土木工程材料課程教學指導書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的孔隙率較大并多數(shù)為細小的閉口孔時，其導熱系數(shù)較??；但當孔隙粗大或貫通時，由于對流作用，材料的導熱系數(shù)反而增加。例題113：什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材料的結構，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114：什么是材料的耐久性？通常用哪些性質來反映？答：材料的耐久性是指在環(huán)境的多種因素作用下，能經久不變質、不破壞，長久地保持其性能的性質。通常用諸如抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗風化、抗老化、大氣穩(wěn)定、耐化學腐蝕性等來反映。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系。例題115：材料的宏觀構造對其性質有什么影響？答：材料的構造是指材料的宏觀組織狀況，是指具有特定性質的材料結構單元相互組合和搭配的情況。如具有特定構造的蜂窩板，是由不同性質的材料經特定組合而形成的一種復合材料，這種構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。例題116：今有一種粗骨料的干燥質量為1000g、在水中（吸水飽和）的質量為635g、表干質量為1025g。試求其表觀密度、表干密度、毛體積密度和質量吸水率。解：試驗次數(shù)干燥質量m在水中質量msw表干質量mssd水的密度ρw備注11000 g635 g1025 g15℃水2表觀密度（g/cm3）=mρw/（m－msw） g/cm3表干密度（g/cm3）飽和面干=mssdρw/（mssd－msw） g/cm3毛體積密度(g/cm3)=mρw/（mssd－msw） g/cm3質量吸水率=（mssd－m）/m%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變質或沉積而成。造巖礦物是具有一定化學成分和一定結構特征的天然固態(tài)化合物或單質體，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 結晶的SiO2。堅硬高強，化學穩(wěn)定性和耐久性好，常呈白色、乳白或淺灰。②長石 結晶的鋁硅酸鹽。堅硬高強，化學穩(wěn)定性和耐久性不及石英好，易風化。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 均為結晶的鐵、鎂、鈣硅酸鹽。高強度，韌性好，耐久，暗色。⑤方解石 結晶的碳酸鈣。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 結晶的碳酸鈣鎂復鹽（）。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、變質巖等三大類。巖漿巖是由地殼內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自然界的風化、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。其特點是結構致密性較差、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、化學沉積巖、有機沉積巖。變質巖是由原有巖石經變質而成的巖石。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)生再結晶作用，使其礦物成分、結構構造乃至化學成分發(fā)生部分或全部改變而形成的新巖石。一般由巖漿巖變質而成的稱正變質巖，由沉積巖變質而成的稱副變質巖。大理石海洋生物遺骸→沉積→石灰?guī)r→變質→大理石粘土/砂巖漿→上升，冷卻→花崗巖→變質→片麻巖→風化→石英砂，高嶺土石英巖花崗巖→砂+SiO2膠結→硅質砂巖→石英巖2. 石材的技術性質（1）物理性質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）力學性質①抗壓強度，是以邊長為70mm的立方體試塊用標準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、MUMU30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、硅質砂巖的脆性較大。通常，晶體結構的巖石較非晶體結構的巖石具有較高的韌性。③硬度，它取決于石材的構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雜作用的性質。石材的耐磨性以單位面積磨耗量表示或以磨耗率（試驗后磨耗質量與裝入試驗機圓筒中的石料試樣質量之比，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、結構、構造特征以及石材的抗壓強度和沖擊韌性等有關。礦物愈堅硬、構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）工藝性質石材的工藝性質，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。（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、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、半細料石和細料石。料石常用于砌筑墻身、地坪、踏步、拱和紀念碑等。 ③板材，是由花崗巖或大理巖荒料經鋸切、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，當溫度達700℃以上時，花崗巖中的石英產生晶型轉變而使體積膨脹，故發(fā)生火災時，花崗巖會發(fā)生嚴重開裂而破壞。花崗巖是公認的高級建筑結構材料和裝飾材料。其塊狀石材可用于大型建筑物的基礎、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、紀念性建筑的良好材料。板狀石材，質感堅實，華麗莊重，是室內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%的變質巖。抗壓強度為50～140MPa。但硬度不大，較易進行鋸解、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。但其抗風化性能差，因其主要化學成分是碳酸鹽類，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巖。由石英巖或硅質砂巖加工而成的廣義大理石，具有強度高、耐磨性能好、抗風化性能好的特點。③石灰?guī)r，屬于沉積巖，主要化學成分為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、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等細小碎屑經沉積并重新膠結而形成的巖石。它的性質決定于膠結物的種類及膠結的致密程度。根據(jù)膠結物的不同，砂巖可分為硅質砂巖、鈣質砂巖、鐵質砂巖、粘土質砂巖。硅質砂巖由氧化硅膠結而成，常呈淡灰色，致密的硅質砂巖性能接近于花崗巖；鈣質砂巖由碳酸鈣膠結而成，呈白色，鈣質砂巖的性質類似于石灰?guī)r；鐵質砂巖由氧化鐵膠結而成，常呈紅色。砂巖常用于基礎、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，主要是由硅質砂巖變質而成的，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、含量以及組織結構分為四大巖石類：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，又經濟合理。一般應從以下幾方面選用。力學性能、耐久性、裝飾性、經濟性和環(huán)保性。二、例題例題21：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、變質巖等三大類。巖漿巖是由地殼內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自然界的風化、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。其特點是結構致密性較差、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、化學沉積巖、有機沉積巖。變質巖是由原有巖石經變質而成的巖石。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)生再結晶作用，使其礦物成分、結構構造乃至化學成分發(fā)生部分或全部改變而形成的新巖石。一般由巖漿巖變質而成的稱正變質巖，由沉積巖變質而成的稱副變質巖。例題22：在建筑中常用的巖漿巖、沉積巖和變質巖有哪幾種？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。花崗巖是公認的高級建筑結構材料和裝飾材料。其塊狀石材可用于大型建筑物的基礎、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、紀念性建筑的良好材料。板狀石材，質感堅實，華麗莊重，是室內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、墻身、階石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它還是生產水泥和石灰的主要原料。③常用的變質巖有：由沉積巖形成的變質巖有大理巖和石英巖等，由巖漿巖形成的變質巖有片麻巖等。大理石，是一種含碳酸鹽礦物大于50%的變質巖?？箟簭姸葹?0～140MPa，但硬度不大，較易進行鋸解、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。但其抗風化性能差，因其主要化學成分是碳酸鹽類，易被酸侵蝕。例題23 石材有哪些主要的技術性質？答：①物理性質（體積密度、吸水率、耐水性、抗凍性和耐火性等）。②力學性質（抗壓強度、沖擊韌性、硬度和耐磨性等）③工藝性質（加工性、磨光性和抗鉆性等）例題24 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用”）例題25 選擇天然石材應注意什么？答：土木工程中應根據(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，又經濟合理。一般應從以下幾方面選用：力學性能、耐久性、裝飾性、經濟性和環(huán)保性。例題26 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量與烘干巖石試件質量之比。飽水率（飽和吸水率）是指在強制條件（在一定的負壓條件或在沸煮條件下）下，巖石試樣最大的吸水質量與烘干巖石試件質量之比。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量。但對于一些又細又長的開口孔，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。故在特殊領域，有要求在一定的負壓條件或在沸煮條件下測定吸入水的體積或質量，以得到真實的開口孔的體積。通過在一定的負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）石灰的生產與分類①石灰的生產 石灰?guī)r經過高溫煅燒后，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%的稱為鈣質生石灰；MgO含量＞5%的稱為鎂質生石灰。根據(jù)加工方法不同，可分為塊狀生石灰、磨細生石灰、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，反應速度快，放出大量的熱，～。 石灰的“陳伏”：為了消除過火石灰的危害，石灰膏使用前應在化灰池中存放2周以上，使過火石灰充分熟化。陳伏期間，石灰膏表面應有一層水，以隔絕空氣，防止碳化。②石灰的凝結硬化 石灰在空氣總的硬化包括兩個同時進行的過程：結晶過程：水進一步被吸收或蒸發(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反應生成CaCO3晶體 （3）石灰的性質、技術要求和應用①石灰的性質 可塑性、保水性好；熟化放熱量大，腐蝕性強；凝結硬化慢、強度低；硬化時體積收縮大；吸濕性強，耐水性差。②石灰的技術要求 建筑生石灰和建筑生石灰粉：根據(jù)CaO和MgO總含量