陈志源《土木工程材料》（第3版）笔记和课后习题（含考研真题）详解

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内容简介
目录
第一章　绪　论
　1.1　复习笔记
　1.2　课后习题详解
　1.3　典型题（含考研真题）详解
第二章　建筑钢材
　2.1　复习笔记
　2.2　课后习题详解
　2.3　典型题（含考研真题）详解
第三章　气硬性胶凝材料
　3.1　复习笔记
　3.2　课后习题详解
　3.3　典型题（含考研真题）详解
第四章　水硬性胶凝材料——水泥
　4.1　复习笔记
　4.2　课后习题详解
　4.3　典型题（含考研真题）详解
第五章　混凝土
　5.1　复习笔记
　5.2　课后习题详解
　5.3　典型题（含考研真题）详解
第六章　建筑砂浆
　6.1　复习笔记
　6.2　课后习题详解
　6.3　典型题（含考研真题）详解
第七章　烧结砖
　7.1　复习笔记
　7.2　课后习题详解
　7.3　典型题（含考研真题）详解
第八章　合成树脂
　8.1　复习笔记
　8.2　课后习题详解
　8.3　典型题（含考研真题）详解
第九章　沥青材料
　9.1　复习笔记
　9.2　课后习题详解
　9.3　典型题（含考研真题）详解
第十章　木　材
　10.1　复习笔记
　10.2　课后习题详解
　10.3　典型题（含考研真题）详解
第十一章　其他工程材料
　11.1　复习笔记
　11.2　课后习题详解
　11.3　典型题（含考研真题）详解
第十二章　土木工程材料试验
　12.1　复习笔记
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本书是陈志源主编的《土木工程材料》（第3版）的配套电子书，主要包括以下内容：
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内容预览
第一章　绪　论
1.1　复习笔记
【知识框架】

【重点难点归纳】
一、概述
1．土木工程材料的分类
（1）按材料的化学成分，可分为无机和有机两大类。从材料学意义上也可细分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大种，如下图所示：

此外，工程中常用复合材料。复合材料可分为：金属-金属复合材料（如钢铝复合板等）、金属-无机非金属复合材料（如钢筋混凝土等）、金属-有机复合材料（如轻质金属夹芯板等）等。
（2）按材料的主要作用，可分成两大类：
①结构材料。主要用作承重的材料，如梁、板、柱所用材料。
②功能材料。主要利用材料的某些特殊性能，如用于防水、装饰、保温等的材料。
2．土木工程材料的标准化
（1）标准化的内容
土木工程材料现代化生产的科学管理，必须对材料产品的各项技术指标制定统一的标准。这些标准一般包括：产品规格、分类、技术要求、检验方法、验收规则、标志、运输和贮存等内容。
（2）世界各国的标准体系
世界各国对土木工程材料的标准化都非常重视，均有自己的国家标准，在世界范围统一使用“ISO”国际标准。
（3）目前我国常用的四级标准体系
①国家标准
国家标准有强制性标准（代号GB）、推荐性标准（代号GB／T）。
②行业标准
如建工行业标准（代号JG）、建材行业标准（代号JC）、冶金行业标准（代号YB）、交通行业标准（代号JT）等。
③地方标准（代号DB）和企业标准（代号QB）
标准的一般表示方法，是由标准名称、部门代号、编号和批准年份等组成。例如：
a．国家标准（推荐性）《金属材料室温拉伸试验方法》（GB／T 228—2002）。
b．国家标准（推荐性）《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2002）。
c．建工行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2000）。
二、材料的基本状态参数
1．材料的密度、表观密度和堆积密度（见表1-1-1）
表1-1-1 材料的密度参数

项目	定义	公式	特点	测量方法
密度	材料在绝对密实状态下单位体积的质量	（1-1-1）  （ρ为材料的密度，g／cm3；m为材料在干燥状态下的质量，g；V为材料在绝对密实状态下的体积，cm3。）	绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙体积的固体物质的实体积	将该材料磨成细粉，干燥后用排液法测得的粉末体积，即为绝对密实体积
表观密度	材料在自然状态下单位体积的质量	（1-1-2）  （ρ0为材料的表观密度，kg／m3；m为材料的质量，kg；V0为材料在自然状态下的体积，m3。）	自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积	若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算。若外观形状不规则，可用排液法求得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测量值，应在材料表面涂蜡
堆积密度	散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量	（1-1-3）  （ρ′0为散粒材料的堆积密度，kg／m3；m为散料材料的质量，kg；V′0为散粒材料的自然堆积体积，m3。）	散粒材料堆积状态下的外观体积，既包含了颗粒的自然状态下体积，又包含了颗粒之间的空隙体积	散粒材料的堆积体积常用其所填充满的容器的标定容积来表示。散粒材料的堆积方式是松散的，即自然堆积；也可是捣实的，即紧密堆积。由紧密堆积测得的是紧密堆积密度

2．材料的孔隙和空隙
（1）材料的孔隙
一般认为孔隙可从两个方面对材料的性能产生影响：一是孔隙的多少，二是孔隙的特征。
①孔隙率
材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表示。孔隙率是指材料内部孔隙体积（Vp）占材料总体积（V0）的百分率。

　（1-1-4）
与孔隙率相对应的是材料的密实度，即材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率，可用下式表示：

　（1-1-5）
②材料的孔隙分类
材料的孔隙特征包括许多内容，按其不同特征分类如下：
a．按孔隙尺寸大小，可把孔隙分为微孔、细孔和大孔三种。
b．按孔隙之间是否相互贯通，把孔隙分为互相隔开的孤立孔和互相贯通的连通孔。
c．按孔隙与外界是否连通，把孔隙分为与外界相连通的开口孔和不相连通的封闭孔。
③开口孔隙率和闭口孔隙率
若把开口孔的孔体积记为VK，闭口孔的孔体积记为VB，则有

另外，定义开口孔孔隙率为


闭口孔孔隙率为

则孔隙率为

　（1-1-6）
（2）材料的空隙
①空隙率和填充率
空隙率是指散粒材料颗粒间的空隙体积（VS）占堆积体积的百分率。

（1-1-7）
与空隙率相对应的是填充率，即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率，可按下式计算：

　（1-1-8）
三、材料的力学性质
1．强度与比强度
（1）强度
材料的强度是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度。
②计算
a．材料的抗拉、抗压、抗剪强度，可用下式计算：

（1-1-9）
式中，f为抗拉（或抗压或抗剪）强度，MPa；P为材料破坏时的最大荷载，N；A为受力面面积，mm2。
b．材料的抗弯试验一般用矩形截面试件，抗弯强度计算有两种情况。一种是试件在二支点的中间受一集中荷载作用，计算公式为：

式中，ff为抗弯（折）强度，MPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；L为二支点之间距离，mm；b、h为试件截面的宽度和高度，mm。
另一种是在试件二支点的三分点处作用两个相等的集中荷载，计算公式如下：

c．影响因素
材料的组成；孔隙率（孔隙率增加，强度降低）；含水率（含水率增加，温度升高，一般强度也会降低）；试件尺寸（尺寸大的比小的强度低）；加荷速度（加荷速度较慢所测强度值偏低）；表面平整度（表面不平整的所测强度值低）等。
（2）比强度
承重的结构材料除了承受外荷载力，尚需承受自身重力。因此，不同强度材料的比较，可采用比强度指标。比强度是指单位体积质量的材料强度，它等于材料的强度与其表观密度之比，是衡量材料是否轻质、高强的指标。
2．材料的弹性与塑性
（1）定义
材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形（如图1-1-1）。若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性。此种不可恢复的变形称为塑性变形（如图1-1-2）。
材料在弹性范围内，其应力与应变之间的关系符合如下的虎克定律：

（1-1-10）
式中，σ为应力，MPa；ε为应变；E为弹性模量，MPa。
弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结构设计中的主要参数之一。
（2）各种材料的变形曲线
土木工程中有不少材料为弹塑性材料，它们在受力时，弹性变形和塑性变形会同时发生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留（见图1-1-3）。

图1-1-1材料的弹性变形曲线

图1-1-2材料的塑性变形曲线

图1-1-3材料的弹塑性变形曲线
3．脆性和韧性
（1）脆性
材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，它的变形曲线如图1-1-4所示。

图1-1-4脆性材料的变形曲线
（2）韧性
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧性或冲击韧性。它可用材料受荷载达到破坏时所吸收的能量来表示，由下式计算：

　（1-1-11）
式中，aK为材料的冲击韧性，J／mm2；AK为试件破坏时所消耗的功，J；A为试件受力净截面积，mm2。
4．硬度和耐磨性
（1）硬度的定义和测量方法
硬度是指材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。测定硬度的方法很多，常用刻划法和压入法。
（2）耐磨性的定义和计算方法
耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示，可按下式计算：

　　（1-1-12）
式中，M为耐磨率，g／cm2；m0为磨前质量，g；m1为磨后质量，g；A为试样受磨面积，cm2。
四、材料与水有关的性质
1．材料的亲水性与憎水性
（1）湿润边角
如图1-1-5所示，在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角。
（2）湿润边角的特性
当θ≤90°时，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；当θ>90°时，材料不能被水润湿面表现出憎水性，这种材料称为憎水性材料。由此可见，润湿边角越小，材料亲水性越强，越易被水润湿，当θ=0时，表示该材料完全被水润湿。

图1-1-5材料润湿示意图
（a）亲水性材料；（b）憎水性材料
大多数土木工程材料，如砖、木、混凝土等均属于亲水性材料；沥青、石蜡等则属于憎水性材料。
2．材料的含水状态
亲水性材料的含水状态可分为四种基本状态：
（1）干燥状态。材料的孔隙中不含水或含水极微。
（2）气干状态。材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡。
（3）饱和面干状态。材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和。
（4）湿润状态。材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。
除上述四种基本含水状态外，材料还可以处于两种基本状态之间的过渡状态中。
3．材料的吸湿性和吸水性
（1）吸湿性
①概念
亲水性材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性。反之，在干燥空气中会放出所含水分，为还湿性。
②含水率的计算方法
材料的吸湿性用含水率表示，按下式计算：

（1-1-13）
式中，Wh为材料含水率，％；ms为材料吸湿状态下的质量，g；mg为材料干燥状态下的质量，g。
③平衡含水率
材料的含水率随环境的温度和湿度变化发生相应的变化，在环境湿度增大、温度降低时，材料含水率变大；反之变小。材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。材料的开口微孔越多，吸湿性越强。
（2）吸水性
①定义
吸水性是指材料在水中吸水的性质。材料的吸水性用吸水率表示，它有以下两个定义：
a．质量吸水率。是指材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率，计算式如下：

　　　　 （1-1-14）
式中，Wm为材料的质量吸水率，％；mb为材料吸水饱和时的质量，g；mg为材料在干燥状态下的质量，g。
b．体积吸水率
体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率，计算式如下：

　（1-1-15）
式中，ρW为水在常温下的密度（ρW=1g／cm3）；V0为干燥材料在自然状态下的体积，cm3。
质量吸水率和体积吸水率两者存在以下关系：

　　　　 （1-1-16）
式中，ρ0为材料干燥状态时的表观密度（简称干表观密度），g／cm3。
材料的开口孔越多，吸水量越大。虽然水分很易进入开口的大孔，但无法存留，只能润湿孔壁，所以吸水率不大；而开口细微连通孔越多，吸水量越大。
4．耐水性
（1）定义
材料的耐水性是指材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。
（2）表示方法
耐水性用软化系数表示：

　　　　　　　（1-1-17）
式中，KR为材料的软化系数；fb为材料在饱和吸水状态下的抗压强度，MPa；fg为材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
材料的KR在0～1之间，工程中将KR>0.85的材料称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，所用材料必须保证KR>0.85；用于受潮较轻或次要结构的材料，其值也不宜小于0.75。
5．抗渗性
（1）定义
材料的抗渗性是指其抵抗压力水渗透的性质。
（2）表示方法
材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级表示。渗透系数按照达西定律以下式表示为：

　　　　　（1-1-18）
式中，K为渗透系数，cm／h；Q为渗水总量，cm3；A为渗水面积，cm2；d为试件厚度，cm；t为渗水时间，h；H为静水压力水头，cm。
材料的抗渗性与孔隙率及孔隙特征有关。开口的连通大孔越多，抗渗性越差；闭口孔隙率大的材料，抗渗性仍可良好。
材料的渗透系数越小或抗渗等级越高，表明材料的抗渗性越好。
6．抗冻性
（1）定义
抗冻性是指材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。
（2）表示方法
材料的抗冻性常用抗冻等级（记为F）表示。抗冻等级是以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻等级。冻融循环次数越多，抗冻等级越高，抗冻性越好。
（3）影响因素
材料抗冻能力的好坏，与材料吸水程度、材料强度及孔隙特征有关。一般而言，在相同冻融条件下，材料含水率越大，材料强度越低；材料中含有开口的毛细孔越多，受到冻融循环的损伤就越大。
五、材料的热性质
1．热容性
（1）定义
热容性是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。
（2）热容量的概念
热容量是指材料发生单位温度变化时所吸收或放出的热量，以下式表示：

　　　　（1-1-19）
式中，C为热容量，J／K；t1－t2为材料受热或冷却前后的温差，K；Q为材料在温度变化时吸收或放出的热量，J。
（3）比热的概念
不同材料的热容性，可用比热作比较。比热是指单位质量的材料升高单位温度时所需热量，公式如下：

　（1-1-20）
式中，c为材料的比热，J／（kg·K）；m为材料的质量，kg。
2．导热性
（1）定义
材料的导热性是指材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，常用导热系数表示。计算公式为：

　（1-1-21）
式中，λ为导热系数，W／（m·K）；Q为传导热量，J；d为材料厚度，m；A为材料传热面积，m2；t1－t2为材料两侧温差，K；Z为传热时间，s。
（2）影响因素
材料的导热性与孔隙有关。一般说来，材料的孔隙率增大，导热系数变小；而增加孤立的不连通孔隙，能更有效降低材料的导热能力。
3．热变形性
（1）定义
材料的热变形性是指材料在温度变化时的尺寸变化。
（2）表示方法
材料的热变形性常用线膨胀系数表示，计算公式如下：

式中，α为线膨胀系数，1／K；L为材料原来的长度，mm；

L为材料的线变形量，mm；t2-t1为材料在升、降温前后的温度差，K。
六、材料的耐久性
1．定义
材料的耐久性是指用于构筑物的材料在自身和环境的各种因素影响下，能长久地保持其使用性能的性质。
2．材料所受作用
（1）自身内部的化学作用。如水泥的体积安定性不良，使混凝土产生膨胀性裂缝。
（2）物理作用。如环境温度、湿度的交替变化。
（3）化学作用。如紫外线或大气和环境中的酸、碱、盐作用。
（4）机械作用。如长期荷载（或交替荷载、冲击荷载），磨损或磨耗。
（5）生物作用。如材料受菌类、昆虫等的侵害作用，发生虫蛀、腐朽等破坏现象。
由上可知，土木工程材料在使用中会受到多种因素的作用，使其性能变坏。所以，在构筑物的设计及材料的选用中，必须慎重考虑材料的耐久性问题，以利节约材料、减少维修费用，延长构筑物的使用寿命。
七、材料的绿色化
1．定义
土木工程材料的绿色化，是指建筑工程中所用材料向着绿色建材方向发展，它是实现绿色建筑的重要环节之一。
2．绿色建材的定义和特征
绿色建材，是指建筑材料不仅应具有令人满意的使用性能，而且在其生命周期的各阶段还应满足环保、健康和安全等要求。
在目前阶段认为，绿色建材至少应该包括以下五方面特征：
（1）生产绿色建材的原料应尽可能少用天然资源，应大量使用尾矿、废渣、垃圾、废液等废弃物；
（2）采用低能耗制造工艺及不污染环境的生产技术；
（3）在产品配制或生产过程中，不得使用对环境有污染或对人体有害的物质；
（4）产品的设计是以改善生产环境、提高生活质量为宗旨；
（5）产品可循环或回收利用，无污染环境的废弃物。

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