chǎn)硅酸鹽制品。 2.石膏 （1）石膏的生產(chǎn)與分類 ①建筑石膏 將天然二水石膏在107～170℃條件下煅燒脫去部分結(jié)晶水而制得β型半水石膏（β-CaSO4 0.5H2O)，再經(jīng)磨細(xì)不添加任何外加劑或添加物的的白色粉狀膠凝材料，稱為建筑石膏。 ②高強石膏 將天然二水石膏置于具有0.13MPa和124℃的過飽和蒸汽條件下蒸壓，或置于某些鹽溶液中沸煮，可獲得晶粒較粗、較致密的α型半水石膏(α-CaSO4 0.5H2O)，即高強石膏。 ③高溫煅燒石膏 加熱溫度超過800℃時，生成的煅燒石膏，在分解出的CaO的激發(fā)下，重新具有凝結(jié)硬化能力，被稱為高溫煅燒石膏，又稱地板石膏。 （2）建筑石膏的水化和硬化 ①建筑石膏的水化 建筑石膏加水拌合后，與水相互作用，還原成二水石膏，這個過程稱為水化。 CaSO4 0.5H2O+1.5H2O → C