作者：孙世民,高莉莉
出版社：航空工业出版社
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土木工程材料试读：
编者的话
《土木工程材料》作为高等院校土木建筑专业的教学用书，内容涉及工业与民用建筑、道路与桥梁、建筑装饰等。本书根据最新的培养方案和课程教学大纲结合最新的国家和行业标准规范和行业要求，以培养应用型人才为目标编撰而成。本书由三大部分组成，分别是公共基础部分、专业部分和试验部分。其中，公共基础部分包括了
绪论
、第1章至第7章；第8章～第15章为专业部分。这部分内容又可细分为三个部分。其中，第8章、第9章为工业与民用建筑专业部分，第10章至第12章为道路与桥梁专业部分，第13章至第15章为建筑装饰材料部分；第16章至第18章为试验部分。基础部分和专业部分要求学生掌握常用土木工程材料的性能，熟悉常用土木工程材料标准，具备合理选用和保管土木工程材料的初步能力；试验部分旨在帮助学生建立所学理论知识和实践的有机联系，培养学生的动手能力，使其具备对常用土木工程材料的检验和评定的能力。
本书在编写过程中全部采用国家和行业最新技术标准和规范，力求内容精练，概念清楚，简明实用，图文并茂，以增强学生的学习兴趣和感性认识。本书同时注重培养学生用所学知识处理工程实际问题的能力，并选择一些工程实例进行实训练习。
本书由河南质量工程职业学院孙世民（编写绪论、第1、4章）主编，河南质量工程职业学院韩香菊（编写第2章、第16章第3-6节）、商丘工学院赵云峰（编写第3、13章）、商丘工学院冯国海（编写第6章）、商丘工学院吴桐（编写第7、14、17章）、商丘职业技术学院王东伟（编写第8、9、11章）、信阳广播电视大学高巍（编写第15章、第16章第1-2节）任副主编，河南天工建设集团有限公司毕祖金（编写第5章）、河南天工建设集团有限公司冯婉（编写第10章）、河南天工建设集团有限公司刘大志（编写第12章）、河南天工建设集团有限公司李松平（编写第18章）参与编写。由于编者水平所限，时间仓促，不妥之处在所难免，敬请使用本书的教师和学生不吝指正，谨致谢意！编者2013年5月绪论
土木工程材料是指在土木建筑工程中所使用的各种材料的总称。据统计，在一般工程的总造价中，建筑材料费用占60%以上。在建筑装修装饰工程中，材料费用更是占到70%以上。因此，作为一名工程技术人员，必须了解、熟悉和掌握建筑材料的品种和性能，并能在不同的工程中合理使用，发挥材料的各种功能，尽最大的可能降低工程的成本。
上海环球金融中心（如图0-1所示），工程地块面积为3万平方米，总建筑面积达38.16万平方米，地上100层，地下3层，楼层总面积约377300平方米，建筑主体高度达到492.5米。建筑用基桩2129根，混3凝土约240000m，钢筋约47000t。
杭州湾跨海大桥（如图0-2所示）是一座横跨杭州湾海域的跨海大桥，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36公里，是目前世界上最长的跨海大桥。据初步核定，大桥共使用钢材76.7万吨，水泥129.1万吨，石油沥青1.16万吨，木材1.91万立方米，混凝土240万立方米，各类基桩7000余根，为国内特大型桥梁之最。
图0-3为钢结构的国家体育场。图0-3 国家体育场—鸟巢图0-1 上海环球金融中心图0-2 杭州湾跨海大桥
长江三峡水利枢纽工程（如图0-4所示）简称“三峡工程”，是当今世界上最大的水利枢纽工程。图0-4 长江三峡水利枢纽工程
1.土木工程材料及其分类
广义土木工程材料是人类建造建筑物时所用一切材料和制品的总称，种类极为繁多。（1）按主要组成成分分类
土木工程材料按组成成分分类，如图0-5所示。图0-5 土木工程材料的分类（2）按使用功能分类
根据土木工程材料在建筑物中的部位或使用性能，大体可分为建筑结构材料、墙体材料、建筑功能材料三大类。（3）按材料来源分类
根据材料来源，可分为天然材料与人造材料。而人造材料又可按冶金、窑业（水泥、玻璃、陶瓷等）、石油化工等材料制造部门来分类。
一般把各种分类方法经适当组合后对材料种类进行划分。如装饰砂浆、沥青防水材料等。
2.建筑材料发展趋势
为了适应时代发展，必须不断提高工程质量和降低工程造价，不断研究材料技术和开发新型产品。建筑材料工业的发展趋势是研制和开发高性能建筑材料和绿色建筑材料。（1）高性能建筑材料
①高强。研制和发展高强度材料，以减小承重结构构件的截面，降低结构自重。
②轻质。发展轻质材料，减轻建筑物自重，以降低运输费用和工人的劳动强度。
③复合高效多功能。发展高性能的复合材料，使材料具有高耐久性、高防火性、高防水性、高吸声性、高装饰性等优异性能，并且使一种材料具有多种功能，除了满足坚固、安全、耐久要求之外，还具有良好的保温隔热、吸声、防潮、装饰等功能。
④节约能源。研制和生产低能耗（包括材料生产能耗和建筑使用能耗）的节能建筑材料，这对于降低成本，节约能源将起到十分有益的作用。
⑤综合利用。充分利用各种地方材料和工业废渣来生产工程材料，降低成本，变废为宝，化害为利，节约能源，改善环境。
⑥工业化生产。发展适用于由工厂大规模生产、机械化安装施工的材料制品，加快施工速度。（2）绿色建筑材料
又称生态建筑材料或健康建筑材料，是指生产建筑材料的原料尽可能少用天然资源，大量使用工业废料，采用低能耗制造工艺和不污染环境的生产技术，产品配制和生产过程不使用有害和有毒物质，产品设计以改善生活环境、提高生活质量为宗旨，产品可循环再利用，且使用过程无有毒、有害物质释放。绿色建筑材料是既能满足持续可发展之需，又做到了发展与环保的统一；既满足现代人的需要（安居乐业、健康长寿），又不损害后代利益的一种材料。
3.建筑材料产品标准
建筑材料的技术标准是建筑材料生产、质量检验、验收及应用等方面的技术准则和技术依据。我国建筑材料的技术标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四类。各类标准都有各自的代号，如表0-1所示。表0-1 各类标准代号
4.本课程的研究内容及学习任务
《建筑材料》是一门实用性很强的专业基础课，主要内容包括：常用建筑材料的原材料、生产、组成、性质、技术标准（质量要求和检验）、特点与应用、运输与储存等方面，学习中应注意理论联系实际，充分利用参观和参加工程实践的各种机会，获取感性知识。本课程的主要任务是使学生通过该课程的学习，获得建筑材料的基本知识，掌握建筑材料的基本组成、技术性质、应用技术及试验检测技能，熟悉有关的国家标准和行业标准，同时对材料的储运和保管也有相应了解，以便在今后的工作中能正确选择和合理使用建筑材料。也为学习房屋建筑学、建筑结构、施工等后续专业课打下基础。
5.学习本课程的几点建议
①注意理论联系实际。建筑材料课程本身属于应用技术，实践性很强，学习中应注意理论联系实际，平时注意观察身边的建筑材料，并充分利用参观和参加工程实践的各种机会，获取感性认识。
②注重试验课。试验课是建筑材料课程的重要组成部分。试验是检验材料性能的主要手段，课前应做到复习相关课程内容、预习试验方法；课堂上应一丝不苟地严格按标准规定的试验方法进行操作，并做好记录；课后认真及时填写试验报告。
③及时了解新型材料的发展。通过阅读有关报纸杂志和网络，及时了解新材料的发展动向，学习掌握有关新技术、新规范和新材料技术标准，不断丰富建筑材料知识，与时俱进，以适应不断发展的形势需要。
第1章 建筑材料的基本性质
建筑结构材料要受到各种外力的作用，建筑物长期暴露在大气中，建筑材料经常受到风吹、日晒、雨淋、冰冻而引起温度变化、湿度变化及冻融循环等作用。建筑材料所受的作用是复杂的，而且它们之间又是相互影响的，从事建筑专业技术工作，首先要学会根据各种材料的性能合理选择和正确应用材料。【内容提要】
掌握材料与质量有关的性质
熟悉材料与水有关的性质
掌握材料的力学性质
了解材料与热有关的性质及材料的耐久性
1.1 材料的物理性质
1.1.1 与质量有关的性质1.密度密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量，又称为实际密度，按下式计算：3式中 p——材料的密度，g/cm；
m——材料在干燥状态下的质量，g；3
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积，cm。
绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了金属、玻璃、单体矿物等少数材料外，大多数建筑材料在自然状态下都有一些孔隙。测定密实材料的密实体积，可用量尺计算或用排水法测定，如金属、玻璃等材料。测定有孔隙材料的密实体积，可按测定密度的标准方法，把材料磨成细粉，干燥后，用李氏比重瓶测定其绝对密实体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确，如砖、石等块状材料。2.视密度
视密度是指材料在自然状态下不含开口孔隙时，单位体积的质量。
对于自身较为密实的颗粒堆积材料，如配制混凝土所用的砂、石等材料，不必磨成细粉，而直接用颗粒排水测得体积（包含少量的封闭孔隙而不含开口孔隙的体积），这样计算而得的密度即是视密度，按下式计算：33式中 p′——堆积材料的视密度，g/cm或kg/m；
m——堆积材料在干燥状态下的质量，g或kg；33
V′——包含少量封闭孔隙而不包含开口孔隙的体积，cm或m。3.表观密度
表观密度指材料在自然状态下，单位表观体积的质量，称为体积密度，按下式计算：33式中 ρ——材料的表观密度，g/cm或kg/m；0
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg；
V——材料在自然状态下的体积，即表观体积（如图1-1所033示），cm或m。
材料在自然状态下的体积，包括固体物质体积和孔隙体积在内的体积（如图1-1所示）。
对于形状规则的材料，直接测量其体积；对于形状非规则的材料，可用蜡封法封闭孔隙，然后再用排水法测量其体积。
材料表观密度的大小与其含水状态有关。当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积都会发生变化，因而表观密度也不相同，故测定材料表观密度时，应注明其含水状态；未特别注明者，常指干燥状态下的表观密度。图1-1 表观体积示意图
由于密实材料V或V是很小的，即V′与V或V相近，所以ρ′、孔闭0ρ及ρ三者相差不大。测定视密度要比测定密度和表观密度（形状不0规则的材料）简便得多。所以，在精确度要求不高的情况下，视密度ρ′可以代替密实材料的密度ρ或表观密度ρ。04.堆积密度
堆积密度是指疏松状（小块、颗粒、纤维）材料在堆积状态下，单位堆积体积的质量。33式中 ρ′——材料的堆积密度，g/cm或kg/m0
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg；
V′——材料的堆积体积，包括固体颗粒体积、孔隙体积及空隙033体积，cm或m。
堆积体积示意图如图1-2所示。
堆积体积=颗粒体积+空隙体积。5.密实度与孔隙率（1）密实度
密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的绝对密实体积与表观体积的比值，按下式计算：式中 D——材料的密实度，%。
也可用材料的密度和表观密度计算：（2）孔隙率
孔隙率是指在材料自然状态的体积内，孔隙体积（开口的和闭口的）所占的百分比，按下式计算：式中 P——材料的孔隙率，%。
建筑材料的孔隙率在很大范围内波动，例如平板玻璃的孔隙率接近于零，而发泡塑料的孔隙率却高达95%以上。
孔隙率由开口孔隙率和闭口孔隙率两部分组成。开口孔隙率指材料内部开口孔隙与材料在自然状态下体积的百分比，即被水饱和的孔隙体积所占的百分率，其计算式为：图1-2 材料堆积体积示意图3式中 V——材料内部开口孔隙体积，cm，图1-1中的V；k开
P——材料的开口孔隙率，%；k
m——材料在吸水饱和后的质量，g；湿
m——材料在干燥状态下的质量；干3
ρ——水的密度，在常温下取ρ=1g/cm。WW
闭口孔隙率（P）指孔隙率与开口孔隙率之差，用下式表示：BP=P-PBK
材料的密实度和孔隙率是从两个不同的方面反映材料的同一性质。材料的孔隙率越大，表示材料的密实度越小。
材料的许多性质，如表观密度、强度、导热性、透水性、抗冻性、抗渗性、耐蚀性等，除与孔隙率大小有关，还与孔隙构造特征有关。孔隙构造特征主要指孔隙的形状与大小。例如，材料的孔隙率较大，且连通孔较少，则材料的吸水性较小，强度较高，抗冻性和抗渗性较好，导热性较差，保温隔热性能较好。6.填充率与空隙率（1）填充率
填充率是指在散粒状材料的自然堆积体积内，被颗粒所填充的程度。可按下式计算：式中 D′——散粒材料的填充率，%。
如果是密实材料，如天然砂、石，上式中的ρ可用ρ′代替，即：0
因为 ρ′比ρ容易测定。0（2）空隙率
孔隙率是指在散粒材料的自然堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占百分比，按下式计算：式中 P′——散粒材料的空隙率，%。
填充率和空隙率是从两个不同侧面反映材料的颗粒互相填充的疏密程度。空隙率可以作为控制混凝土骨料级配的依据。例如，沥青混凝土中矿料的空隙率过大，会使路面的低温抗裂性降低；空隙率过小，会使路面的高温稳定性降低。因此实际中应合理控制矿料的空隙率。【例1-1】为了提高某沥青混凝土路面的高温稳定性，要求所选碎3石的空隙率不小于35%。已知碎石的密度为2.65g/cm，表观密度为332610kg/m，堆积密度为1680kg/m。试问该碎石的空隙率是否满足要求？其孔隙率又该如何计算？
解：空隙率：
该碎石的空隙率满足要求。33P=2610kg/m=2.61g/cm0
孔隙率：
该碎石的孔隙率为1.5%。
在建筑工程中，计算材料的用量经常用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据，常用材料的密度参数如表1-1所示。表1-1 几种常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率1.1.2 与水有关的性质1.亲水性与憎水性
材料与水接触时，根据材料表面能否被水润湿，可将其分为亲水性和憎水性两类。亲水性是指材料表面能被水润湿的性质；憎水性是指材料表面不能被水润湿的性质。
当材料与水在空气中接触时，将出现如1-3图所示的两种情况。在材料、空气、水三相的交点处，沿水滴表面作切线，切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角，用θ表示。当θ越小，表明材料越易被水润湿。一般认为，当θ≤90°时，如图1-3a所示，材料表面吸附水分，能被水润湿，材料表现出亲水性；当θ＞90°时，如图1-3b所示，材料表面不易吸附水分，不能被水润湿，材料表现出憎水性。图1-3 材料被水润湿示意图
亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。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。建筑材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料为憎水性材料，如沥青、石蜡等。建筑工程中憎水性材料常被用作防水材料，或作为亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。2.吸水性
吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法：质量吸水率和体积吸水率。（1）质量吸水率
材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分比称为质量吸水率。可按下式计算：式中 W——材料的质量吸水率，%；m
m——材料在吸水饱和后的质量，g；湿
m——材料在干燥状态下的质量，g。干（2）体积吸水率
材料在吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料干燥体积的百分比称为体积吸水率。可按下式计算：式中 W——材料的质量吸水率，%；V3
V——材料在干燥自然状态下的体积，即表观体积，cm；03
ρ——水的密度，在常温下取ρ=1g/cm。WW
从上式可以看出，材料的体积吸水率W即等于开口孔隙率P。Vk
材料吸水率的大小，与材料的孔隙率和孔隙特征有关。一般情况下，孔隙率越大，吸水率也越大。但材料的孔隙中，封闭孔水分不易进入，粗大孔水分又不易存留，故材料的体积吸水率常小于孔隙率，这类材料常用质量吸水率表示其吸水性；对于某些轻质材料，如混凝土、木材等，由于其质量吸水率往往超过100%，一般采用体积吸水率表示其吸水性。
材料吸水率增大对材料的基本性质将产生不良影响，如强度降低、体积膨胀、保温性能降低、抗冻性变差等。【例1-2】烧结普通砖的尺寸为240mm×115mm×53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和质量为2984g。求该砖的密度、干表观密度、吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。
解：密度干表观密度质量吸水率体积吸水率
开口孔隙率P=体积吸水率W=34%kV
闭口孔隙率P=P-P=37%-34%=3%Bk
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]