土木工程材料习题.ppt

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1、习题课（一）,基本性质例1-1 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解石子的孔隙率P为：石子的空隙率P，为：评注 材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。计算式中密度；0材料的表观密度；，材料的堆积密度。,例1-2 有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为24011553mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62 cm3。试计算该砖的吸水率、密度、

2、孔隙率、饱水系数。解该砖的吸水率为该砖的密度为表观密度为孔隙率为评注 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比。,例1-3 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解该石材的软化系数为由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。评注 软化系数为材料吸水饱和状态下的抗压强度与材料在绝对干燥状态下的抗压强度之比。与材料在气干状态下的抗压强度无关。,例1-4 影响材料强度测试结果的试验条件有那些？解答:影响材料强度测试结果的因素很多。如小尺寸试件测试的强

3、度值高于大尺寸试件；加载速度快时测得的强度值高于加载速度慢的；立方体试件的测得值高于棱柱体试件；受压试件与加压钢板间无润滑作用的（如未涂石蜡等润滑物时），测得的强度值高于有润滑作用；表面平整试件的测得值高于表面不平整的等。,例1-5 选择题：选择正确的答案填在括号内。当材料的润湿边角为（）时，称为憎水性材料。a.90 b.90c.0解答:b:90评注 材料的润湿边角90为亲水性材料；材料的润湿边角90时为憎水性材料。,石灰例2-1 根据石灰浆体的凝结硬化过程，试分析硬化石灰浆体有哪些特性？解石灰浆体在空气中凝结硬化过程，是由下面两个同时进行的过程来完成的：（）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐

4、渐从饱和溶液中结晶。（）碳化作用：氢化氧钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发：,由于氢氧化钙结晶速度慢且结晶量少，空气中二氧化碳稀薄，碳化速度慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于二氧化碳的渗透和碳化作用的深入。因而硬化石灰浆体具有以下特性：（1）凝结硬化慢；（2）硬化后强度低；（3）硬化时体积收缩大；（4）耐水性差，因为硬化石灰浆体的主要成分是氢氧化钙，而氢氧化钙可微溶解于水。评注 石灰浆体在空气中凝结硬化过程主要是依赖于浆体中Ca(OH)2的结晶析出和Ca(OH)2与空气中的二氧化碳的碳化作用。,例2-2某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面。数月后，墙面上出现了许多不规

5、则的网状裂纹。同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹。试分析上述现象产生的原因。解:石灰砂浆抹面的墙面上出现不规则的网状裂纹，引发的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。墙面上个别部位出现凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸汽继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。,评注 透过现象看本质，过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。如未经过充分的陈伏，当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，容

6、易引起鼓包隆起和开裂。,例2-3 既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？解 石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。,再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。评注 粘土表面存在少量的的活性氧

7、化硅和氧化铝，可与消石灰Ca（OH）2反应，生成水硬性物质。,例2-4.建筑石膏的成分是什么？其凝结硬化机理是什么？解 建筑石膏的成分为aSO4H2O，也称熟石膏或半水石膏。建筑石膏的凝结硬化机理是，当建筑石膏与适量水拌合后，先成为可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。建筑石膏与水之间产生化学反应的反应式为：,由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小得多（仅为半水石膏的五分之一），所以二水石膏以胶体微粒不断自水中析出,浆体的稠度逐渐增大，表现为石膏的凝结，其后半水石膏继续溶解和水化,浆体逐渐凝聚，失去可塑性，并逐渐转变为晶体，晶体颗

8、粒不断长大和连生，形成相互交错,彼此紧密联结,硬化成块体并产生强度，直至完全干燥，强度才停止发展。这就是石膏的硬化过程。评注 建筑石膏的凝结硬化机理实际为半水石膏吸收一个半结晶水还原为二水石膏的过程。,例2-5 建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？解建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性质：（1）石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细致，装饰性好；（2）硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保

9、温性、吸声性好。,（3）硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。（4）建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗渗性差、抗冻性差,所以不适用于室外使用.评注本题主要是考查对建筑石膏及其制品技术性能的了解.,例2-6 常用菱苦土制品有哪些？组成材料的质量要求是什么？解 常用菱苦土制品有菱苦土木屑浆和菱苦土木屑砂浆两种，前者由菱苦土、木屑（锯屑、

10、刨花、木丝），粉料和氯化镁溶液，或掺加适量颜料组成，常胶结制成板材作门窗、家具、隔墙等用，后者掺加砂子作地坪耐磨面层。菱苦土是由菱镁矿（MgCO3）经煅烧磨细而制成的。其化学反应可表示如下：,菱苦土的主要成分为氧化镁（MgO）、呈白色或浅黄色，密度为3.2左右，表观密度800900kg/m3，氧化镁含量要求不低于75。氯化镁是用拌和菱苦土的，可以是工业用的氯化镁或用卤块溶解于水而得，但溶液中所含氯化镁应不少于。木屑多用针叶类木材产品，其粒度不应大于mm，用于面层时不应大于15mm。腐朽的不能使用。砂采用一般洁净砂。矿物颜料可用耐碱的矿物颜料，要求成分均匀干燥，无结块和杂质，掺量为菱苦土和填充料

11、总体积的。评注 菱苦土的主要成分氧化镁（MgO）可与氯化镁水溶液发生水化反应，形成强度较高（4060Pa）的水化产物。,例2-7 试述水玻璃的凝结硬化机理是什么？解 液体水玻璃的凝结硬化主要是靠在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化。其反应式为：由于空气中CO2浓度较低，这个过程进行的很慢，会长达数月之久。,为了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加人氟硅酸钠Na2SiF6作为促硬剂，促使硅酸凝胶加速生成和析出，其反应式为：硅酸凝胶再脱水而生成SiO2，从而具有强度。评注 水玻璃可吸收空气中的二氧化碳，形成硅酸凝胶。水玻璃在硬化后，具有良好的粘结力和强度，很高耐热性和耐酸性。,

12、例2-8 水玻璃的化学组成是什么？水玻璃的模数、密度（浓度）对水玻璃的性能有什么影响？解通常使用的水玻璃都是Na2OnSiO2的水溶液，即液体水玻璃。一般而言，水玻璃的模数n越大时，水玻璃的粘度越大。硬化速度越快、干缩越大，硬化后的粘结强度、抗压强度等越高、耐水性越好、抗渗性及耐酸性越好。其主要原因是硬化时析出的硅酸凝胶SiO2mH2O较多。同一模数的水玻璃，密度越大，则其有效成分Na2OnSiO2的含量越多，硬化时析出的硅酸凝胶也多，粘结力愈强。然而如果水玻璃的模数或密度太大，往往由于粘度过大而影响到施工质量和硬化后水玻璃的性质，故不宜过大。,水泥例3-1 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料

13、，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？解 由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热、d时的强度均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。,评注 甲厂硅酸盐水泥熟料中的硅酸三钙3S、铝酸三钙C3 的含量均高于乙厂硅酸盐水泥熟料，而乙厂硅酸盐水泥熟料中硅酸二钙C2S含量高于甲厂硅酸盐水泥熟料。熟料矿物成分含量的不同是造成上述差异的主要原因。,例3-2.试说明生产硅酸盐水泥时为什么必须掺入适量石膏？解 水泥熟料中的铝酸三钙遇水后，水化反应的速度最快，会使水泥发生瞬凝或急凝。为了延长凝结时间，方便

14、施工，必须掺入适量石膏。评注在有石膏存在的条件下，水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。,例3-3 为什么水泥必须具有一定的细度？解 在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径愈小，比表面积越大，水泥水化时与水的接触面越大，水化速度越快，水化反应越彻底。相应地水泥凝结硬化速度就越快，早期强度和后期强度就越高。但其28d水化热也越大，硬化后的干燥收缩值也越大。另外要把水泥磨得更细，也需要消耗更多的能量，造成成本提高。因此水泥应具有一定

15、的细度。评注 国家标准GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积或0.08 mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。如普通水泥的细度为0.08 mm方孔筛的筛余量不得超过10%。,例3-4.何谓水泥的体积安定性？水泥的体积安定性不良的原因是什么？安定性不良的水泥应如何处理？解水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不溃散的性质。导致水泥安定性不良的主要原因是：（1）由于熟料中含有的的游离氧化钙、游离氧化镁过多；（2）掺入石膏过多；其中游离氧化钙是一种最为常见，影响也是最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是

16、过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的Ca（OH）2晶体，这时体积膨胀以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。,当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，也导致水泥石开裂。体积安定性不良的水泥，会发生膨胀性裂纹使水泥制品或混凝土开裂、造成结构破坏。因此体积安定性不良的水泥，应判为废品，不得在工程中使用。评注 水泥的体积安定性用雷氏法或试饼法检验。沸煮后的试饼如目测未发现裂缝，用直尺检查也没有弯曲，表明安定性合格。反之为不合格。雷式夹两试件指针尖之间距离增加值的平均值不大于5.

17、0时，认为水泥安定性合格。沸煮法仅能检验游离氧化钙的危害。游离氧化镁和过量石膏往往不进行检验，而由生产厂控制二者的含量，并低于标准规定的数量。,例3-5.某些体积安定性不合格的水泥，在存放一段时间后变为合格，为什么？解某些体积安定性轻度不合格水泥，在空气中放置4周以上，水泥中的部分游离氧化钙可吸收空气中的水蒸汽而水化（或消解），即在空气中存放一段时间后由于游离氧化钙的膨胀作用被减小或消除，因而水泥的体积安定性可能由轻度不合格变为合格。评注 必须注意的是，这样的水泥在重新检验并确认体积安定性合格后方可使用。若在放置上段时间后体积安定性仍不合格则仍然不得使用。安定性合格的水泥也必须重新标定水泥的标

18、号，按标定的标号值使用。,例3-6.影响硅酸盐水泥水化热的因素有那些？水化热的大小对水泥的应用有何影响？解影响硅酸盐水泥水化热的因素主要有硅酸三钙3S、铝酸三钙C3的含量及水泥的细度。硅酸三钙3S、铝酸三钙C3的含量越高，水泥的水化热越高；水泥的细度越细，水化放热速度越快。水化热大的水泥不得在大体积混凝土工程中使用。在大体积混凝土工程中由于水化热积聚在内部不易散发而使混凝土的内部温度急剧升高，混凝土内外温差过大，以致造成明显的温度应力，使混凝土产生裂缝。严重降低混凝土的强度和其它性能。但水化热对冬季施工的混凝土工程较为有利，能加快早期强度增长，使抵御初期受冻的能力提高。,评注 水泥矿物在水化反

19、应中放出的热量称为水化热。水泥水化热的大小及放热的快慢，主要取决于熟料的矿物组成和水泥细度。铝酸三钙C3的水化热最大，硅酸三钙3S的水化热也很大。通常水泥等级越高，水化热度越大。凡对水泥起促凝作用的因素均可提高早期水化热。反之，凡能延缓水化作用的因素均可降低水化热。,例3-7.为什么流动的软水对水泥石有腐蚀作用？解水泥石中存在有水泥水化生成的氢氧化钙。氢氧化钙Ca（OH）2可以微溶于水。水泥石长期接触软水时，会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出并流失，从而引起水泥石孔隙率增加。当水泥石中游离的氢氧化钙Ca（OH）2浓度减少到一定程度时，水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出，从而导致水泥石结构的强

20、度降低，所以流动的软水或具有压力的软水对水泥石有腐蚀作用。,评注 造成水泥石腐蚀的基本原因有：（1）水泥石中含有较多易受腐蚀的成分，主要有氢氧化钙Ca（OH）2、水化铝酸三钙C3AH6等。（2）水泥石本身不密实，内部含有大量毛细孔，腐蚀性介质易于渗入和溶出，造成水泥石内部也受到腐蚀。工程环境中存在有腐蚀性介质且其来源充足。,例3-8 既然硫酸盐对水泥石具有腐蚀作用，那么为什么在生产水泥时掺入的适量石膏对水泥石不产生腐蚀作用？解硫酸盐对水泥石的腐蚀作用，是指水或环境中的硫酸盐与水泥石中水泥水化生成的氢氧化钙Ca（OH）2、水化铝酸钙C3AH6反应，生成水化硫铝酸钙（钙矾石C3AS3H31），产生

21、1.5倍的体积膨胀。由于这一反应是在变形能力很小的水泥石内产生的，因而造成水泥石破坏，对水泥石具有腐蚀作用。,生产水泥时掺入的适量石膏也会和水化产物水化铝酸钙C3AH6反应生成膨胀性产物水化硫铝酸钙C3AS3H31，但该水化物主要在水泥浆体凝结前产生，凝结后产生的较少。由于此时水泥浆还未凝结，尚具有流动性及可塑性，因而对水泥浆体的结构无破坏作用。并且硬化初期的水泥石中毛细孔含量较高，可以容纳少量膨胀的钙矾石，而不会使水泥石开裂，因而生产水泥时掺入的适量石膏对水泥石不产生腐蚀作用，只起到了缓凝的作用。,评注 硫酸盐与水泥石中水泥水化生成的氢氧化钙Ca（OH）2、水化铝酸钙C3AH6反应，生成水化

22、硫铝酸钙（钙矾石C3AS3H31），产生1.5倍的体积膨胀。钙矾石为微观针状晶体，人们常称其为水泥杆菌。,例3-9 何谓水泥的活性混合材料和非活性混合材料？二者在水泥中的作用是什么？解活性混合材料的主要化学成分为活性氧化硅SiO2和活性氧化铝Al2O3。这些活性材料本身不会发生水化反应，不产生胶凝性，但在常温下可与氢氧化钙Ca（OH）2发生水化反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙而凝结硬化，最终产生强度。这些混合材料称为活性混合材料。常温下不能氢氧化钙Ca（OH）2发生水化反应，也不能产生凝结硬化和强度的混合材料称为非活性混合材料。,活性混合材料在水泥中可以起到调节标号、降低水化热、增加水泥产量，

23、同时还可改善水泥的耐腐蚀性和增进水泥的后期强度等作用。而非活性混合材料在水泥中主要起填充作用，可调节水泥强度，降低水化热和增加水泥产量、降低成本等作用。评注常用活性混合材料主要有粒化高炉矿渣，火山灰质混合材料（常用的有火山灰、硅藻土等）和粉煤灰等。非活性混合材料有磨细石英砂、石灰石、粘土、缓冷矿渣等。,例3-10 掺混合材的水泥与硅酸盐水泥相比，在性能上有何特点？为什么？解 与硅酸盐水泥相比，掺混合材的水泥在性质上具有以下不同点：（1）早期强度低，后期强度发展快。这是因为掺混合材料的硅酸盐水泥熟料含量少，活性混合材料的水化速度慢于熟料，故早期强度低。后期因熟料水化生成的Ca（OH）2不断增多并

24、和活性混合材料中的活性氧化硅SiO2和活性氧化铝Al2O3不断水化，从而生成众多水化产物，故后期强度发展快，甚至可以超过同标号硅酸盐水泥。,（2）掺混合材的水泥水化热低，放热速度慢。因掺混合材的水泥熟料含量少，故水化热低。虽然活性材料水化时也放热，但放热量很少，远远低于熟料的水化热。（3）适于高温养护，具有较好的耐热性能。采用高温养护掺活性混合材料较多的硅酸盐水泥，可大大提高早期强度，并可提高后期强度。这是因为在高温下活性混合材料的水化反应大大加快。同时早期生成的水化产物对后期活性混合材料和熟料的水化设有多少阻碍作用，后期仍可正常水化，故高温养护后，水泥的后期强度也高于常温下养护的强度。,而对

25、于未掺活性混合材料的硅酸盐水泥，在高温养护下，熟料的水化速度加快，由于熟料占绝大多数，故在短期内就生成大量的水化产物，沉淀在水泥颗粒附近。这些水化产物膜层阻碍了熟料的后期水化，因而高温养护虽提高了早期强度，但对硅酸盐水泥的后期强度发展不利。（4）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力。因掺混合材料较多的硅酸盐水泥中熟料少，故熟料水化后易受腐蚀的成分Ca（OH）2、C3AH6较少，且活性混合材料的水化进一步降低了Ca（OH）2的数量，故耐腐蚀性较好。,评注 掺混合材的水泥主要有组成中掺有多量粒化高炉矿渣的矿渣硅酸盐水泥；掺有多量火山灰质混合材料的火山灰质硅酸盐水泥；掺有多量粉煤灰的粉煤灰硅酸盐水泥。虽然混

26、合材的品种不同，但其主要化学成分均为活性氧化硅SiO2和活性氧化铝Al2O3。而硅酸盐水泥的组成中不含或含有很少的混合材料。此外二者均含有硅酸盐水泥熟料和适量石膏。,例3-11.建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥试样进行了检测，试验结果如下表，试确定其强度等级。,评注 计算水泥试样的抗折强度时，以个试件的强度平均值作为测定结果（精确至0.1MPa）。当3个试件的强度值中有超过平均值时，应删除后再取平均值作为抗折强度的测定结果。计算水泥试样的抗压强度时，以个半截试件的平均值作为测定结果（精确至0.1MPa）。如个测定值中有个超出平均值的10，应删除，以其余个测定值的平均值作为测定结果。如果个测定值中仍有再超过它们平均值的数据，则该试验结果作废。,