土木工程材料

bsp;前言
    本书编写是根据土木工程专业拓宽专业口径需要，按土木工程专业的《土木工程材料》教
  学大纲编写的，讲述了土木工程材料的基本成分、原料及生产工艺、技术性质、应用等基本理
  论、应用技术。本书主要内容包括土木工程材料的基本性质、天然石料、砌筑材料、无机胶凝材一
  料、水泥混凝土和砂浆、钢材、沥青胶结料、沥青混合料、合成高分子材料、功能材料等。通过认
  真学习，读者将能掌握主要土木工程材料的性质、用途、制备和使用方法，并了解工程材料性质
  与材料结构的关系以及性能改善的途径，能针对不同工程合理选用材料，了解材料与设计参数
  及施工措施选择的相互关系。
    本书按照现行*新土木工程材料标准、规范，理论联系实际，突出实用性，并有代表性地介
  绍了土木工程材料的新技术和发展方向，适用面广，可作为土木工程类各专业的教学用书，也
  可供土木工程设计、施工、科研、工程管理、监理人员学习参考。
    本书配有教学辅导书《土木工程材料学习指导·典型题解·习题·习题解答》，更便于读
  者全面了解、掌握土木工程材料。
    由于新材料、新品种不断涌现，各行业的技术标准不统一，加之编著者水平有限，不妥与疏
漏之处敬请读者批评指正。
    编者
    2008.9

  水泥混凝土和砂浆
    教学目的：水泥混凝土是现代土木工程*主要的结构材料，通过本章的学习，应系统地掌
握水泥混凝土的配制及其主要性能，并为结构设计和施工打下坚实的基础。同时，通过学习了
解砂浆的技术性质及其测定方法，学会砌筑砂浆配合比设计方法。
    教学要求：结合现代土木工程的实例，重点掌握水泥混凝土的原材料要求、主要技术性能
及影响因素、水泥混凝土的配合比设计方法及常用外加剂的性能和应用场合；了解水泥混凝土
的施工工艺、质量检测及特殊工程的特种混凝土的性能；了解砂浆的技术性质、测定方法以及
砌筑砂浆配合比社计方法。
5．1  概    述 
5．1．1混凝土的发展史
    混凝土是现代土木工程中用途*广、用量*大的土木工程材料之一。目前全世界每年生
产的混凝土材料超过100亿吨。广义来讲，混凝土是由胶凝材料、骨料按适当比例配合，与水
(或不加水)拌合制成具有一定可塑性的浆体，再经硬化而成的具有一定强度的人造石。
    混 凝土作为土木工程材料的历史其实很久远，用石灰、砂和卵石制成的砂浆和混凝土在公
元前500年就已经在东欧使用，但*早使用水硬性胶凝材料制备混 凝土的还是罗马人。这种
用火山灰、石灰、砂、石制备的“天然混凝土”具有凝结力强、坚固耐久、不透水等特点，在古罗
马得到广泛应用，万神殿和罗马圆形剧场就是其中杰出的代表。
    混凝土发展史中*重要的里程碑是约瑟夫·阿斯普丁发明了波特兰水泥，从此，水泥逐渐
代替了火山灰、石灰用于制造混 凝土，但主要用于墙体、屋瓦、铺地、栏杆等部位。直到1875
年，威廉·拉塞尔斯(Willian Lascelles)采用改良后的钢筋强化的混凝土技术获得专利，混凝土
才真正成为*重要的现代土木工程材料。1895～1900年间用混凝土成功地建造了**批桥
墩，至此，混凝土开始作为*主要的结构材料，影响和塑造现代建筑。
5．1．2混凝土的分类
    混凝土的种类很多，从不同的角度考虑，有以下几种分类方法。
    1．按表观密度或体积密度分类
    (1)重混凝土(Heavy concrete)。其体积密度大于2800kg/m3，常用重混凝土的体积密度
大于3200kg/m3。是用特别密实和特别重的骨料制成的，常采用重晶石、铁矿石、钢屑等作骨
料和锶水泥、钡水泥共同配制防辐射混凝土，它们具有不透x射线和γ射线的性能，可作为核        
 工程的屏蔽结构材料。
    (2)普通混凝土(Ordinary concrete)。其体积密度为2300～2800kg/m3，常用普通混凝土的
体积密度大于2300～2500kg／m3。是土木工程中*常用的混凝土，主要用作各种土木工程的
承重结构材料。
    (3)次轻混凝土(Specific density concrete)。其体积密度为1950—2300kg/m3。除采用轻
粗骨料外，还部分使用了普通天然密实的粗骨料。主要用于高层、大跨度结构。
    (4)轻混凝土(Light-weight concrete)。其体积密度小于1950kg/m3。采用多孔轻质骨料
配制而成，或采用特殊方法在混凝土内部造成大量空隙，使混凝土具有多孔结构。其保温性
好，主要用于保温、结构保温或结构材料。
  2．按所用胶凝材料分类
  按照所用胶凝材料的种类，混凝土可以分为水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、沥青
混凝土、聚合物水泥混凝土、树脂混凝土等。
  3．按流动性分类
  按照新拌混凝土流动性的大小，可分为干硬性混凝土(坍落度小于lOmm且需用维勃稠度
表示)、塑性混凝土(坍落度为10～90mm)、流动性混凝土(坍落度为100～150mm)及大流动性
混凝土(坍落度大于或等于160mm)。
  4．按用途分类
  按用途可分为结构混凝土、大体积混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、膨胀混凝土、防辐射
混凝土、道路混凝土等。
    5．按生产和施工方法分类
    按照生产方式，混凝土可分为预拌混凝土和现场搅拌混凝土；按照施工方法，可分为泵送
混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土等。
  6．按强度等级分类
  (1)低强度混凝土。抗压强度小于20MPa，主要用于一些承受荷载较小的场合，如地面。
  (2)中强度混凝土。抗压强度为20～60MPa，是现今土木工程中的主要混凝土类型，应用
于各种工程中，如房屋、桥梁、路面等。
    (3)高强度混凝土。抗压强度大于60MPa，主要用于大荷载、抗震及对混凝土性能要求较
高的场合，如高层建筑、大型桥梁等。
    (4)超高强混凝土。其抗压强度在iOOMPa以上，主要用于各种重要的大型工程，如高层
建筑的桩基、军事防爆工程、大型桥梁等。
    混凝土的品种虽然繁多，但在实践工程中还是以普通的水泥混凝土应用*为广泛，如果没
有特殊说明，狭义上我们通常称其为混凝土，本章做重点讲述。
5．1．3混凝土的性能特点和基本要求
    1．混凝土的性能特点
    混凝土作为土木工程材料中使用*为广泛的一种，必然有其独特之处。它的优点主要体
现在以下几个方面：
    (1)易塑性。现代混凝土具备很好的和易性，几乎可以随心所欲地通过设计和模板形成
形态各异的建筑物及构件，可塑性强。          
 (2)经济性。同其他材料相比，混 凝土价格较低，容易就地取材，结构建成后的维护费用
  也较低。
    (3)安全性。硬化混凝土具有较高的力学强度，目前工程构件的*高抗压强度可达
  135MPa，与钢筋有牢固的粘结力，使结构的安全性得到充分保证。
    (4)耐火性。混凝土一般可有1～2h的防火时效，比钢铁安全得多，不会像钢结构建筑物
  那样在高温下很快软化而造成坍塌。
    (5)多用性。混 凝土在土木工程中适用于多种结构形式，满足多种施工要求。可以根据
  不同要求配制不同的混凝土加以满足，所以我们称之为“万用之石”。
    (6)耐久性。混凝土本来就是一种耐久性很好的材料，古罗马建筑经过几千年的风雨仍
  然屹立不倒，这本身就昭示着混凝土应该“历久弥坚”。
    由于混凝土具有以上许多优点，因此它是一种主要的土木工程材料，广泛应用于工业与民用
  建筑、给水与排水工程、水利工程及地下工程、国防建设等，它在国家基本建设中占有重要地位。
    当然它相应的也有不容忽视的缺点，主要表现如下：
    (1)抗拉强度低。混凝土的抗拉强度是抗压强度的1／10～1／15，是钢筋抗拉强度的1／100
  左右。
    (2)延展性不高。混凝土是一种脆性材料，变形能力差，只能承受少量的张力变形(约
  0．003)，否则就会因无法承受而开裂；抗冲击能力差，在冲击荷载作用下容易产生脆断。在很
  多情况下，必须配制钢筋才能使用。
    (3)自重大，比强度低。高层、大跨度建筑物要求材料在保证力学性质的前提下，以轻为
    宜。
    (4)体积不稳定性。尤其是当水泥浆量过大时，这一缺陷表现得更加突出，随着温度、湿
    度、环境介质的变化，容易引发体积变化，产生裂纹等内部缺陷，直接影响建筑物的使用寿命。
    (5)需要较长时间的养护，从而延长了施工进度。
    2．混凝土的基本要求
    混凝土在建筑工程中使用，必须满足以下五项基本要求或准则：
    (1)满足与使用环境相适应的耐久性要求；
    (2)满足设计的强度要求；
    (3)满足施工规定所需的和易性要求；
    (4)满足业主或施工单位渴望的经济性要求；
    (5)满足可持续发展所必需的生态性要求。
  5．1．4混凝土的组成及其应用
    水泥混凝土的基本组成材料是水泥、粗细骨料和水。其中，水泥浆体占混凝土质量的
    25％～35％，砂石骨料约占65％～75％。水泥浆在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有可
    塑性，在混凝土拌合物中，水泥浆填充砂子孔隙，包裹砂粒，形成砂浆，砂浆又填充石子孔隙，包
    裹石子颗粒，形成混凝土浆体；在混凝土硬化后，水泥浆则起胶结和填充作用。水泥浆多，混凝
    土拌合物流动性大，反之干稠；混凝土中水泥浆过多则混凝土水化温度升高，收缩大，抗侵蚀性
 不好，容易引起耐久性不良。