工程材料 第1章 石料
1.石料的物理性质：石料在天然形成过程中，其内部会存在着一定的孔隙，其中包括与外界连通的开口孔隙和不与外界连通的闭口孔隙，使石料的内部组成结构由矿物实体、闭口孔隙和开口孔隙三部分组成。①密度（真密度）：矿物单位体积（不包含任何孔隙的矿物实体的体积）的质量。②毛体积密度：指在规定条件下，石料单位体积（包括矿质实体和闭口、开口孔隙体积）的质量。对于同一种材料真密度大于毛体积密度。③孔隙率：指石料的孔隙体积占石料总体积的百分比。孔隙率分为开口孔隙率和闭口孔隙率两种。同种石料的孔隙率越小，且闭口孔隙多，则其强度越高、吸水性越小、耐久性越强。
与水有关的性质：①吸水性。可采用吸水率和饱水率两项指标表示。②耐水性。用软化系数KR表示。用于潮湿环境或严重受水侵蚀的石料，其KR应在0.85以上，小于0.6的材料不允许用于重要的建筑物中。③耐候性。其测试方法有：a.抗冻性—试验方法是直接冻融法（-15℃冻4个小时，再到20℃条件下融化的多次循环）。b.坚固性—其试验方法采用硫酸钠浸蚀法（浸48小时）
2.石料的力学性质：（1）单轴抗压强度：将石料制备成（50±0.5）mm的正方体[或圆柱体]试件，经吸水饱和后在规定的加载条件下单轴受压，达到极限破坏时，单位承压的性能。石料的单轴抗压强度值取决于石料的矿物组成、岩石的结构和构造、裂缝的分布等。除此之外，在试验过程中，试验条件也会影响石料的抗压强度值，如试件的几何外形、温度和湿度、加荷速度等。
（2）磨耗率：指石料在抵抗摩擦、撞击、剪切等综合作用的能力。石料的磨耗测试方法有洛杉矶式（搁板式）和狄法尔式（双滚筒式）两种，以洛杉矶式磨耗试验法为标准方法。
3.石料的化学性质：按石料中含量多少可将石料分成酸性、中性及碱性三种。 酸性石料SiO2含量＞65% 中性石料SiO2含量52%~65% 碱性石料SiO2含量＜52%
4.集料：集料分为粗集料和细集料两种。集料的总体积是由四部分组成的，即各颗粒矿质实体之和Vs，各颗粒内部闭口孔隙体积之和Vc，各颗粒内部开口孔隙体积之和Ve和各颗粒间的空隙体积之和Vi。
粗集料（粒径＞5mm）包括人工轧制的碎石和天然风化的卵石。（5~20mm为小石子、20~40mm为中石子）
①表观密度（视密度）在规定条件[（105±5）℃烘干至恒重]下，集料单位体积（包括矿质实体和闭口孔隙的体积）的质量。②毛体积密度：在规定条件下，单位毛体积（包括矿物实体、闭口孔隙和开口孔隙体积）的质量。③松方密度：集料装填于容器中包括集料空隙（颗粒之间的）和（颗粒内部的）在内的单位体积的质量。④空隙率：在自然堆积和振实堆积状态时的空隙体积占集料总体积的百分率。
5.软弱颗粒①水泥混凝土用粗集料中的针、片状颗粒：针状颗粒指长度大于该颗粒所属粒级平均粒径的2.4倍的；片状颗粒指厚度小于该颗粒所属粒级平均粒径0.4倍的。②沥青路面用粗集料针、片状颗粒：指用游标卡尺测定的粗集料的最小厚度（或直径）方向与最大长度（或宽度）方向的尺寸之比小于1：3的颗粒。
6.粗集料的力学性质：主要采用磨耗率、压碎值，和抗滑表层用集料的三项试验值：磨光值、道瑞磨耗值和冲击值来表示。①压碎值越小越好；②集料磨光值越高，其路面抗滑性越好；③集料磨耗值越高，集料的耐磨性越差；④集料冲击值：高速公路、一级公路用于路面抗滑表层的粗集料的冲击值应不大于28%，而其他公路不大于30%
7.细集料：1）含水率：指砂中所含水的质量占干砂质量的百分率。砂从干到湿，根据其含水情况不同，可分为如下四种状态。①干状态②气干状态③饱和面干状态④湿润含水状态。水泥混凝土配合比设计时，砂体积是以饱和面干时的体积为标准的。2）级配与粗度：粗度是指砂的粗细程度，用细度模数表示，细度模数越大，表明砂子越粗。按细度模数大小可分为粗砂、中砂、细砂、特细砂。混合料最好用砂是中砂，细度模数为3.0~2.3
细度模数虽能表示砂的粗细程度，但不能完全反映出砂的颗粒级配情况，因为相同细度模数的砂可有不同的颗粒级配。因此，要全面表征砂的颗粒性质，必须同时使用细度模数和级配两个指标。
第2章无机胶凝材料
石灰：
属于气硬性胶凝材料，该材料只能在空气中硬化，产生并保持强度。
石灰分类：按化学成分:钙质石灰和镁质石灰；按煅烧温度分：过火石灰和欠火石灰；按消化速度分：快熟、中熟和慢熟。
在烧制过程中，由于石灰石原料的尺寸过大、窑中温度不均匀或煅烧温度过高、时间过长等原因，往往会生成“欠火”或“过火”石灰。（不合格）
石灰加水后，会放出大量的热，而且体积膨胀。根据生石灰加水后的消化速度的快慢，将其分为快熟、中熟、慢熟石灰。
为了使石灰消化完全，同时减少过火石灰消化慢的危害，石灰消化后要在淋灰池中“陈伏”两个星期左右才能使用。“陈伏”期间，石灰浆表面应覆有一层水分，使之与空气隔绝，以免发生碳化。纯的石灰浆硬化时会发生收缩下开裂，所以工程上常配制成石灰砂浆使用。
国标规定，有效氧化钙含量采用中和滴定法测定，氧化镁含量采用络合滴定法测定。
水泥：
1．硅酸盐水泥：为调节水泥的凝结速度，在烧成的熟料中加入石膏共同磨细，即为Ⅰ型硅酸盐水泥；由熟料、适量石膏和小于5%的混合料共同磨细，即成为Ⅱ型硅酸盐水泥。
大体积混凝土宜选用含铝酸三钙少的水泥。
改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即会发生相应的变化：如提高硅酸三钙的含量，可以制得高强水泥；降低铝酸三钙和硅酸三钙，提高硅酸二钙含量，可制得低水化热的大坝水泥；提高铁铝酸四钙含量，可获得抗折强度较高的水泥，如道路水泥。
影响水泥凝结硬化的主要因素：
①细度：细度越细越好。测试方法有筛析法和比表面积法（规范有）
②水泥净浆标准稠度：测定采用试杆法（标准法）或试锥法（代用法）
③凝结时间：指从水泥加水开始到水泥浆完全失去可塑性，成为固体状态所需的时间，可分为初凝时间和终凝时间两个阶段。初凝时间是从水泥加水开始，到水泥浆开始失去塑性的时间。终凝时间是从水泥加水开始，到完全失去塑性并开始产生强度的时间。初凝时间不宜过早（长一点），终凝时间又不宜太迟（短一点）。
国标规定：硅酸盐水泥：初凝时间≥45min，终凝时间≤390min；
普通硅酸盐水泥≥45min，终凝时间≤min10h。
④体积安定性：指水泥硬化后体积变化的均匀稳定性。安定性不良的水泥视为废品。国标规定：水泥体积安定性的测定采用雷氏法（标准法）或试饼法（代用法）。
⑤强度：水泥的强度与水泥本身的性质（如孰料的矿物组成、细度等）有关，此外还与水灰比、试件制作方法、养护条件和时间等有关。
早强水泥：3天强度超出28天强度的50%为早强水泥。
2.掺混合材料的硅酸盐水泥
活性混合材料（三种工业废渣、废料）：①粒化高炉矿渣 ②火山灰质混合材料 ③粉煤灰
非活性混合材料（在水泥水化过程中不参加也不影响化学反应）
3.五种通用水泥：①硅酸盐水泥(P·Ⅰ；P·Ⅱ) ②普通硅酸盐水泥(P ·O) ③矿渣硅酸盐水泥(P·S) ④火山灰质硅酸盐水泥(P·P) ⑤粉煤灰硅酸盐水泥(P·F)
4.水泥的验收与保管：
1）外观与数量的验收，可随机抽取20袋，总质量不得少于1000kg
2）质量验收：在各项技术指标检测中凡是氧化镁含量＜5%、三氧化硫含量＜3%、初凝时间和体积安定性中，任一项不符合标准规定均视为废品，严禁用于各种工程；凡是细度、终凝时间、不溶物和烧失量或混合材料掺加量等指标不符合标准规定，或强度低于商品标号规定的，均视为不合格品。
水泥的有效期：一般通用水泥的有效期为3个月，快硬硅酸盐水泥为1个月。
第3章 水泥混凝土和砂浆
一、水泥混凝土
普通水泥混凝土：是以水泥浆为结合料，将粗、细集料胶结成具有一定力学性质的复合人工石材。分类如下：①按表观密度：轻混凝土（干表观密度1900kg/m3）、普通混凝土（2400）、重混凝土（3200）②按强度分：低强度混凝土（抗压强度小于20MPa）中强度混凝土（抗压强度20~50MPa）高强度混凝土（抗压强度大于50MPa）③按施工方式分：喷射混凝土、泵送混凝土、碾压混凝土、离心混凝土和预拌混凝土。 水泥强度等级的选择：选用水泥的强度应与所配制混凝土的设计强度等级相适应。一般情况以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5~2.0倍为宜。
细集料：粒径为0.16~5.00mm，分为天然砂（河砂、海砂或山砂）和人工砂，配制混凝土一般采用天然砂，首选河砂。
细集料的有害杂质包括：淤泥、黏土、云母、轻物质、有机质、硫化物和硫酸盐。
粗集料：表面粗糙且棱角多的碎石配制的混凝土，具有较高的强度。
最大粒径的选择：在结构截面允许的条件下，尽量增加集料最大粒径可节约水泥。但最大粒径过大时搅拌和操作都有一定困难，因此应根据结构物的种类、尺寸、配筋的最小净距和施工条件来确定。
国标规定：混凝土用粗集料最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋最小净距的3/4；对混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，同时不得超过40mm。
粗集料的强度：可用岩石立方体抗压强度和压碎值两种方法表示。抗压强度高，压碎值低，性能越好。 混凝土拌和用水：PH值≤4的水不能用于拌和混凝土。
混凝土外加剂：减水剂、早强剂、引气剂、缓凝剂。早强剂：提高混凝土早期强度，并对后期强度无显著影响的外加剂。引气剂能增大混凝土的流动性。
新拌水泥混凝土的工作性（和易性）
工作性是指新拌混凝土的施工操作难易程度和抵抗离析作用程度的性质。包括：①流动性：自动流满填实模型各角落并包围钢筋的能力。 ②可捣实性 ③稳定性：各组成材料之间有一定的内聚力，能够保持整体均匀，不离析、不泌水的性质。
国标规定：采用测试新拌混凝土的坍落度来评定塑性混凝土的流动性；测试维勃稠度来评定干硬性混凝土的流动性（坍落度＜10mm时，采用维勃稠度试验，维勃稠度大，流动性小）。
工作性的选择：①公路桥涵用混凝土拌和物工作性选择：应根据构件断面尺寸、钢筋疏密和捣实方式来确定新拌混凝土的坍落度，（人工捣实坍落度大；配筋多，坍落度大）
影响工作性的因素：①水泥浆的数量 ②水泥浆的稠度（即水灰比）③单位用水量 ④集浆比⑤砂率：砂用量占砂石总用量的百分数，需确定最佳砂率值（也称合理砂率，指在水泥浆用量一定时，能使新拌混凝土获得最大流动性，又不离析、不泌水的砂率值）
⑥水泥的品种和集料的性质
改善工作性的措施：①选择适宜的水泥品种或级配良好的集料
②在保证强度、耐久性和经济性的前提下，适当高速混凝土组成配合比以提高工作性
③掺加各种外加剂（如减水剂），以提高拌和物的工作性。
立方体抗压强度：按标准方法制成边长为150mm的正方体试件，在标准养护条件〔温度20±3℃，相对湿度95%以上〕下养护至28d龄期，按标准方法测定其抗压强度值（取三个试件一组，取三个试件强度的平均值为每组试件的强度代表值）。
粒径越大，试件尺寸越大
规范规定：普通混凝土划分为（C15~C80）14个强度等级。
影响混凝土强度的主要因素：①水泥强度和水灰比强度是影响混凝土强度的最主要因素。水泥强度越高，水灰比越小，混凝土强度越大。②养护每件③龄期④粗集料的品种。水泥强度富余系数γc=1.13
提高混凝土强度的措施：①采用高强度等级水泥和特种水泥；②增加混凝土的密实度；③蒸汽养护和蒸压养护；④掺加外加剂。
混凝土的耐久性：指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。耐久性是综合技术指标，包括：①抗冻性 ②抗渗性 ③耐噟性 ④碱-集料反应（危害：发生碱硅反应或碱碳酸反应，引起混凝土产生膨胀、开裂甚至破坏。）
水泥混凝土的配合比设计：水灰比、砂率、单位用水量是设计的三个重要参数。
混凝土设计方法分为体积法和质量法两种。
混凝土配合比设计步骤：计算初步配合比、提出基准配合比、确定试验配合比。
1.计算初步配合比①确定混凝土配合比强度
②确定水灰比（W/C）（计算水灰比与水灰比经验值比较，选小值）
③确定单位用水量（根据混凝土用集料的品种、最大粒径、施工要求的坍落度选取）
④确定单位水泥用量（计算水泥用量与水泥经验值比较，选大值）
⑤确定砂率
⑥计算单位粗、细集料用量：分为体积法和质量法
2.试拌、调整、确定基准配合比：试拌所搅拌的混凝土数量不应低于搅拌机额定搅拌量的1/4。
如果测得的坍落度低于设计要求，则可把所拌和物重新收集，在保持水灰比不变的条件下，增加水泥浆总量，重新搅拌后再检验其坍落度值；如果所测得的坍落度大于设计要求，则此盘混凝土作废。
3.检验强度以确定试验室配合比：试件制作与强度检验：检验强度时，应采用三个不同的配合比，除基准配合比外，另外两个配合比的水灰比值较基准水灰比增加或减少0.05。制成的强度试块经28d标准养护后进行抗压强度的测试。
其他功能混凝土：高强混凝土（强度等级不低于C50）、轻集料混凝土、流态混凝土（超塑性混凝土）纤维增强混凝土
二、建筑砂浆：
建筑砂浆是由胶凝材料、细集料、水按比例配制而成的材料。按用途分为砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆及特种砂浆。
砌筑砂浆的技术性质：
1）和易性包括稠度和保水性两方面
稠度又称流动性，是指新拌砂浆在自生或外力 作用下流动的性能，用沉入度表示
保水性指砂浆保存水分的能力，用分层度表示。
2）强度：影响砌筑砂浆强度的因素有水泥强度、水泥用量、水灰比、砂子质量、所砌基层材料的吸水性。
3）黏结力：一般情况下，砂浆的抗压强度越高，与砌筑材料的黏结力也越大。此外，砂浆与砌筑材料的黏结状况与砌筑材料表面的状态、洁净程度、湿润状况、砌筑操作水平以及养护条件等因素也有关系。
第4章 沥青与沥青混合料
1.石油沥青：化学组分:四组分：沥青质、饱和分、芳香分、胶质。导致路用性能劣化（针入度减少，延度降低，软化点升高，脆点降低）这种现象称为沥青的老化。
①溶胶结构。沥青中沥青质的含量很少
②溶-凝胶结构。沥青中沥青质含量适当，这类路用沥青在高温时具有较低的感温性，低温时又有较好的变形能力。
③凝胶结构。沥青中沥青质含量很多
1）黏结性：用针入度和黏度表示。
①针入度。沥青的针入度是在规定温度和时间内，附加一定重量的标准针垂直贯入试样的深度，以0.1mm表示。
沥青的针入度值越大，则黏结性越小。针入度是划分沥青标号的重要依据。
②黏度。指液体沥青试样在规定温度下，自标准黏度计规定直径的流孔流出50mL所需的时间，以秒s表示。沥青的黏度值越大，则黏结性越大。
2）塑性：沥青材料在外力作用下发生变形而不破坏的性能称为塑性，以延度来表示。即以（5+0.25）cm/min的拉伸速度，观测沥青的拉伸长度即为延度。
3）温度稳定性：是指沥青的黏度、塑性随着温度变化而改变的性质，用“软化点”表示。软化点高表明沥青的稳定性强。
针入度、延度、软化点是评价黏稠石油沥青路用性能最常用的经验指标，所以通称“三大指标”。
4）溶解度：用来确定沥青中有害杂质的含量。指沥青试样在规定溶剂中可溶部分占全部质量的百分率。溶解度越大越纯。
2.煤沥青
1）煤沥青的技术性质：煤沥青与石油沥青相比，在技术上有一定差别。
①煤沥青的温度稳定性较低，受热后易软化。
②煤沥青与矿质集料的黏附性较好，耐腐蚀、溶解度低
③煤沥青的气候稳定性较差，老化进度较石油沥青快。道路工程主要应用软煤沥青。
3.乳化沥青：乳化沥青是由石油沥青或煤沥青与水在乳化剂、稳定剂的作用下经乳化加工制得的均匀的沥青产品。
乳化沥青的特点：①可冷态施工、节约能源；②施工便利、节约沥青；③保护环境、保障健康。 乳化沥青的组成材料：沥青、水、乳化剂
4.改性沥青
沥青混合料：分类：
1）按结合料不同分为石油沥青混合料、煤沥青混合料
2）按集料最大粒径可分为如下：粗粒式沥青混合料（集料最大粒径≥26.5mm）、中粒式(16mm)、细粒式(9.5mm或13.2mm)、砂粒式沥青混合料（集料最大粒径≤4.75mm）
3）按级配类型分为：连续级配、间断级配沥青混合料。
4）按密度分为如下三种：密级配、开级配、半开级配。
①密级配沥青混合料：其剩余空隙率小于10%
②开级配沥青混合料：剩余空隙率大于15%
③半开级配沥青混合料：剩余空隙率10%~15%。
热拌沥青混合料：沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料和矿粉按照一定比例拌和而成的多组分材料。
骨架密实结构是一种理想的结构类型。
一般路面面层的上层宜用较稠（低标号）的沥青，下层或连接层用较稀（高标号）的沥青。
粗集料：粗集料由各种岩石经过轧制而成的粒径大于2.36mm的碎石。沥青混合料用碱性粗集料，应避免使用酸性石料。
细集料：一般采用粒径小于2.36mm的天然砂或人工砂。
填料：（又称矿粉）具有稳定沥青的作用。
提高混合料的嵌挤力、内摩阻力和粘聚力的措施：
1）采用表面粗糙，形状方正且有棱角的集料（人工碎石）（碱性集料）
2）合理选择混合料的级配和结构类型
3）增加矿粉的含量，以增加结构沥青量
4）采用稠度较高的沥青
5）改善沥青与矿料的物理—化学性质及其相互作用的过程。
技术性质
1）施工的和易性
施工的和易性是指沥青混合料在拌和、运输、摊铺、碾压等工序的施工中，易于操作的性能。
2）高温稳定性：影响高温稳定性的主要因素有沥青的用量，沥青的黏度，矿料的级配，矿料的尺寸、形状等。用马歇尔试验法所测得的稳定度（MS）和（FL）来反映沥青混合料高温稳定性。稳定度指沥青混合料进行马歇尔试验时所能承受的最大荷载，以kN计。流值指由流值计及位移传感器装置读取的沥青混合料试件垂直变形，以0.1mm计。
稳定度越大、流值越小，高温稳定性越好。
3）低温抗裂性
4）抗滑性
5）耐久性：影响耐久性的主要因素有：沥青与骨料的性质、沥青的用量、沥青混合料的压实度与空隙率等。一般用马歇尔试验来评定沥青混合料的耐久性。
配合比设计：设计包括试验室配合比设计、生产配合比设计、试拌试铺配合比设计三个阶段。
第5章 建筑钢材
1.钢材的技术性质：
1） 抗拉强度：①弹性阶段
②屈服阶段（屈服点对应的应力称为屈服极限，又称屈服强度。
③强化阶段（抗拉强度）：屈服强度和抗拉强度是衡量钢材强度的两个重要指标，两者之比称为屈强比，合理的屈强比在0.6~0.75之间。
④颈缩阶段
2）塑性：钢材在受力破坏前可以经受永久的变形能力，称为塑性。反映塑性的指标有伸长率和断面收缩率。伸长率与收缩率越大，表明钢材的塑性真好，通常把伸长率δ＞2%~5%的钢材称为塑性材料，能较好的承受各种加工工艺。
2.化学成分对钢材性能的影响
1） 碳：碳是钢中除铁之外含量最多的元素，一般来说，随碳含量的增加，钢材的硬度和强度增强，而塑性、
韧性和冷弯性能下降，且不宜进行冷加工。
2） 硫：硫在钢中含量委少，会造成钢材的热脆性。因此，国标规定碳素钢的含硫量应小于0.055%
3） 磷：磷的含量也很少，但可使钢材产生冷脆性（使钢材产生脆断现象）国标规定，碳素钢的含磷量应小
于0.045%
3.桥梁建筑用钢的技术标准
1）桥梁建筑用钢的技术要求：①良好的综合力学性能 ②良好的焊接性 ③良好的抗蚀性
2）桥梁建筑用主要钢材：
①普通碳素结构钢
铜牌号表示方法：由代表屈服强度的字母、屈服强度的数值、质量等级符号、等四个部分组成，例如：Q235AF表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。
碳素结构钢按其力学性能和化学成分可分为Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五个等级，其中Q235号钢是目前应用最广泛的钢种。牌号越大，表明钢中含碳量越高，其强度、硬度越高，脆性越大，塑性和冲击韧性越低。
②优质碳素结构钢：这类钢基本上都为镇静钢，与普通碳钢相比，质量性能都好。
钢号用两位数字表示，数字代表含碳量的万分数，如45号钢，表示该钢材为优质碳钢，含碳量为万分之45（即0.45%）
4） 钢筋混凝土和预应力混凝土结构用钢材：
①Ⅰ级钢筋适用于钢筋混凝土结构中的受拉钢筋；
②Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋：可用作预应力混凝土结构的预应力筋，但吊钩等不允许使用冷接钢筋。
③预应力钢绞线：一般由7根3~5mm的高强碳素钢丝绞捻而成。是强度高，柔性好，且与混凝土黏结性好，在结构中排列布置方便，易于锚固，主要用于大跨度、大承载量的预应力结构中。