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《土木工程材料》课程教学指导书

内容简介 本书主要是配合《土木工程材料》教材编写的，是一本让读者在短期内学好土木工程材 料知识的教学辅导书。本书共有《土木工程材料》课程教学大纲、辅导材料、典型复习题、 样卷、试题命题格式、期中试题及答案等六个部分组成。其中辅导材料部分包括基本性质、 天然石材、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、砂浆、聚合物材料、沥青材料和防水材料、沥 青混合料、建筑钢材、墙体材料、木材、绝热材料和吸声隔声材料、材料试验等重要内容， 每章由重点知识介绍和典型例题组成。典型复习题部分由计算题、填空题、是非题和简答题 等组成。内容丰富，简明扼要。 本书可作为土木工程类各专业的学习指导书，还可供相关行业技术人员作为参考用书。

本书主要是配合《土木工程材料》 （由浙江工业大学叶青教授和深圳大学丁铸 教授担任主编）教材编写的，是一本让读者在短期内学好土木工程材料知识的教 学辅导书。本书共有《土木工程材料》课程教学大纲、辅导材料、典型复习题、 样卷、试题命题格式、期中试题及答案等六个部分组成。其中辅导材料部分包括 基本性质、天然石材、气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、砂浆、聚合物材料、沥 青材料和防水材料、沥青混合料、建筑钢材、墙体材料、木材、绝热材料和吸声 隔声材料、材料试验等重要内容，每章由重点知识介绍和典型例题组成。典型复 习题部分由计算题、填空题、是非题和简答题等组成。内容丰富，简明扼要。 本书由浙江工业大学叶青和浙江树人大学盛黎担任主编，浙江工业大学孔德 玉和浙江树人大学金小群担任副主编。各章编写人员如下：盛黎编写辅导材料中 的气硬性胶凝材料、墙体材料、沥青材料和防水材料、聚合物材料、绝热材料和 吸声隔声材料、土木工程材料试验等内容，孔德玉编写辅导材料中的混凝土和砂 浆等内容，金小群编写辅导材料中的建筑钢材和木材等内容，其余部分主要由叶 青编写。 本书可作为土木工程类各专业的学习指导书，还可供相关行业技术人员作为 参考用书。 由于土木工程材料科学和技术发展很快，新材料、新工艺层出不穷，各行业 的技术标准不统一，加之我们的水平所限，编写时间仓促，书中难免有不当、甚 至错误之处，敬请读者批评指正。 编者 2011 年 3 月

Ⅰ《土木工程材料》课程教学大纲...…………………………………..….1 Ⅱ《土木工程材料》辅导材料……………………………….…………….3 绪论……………………………….…………………………..………….3 § 材料基本性质……….…….……………………………………….… 1 § 天然石材……………………………………………………………... 2 § 气硬性胶凝材料……………………………………………………... 3 § 水泥…………………………………………………………………... 4 § 水泥混凝土 …………………………………………………........... 5 § 砂浆…………………………………………………………………. 6 § 聚合物材料…………………………………………………………. 7 § 沥青材料和防水材料………………………………………………. 8 § 热拌沥青混合料……………………………………………………. 9 § 建筑钢材…………………………………………………………... 10 § 墙体材料…………………………………………………………... 11 § 木材……………………………………………………................... 12 § 绝热材料和吸声材料…………………………………................... 13 § 其它土木工程材料……………………………………................... 14 § 土木工程材料试验……………………………………................... 15 Ⅲ《土木工程材料》典型复习题……………………………………….... 一、典型计算题……………………………………………………….. 二、典型填空题……………………………………………………….. 三、典型是非题……………………………………………………….. 四、典型简答题……………………………………………………….. 五、典型名词解释题………………………………………………….. Ⅳ《土木工程材料》样卷…………………………………….................... Ⅴ《土木工程材料》试题命题格式…………………………………….... Ⅵ《土木工程材料》期中试题及答案……………………………………

Ⅰ《土木工程材料》课程教学大纲

1. 课程的性质、目的和任务 本课程是土木工程类专业学生的专业基础课，它与公共基础课及专业紧密衔接，起着承 上启下的作用。 本课程的教学目的在于使学生掌握主要土木工程材料的性质、用途和使用方法以及检测 和质量控制方法，并了解土木工程材料的性质与材料结构的关系，以及性能改善的途径。通 过本课程的学习，应能针对不同工程合理选用材料，并能与后续课程密切配合，了解材料与 设计参数及施工措施选择的相互关系。 2. 考试目的与要求 主要检验对土木工程材料基本性质及各项特性的掌握程度， 以及对材料性质的影响因素， 合理选用土木工程材料的要求及实验检验方法的掌握程度。 要求：概念明确；分析讨论切题；基本计算方法准确，数据处理符合标准。每一章节中要求 “（重点）掌握”部分为重点，占考试内容的主要部分。“一般掌握”部分以基本概念为主。 “了解”部分主要是拓宽土木工程材料的知识面。 3. 课程的基本要求 § 绪论 0 了解土木工程材料的发展、地位、分类和标准等。熟练掌握数值修约规则。 § 土木工程材料的基本性质 1 1.熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。 2.掌握土木工程材料的基本物理性质、测定和计算方法。 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组成、结构和构造，了解组成、结构和构造与材料性能的关 系。 通过材料基本性质的学习，要求了解材料科学的一些基本概念，并掌握材料各项基本力 学性质、物理性质、化学性质、耐久性质等材料性质的意义，以及它们之间的相互关系和在 工程实践中的意义。 § 石材 2 1.了解岩石的形成与分类，了解常用的天然岩石。 2.了解岩石的技术性质、加工类型和选用原则。 § 气硬性胶凝材料 3 1.了解石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质及使用要点。 2.了解石膏、石灰、水玻璃的主要用途。 § 水泥 4 1.熟悉硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其与水泥性能之间的关系，了解通用硅酸盐水泥的 水化、凝结和硬化机理，熟练掌握通用硅酸盐水泥的技术性能要求、检测方法及选用原则。 2.了解其他水泥品种及其性质和使用特点。(自学) § 水泥混凝土 5

1.掌握普通混凝土组成材料的品种、技术要求及选用(包括砂、石、水泥、水、掺合料及 外加剂)；熟练掌握各种组成材料各项性质的要求，测定方法及对混凝土性能的影响。 2.熟练掌握混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法。 3.熟练掌握硬化混凝土的力学性质，变形性质和耐久性质及其影响因素。 4.熟练掌握普通混凝土的配合比设计方法。 5.了解混凝土技术的新进展及其发展趋势。(自学) 6.了解其它品种混凝土的特性及应用。(自学) § 砂浆 6 1.掌握砌筑砂浆的性质、组成、检测方法及其配比设计方法。 2.熟悉抹面砂浆的主要品种性能要求。了解其他砂浆。 § 聚合物材料（建筑塑料、涂料与胶粘剂） 7 1.熟悉合成聚合物材料的性能特点及主要聚合物材料的品种。 2.熟悉土木工程中合成聚合物材料的主要制品及应用(包括塑料及其型材、涂料、粘结剂 等)。 § 沥青材料和防水材料 8 1.掌握沥青材料的基本组成，工程性质及测定方法，了解沥青的改性及主要沥青制品及 其用途。 2.掌握防水材料的主要类型及性能特点。 § 热拌沥青混合料 9 熟悉沥青混合料的组成材料、组成结构、矿质混合料的组成设计、热拌沥青混合料的配 合比设计。 § 建筑钢材 10 1.了解建筑钢材的冶炼、加工与分类。 2.重点掌握建筑钢材的力学性能和工艺性能，掌握化学成分对钢材性能的影响。 3.了解建筑钢材的强化机理及强化方法。 4.重点掌握土木工程中常用建筑钢材的分类及其选用原则。 § 墙体与屋面材料 11 1.掌握常用砌体材料（烧结普通砖、多孔砖和空心砖）的性质和应用特点。 2.了解其它墙体与屋面材料。 § 木材(自学) 12 1.了解木材的宏微观结构； 2.掌握木材的物理、力学性能，了解防腐、防火措施。 3.了解木材的应用。 § 绝热材料与吸声材料 13 1.了解保温、隔热材料的主要类型及性能特点。 2.了解吸声、隔声材料的主要类型及性能特点。 § 其它土木工程材料 14 1.掌握装饰材料的基本功能与选择

2.了解装饰用面砖、板材、玻璃、卷材和涂料。 § 土木工程材料试验（下列试验必做） 15 1.水泥标准稠度用水量测定、安定性检验、水泥胶砂强度。 2.砂的筛分析、表观密度、堆积密度实验。 3.混凝土的拌制、和易性、体积密度、抗压强度实验。 4.砖抗压强度实验（演示） 。 5.钢筋拉伸实验（演示） 。 6.沥青三大指标。 7.沥青混合料（演示） 。

Ⅱ《土木工程材料》辅导材料 绪

1.土木工程材料的定义 土木工程材料是指在土木工程建设中所使用的各种材料及其制品的总称，它是土木工程 的物质基础。 2.土木工程材料的分类 按材料的使用性能，可分为①承重结构材料，②非承重结构材料，③功能材料。 按材料的使用部位，可分为结构材料、墙体材料、屋面材料、地面材料和饰面材料等。 按工程类别，可分为建筑材料、道路建筑材料、港工材料、水工材料和核工业材料等。 按材料的化学组成，可分为无机材料、有机材料和复合材料。详见表0-1。 3.土木工程材料的技术标准 在我国，技术标准分为四级：国家标准 GB、部颁标准、地方标准 DB 和企业标准 QB。 企业标准的要求指标要高于国家标准和部颁标准等。 土木工程材料的技术标准是确定产品质量的技术依据。对于生产企业，必须按照标准生 产，控制其质量。对于使用部门，则按照标准可进行选材、设计和施工，并按标准验收产品。

不符合 不符合 符合 符合

例题 0-2：现测得普通水泥的 28d 抗折破坏荷载分别为：3330、3800、4000N。试计算抗折强 度。解：

土木工程材料的基本性质

1.材料的物理性质 （1）材料的含水状态及其质量 亲水材料的含水状态主要有湿润状态、饱和面干状态、气干状态和干燥状态四种，其对 应的质量按大小排列为湿润状态质量（mwet 或 m 湿）＞饱和面干状态质量或表干质量（mssd 或 mb）＞气干状态质量（mad）＞干燥质量（mod 或 m）。 （2）材料的含孔状态及其体积 大多数材料内部都含有孔隙，孔隙的特征和孔隙的多少对材料的性能均会产生影响。若 把开口孔和闭口孔的体积分别记为 VK 和 VB，则材料的孔隙体积 VP =VK＋VB。 ①材料绝对密实体积，用 V 表示。是指不包括材料内部孔隙体积的固体物质的实体体积。 ②材料绝对密实体积＋闭口孔隙体积，用 V＋VB=V '=V 排表示。是指包括了材料内部闭口 孔隙体积的固体物质本身的体积。它等于干燥状态粒状或块状材料的排水体积（V 排） 。因为 水不能进入闭口孔，故常用排水法测定该体积。 ③自然状态下的体积，用 V0=V＋VP=V＋VK＋VB 表示。是指材料的实体体积与材料所含 全部孔隙体积之和，即包括材料实体体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。 ④散粒状材料的总体积， V0'=各单个颗粒外观几何形状的体积之和+颗粒之间的空隙体 用 积=V+VP+VV=V+VK+VB+VV 表示。 （3）材料质量与体积有关的性质 将所有密度概括为密度*，即通式为 ρ*=m*/V*。 密度 P*=1―ρ*0/ρ* 材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率 P=1―ρ0/ρ。 散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积（还应包括（部分）开口孔体积）所占总体积的 百分率称为空隙率 P’=1―ρ0’/ρ’。 体积吸水率约等于开口孔隙率。WV=（mb－m）/（V0ρW）=Wmρ0/ρ 水≈PK。 一般而言，孔隙率较小且连通孔较少的材料，其吸水性较小、强度较高、抗渗性与抗冻 性较好。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。 （5）材料与水有关的性质 ①亲水性和憎水性 当材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力时，材料表现为亲水性。当材 料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表现为憎水性。亲水性材料易 被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部，表现为毛细管水上升。憎水性材料则能

阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性，表现为毛细管水下降。憎水性材料常被用 作防水材料。 ②吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，用含水率表示。含水率是指材料内部所 含水质量占材料干质量的百分率。材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称 为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态或极限时的含水率即为吸水率。 （广义）含水率：材料试样在 105℃温度下烘至恒量时所失去的水的质量与试样干质量 的比值，以百分数表示。 ③吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性用吸水率表示，有以下两种表示方法： 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的质量占材料干质量的百分率。 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百 分率，即为开口孔隙率。体积吸水率=质量吸水率×体积密度／水的密度。 对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分进不去，而开口 的大孔虽然水分易进入，但不易保留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。材料吸水后会 导致其自重增大、导热性增大、强度与耐久性下降。干湿交替还会引起材料形状和尺寸的改 变而影响使用。 ④耐水性 材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性，用软化系数表示。 土木工程中将 K 软＞0.85 的材料， 称为耐水材料。 在设计长期处于水中或潮湿环境中的重 要结构时， 必须选用 K 软＞0.85 的材料。 用于受潮较轻或次要结构物的材料， 其值不宜＜0.75。 ⑤抗渗性 材料抵抗压力水（或溶液）渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数 K 表 示。K 值愈大，表示渗透通过材料的水量愈多，即抗渗性愈差。 材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能 承受的最大水压力来确定。例如，混凝土抗渗等级以符号“Pn”表示，P8 表示在标准试验条件 下 150mm 厚的混凝土材料能承受 0.8 MPa 的水压而不渗水。 ⑥抗冻性 材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而质量损失不大，强度也无显著降低的 性质称为材料的抗冻性，用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下， 测得其强度（慢冻法）（或相对动弹性模量（快冻法））降低和质量损失不超过规定值时所 能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F50、F100等。 材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。 掺入引气剂可以提高混凝土的抗冻性。 ⑦材料与热有关的性质 导热性：材料传导热量的能力称为导热性，用导热系数表示。工程中通常把导热系数＜ 0.23W/(m.K)的材料称为绝热（保温隔热）材料。导热系数与材料的物质组成、微观结构、孔 隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等有着密切的关系。 热容量：是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。在相同的热源下，物质的热容

量越大，则温度越不容易升降。 比热：是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。应选用导热系数较小而热容量较大 的材料，这有利于保持建筑物室内温度的稳定。 耐火性：指材料在长期高温作用下，能保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性 能，用耐火度表示。根据耐火度可分为耐火材料、难熔材料和易熔材料。 耐燃性：指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响 建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据耐燃性可分为不燃材料、难燃材料和易燃材料。 ⑧材料与声音有关的性质 被材料吸收的声能 E（包括部分穿透材料的声能在内）与原先传递给材料的全部声能 E0 之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数。材料内部开口并连通的气孔越 多，吸声性能越好。材料的吸声性能除了与材料本身性质及厚度、有无空气层及空气层的厚 度、材料表面状况等有关外，还与声波的入射角及频率有关。规定取 125Hz、250Hz、500Hz、 1000Hz、2000Hz、4000Hz 等六个频率的吸声系数来表示材料的吸声特性。吸声材料在上述 六个规定频率的平均吸声系数应大于 0.2。

①强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度[f=F/A，f 折=1.5FL/（bh2）]，可分为 抗压、抗拉、抗弯及抗剪强度等。量纲/单位，力（F）化为牛顿 N 代入，长度（b、h、L、“A”） 单位以 mm 代入，则强度单位为 MPa 或 N/mm2。 ②影响材料强度的主要因素 材料的组成、材料的结构、含水状态、温度、试件形状和尺 寸、加荷速度、试件表面性状。 ③强度等级 按强度值的大小可划分为若干个强度等级。例如，普通混凝土按其抗压强度 分为 C7.5～C60 共十二个强度等级。 ④比强度 等于材料强度与其体积密度之比，反映材料单位体积质量的强度。是衡量材料 轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。 ⑤材料的弹性 材料在外力作用下产生变形， 当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到 原始形状的性质称为弹性。典型的弹性材料，如橡皮筋和低碳钢（在屈服前）等。 ⑥材料的塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，不能恢复变形的性质称为塑 性。典型的塑性材料，如橡皮泥和低碳钢（在屈服阶段）等。 ⑦材料的脆性 材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性 变形的性质称为脆性。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。天 然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等均为脆性材料。 ⑧材料的韧性 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大变形而 不破坏的性质称为韧性。典型的韧性材料，如低碳钢和低合金钢等。对于要求承受冲击荷载 和有抗震要求的结构，如吊车梁和桥梁等所用的材料，均应具有较高的韧性。 ⑨材料的硬度 是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。 刻划法常用于测定天然矿物的 硬度，按刻划法的矿物硬度分为十级（莫氏硬度） 。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压 入法测定，例如布氏硬度。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。 ⑩材料的耐磨性 是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示。材料的耐

磨性与材料的化学成分、矿物成分、结构、强度、硬度等因素有关。在土木工程中，对于用 作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。 延伸率是衡量材料塑性性能的指标。 工程上通常把＞5％的材料称为塑性材料， 如钢、 铜、 铝合金等；把＜5％的材料称为脆性材料，如铸铁、陶瓷、石材等。低碳钢是典型的塑性材料， 其延伸率为 20～30％。铸铁是典型的脆性材料，其延伸率＜1％。 3.材料的耐久性 材料的耐久性是指在环境的多种因素作用（物理作用、化学作用、机械作用、生物作用 和综合作用）下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。耐久性是材料的一项 综合性质，诸如抗冻、抗渗、抗碳化、抗风化、抗老化、大气稳定、耐化学腐蚀等均属耐久 性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有着密切的关系。 耐久性快速试验的项目主要有：冻融循环、人工加速碳化、干湿循环、紫外线＋干湿循 环、盐溶液浸渍＋干湿循环、化学介质浸渍等。 采用耐久性优良的材料，对节约材料、减少维护费用、保证和延长建筑物长期正常使用 等，均具有十分重要的意义。因此，重要的土木工程项目，不仅要按强度指标来设计，而且 要按耐久性指标来设计。 4.组成、结构和构造对材料性质的影响 （1）材料的组成 化学组成是指构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量。 无机非金属材料中具有特定的晶体结构和物理性质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。矿物组成是决定材料性质的主要因素。 材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相（phase） 。凡由两相或两相以上物质 组成的材料称为复合材料。两相之间的分界面称为界面，在实际材料中，界面是一个很薄的 薄弱区，可称为“界面相”。 （2）材料的结构 微观结构是指原子、分子层次的结构，尺寸范围在 0.1～1000nm。可用电子显微镜和 X 射线衍射仪等手段来研究该层次的结构特征。材料的许多物理性质，如强度、硬度、熔点、 导电性、导热性等都是由其微观结构所决定的。材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体 和胶体。 细观结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构，其尺寸范围在 1～1000μm。对于材 料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行具体的分类研究。对天然岩石可分为矿物、晶 体颗粒、非晶体组织；对钢材可分为铁素体、渗碳体、珠光体；对木材可分为木纤维、导管、 髓线、树脂道；对混凝土可分为水泥硬化浆体、骨料及其界面。 宏观结构是指用肉眼或在 10～100 倍放大镜或显微镜下就可分辨的粗大级组织，其尺寸 在 1mm 以上。材料的宏观结构直接影响到材料的体积密度、渗透性、强度等性质。相同组成 的材料，如果质地均匀，结构致密，则强度高，反之则强度低。按孔隙特征分为密实结构和 多孔结构。按构造特征分为纤维结构、层状结构、纹理结构、粒状结构和堆聚结构。 （3）材料的构造 材料的构造是指材料的宏观组织状况，是指具有特定性质的材料结构单元相互组合和搭

配的情况。材料构造与结构相比，更强调了相同材料或不同材料的组合和搭配关系。

例题 1-1：用同种材料制成的砖，由于其孔隙状况不同，试分析其性能变化规律。
解：答案填入下表。 孔 隙 率 大 小 相同 相同 孔隙特征 相同 (PK=PB) 闭孔 开口 大孔 小孔 密 度 体积 密度 抗压 强度 吸水 率 抗渗 性 抗冻性 导 热 系数 吸声 系数

小 大 相 同 相同 相同

小 大 大 小 小 大

大 小 小 大 小 大

差 好 好 差 差 好

差 好 好 差 差 好

小 大 小 大 大 小

大 小 小 大 小 大

例题 1-2：一加气砼试块，其 ρ=2.30g/cm3，m=500g，将它浸没于水中，吸水饱和后测得， mb=600g，V 排水=1000cm3。（1）求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？（2）若上述材 料为加气砼碎块，则其表观密度为多少？

例题 1-3：一块尺寸标准的烧结普通砖（240× 115× 53），其干燥质量为 2500g，其质量吸水率 3 为 14.0%，其密度为 2.70g/cm 。试求该砖的闭口孔隙率。（提示：孔隙率=闭口孔隙率 + 开 口孔隙率，开口孔隙率约等于体积吸水率）。

例题 1-4： 一块破砖， ρ=2.70g/cm3， 其 m=2000g， 将它浸没于水中， 吸水饱和后测得， b=2300g， m 3 V 排水=880cm 。求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？

例题 1-5： 一块破砖， ρ=2.70g/cm3， 其 m=2000g， 将它浸没于水中， 吸水饱和后测得， b=2300g， m 并在水中称得它（吸水饱和）的重量为 1120g。求其闭口孔隙率、体积密度和体积吸水率？

例题 1-6：某岩石的密度为 2.70g/cm3，孔隙率为 1.9%；今将该岩石破碎为碎石，测得碎石的

堆积密度为 1450kg/m3，空隙率为 45.9%。试求此岩石的体积密度和碎石的表观密度。

例题 1-7：某石材在气干、绝干(105℃烘干)、水饱和条件下测得的抗压强度分别为 74、80、 65MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。

解：软化系数=65/80=0.81 不能用于水下工程 土木工程中将 K 软＞0.85 的材料，称为耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必 须选用 K 软＞0.85 的材料。

例题 1-8： 称取堆积密度为 1480kg/m3 的干砂 300g， 将此砂装入 500mL 的容量瓶 （已有约 250mL 水）内，并排尽气泡，静止 24h 小时后加水到刻度，称得总重量为 850g；将瓶内砂和水倒出， 再向瓶内重新注水到刻度， 此时称得总重量为 666 g。 再将砂敲碎磨细过筛 （0.2 mm） 烘干后， 3 取样 55.01 g，测得其排水体积 V 排水为 20.55 cm 。试计算该砂的空隙率。

例题 1-9：今有湿砂（湿润状态）100.0kg，已知其含水率为 8.8％，则其干燥质量是多少？

例题1-10：材料的孔隙和体积形式有哪几种？材料各密度与孔隙之间有什么关系？

答：材料的孔隙形式：①按孔隙尺寸大小，分为微孔、细孔和大孔三种；②按孔隙之间是否相互连通，分为 孤立孔和连通孔；③按孔隙与外界是否连通，分为与外界连通的开口孔和与外界不连通的闭口孔。 材料的体积形式：①材料绝对密实体积，②材料绝对密实体积＋闭口孔隙体积，③自然状态下的体积， ④散粒状材料的总体积。 材料各密度与孔隙之间有什么关系 密度 ρ= m/V；材料绝对密实体积，无孔。 表观密度（例如，砂的表观密度）ρ’= m/（V+VB）= m/V 排；材料绝对密实体积＋闭口孔隙体积。 （毛）体积密度（例如，砖的表观密度）ρ0= m*/（V+VB+VK）；自然状态下的体积。 松堆密度 ρ0’= m*/（V+VB+VK+VV）；散粒状材料的总体积。

例题1-11：什么是材料的耐水性，用什么表示？在材料选用时有什么要求？

答：材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。用软化系数表示。 土木工程中将K软＞0.85的材料，称为耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须 选用K软＞0.85的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜＜0.75。

例题1-12：什么是材料的导热性？用什么表示？如何利用孔隙提高材料的保温性能？

答：材料传导热量的能力称为导热性。用导热系数表示。 导热系数与材料的物质组成、微观结构、孔隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等有着密切的关系。 由于密闭空气的导热系数很小（0.023W/(m.K)），当材料的孔隙率较大并多数为细小的闭口孔时，其导热系 数较小；但当孔隙粗大或贯通时，由于对流作用，材料的导热系数反而增加。

例题1-13：什么是材料的强度和强度等级？影响材料强度的因素有哪些？

答：材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度，并以单位面积上所能承受的荷载大小来衡量。由于各种材 料的强度差别甚大，在土木工程材料中按其强度值的大小所划分的若干个等级，即为强度等级。 影响材料强度的主要因素：①材料的组成，②材料的结构，③含水状态，④温度，⑤试件形状和尺寸， ⑥加荷速度，⑦试件表面性状。

例题1-14：什么是材料的耐久性？通常用哪些性质来反映？

答：材料的耐久性是指在环境的多种因素作用下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。通常

用诸如抗冻、抗渗、抗碳化、抗风化、抗老化、大气稳定、耐化学腐蚀性等来反映。此外，材料的强度、抗

渗性、耐磨性等与材料的耐久性有着密切的关系。

例题1-15：材料的宏观构造对其性质有什么影响？

答：材料的构造是指材料的宏观组织状况，是指具有特定性质的材料结构单元相互组合和搭配的情况。如具 有特定构造的蜂窝板，是由不同性质的材料经特定组合而形成的一种复合材料，这种构造赋予蜂窝板良好的 隔热保温、隔声吸声、坚固耐久等整体功能和综合性质。

例题 1-16：今有一种粗骨料的干燥质量为 1000g、在水中（吸水饱和）的质量为 635g、表干 质量为 1025g。试求其表观密度、表干密度、毛体积密度和质量吸水率。解：

1. 岩石的形成与分类 天然石材源于冷凝的熔融岩浆或再经变质或沉积而成。 造岩矿物是具有一定化学成分和一定结构特征的天然固态化合物或单质体，是组成岩石 的矿物。主要造岩矿物有30多种，各种造岩矿物各具有不同的颜色和特征。 ①石英 结晶的SiO2。坚硬高强，化学稳定性和耐久性好，常呈白色、乳白或浅灰。 ②长石 结晶的铝硅酸盐。坚硬高强，化学稳定性和耐久性不及石英好，易风化。 ③云母 片状含水铝硅酸盐晶体。有层理，易裂成薄片，耐久性差，强度较低。 ④角闪石、辉石、橄榄石 均为结晶的铁、镁、钙硅酸盐。高强度，韧性好，耐久，暗 色。 ⑤方解石 结晶的碳酸钙。白色，强度中等，易被酸类分解，微溶于水，易溶于碳酸水。 ⑥白云石 结晶的碳酸钙镁复盐（CaCO3.MgCO3）。白色或灰色，强度高于方解石。 天然岩石按形成的原因不同可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩等三大类。 岩浆岩是由地壳内部熔融岩浆上升过程中在地下或喷出地面后以不同的冷却速度冷凝而 成的岩石，它是组成地壳的主要岩石。根据岩浆冷凝情况的不同，又分为深成岩、喷出岩和 火山岩。 沉积岩是由露出地表的各种岩石经自然界的风化、搬运、沉积并重新成岩而形成的岩石， 主要存在于地表及不太深的地下。其特点是结构致密性较差、体积密度较小、孔隙率较大、 强度较低、耐久性相对较差。根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、有 机沉积岩。

变质岩是由原有岩石经变质而成的岩石。即地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温 度作用下，在固体状态下发生再结晶作用，使其矿物成分、结构构造乃至化学成分发生部分 或全部改变而形成的新岩石。一般由岩浆岩变质而成的称正变质岩，由沉积岩变质而成的称 副变质岩。

大理石 粘土/砂 石英岩 海洋生物遗骸→沉积→石灰岩→变质→大理石 岩浆→上升，冷却→花岗岩→变质→片麻岩→风化→石英砂，高岭土 花岗岩→砂+SiO2 胶结→硅质砂岩→石英岩

2. 石材的技术性质 （1）物理性质 为了确保石材的强度和耐久性等性能，一般要求所用石材的体积密度较大、吸水率小、 耐水性好、抗冻性好和耐火性好等。 （2）力学性质 ①抗压强度，是以边长为70mm的立方体试块用标准方法测得的抗压强度的平均值表示。 石材共分七个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30和MU20。 ②冲击韧性，石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。含暗色矿物较多的辉长岩、 辉绿岩等具有较高的韧性。而石英岩、硅质砂岩的脆性较大。通常，晶体结构的岩石较非晶 体结构的岩石具有较高的韧性。 ③硬度，它取决于石材的构造与造岩矿物的硬度。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其 硬度就高。岩石的硬度以莫氏硬度表示。 ④耐磨性，是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的性质。石 材的耐磨性以单位面积磨耗量表示或以磨耗率（试验后磨耗质量与装入试验机圆筒中的石料 试样质量之比，如采用洛杉矶磨耗试验）表示。石材的耐磨性与其矿物的硬度、结构、构造 特征以及石材的抗压强度和冲击韧性等有关。矿物愈坚硬、构造愈致密以及石材的抗压强度 和冲击韧性愈高，石材的耐磨性愈好。 （3）工艺性质 石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性 和抗钻性等方面。 3.天然石材的加工类型和应用 （1）天然石材的加工类型 ①毛石，是在采石场爆破后直接得到的形状不规则的石块。按其表面的平整程度分为乱 毛石和平毛石两类。常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可配制片石混凝土 等。 ②料石，是用毛料加工成较为规则的、具有一定规格的六面体石材。按料石表面加工的 平整程度可分为以下四种：毛料石、粗料石、半细料石和细料石。料石常用于砌筑墙身、地 坪、踏步、拱和纪念碑等。 ③板材，是由花岗岩或大理岩荒料经锯切、研磨、抛光等加工后的石板。可分为普通型 板材、异形板材。 （2）常用石材在土木工程中的应用

①花岗岩，是岩浆岩中分布最广的一种岩石。主要由长石、石英和少量云母等组成。具 有孔隙率较小、吸水率较低、抗压强度较高、材质坚硬、耐磨性优异等特点，对酸具有高度 的抗腐性，对碱类侵蚀也有较强的抗腐性，耐久性很高。但耐火性较差，当温度达700℃以上 时，花岗岩中的石英产生晶型转变而使体积膨胀，故发生火灾时，花岗岩会发生严重开裂而 破坏。花岗岩是公认的高级建筑结构材料和装饰材料。其块状石材可用于大型建筑物的基础、 勒脚、柱子、栏杆、踏步等部位，也可用于桥梁、堤坝等工程中，是建造永久性工程、纪念 性建筑的良好材料。板状石材，质感坚实，华丽庄重，是室内外均可使用的高级装饰材料。 ②大理石，是一种含碳酸盐矿物（以方解石、白云石为主）大于50%的变质岩。抗压强 度为50～140MPa。但硬度不大，较易进行锯解、雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超过1%， 耐久性较好，一般使用年限为40～100年。装饰性好。但其抗风化性能差，因其主要化学成分 是碳酸盐类，易被酸侵蚀。建筑上所说的大理石是广义的，是指具有装饰功能的，并可磨光、 抛光的各种沉积岩和变质岩。由石英岩或硅质砂岩加工而成的广义大理石，具有强度高、耐 磨性能好、抗风化性能好的特点。 ③石灰岩，属于沉积岩，主要化学成分为CaCO3，主要矿物成分为方解石和白云石等。 体积密度为2000～2800kg/m3，抗压强度为20～160MPa，吸水率为1%～10%。石灰岩来源广， 硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性。其块石可作为建筑物的基础、墙身、 阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它还是生产水泥和石灰的主要原料。 ④砂岩，属于沉积岩，它是由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而形成的岩 石。它的性质决定于胶结物的种类及胶结的致密程度。根据胶结物的不同，砂岩可分为硅质 砂岩、钙质砂岩、铁质砂岩、粘土质砂岩。硅质砂岩由氧化硅胶结而成，常呈淡灰色，致密 的硅质砂岩性能接近于花岗岩；钙质砂岩由碳酸钙胶结而成，呈白色，钙质砂岩的性质类似 于石灰岩；铁质砂岩由氧化铁胶结而成，常呈红色。砂岩常用于基础、墙体、人行道和踏步 等，还可用作混凝土骨料。纯白色砂岩俗称白玉石，可用做雕刻及装饰材料。 ⑤石英岩，主要是由硅质砂岩变质而成的，石英含量大于85%。岩体均匀致密，抗压强 度大（250～400MPa），耐久性好，但硬度大、加工困难。常用作重要建筑物的贴面石，耐 磨耐酸的贴面材料，其碎块可用于道路或用作混凝土的骨料。 ⑥道路用石材，根据造岩矿物的成分、含量以及组织结构分为四大岩石类：岩浆岩类、 石灰岩类、砂岩与片麻岩类、砾岩。再根据石材的饱水抗压强度和磨耗率，各岩石类分为四 个等级：1 级最坚硬的岩石、2 级坚硬的岩石、3 级中等强度的岩石、4 级较软的岩石。 （3）天然石材的选用原则 土木工程中应根据建筑物的类型、环境条件等慎重选用石材，使其既符合工程要求，又 经济合理。一般应从以下几方面选用。力学性能、耐久性、装饰性、经济性和环保性。

例题2-1：按岩石的生成条件，岩石可分为哪几类？举例说明。
答：天然岩石按形成的原因不同可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩等三大类。 岩浆岩是由地壳内部熔融岩浆上升过程中在地下或喷出地面后以不同的冷却速度冷凝而成的岩石，它是 组成地壳的主要岩石。根据岩浆冷凝情况的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩。

沉积岩是由露出地表的各种岩石经自然界的风化、搬运、沉积并重新成岩而形成的岩石，主要存在于地 表及不太深的地下。其特点是结构致密性较差、体积密度较小、孔隙率较大、强度较低、耐久性相对较差。 根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、有机沉积岩。 变质岩是由原有岩石经变质而成的岩石。即地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，在固 体状态下发生再结晶作用，使其矿物成分、结构构造乃至化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石。一 般由岩浆岩变质而成的称正变质岩，由沉积岩变质而成的称副变质岩。

例题2-2：在建筑中常用的岩浆岩、沉积岩和变质岩有哪几种？主要用途如何？

答：①常用的岩浆岩有：深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等，喷出岩有玄武岩、辉绿岩和安山岩 等，火山岩有火山灰、浮石、火山凝灰岩等。 花岗岩是公认的高级建筑结构材料和装饰材料。其块状石材可用于大型建筑物的基础、勒脚、柱子、栏 杆、踏步等部位，也可用于桥梁、堤坝等工程中，是建造永久性工程、纪念性建筑的良好材料。板状石材， 质感坚实，华丽庄重，是室内外均可使用的高级装饰材料。 ②常用的沉积岩有：机械沉积岩有砂岩和页岩等，化学沉积岩有石膏、白云石等，有机沉积岩有石灰岩 和硅藻土等。 石灰岩，主要矿物成分为方解石和白云石等。石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的 强度和耐久性。其块石可作为建筑物的基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它 还是生产水泥和石灰的主要原料。 ③常用的变质岩有：由沉积岩形成的变质岩有大理岩和石英岩等，由岩浆岩形成的变质岩有片麻岩等。 大理石，是一种含碳酸盐矿物大于50%的变质岩。 抗压强度为50～140MPa， 但硬度不大， 较易进行锯解、 雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超过1%，耐久性较好，一般使用年限为40～100年。装饰性好。但其抗风 化性能差，因其主要化学成分是碳酸盐类，易被酸侵蚀。

例题2-3 石材有哪些主要的技术性质？

答：①物理性质（体积密度、吸水率、耐水性、抗冻性和耐火性等）。 ②力学性质（抗压强度、冲击韧性、硬度和耐磨性等） ③工艺性质（加工性、磨光性和抗钻性等）

例题2-4 花岗岩和大理岩各有何特性及用途？（参见上述“常用石材在土木工程中的应用”） 例题 2-5 选择天然石材应注意什么？

答：土木工程中应根据建筑物的类型、环境条件等慎重选用石材，使其既符合工程要求，又经济合理。一般 应从以下几方面选用：力学性能、耐久性、装饰性、经济性和环保性。

例题 2-6 岩石的饱水率与吸水率有何不同？

答：吸水率是指在规定条件（如放入水中浸泡 4d）下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比。 饱水率（饱和吸水率）是指在强制条件（在一定的负压条件或在沸煮条件下）下，岩石试样最大的吸水 质量与烘干岩石试件质量之比。 因此，饱水率大于等于吸水率。 主要差异在开口孔体积的测定。开口孔的体积可由测量材料吸入水的体积或质量来确定，即在常温常压 下将干燥试样放入水中浸泡 4d 后测定吸入水的体积或质量。但对于一些又细又长的开口孔，再加上孔端有 空气存在，在常温常压下水是难以深入或渗入到孔的前端的，这部分孔隙体积将成为闭口孔体积的一部分。 故在特殊领域，有要求在一定的负压条件或在沸煮条件下测定吸入水的体积或质量，以得到真实的开口孔的 体积。通过在一定的负压条件或在沸煮条件下测得的吸水率常称为饱水率。
1.石灰 （1）石灰的生产与分类
①石灰的生产 石灰岩经过高温煅烧后， 碳酸钙将分解得到以 CaO 为主要成分的生石灰并 释放出 CO2。 ②石灰的分类 根据氧化镁含量不同，可分为 MgO 含量≤5%的称为钙质生石灰；MgO 含量＞5%的称为 镁质生石灰。 根据加工方法不同，可分为块状生石灰、磨细生石灰、消石灰粉和石灰膏。 根据煅烧程度不同可分为欠火石灰和过火石灰。欠火石灰：在煅烧过程中，若温度过低或 煅烧时间不足，使得 CaCO3 不能完全分解，将生成“欠火石灰” 。过火石灰：在煅烧过程中， 若时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石灰” 。

（2）石灰的熟化与凝结硬化

①石灰的熟化生石灰 CaO 与水作用生成 Ca(OH)2 的过程称为熟化。 石灰熟化过程中，反应速度快，放出大量的热，体积增大 1.0～2.5 倍。 石灰的“陈伏”：为了消除过火石灰的危害，石灰膏使用前应在化灰池中存放 2 周以上， 使过火石灰充分熟化。陈伏期间，石灰膏表面应有一层水，以隔绝空气，防止碳化。 ②石灰的凝结硬化 石灰在空气总的硬化包括两个同时进行的过程： 结晶过程：水进一步被吸收或蒸发，Ca(OH)2 从过饱和溶液中析出晶体。 碳化过程：Ca(OH)2 与空气中的 CO2 反应生成 CaCO3 晶体

（3）石灰的性质、技术要求和应用

①石灰的性质 可塑性、保水性好；熟化放热量大，腐蚀性强；凝结硬化慢、强度低；硬 化时体积收缩大；吸湿性强，耐水性差。 ②石灰的技术要求 建筑生石灰和建筑生石灰粉：根据 CaO 和 MgO 总含量及残渣、CO2 含量和产浆量分为优等品、一等品和合格品三个等级。 建筑消石灰粉：根据 CaO 和 MgO 总含量、体积安定性和细度分为优等品、一等品和合格 品三个等级。 ③石灰的应用 制作石灰乳涂料和砂浆；拌制石灰土和石灰三合土；生产硅酸盐制品。

2.石膏 （1）石膏的生产与分类

①建筑石膏 将天然二水石膏在 107～170℃条件下煅烧脱去部分结晶水而制得 β 型半水石 膏（β-CaSO4 ?0.5H2O)，再经磨细不添加任何外加剂或添加物的的白色粉状胶凝材料，称为建 筑石膏。 ②高强石膏 将天然二水石膏置于具有 0.13MPa 和 124℃的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置 于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的 α 型半水石膏(α-CaSO4

③高温煅烧石膏 加热温度超过 800℃时，生成的煅烧石膏，在分解出的 CaO 的激发下， 重新具有凝结硬化能力，被称为高温煅烧石膏，又称地板石膏。

（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，与水相互作用，还原成二水石膏，这个过程称 为水化。 CaSO4 ? 0.5H2O+1.5H2O → CaSO4 ? 2O 2H ②建筑石膏的凝结硬化 由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小得多，形成过饱和溶 液，从而结晶析出，这样促进了半水石膏不断地溶解和水化。在这个过程中，浆体中游离水分 逐渐减少，二水石膏晶体微粒不断增加，浆体稠度增大，可塑性逐渐降低，浆体凝结；随着水 化继续进行，晶体逐渐长大、共生并相互交错，使浆体最终硬化产生强度。

（2）建筑石膏的性质和技术要求

①建筑石膏性质 凝结硬化快，硬化时体积微膨胀，硬化后孔隙率大、表观密度小、强度 较低，隔热、吸声性能好，调温调湿性能好，防火性能良好，加工性能好，耐水性、抗冻性差。 ②建筑石膏的应用 建筑石膏可用于制备石膏砂浆和粉刷石膏作内墙装饰，可用来制作石 膏板和装饰构件等。

3.水玻璃 （1）水玻璃的生产

水玻璃是一种由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的水溶性硅酸盐材料，其化学通式为 R2O? nSiO2，常见的有硅酸钠水玻璃 Na2O? nSiO2 和硅酸钾水玻璃 K2O? nSiO2 等。 将石英砂或石英岩粉加入 Na2CO3 在玻璃熔炉内熔化， ℃温度下熔融而生成硅 在 酸钠 Na2O? nSiO2，冷却后即得固态水玻璃。
粘结性能良好，耐热性好、不燃烧，耐酸性好，耐碱性与耐水性差。
作灌浆材料用以加固地基，涂刷或浸渍材料，配制水玻璃矿渣砂浆，用于堵漏，配制耐酸 或耐热砂浆或混凝土，配制快凝防水剂，掺入水泥浆、砂浆或混凝土中，用于堵漏、抢修。

4.镁质胶凝材料 （1）菱苦土

菱苦土是以MgO为主要成分的气硬性胶凝材料，菱苦土用水拌和时，生成Mg(OH)2，疏松、 胶凝性差。故通常用MgCl2、MgSO4、FeCl3或FeSO4等盐类的水溶液拌和，以改善其性能。菱苦 土能与木质材料很好地粘结，在建筑上常用来制造木屑地板、木丝板、刨花板等。
氯氧镁水泥， （简称镁水泥） 是用具有一定浓度的氯化镁水溶液与活性氧化镁粉末调配后得 到气硬性胶凝材料。镁水泥仅限于非永久性、非承重建筑结构件内；同时镁水泥具有大理石般 的光滑表面，因此它是做装饰材料的极好材料；镁水泥耐磨性高特别适合生产地面砖及其他高 耐磨制品；镁水泥建材制品一般均有耐高温的特性，因此它被广泛用于生产防火板。
例题 3-1：何谓气硬性胶凝材料？何谓水硬性胶凝材料？二者的区别在哪里？
答：只能在空气中硬化，并只能在空气中保持或发展强度的胶凝材料称为气硬性胶凝材料；既能在空气中 硬化，又能在潮湿环境或水中更好地硬化，并保持和发展强度的胶凝材料称为水硬性胶凝材料。二者的区别是： 气硬性胶凝材料的耐水性较差，即软化系数小。而水硬性胶凝材料的耐水性很好，即软化系数较大。此外，大 多数气硬性胶凝材料的强度也低于水硬性胶凝材料，并且气硬性胶凝材料的抗渗、抗冻等耐久性也明显低于水

例题3-2：什么是过火石灰和欠火石灰？它们对石灰的使用有什么影响？如何消除？

答：在煅烧过程中，若时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石灰”；在煅烧过程中， 若温度过低或煅烧时间不足，使得 CaCO3 不能完全分解，将生成“欠火石灰”。当石灰中含有欠火石灰时，主 要是降低了石灰中有效 CaO 的含量，使石灰的质量降低，利用率下降，但对石灰及其制品的性能影响较小。对 较小的欠火石灰颗粒可不作处理，但较大的欠火石灰颗粒需消除掉，以避免影响到施工质量。过火石灰的熟化 速度很慢，在石灰凝结硬化后才开始逐步消解，引起体积膨胀，造成隆起或开裂，故对石灰的应用极为不利。 为了消除过火石灰的危害，石灰膏使用前应在化灰池中存放 2 周以上，使过火石灰充分熟化。陈伏期间，石灰 膏表面应有一层水，以隔绝空气，防止碳化。

例题 3-3：石灰硬化过程中会产生哪几种形式的开裂？试分析其原因。欲避免这些情况发生， 应采取什么措施？

答：墙面上出现的不规则网状裂纹是石灰在凝结硬化中产生较大收缩而引起的。可以通过增加砂用量、掺 入纤维材料、湿润墙体基层、降低一次抹灰的厚度等措施加以改善。 墙面上出现凸出的呈放射状的裂纹是由于石灰中含有过火石灰。在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水 蒸气继续熟化，体积膨胀，从而出现上述现象。为避免这种情况发生，可在熟化时先用筛网将较大的过火石灰 颗粒过滤掉，较小的过火石灰颗粒可通过陈伏使其熟化。

例题3-4：建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外？

答：建筑石膏隔热、吸声性能好，调温调湿性能好，防火性能良好，加工性能好，适合室内使用。建筑石 膏制品的成分为二水石膏（CaSO4 ? 2H2O），该成分可微溶于水；石膏制品是由无数细小的晶体所构成，晶 粒间的搭接处更容易受到溶解破坏，使建筑石膏制品的强度大大降低。建筑石膏硬化后存在大量微孔，而耐水 性差、吸水率高、抗渗性差、抗冻性差，在室外使用时必然受到雨水冰冻等的作用，所以不适用于室外。

例题3-5：用于内墙抹灰时，建筑石膏和石灰比较，具有哪些优点？为什么？

答：建筑石膏在凝结硬化后具有下述优良性质：①凝结硬化快；②硬化时体积微膨胀，硬化石膏的形状尺 寸准确、表面光滑细致；③硬化后其内部孔隙率较大、容积密度较低，故其保温性、吸声性好；④具有较好的 防火性；⑤具有较高的热容量和一定的吸湿性，可均衡室内温湿度的变化。 而石灰用于墙面抹灰最大的缺点是凝结硬化慢，硬化时体积收缩大，容易形成裂纹等不良现象。

例题3-6：水玻璃的主要化学成分是什么？什么是水玻璃的模数？水玻璃的模数、浓度对其性质 有何影响？

答：水玻璃是一种由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的水溶性硅酸盐材料，其化学通式为 R2O?nSiO2； 水玻璃的模数用 n 表示，其溶解的难易程度与 n 值的大小有关。n 值越大，水玻璃的粘度越大，越难溶解，但 却易分解硬化。土建工程中常用水玻璃的 n 值，一般在 2.5～2.8 之间。

例题3-7：菱苦土可用水拌和使用吗？在工程中有何用途？

答：菱苦土用水拌合时，浆体的凝结硬化速度很慢，且硬化后的强度也很低，所以不宜用水拌合使用。在 工程中菱苦土主要作为地面，也可生产木屑板、刨花板和木丝板等，这类板材具有良好的装饰性和绝热性，建 筑上常用作内墙板、天花板、门窗框和楼梯扶手等。用氯化镁调制好菱苦土加入发泡剂等材料，还可制成多孔 轻质的绝热材料。

1.通用硅酸盐水泥的概述 （1）通用硅酸盐水泥的定义、分类和组分 通用硅酸盐水泥的定义为以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏， 及规定的混合材料制成的水硬 性胶凝材料。其分类按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸 盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥六个品种。 （2）通用硅酸盐水泥的生产 由石灰质原料、粘土质原料和校正原料等按适当比例磨细制成生料，然后将生料送入水 泥窑中煅烧，烧至部分熔融（1450℃左右） ，经过复杂的固相化学反应后得到以硅酸钙为主要 成分的熟料。将煅烧得到的硅酸盐水泥熟料、适量的石膏及规定的混合材料在磨机中磨成细 粉，即生产得到通用硅酸盐水泥成品。 （3）通用硅酸盐水泥的组成材料 通用硅酸盐水泥的组成材料为硅酸盐水泥熟料、适量的石膏和规定的混合材料。 ①硅酸盐水泥熟料 熟料中主要含有如下四种矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，此外还 含有游离氧化钙和游离氧化镁等。 硅酸三钙是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物组分，其含量通常在 50％左右，它对水泥性 能有着重要的影响。硅酸三钙遇水，反应速度较快，水化热高，它的水化产物对水泥早期强 度和后期强度均起主要作用。 硅酸二钙，在熟料中的含量约为 15%～37%，也为主要矿物组分，遇水时对水反应速度 较慢，水化热较低，它的水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用。 耐化学侵蚀性良好，干缩较小。 铝酸三钙，在熟料中含量通常在 15%以下。它是四种矿物组分中遇水反应速度最快、水化 热最高的组分。耐化学侵蚀性差，干缩大。因此，为了调节水泥的凝结硬化速度必须掺加石 膏，铝酸三钙与石膏形成的水化产物，对水泥早期强度有一定的作用。 铁铝酸四钙，在熟料中通常含量为 10%～18%。遇水反应较快，水化热较高。抗压强度居

中，对水泥抗折强度的贡献较大。耐化学侵蚀性优，干缩小。 高 高 低 高 低 低 低 中 耐化学 侵蚀性 中 优 差 良 收 缩 中 小 大 小

熟料矿物组成对水泥性能起着决定性的作用。改变熟料矿物成分间的比例，水泥性能即 发生相应的变化。 ②石膏 石膏，在通用硅酸盐水泥中主要起调节水泥凝结时间的作用。主要采用天然石膏（主要 为二水石膏）或工业副产石膏。 ③活性混合材料 混合材料是为了改善通用硅酸盐水泥性能、调节水泥强度、降低水化热、降低生产成本、 增加水泥产量和增加品种而经常采用的组成材料。活性混合材料主要有符合标准要求的粒化 高炉矿渣及其矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料。 ④非活性混合材料 非活性混合材料，掺入水泥中的主要作用是调节水泥强度、降低水化热、降低生产成本、 增加产量。主要有石灰石和砂岩等。 （4）通用硅酸盐水泥化学指标的技术要求 ①不溶物，控制不溶物的目的在于限制水泥中既不溶于盐酸溶液又不溶于氢氧化钠溶液 的杂质含量。②烧失量，控制烧失量的目的在于限制水泥中水（自由水、结晶水）和二氧化 碳（碳酸盐）等的含量。③三氧化硫，控制三氧化硫含量的目的在于控制由它引起的体积安 定性不良问题。④氧化镁，控制氧化镁含量的目的在于控制由方镁石引起的安定性不良问题。 ⑤氯离子，当混凝土中可溶性的氯离子浓度达到一定量时，会引起混凝土内部在碱性条件下 钢筋的锈蚀，因此对水泥中氯离子含量要加以限制。⑥碱含量，控制碱含量的目的在于预防 混凝土中碱-骨料反应的发生。 （5）通用硅酸盐水泥物理指标的技术要求 ①细度 细度愈细，水泥与水起反应的面积愈大，水化速度愈快。但会导致粉磨能耗的增加，导 致标准稠度用水量的增加和干缩的增加。因此，需要合理控制水泥细度。 比表面积法：比表面积（m2/kg）采用勃氏法测定，此法能间接反映大小颗粒的级配。筛 析法：以80μm或45μm方孔筛上的筛余百分率表示，此法仅反映通过某筛孔的通过率，不能反 映大小颗粒的级配。 ②水泥标准稠度用水量 为使水泥凝结时间和安定性的测定结果具有可比性，在测定时必须采用标准稠度的水泥 净浆。其测定方法采用试杆法。通用硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般为24%～30%。

③凝结时间 凝结时间是指水泥从加水开始到水泥浆失去可塑性所需的时间，又分为初凝时间和终凝 时间。初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从水泥加水到水泥 浆完全失去塑性并开始产生强度的时间。凝结时间的测定，采用维卡仪。

通用硅酸盐水泥的物理指标技术要求

物理指标技术要求 细 度 凝结时间 80μm方孔筛 或45μm方孔筛 初凝 终凝 的筛余量 的筛余量 时间 时间 ≤390 min ≤600 min 安定 性

硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 复合水泥

各强度等级水 泥的各龄期强 度不得低于各 标准规定的数 值。

④体积安定性 水泥浆体在硬化过程中体积变化的均匀性称为水泥体积安定性。体积安定性不合格的水 泥为不合格品，不得在任何工程中使用。水泥体积安定性不良的原因是由于熟料或水泥中含 有过多的游离氧化钙和游离氧化镁，及磨制水泥时加入了过多的石膏等所造成的。 现行国标规定用沸煮法检验由游离CaO引起的水泥体积安定性。采用压蒸方法才能检验 由游离MgO引起的水泥体积安定性。 石膏的危害则需要水泥浆体长期浸在常温水中才能检验。 由于MgO和石膏的危害作用不便于快速检验，故用化学成分控制，硅酸盐水泥中MgO含 量不得超过5.0％，如经压蒸安定性检验合格，允许放宽到6.0％；SO3含量不得超过3.5％。 ⑤强度和强度等级 水泥的强度主要取决于水泥熟料矿物组成及其相对含量、混合材料品种及其相对含量以 及水泥的细度，另外还与用水量、试验方法、养护条件、养护时间等有关。 现行国标规定： 水泥的强度用胶砂强度检验。 将水泥、 水和中国 ISO 标准砂按 1: 0.50: 3.00 的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为 40mm×40mm×160mm），在标准条件下 在（20± 1）℃的水中养护至 3d 和 28d，测定这两个龄期的抗折强度和抗压强度。根据测定结 果，判定水泥的强度等级。 硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。普通水泥强度等级分 为42.5、42.5R、52.5、52.5R。矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥强度等级分为 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R。现行标准将水泥分为普通型和早强型（或称R型） 两个型号。 ⑥水化热 水泥的水化是放热反应，放出的热量称为水化热。水泥水化的放热过程可以持续很长时 间，但大部分热量是在早期放出。水化热和放热速率与熟料矿物成分、混合材料品种和数量 及水泥细度等有关。硅酸盐水泥的水化热＞普通水泥的水化热＞复合水泥（或矿渣水泥、粉 煤灰水泥、火山灰水泥）的水化热。水化热适当大，对冬季施工有利。但对大体积混凝土施 工不利，易产生冷缩和温度裂缝。 （6）通用硅酸盐水泥的合格品与不合格品 当检验结果符合①化学指标（不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子）和②物理指

标（凝结时间、安定性、强度）的规定时为合格品。其中的任何一项技术要求不符合时为不 合格品。 （7）通用硅酸盐水泥的主要特性和优先选用 通用硅酸盐水泥的组成材料均为硅酸盐水泥熟料、适量的石膏和规定的混合材料，但由 于这六个品种水泥中混合材料品种及其数量的不同，表现出来的性能也有较大的差异。它们 的主要特性见教材。根据通用硅酸盐水泥的主要特性和混凝土工程的特点及所处环境，可优 先选用水泥，具体见教材。 2. 通用硅酸盐水泥的水化与耐腐蚀能力 （1）水化的定义 水化是指水泥或熟料矿物与水的化学反应。水化过程包含有凝结与硬化二个过程。凝结 是指可塑性的（水泥）浆体，失去可塑性的过程。硬化是指浆体完全失去可塑性，并具有强 度，而且浆体内部水化继续进行，强度继续提高的过程。水泥的凝结和硬化是一个连续的、 复杂的物理化学过程。硬化以后的水泥浆体称为水泥石或水泥硬化浆体。 （2）硅酸盐水泥熟料的水化 硅酸三钙的水化速度快，放热量大，在 28d 龄期已水化约 80%～90%。水化产物为水化 硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙凝胶尺寸在 1～100nm 范围，具有巨大的表面积，凝胶粒子 间存在范德华力和化学结合键，由它构成的网状结构具有很高的强度，所以硅酸盐水泥的强 度主要是由 C-S-H 凝胶提供的。水化生成的 Ca(OH)2，以六方板状晶体析出，它对强度的贡 献相对较弱；但它使水泥石的碱度升到 pH12 以上，能保护钢筋不生锈，能提高抗碳化能力。 硅酸二钙的水化速度慢，放热量小，虽然水化产物与硅酸三钙相同，但数量不同。因此 硅酸二钙早期强度低，但后期强度高。 铝酸三钙的水化迅速，放热量很大，生成水化铝酸三钙，在3d内已完成水化。因此，在 硅酸盐水泥生产中，通常加入3％～5％的石膏，以调节水泥的凝结时间。 铁铝酸四钙与水反应， 生成水化铝酸三钙晶体和水化铁酸钙凝胶。 在28d内基本完成水化。 在有氢氧化钙或石膏存在时，它将进一步水化生成水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体或水化 硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体。 （3）硅酸盐水泥、普通水泥的水化 水泥颗粒与水接触后，水泥熟料中的四种主要矿物和石膏立即或在相当长的时间内均能 与水发生水化作用，生成水化产物，并放出一定量的水化热。硅酸盐水泥与水作用后，生成 的主要水化产物是：水化硅酸钙凝胶和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝 酸钙晶体。在完全水化的硅酸盐水泥石中，水化硅酸钙约占60％～70%，氢氧化钙约占20%～ 25％。由于混合材料掺量少，普通水泥的水化与硅酸盐水泥的水化接近。 水泥浆体由可塑态逐渐失去塑性，进而硬化产生强度，这一凝结硬化过程，可以分为四 个阶段：①初始反应期（约15分钟内结束），②诱导期（一般持续1~3小时），③凝结期（一 般持续1～3小时），④硬化期。 （4）活性混合材料在通用硅酸盐水泥中的水化 常用的活性混合材料有火山灰质混合材料、粒化高炉矿渣和粉煤灰等，主要含有非晶态 或玻璃态的活性SiO2和活性A12O3。常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水

化产物，并能够逐渐凝结硬化产生强度。 活性混合材料在石灰和石膏作用下的水化。磨细的活性混合材料与水拌合后，本身并不 硬化或硬化极其缓慢；但在氢氧化钙饱和溶液中，在常温下就会发生显著的水化反应，生成 的水化产物是具有水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙。当液相中有石膏存在时，水化铝酸钙 与石膏反应生成水化硫铝酸钙。 活性混合材料在通用硅酸盐水泥中的水化。通用硅酸盐水泥与水拌合后，首先是水泥中 熟料的水化，放出大量的Ca(OH)2；然后是活性混合材料中的SiO2和Al2O3受到上述Ca(OH)2和 水泥中石膏的激发而进行的水化反应（一般称为二次水化反应），即消耗大量的Ca(OH)2，生 成更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。 （5）复合水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥的水化 由于混合材料掺量多，复合水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥的水化分两步进 行。首先是水泥中熟料的水化，然后是活性混合材料受到 Ca(OH)2 和石膏激发后的水化。 与硅酸盐水泥和普通水泥相比，掺活性混合材料多的水泥的水化速度和凝结硬化速度减 慢，水化热降低，早期强度降低而后期强度逐渐提高；水化产物中水化硅酸钙、水化铝酸钙 和水化硫铝酸钙量较多，氢氧化钙量较少。 （6）水泥石的结构 在常温下水泥硬化浆体（水泥石）是一非均质的多相体系，即由水泥水化产物、未水化 的水泥颗粒内核与孔隙等组成的多孔（大孔、毛细孔、凝胶孔）多相（固、液、气）体系。 它具有一定的机械强度和孔隙率，外貌和性能与石材相似，故又称之为水泥石。 （7）影响通用水泥水化和凝结硬化的主要因素 ①水泥的组成，主要取决于熟料质量、混合材料品种及其相对含量。 ②熟料矿物组成，主要取决于水泥熟料矿物组成及其相对含量。 ③水泥细度，因为水化是由颗粒表面开始逐渐深入到内部的。水泥颗粒越细，与水接触 的表面积越大，整体水化越快，凝结硬化也快，早期强度较高。但水泥颗粒过细，磨细能耗 增加，标准稠度用水量增加，硬化时干缩较大。 ④水泥浆的水灰比，通常硅酸盐水泥完全水化时的水灰比（非蒸发水/水泥）大约 0.23 左 右。水灰比越大，拌合用水量越多，会导致水泥石中的毛细孔越多、孔隙率越大、强度越低、 收缩越大、抗渗性及耐化学侵蚀性能越差。 ⑤养护条件，养护三要素为温度、湿度和时间。标准养护的温度为（20±1或2）℃，相 对湿度为≥90%（或95%或水中），时间（龄期）为28d。水是水泥水化的必要条件。提高养护 温度，可以促进水泥水化、加速凝结硬化、提高早期强度。硅酸盐水泥强度在3d～14d内增长 较快，28d后增长变慢，长期强度还有增长。 ⑥储存条件。水泥应该储存在干燥的环境里。水泥的有效期为三个月。 ⑦外加剂。一些糖类外加剂能显著延缓水泥的凝结时间，一些无机盐类外加剂能显著加 快水泥的凝结硬化并可提高水泥的早期强度。 （8）硅酸盐水泥硬化浆体的腐蚀与防止 硅酸盐水泥浆体硬化以后，其强度在几年甚至几十年中仍有提高，并且有较好的耐久性。 但在某些腐蚀性介质的作用下，强度下降，起层剥落，严重时会引起整个工程结构的破坏。

硅酸盐水泥石受腐蚀的种类、受腐蚀的原因和防止腐蚀的措施，简述如下：

腐蚀种类 受腐原因 防腐措施 软水腐蚀（溶出性侵蚀） ，盐类（硫酸盐、镁盐、盐类循环结晶等）腐蚀，酸类 （碳酸腐蚀、一般酸类腐蚀）腐蚀，强碱腐蚀和综合腐蚀。 水泥石中含有氢氧化钙、 水化铝酸钙 水泥石不够密实 有腐蚀介质存在 合理选择水泥品种 提高水泥石密实度 加保护层

（9）通用硅酸盐水泥的耐腐蚀能力 抗软水腐蚀、盐类（硫酸盐、镁盐）腐蚀、酸类腐蚀能力的顺序为：矿渣水泥、粉煤灰 水泥、火山灰水泥、复合水泥＞普通水泥＞硅酸盐水泥。抗（空气中）碳化能力的顺序为： 硅酸盐水泥＞普通水泥＞矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。

例题4-2：通用硅酸盐水泥的三大组分材料是什么？通用水泥的主要水化产物是什么？

答：三大组分材料是水泥熟料、石膏和混合材料。通用水泥的主要水化产物是水化硅酸钙凝胶和水化铁酸钙 凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的硅酸盐水泥石中，水化硅酸钙约占60％～ 70%，氢氧化钙约占20%～25％。

例题4-3：硅酸盐水泥熟料的主要矿物是什么？各有什么水化产物和水化硬化特性？

答：熟料的主要矿物是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。 硅酸三钙遇水，反应速度较快，水化热高，它的水化产物对水泥早期强度和后期强度均起主要作用。水 化产物是水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙。 硅酸二钙遇水，反应速度较慢，水化热较低，它的水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强 度起重要作用。耐化学侵蚀性良好，干缩较小。水化产物是水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙。 铝酸三钙是四种矿物组分中遇水反应速度最快、水化热最高的组分。耐化学侵蚀性差，干缩大。因此， 为了调节水泥的凝结硬化速度必须掺加石膏，铝酸三钙与石膏形成的水化产物（钙矾石），对水泥早期强度 有一定的作用。水化产物是水化铝酸钙和三硫型或单硫型水化硫铝酸钙晶体。 铁铝酸四钙遇水反应较快，水化热较高。抗压强度居中，对水泥抗折强度的贡献较大。耐化学侵蚀性优， 干缩小。水化产物是水化铁酸钙凝胶，水化铝酸钙和水化硫铁铝酸钙晶体（有石膏存在时）。

例题4-4：什么是活性混合材料和非活性混合材料？它们加入通用水泥中各起什么作用？

答：混合材料是为了改善通用硅酸盐水泥性能、调节水泥强度、降低水化热、降低生产成本、增加水泥产量 和增加品种而经常采用的组成材料。

活性混合材料主要有粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料，主要含有非晶态或玻璃态的活性 SiO2 和活性 A12O3，能与水泥浆中的氢氧化钙和石膏发生化学反应。 非活性混合材料，掺入水泥中的主要作用是调节水泥强度、降低水化热、降低生产成本、增加产量，在 水泥浆中几乎不发生化学反应。主要有石灰石和砂岩等。 活性混合材料在通用硅酸盐水泥中的水化。通用硅酸盐水泥与水拌合后，首先是水泥中熟料的水化，放 出大量的Ca(OH)2； 然后是活性混合材料中的SiO2和Al2O3受到上述Ca(OH)2和水泥中石膏的激发而进行的水化 反应（一般称为二次水化反应），即消耗大量的Ca(OH)2，生成更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝 酸钙。

例题4-5：通用硅酸盐水泥中加入石膏的作用是什么？膨胀水泥中加入石膏的作用是什么？

答：硅酸盐水泥中加入石膏的作用有三：起调节水泥凝结时间的作用、适量的增强作用（硫酸盐激发剂） 、 产生适量钙矾石后的微膨胀作用。加入过量时会产生体积安定性问题。 通用硅酸盐水泥中加入石膏的主要作用是起调节水泥凝结时间的作用。由于铝酸三钙是四种矿物组分中 遇水反应速度最快、水化热最高的组分，其水化产物水化铝酸钙的强度低，故为了调节水泥的凝结硬化速度 必须掺加石膏，而且铝酸三钙与石膏形成的水化产物（水化硫铝酸钙晶体），对水泥早期强度有一定的作用。 膨胀水泥中加入石膏的主要作用是产生适量钙矾石后的微膨胀作用。水泥中的石膏与水化铝酸钙发生反 应，生成具有体积膨胀的、针状的晶体三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）。

例题4-6：通用水泥有哪些品种，各有什么特性？

答：通用硅酸盐水泥的定义为以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。 其分类按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥六个品种。通用硅酸盐水泥的主要特性（详见教材）。

例题4-7：什么是水泥的体积安定性？引起安定性不良的主要原因是什么？如何检验安定性？

答：水泥浆体在硬化过程中体积变化的均匀性称为水泥体积安定性。 引起安定性不良的主要原因是由于熟料或水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁，及磨制水泥时加 入了过多的石膏等所造成的。 现行国标规定用沸煮法检验由游离CaO引起的水泥体积安定性。采用压蒸方法才能检验由游离MgO引起 的水泥体积安定性。石膏的危害则需要水泥浆体长期浸在常温水中才能检验。由于MgO和石膏的危害作用不 便于快速检验，故用化学成分控制，硅酸盐水泥中MgO含量不得超过5.0％，如经压蒸安定性检验合格，允许 放宽到6.0％；SO3含量不得超过3.5％。

例题4-8：简述硅酸盐水泥凝结硬化的机理。影响水泥凝结硬化的主要因素是什么？

答：凝结硬化的机理：水泥颗粒与水接触后，水泥熟料中的四种主要矿物和石膏立即或在相当长的时间内均 能与水发生水化作用，生成水化产物，并放出一定量的水化热。随着水化的进行，水泥浆体进入凝结阶段， 由可塑态逐渐失去塑性，进而硬化产生强度。这一凝结硬化过程，可以分为四个阶段，①初始反应期（约15 分钟内结束），②诱导期（一般持续1~3小时），③凝结期（一般持续1～3小时），④硬化期。（详见教材） 影响水泥凝结硬化的主要因素：①水泥的组成，②熟料矿物组成，③水泥细度，④ 水泥浆的水灰比，⑤ 养护条件，⑥储存条件，⑦外加剂，等。（详见教材）

例题4-9：通用硅酸盐水泥的强度如何测定，其强度等级如何评定？

答：现行国标规定：水泥的强度用胶砂强度检验。将水泥、水和中国 ISO 标准砂按 1: 0.50: 3.00 的比例，以 规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为 40mm×40mm×160mm），在标准条件下在（20± 1）℃的水中养护 至 3d 和 28d，测定这两个龄期的抗折强度和抗压强度。根据测定结果，判定水泥的强度等级。 硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。普通水泥强度等级分为42.5、42.5R、 52.5、52.5R。矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、 52.5R。现行标准将水泥分为普通型和早强型（或称R型）两个型号。

例题4-10：什么样的水泥产品是合格品和不合格品？

答：当水泥产品的检验结果符合①化学指标（不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子）和②物理指标

（凝结时间、安定性、强度）的规定时为合格品，其中的任何一项技术要求不符合时为不合格品。

例题4-11：硅酸盐水泥的腐蚀有哪些类型？如何防止水泥石的腐蚀？

答：腐蚀类型：软水腐蚀（溶出性侵蚀） ，盐类（硫酸盐、镁盐、盐类循环结晶等）腐蚀，酸类（碳酸腐蚀、 一般酸类腐蚀）腐蚀，强碱腐蚀和综合腐蚀。 防止水泥石腐蚀的措施：合理选择水泥品种、提高水泥石密实度、加保护层

例题4-12：白色硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥在组成成分、生产方法上有什么差异？

答：硅酸盐水泥一般呈灰或灰褐色，这是由于其水泥熟料中的氧化铁和其它着色物质（如氧化锰、氧化钛等） 所引起的。硅酸盐水泥熟料中的氧化铁含量大约为3％～4％。因此，白色硅酸盐水泥则要严格控制氧化铁的 含量，一般应低于水泥质量的0.4％。此外，其它如氧化锰、氧化钛、氧化钴等的含量也要加以控制。白色水 泥熟料中主要含有硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙。 白色水泥的生产与硅酸盐水泥基本相同。由于原料中氧化铁的含量少，使得生成硅酸三钙的温度提高， 煅烧的温度要提高到1550℃左右。为了保证白度，煅烧时应采用天然气、煤气或重油作为燃料。粉磨时不能 直接用钢板和钢球，而应采用白色花岗岩或高强陶瓷衬板，用烧结瓷球等作为研磨体。

例题4-13：如何提高硅酸盐水泥的快硬早强性能？

答：硅酸盐水泥熟料中主要含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙四种矿物。这四种矿物各有其 特性，如提高硅酸三钙和铝酸三钙在熟料中的相对含量就能得到快硬早强特性。

例题4-14：道路水泥的组成有何特点，应用性能如何？

答：它是在硅酸盐水泥的基础上，通过合理调整水泥熟料的矿物组成比例，所得以硅酸钙为主要成分和较多 铁铝酸钙含量的硅酸盐熟料，以达到提高水泥抗折强度、抗冲击性能、耐磨性能、抗冻性能和抗疲劳性能等 的目的。 道路水泥是一种强度高，特别是抗折强度高、耐磨性好、干缩小、抗冲击性好、抗冻性和抗硫酸性较好 的专用水泥。它适用于道路路面、机场跑道道面、城市广场等工程。由于具有上述特性，可减少混凝土路面 的裂缝和磨耗等病害，从而减少维修、延长路面使用年限。

例题4-15：膨胀水泥的膨胀原理是什么？什么是自应力水泥？

答：膨胀水泥水化时产生膨胀的原理，主要是水泥中铝酸盐和石膏遇水化合，生成钙矾石。由于生成的钙矾 石较多，膨胀不仅补偿了收缩而且还产生外体积膨胀。膨胀水泥中具有膨胀组分（钙矾石）和强度组分（水 化硅酸钙），二组分必须匹配。 膨胀水泥和自应力水泥都是硬化时具有一定体积膨胀的水泥品种。膨胀水泥膨胀值较小，线性膨胀率在 1％以下，其自应力值通常为0.5MPa，主要用于补偿收缩；自应力水泥膨胀值较大，线性膨胀率在1％～3%， 其自应力值通常为大于2.0MPa，用于生产预应力混凝土。

例题4-16：降低水泥水化热的方法有那些？低热水泥适用于什么工程？

答：水化热和放热速率与熟料矿物成分、混合材料品种和数量及水泥细度等有关。 降低水泥水化热的方法有①调整熟料矿物成分，提高硅酸二钙并降低硅酸三钙和铝酸三钙的相对含量就 能降低水泥的水化热。②掺加混合材料。③掺加缓凝剂。④采取温控措施，如原材料降温、使用冰水、埋冷 却水管和特殊养护等。 低热硅酸盐水泥适用于大体积水工建筑物水位变动区的覆面层及大坝溢流面，以及其它要求低水化热、 高抗冻性和耐磨性的工程。低热矿渣水泥适用于大体积建筑物或大坝内部要求更低水化热的部位。此外，它 们具有一定的抗硫酸盐侵蚀能力，可用于低硫酸盐侵蚀的工程。

例题4-17：铝酸盐水泥有何特点，应用时需要注意哪些问题？

答：① CA-50铝酸盐水泥的特性为快硬早强。早期强度增长快，24h即可达到极限强度的80％左右。故宜用 于紧急抢修工程和早期强度要求高的工程。水化热大，且集中在早期放出。因此，适合于冬季施工，不适合 于最小截面尺寸超过45cm的构件及大体积混凝土的施工。 但CA-50后期强度可能会下降，尤其是在高于30℃的湿热环境下，强度下降更快，甚至会引起结构的破

坏。因此，结构工程中使用铝酸盐水泥应慎重。 ②CA-60水泥的熟料一般以CA和CA2为主， CA能够迅速提高早期强度， 2在后期能够保证强度的发展， CA 因此具有较高的早期强度和后期强度。水化热较高，适合于冬季施工和紧急抢修工程以及早期强度要求高的 工程。 ③CA-70和CA-80属于低钙铝酸盐水泥，主要成分为CA2，具有良好的耐高温性能，可以用来配制耐火混 凝土，广泛地用作各种高温炉衬的内衬。 ④铝酸盐水泥具有较好的抗硫酸盐侵蚀能力。故适合于有抗硫酸盐侵蚀要求的工程。 ⑤铝酸盐水泥不耐碱，不能用于接触碱溶液的工程。 ⑥铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15℃左右，一般施工时环境温度不得超过25℃。一般不宜浇筑大体积 混凝土。 ⑦铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，应以最低稳定强度设计。

例题4-18：试分析水泥熟料中铝酸三钙含量对通用硅酸盐水泥硬化浆体性能的影响。

答：铝酸三钙是与水反应速度最快、水化热最高的组分，但对水泥硬化浆体的强度贡献低、耐化学侵蚀性差、 收缩大，随着其含量的提高其缺点更加显著。因此，为了调节水泥的凝结硬化速度必须掺加石膏，铝酸三钙 与石膏形成的水化产物，对水泥早期强度有一定的作用。

例题4-19：试分析氢氧化钙含量对通用硅酸盐水泥硬化浆体性能的影响。

答：硅酸三钙和硅酸二钙水化生成的氢氧化钙，以六方板状晶体析出，它对强度的贡献相对较弱；但它使水 泥石的碱度升到pH12以上， 能保护钢筋不生锈， 能提高抗碳化能力。 氢氧化钙还能激发活性混合材料的水化， 使水泥硬化浆体的强度进一步提高、耐久性能得到改善。 氢氧化钙含量提高，仅对护筋和提高抗碳化能力有好处。因此宜掺加活性混合材料等来消耗部分氢氧化 钙，进而使强度提高和耐久性改善。但对于空气中使用的有护筋要求的混凝土，其氢氧化钙含量不能大幅度 地降低，不然将丧失护筋能力。

例题4-20：试分析钙矾石（三硫型水化硫铝酸钙）含量对通用硅酸盐水泥硬化浆体性能的影 响。

答：为了调节水泥的凝结硬化速度必须掺加石膏，铝酸三钙与石膏形成的水化产物钙矾石，对水泥早期强度 有一定的作用。 在凝结阶段，钙矾石的形成抑制了铝酸三钙与水的反应，起到了调凝作用；相对与水化铝酸钙，钙矾石 有增强作用；钙矾石还有膨胀作用，能补偿收缩。 当水泥中掺加的石膏较多时，可生产膨胀水泥；过多时，会产生体积安定性不良。

例题4-21：试分析环境温度对铝酸盐水泥硬化浆体性能的影响。

答：由于铝酸一钙的水化反应及产物随温度变化很大。当温度在＜20℃时，其水化产物为CAH10；当温度在 20℃～30℃时，其水化产物为CAH10、C2AH8和AH3；当温度＞30℃时，其水化产物为C3AH6和AH3。 铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15℃左右，一般施工时环境温度不得超过25℃，否则会产生水化产物晶 型转变，导致强度降低。铝酸盐水泥的水化热集中于早期释放，从硬化开始应立即浇水养护，一般不宜浇筑 大体积混凝土。

例题4-22：下列混凝土工程中宜选用哪种水泥，不宜使用哪种水泥，为什么？

答：①高强度混凝土工程（PO、PⅠ、PⅡ、（PS）宜；PF、PP、PC不宜）。②与流动水接触的工程（PS、 （PO）、PF、PP、PC宜；PⅠ、PⅡ不宜）。③采用湿热养护的混凝土制品（PS、PF、PP、PC、（PO）宜； PⅠ、PⅡ不宜）。④处于干燥环境中的混凝土工程（PO、PⅠ、PⅡ、PS宜；PF、PP、PC不宜）。⑤大体积 基础工程，水坝混凝土工程（中热水泥、低热水泥、PS、PF、PP、PC宜；PⅠ、PⅡ、PO不宜）。⑥水下混 凝土工程（PS、PF、PP、PC、 （PO）宜；PⅠ、PⅡ不宜）。⑦高温设备或窑炉的基础（铝酸盐水泥、PS宜）。 ⑧严寒地区受冻融的混凝土工程（PO、PⅠ、PⅡ宜）。⑨有抗渗要求的混凝土工程（PP、PO宜）。⑩混凝 土地面或道路工程（道路水泥、PO、PⅠ、PⅡ宜；PF、PP、PC不宜）。
1．混凝土的原材料 (1) 水泥

建筑工程一般对水泥品种无特别要求，但在沿海地区，由于受海洋气候和地质环境中侵 蚀性介质的影响，应注意水泥品种的选用。一般掺大量混合材的水泥具有较好的抗化学侵蚀 性能，但抗碳化性能较差。 在进行水泥强度等级选择时，一般低强度等级(C40 以下)混凝土选用 32.5 和 42.5 水泥， 较高强度等级选用 52.5 水泥。 (2) 掺合料 在混凝土拌合物制备时，为节约水泥、降低水化热、改善混凝土性能、调节混凝土强度 等级，常加入各种天然矿物材料或其它工业废弃物粉体材料，统称为混凝土掺合料。活性矿 物掺合料虽然本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的氢氧化钙反应生成具有水 硬性的胶凝材料，并能与石膏形成钙矾石，具有活性增强、微集料和填充孔隙的作用，如矿 渣、火山灰、粉煤灰、硅灰等。掺加掺合料会导致混凝土早期强度下降，但后期强度增长明 显， 且可改善混凝土耐久性。 矿渣微粉密度约 2.95 g/cm3， 粉煤灰、 火山灰和硅灰等密度较小， 3 3 约 2.3~2.5 g/cm ，而水泥的密度约为 3.0~3.1g/cm ，因此，采用粉煤灰等低密度掺合料等量取 代水泥时应考虑胶凝材料体积增大对新拌和硬化混凝土性能的影响。 (3) 骨料 按公称粒径大小，骨料分为粗骨料(>5mm)和细骨料(≤5mm)，按来源不同，粗骨料分为碎 石和(河、海)卵石，细骨料分为天然(河、海、山)砂和人工(机制)砂。 骨料性能指标中最重要的是颗粒粗细程度和颗粒级配(即颗粒的大小搭配)， 前者决定骨料 总表面积(颗粒越小，相同质量情况下总表面积越大)；后者决定骨料堆积空隙率(空隙率比较: 间断级配<连续级配<单粒级)，两者均影响水泥用量。 理想的粗骨料为杂质含量小的碎石，颗粒接近等径状，针片状颗粒应尽量少，因其与水 泥石之间具有较强的粘结作用和较大的粘结界面； 高强或有抗渗要求的混凝土最好不用卵石， 因其与水泥石之间的界面粘结差。粗骨料粒径越小，混凝土抗渗性越好；对于高强泵送混凝 土，宁可选用颗粒强度稍差但粒形好的粗骨料。 理想的细骨料为杂质含量小的天然中砂。高强混凝土要用中、粗砂，尤其当粗骨料级配 差时砂子以偏粗为好。 经常与水接触的环境(如道路、桥梁、水利、海工等工程)中的混凝土应选用不具有碱活性 的粗细骨料。 (4) 混凝土外加剂 通过掺加混凝土外加剂可调节新拌和硬化混凝土的多方面性能。最常用的外加剂为减水 剂，即可在保持混凝土拌合物流动性的前提下减少单位用水量的外加剂。根据减水率大小， 混凝土减水剂分为普通减水剂(减水率

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