土木工程材料讲解

绪论

一、土木工程材料及其分类

广义上的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

金属材料

黑色金属——钢、铁、不锈钢等 有色金属——铅、铜等及其合金

天然石材——砂、石及石材制品等

烧土制品及熔融制品——砖、瓦、玻璃等 胶凝材料——石灰、石膏、水泥、水玻璃等

混凝土及硅酸盐制品——混凝土、砂浆及硅酸盐制品

无机材料

非金属材料

土木工程材料 有机材料

植物材料——木材、竹材等

沥青材料——石油沥青、煤沥青、沥青制品等

高分子材料——塑料、涂料、胶黏剂、合成橡胶、合成树脂等

复合材料

无机非金属材料与有机材料复合——玻璃纤维增强塑料、聚合物水泥混凝土、

沥青混合料等

金属材料与无机非金属材料复合——钢筋混凝土、钢纤维混凝土、夹丝玻璃

等

金属材料与有机材料复合——如轻质金属夹芯板

图 0.1 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。

二、土木工程材料在土建工程中的地位

土木工程材料在土木建筑工程中有着举足轻重的地位。 首先，土木工程材料是一切土木工程的物质基础。

第二，土木工程材料与建筑、结构和施工之间存在着相互依存、相互促进的密切关系。 第三，建筑物和构筑物的功能和使用寿命在很大程度上由土木工程材料的性能决定。 第四，土建工程的质量，主要取决于材料的质量控制。

最后，建筑物和构筑物的可靠度评价，相当程度地依存于材料的可靠度评价。

三、土木工程材料的发展趋势

土木工程材料速记知识点

遵循可持续发展战略，土木工程材料的发展趋势表现为： （1）高性能化 （2）高耐久性 （3）多功能化 （4）绿色环保 （5）智能化

另外，主产品和配套产品应同步发展，并解决好利益平衡关系。同时，为满足现代土木工 程结构性能和施工技术的要求，材料的应用应向着工业化方向发展。

四、土木工程材料的检验方法及标准化

1.土木工程材料的质量检验方法

通常可采用实验室内原材料性能检验、实验室内模拟结构鉴定及现场鉴定等方法。本课程 主要着重介绍实验室内材料性能的检验，包括下列内容：

⑴物理性能检验 ⑵力学性能检验

⑶材料与水有关的性能检验 2.土木工程材料的标准化

土木工程材料涉及的标准主要包括两类。一是产品标准。其内容主要包括：产品规格、分 类、技术要求、检验方法、验收规则、应用技术规程等；二是工程建设标准。其内容有土木工 程材料选用有关的标准，有各种结构设计规范、施工及验收规范等。

目前，我国常用的标准按适用领域和有效范围，分为四级。

⑴国家标准 分强制性标准（代号为 GB）和推荐性标准（代号 GB/T）。 ⑵行业标准 某些行业标准代号见表 0.1。

表 0.1 几个行业的标准代号

行业名称 标准代号

建工行业

JG

黑色冶金行业

YB

石化行业

SH

交通行业

JT

建材行业

JC

铁路行业

TB

⑶地方标准（代号 DB） ⑷企业标准（代号 QB）

有关工程建设方面的技术标准的代号，应在部门代号后加J。地方标准或企业标准所制定 的技术要求应高于类似（或相关）产品的国家标准。

标准一般由标准名称、部门代号(以汉语拼音字母表示)、标准编号和颁发年份等来表示。 例如，1992 年制定的建材行业推荐性 479 号建筑石灰的标准为：《建筑石灰》（JC/T 479-92）。

五、课程学习的目的和要求

⒈课程学习的目的与主要内容

土木工程材料课程是针对土木工程、工程管理、水利水电等专业开设的专业技术基础课。 通过学习，使学生掌握材料的基本理论和基础知识，为后续专业课程的学习及以后从事土木工 程正确选用材料打下良好的基础。

本教材重点介绍了当前土木工程常用的材料，如水泥、石灰、混凝土、钢材、沥青材料等， 并简要介绍了建筑功能材料。对于各类材料，除重点介绍了技术性质外，对材料的生产、组成、 结构与构造、技术标准也做了简要介绍，另外还简要介绍了检测这些技术性能指标的试验方法。

2

土木工程材料速记知识点

⒉课程的理论课学习任务

学习时，可把相关内容分成三个层次：

第一层次是土木工程材料基础理论知识。所谓基础理论知识是指每类材料的生产工艺，

材料的组成、结构、构造，该部分要重点领会其对材料性能的影响；

第二层次是土木工程材料的基本性质。这一层次要求学生重点掌握，在了解基本概念的

基础上，要能运用已有的理论知识对基本性质的改善进行分析。并能够结合工程实际，正确选 用材料。对于现场制作的材料，要能根据材料性能要求设计计算材料配比；

第三层次为土木工程材料质量检验的内容，需要结合试验理解基本技术性质要求的意义。 ⒊课程的实验课学习任务

实验是课程的重要教学环节。通过实验可验证所学的基础理论，增加感性认识，加深对理 论知识的理解，熟悉试验鉴定、检验和评定材料质量的方法，掌握一定的试验技能，这对培养 学生分析与判断问题的能力、试验工作能力以及严谨的科学态度十分有益，也为今后从事既有 材料的改性、新材料的研制以及材料方面的科学研究奠定基础。

第 1 章 土木工程材料的基本性质

1.1 材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响

1.1.1 材料的组成

材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。它不仅影响材料的化学稳定性，而 且也是决定材料物理及力学性质的重要因素。

（1）化学组成 （2）矿物组成

（3）相组成：材料具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相

1.1.2 材料的结构

材料的结构对材料的性质有重要影响。材料的结构一般分为宏观、细观和微观三个层次。 （1）宏观结构

土木工程材料的宏观结构是指肉眼可以看到或借助放大镜可观察到的(毫米级)粗大组织。 其尺寸在 10-3m 级以上。

a) 散粒结构-----空隙率主要取决于颗粒级配 b) 聚集结构 c) 多孔结构

d) 致密结构-----特点：强度和硬度高，吸水性小，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好，

保温隔热性差

e) 纤维结构-----纵向较紧密，横向较疏松 f) 层状结构 （2）细观结构

细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构。其尺寸 范围在 10-3～10-6m。包括：

①晶相种类、形状、颗料大小及其分布情况；

3

土木工程材料速记知识点

②玻璃相的含量及分布； ③气孔数量、形状及分布。 （3）微观结构

微观结构是指借助电子显微镜或 X 射线，可以观察到的材料的原子、分子级的结构，微观 结构的尺寸范围在 10-6～10-10m。

材料微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体三种形式。 ①晶体

晶体是内部质点(原子、离子、分子)在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构。 ②玻璃体

将熔融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及按规则排列就凝固，这时形成的物质 结构即为玻璃体，又称为无定形体或非晶体。

③胶体

物质以极其微小的颗粒(粒径为 10-7～10-9m)分散在连续相介质中形成的结构,称为胶体。

1.1.3 材料的构造

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。构造概念与结构概 念相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。

1.1.4 材料中的孔隙与材料性质的关系

（1）孔隙的分类

按孔隙的大小，可将孔隙分为微小孔隙、细小孔隙（毛细孔）、粗大孔隙等。对于无机非 金属材料，孔径小于 20nm 的微小孔隙，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔。

按孔隙形状可将孔隙分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带 尖角的孔隙等。片状孔隙、管状孔隙、带尖角的孔隙对材料性质的影响较大。

按常压下水能否进入到孔隙中，将常压水可以进入的孔隙称为开口孔隙，而将常压水不

能进入的孔隙称为闭口孔隙。另外，开口孔中有些孔不仅与外界相通，而且彼此贯通，称为连 通孔。

（2）孔隙对材料性质的影响

一般情况下，材料孔隙率越大，则材料的表观密度、堆积密度、强度均越小，耐磨性、抗 冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性及其他耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性与吸湿性等 越强。

（3）材料内部孔隙的来源与产生

1.2.1 材料与质量有关的性质

（1）材料的密度、表观密度与堆积密度 ①密度—True Density

材料在绝对密实状态下、单位体积干材料的质量称为材料的密度。按照（ 1.1）式进行计 算。

m  

V

式中：  —材料的密度， g·cm-3；

m —材料在绝对干燥状态下的质量，g； V —材料在绝对密实状态下的体积，cm-3。

②表观密度---Apparent Density

（1.1）

4

土木工程材料速记知识点

材料在自然状态下，单位体积材料的质量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中称 为体积密度）。按照（1.2）式进行计算。

m  0 V

0

0

（1.2）

式中：  —材料的表观密度，g·cm-3 或 kg·m-3；

m —材料在自然状态下的重量，g 或㎏；

V —材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。

0

③堆积密度---Bulk Density

散粒材料(粉状或粒状材料)在堆积状态下，单位体积材料的质量称为材料的堆积密度。按 照（1.3）式进行计算。

m '  0 V

0

0

（1.3）

式中：  ' —散粒材料的堆积密度，kg·m-3；

m —散粒材料在堆积状态下的质量，㎏；

V  —散粒材料在堆积状态下的体积，m3。

常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表 1.1 所示.

（2）材料的孔隙率与密实度 ①孔隙率

材料内部孔隙体积占材料自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率。按照（ 1.4）式进 行计算。

0

P 

V孔V

0

100% 

V  V 1  0 100%100%0   V

  

0

（1.4）

材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。 ②密实度

材料的固体物质体积占自然状态下体积的百分率称为材料的密实度。密实度反映了材料体 积内被固体物质所填充的程度。按照（1.5）式进行计算：

V

D   100%  0 100% （1.5）

V 

0

密实度与孔隙率之间的关系为： P  D  1

（3）材料的空隙率与填充率 ①空隙率

散粒材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率称为材料的空隙率。按照（ 1.6） 式进行计算：

100% 1   V VV  V     

100% （1.6） P  空 100%  

V 

0



0 0

0 0

0

5

土木工程材料速记知识点

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的程度 ②填充率

材料在自然状态下的体积占堆积体积的百分率称为材料的填充率。填充率反映了材料被颗 粒填充的程度。按照（1.7）式进行计算：

D  0 100% 

V 

V  

100% 0

0

 （ 1.7） 0

密实度与空隙率之间的关系为： P  D  1

1.2.2 材料与水有关的性质

（1）材料的亲水性与憎水性

材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性；而材料与水接触时不能被水润湿的性质称 为憎水性。

材料被水湿润的程度可以用润湿角θ 来表示，如图 1.3 所示。润湿角越小，说明材料越容 易被水湿润。实验证明，润湿角θ ≤90º的材料为亲水性材料，反之，θ >90º的材料不能被水 湿润，为憎水性材料。当θ =0º时，表明材料完全被水润湿。

（2）材料的吸湿性和吸水性 ①吸湿性

材料在潮湿空气中吸附水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小，用含水率来表示。含 水率是指材料内部所含水的质量占干材料质量的百分率。可按照（1.8）式进行计算。

m  m

W  h 100% （1.8） h m

式中：W —材料的含水率，％；

h

m —材料在吸湿状态下的重量，g；

m —材料在干燥状态下的重量，g。

在一定的温度和湿度条件下，材料中所含水分与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平

衡含水率。

②吸水性 材料在水中(通过毛细孔隙)吸收水分的性质称为吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般 用质量吸水率表示。质量吸水率是指材料吸水饱和时，其内部吸收水分的质量占干材料质量的 百分率。可按照（1.9）式进行计算。

h

m  m

W  b 100% （1.9） m m

式中：W —材料的质量吸水率，％；

m

m —材料在吸水饱和状态下的质量，g；

m —材料在干燥状态下的质量，g。

（3）材料的耐水性

材料长期在饱和水作用下，不破坏同时强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐

b

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土木工程材料速记知识点

水性好坏用软化系数表示，材料在饱和水状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度的 比值，就是软化系数。按照（1.10）式计算。

f

K  b （1.10） R f

R

式中： K —材料的软化系数；

f —材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；

b

f —材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

材料的软化系数在 0～1 之间。经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，软化系数

不宜小于 0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数不宜小于 0.70。软化系数大于 0.85 的材料，通常认为是耐水的材料，称为耐水性材料。

（4）材料的抗冻性

材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性质， 称为抗冻性。

影响材料抗冻性的因素：

①材料的孔隙率和孔隙特征。 ②材料的吸水饱和程度。

③材料抵抗冻胀应力的能力，即材料的强度。

就外界条件来说，材料受冻破坏的程度与冻融温度、结冰速度及冻融频繁程度等因素有关， 温度越低、降温越快、冻融越频繁，则受冻破坏越严重。

（5）材料的抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，另外，材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗 渗性。

1.2.3 材料的热工性质

（1）材料的导热性

材料传导热量的性质称为导热性。材料导热能力的大小，用导热系数来表示。 影响材料导热系数的因素主要有以下几个方面： 1）材料的物质组成与结构。 2）材料的孔隙率及孔隙特征。 3）含水率(湿度)。 4）导热时的温度

（2）材料的热容量

热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。可用（1.11）式表示。

Q  cm t  

2 t

1

（1.11）

式中： Q —材料吸收或放出的热量，KJ；

c —材料的比热，J· （g·K）-1； m —材料的质量，g；

7

土木工程材料速记知识点

t  t —材料受热或冷却前后的温度差，K。

几种典型材料的热工性能指标如表 1.2 所示。

1

2

（3）耐燃性

建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重降低的性能称为耐燃性。 根据耐燃性可将材料分为三大类：

1） 不燃烧类 如普通石材、混凝土、砖、石棉等。 2） 难燃烧类 如沥青混凝土、经防火处理的木材等。 3） 燃烧类 如木材、沥青等。 （4）耐火性

材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能称为耐火性。按耐火性高低可将材料 分为 3 类：

1） 耐火材料 如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等。 2） 难熔材料 如难熔黏土砖、耐火混凝土等。 3） 易熔材料 如普通黏土砖等。 （5）材料的热变形性

材料在温度变化时的尺寸变化称为热变形性。热变形性的大小用线膨胀系数表示。

1.3 材料的力学性质

材料的力学性质是指材料在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下的变形性或强度 来表示。

1.3.1 材料的强度与比强度

材料在外力(即荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。 （1）材料的强度类型

1）材料的抗压、抗拉及抗剪强度

材料的抗压、抗拉及抗剪强度按（1.12）式计算。

F f 

A

（1.12）

式中： f —材料的强度，MPa；

F —试件破坏时的最大荷载，N；

A —试件受力截面面积，mm2。

抗压强度是评定脆性材料强度的基本指标，而抗拉强度是评定塑性材料强度的主要指标。

2）材料的抗弯强度

材料的抗弯强度与试件的几何形状及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当 采用二分点试验（图 1.4） (在两支点的中间作用一个集中荷载)时，其抗弯极限强度按（1.13） 式计算。

f  tm

3F

2bhmax 2

（1.13）

当采用三分点试验（图 1.4）(在跨度的三分点上加两个集中荷载)时，其抗弯极限强度

8

土木工程材料速记知识点

按（1.14）式计算。

f 

tm

tm

F

bhmax （1.14） 2

式中： f —材料的抗弯极限强度，MPa；

F

—试件破坏时的最大荷载，N； Lmax —试件两支点间的距离，mm；

b 、 h —试件截面的宽度和高度，mm。

（2）影响材料强度的因素 ①材料的组成、结构和构造

图 1.5 材料强度与孔隙率的关系

②试验条件

试验方面的因素有：试件大小、试件形状、加荷速度以及试件的平整度等。 ③材料的含水情况 ④温度

（3）材料的强度等级

常用土木工程材料的强度如表 1.3 所示。

（4）材料的比强度

比强度等于材料的强度与表观密度之比，即单位质量的材料强度。比强度是用来评价材料 是否轻质高强的一个指标。几种主要材料的比强度如表 1.4 所示。

1.3.2 材料的弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形随即消失并能完全恢复原来形状的性

质，称为材料的弹性。应力与应变的比值称为材料的弹性模量。按照（1.15）式计算。

E 





（1.15）

式中：  —材料的应力，MPa；

 —材料的应变；

E —材料的弹性模量，MPa。

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，不能恢复变形，仍然保持变形后的形状和

尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为材料的塑性。

1.3.3 材料的脆性与韧性

材料受外力作用，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，但破坏时没有明显塑性变形的 性质，称为材料的脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生较大变形而不致破坏的性质，称为

9

土木工程材料速记知识点

材料的韧性或冲击韧性。

1.3.4 材料的硬度与耐磨性

（1）硬度

硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力 （2）耐磨性

耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性以磨损前后材料单位面积的质量损 失，即磨损率表示。

材料的磨损率越低，表明该材料的耐磨性越好。

1.4 材料的耐久性

材料在长期使用过程中，能抵抗各种作用而不破坏，并且能保持原有性能的能力，称为

材料的耐久性。

影响耐久性的因素很多，包括物理作用、化学作用及生物作用等。 （1）物理作用

物理作用指材料受干湿、冷热、冻融变化等，使材料体积发生收缩与膨胀，或产生内应

力而开裂破坏。

（2）化学作用

化学作用指材料在大气和环境水中的酸碱盐等溶液的侵蚀下，使材料逐渐发生质变而破

坏。

（3）生物作用

生物作用指材料在昆虫或菌类等的侵害下，导致材料发生虫蛀、腐朽而破坏。

第 2 章 水泥

2.1 硅酸盐水泥

国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）规定：凡是以适当成分的生料，烧至部分 熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，并掺入 0～5％的石灰石或粒化高炉矿渣，适量 石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。

2.1.1 硅酸盐水泥的生产

（1）生料的配制

硅酸盐水泥的原料主要由三部分组成：石灰质原料；粘土质原料；校正原料

将石灰质、粘土质和校正原料按适当的比例配合，并将这些原料磨制到规定的细度，并使 其均匀混合，这个过程叫做生料配制。生料的配制有干法和湿法两种。

（2）水泥熟料的煅烧

将配制好的生料在窑内进行煅烧。水泥窑型主要有立窑和回转窑。一般立窑适合小型水泥 厂，回转窑适合于大型水泥厂。煅烧的主要过程包括：

1）干燥 2）预热

3）分解

4）烧成

5）冷却

10

土木工程材料速记知识点

（3）水泥熟料的粉磨

将生产出来的水泥熟料配以适量的石膏，或根据水泥品种的要求掺入一定量的混合材料， 进入磨 机磨至 适当的 细度，即 制成硅 酸盐水 泥。

图 3.1 硅酸盐水泥生产工艺流程示意图

3.1.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成及特性

（1）水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥的熟料主要由 4 种矿物组成，其名称、成分、化学式缩写、含量如下：

矿物名称 化学成分 缩写符号 含量 硅酸三钙 3CaO·SiO2 C3S 36％～60％

硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙

2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3

4CaO·Al2O3·Fe2O3

C2S C3A C4AF

15％～36％ 7％～15％ 10％～18％

（2）水泥熟料矿物的特性

硅酸盐水泥中含有的 4 种熟料矿物与水作用时所表现的特性是不同的，表 3.1 列出了 4 种 熟料矿物与水作用的特性。

（3）硅酸盐水泥的水化

水泥加水拌和后，水泥颗粒立即与水发生化学反应，即发生水化反应，生成一系列的化合 物并放出一定的热量。常温下水泥熟料单矿物的水化反应式如下：

2(3CaO · SiO )  6H O  3CaO · 2SiO · 3H O  3Ca(OH) 

2

2

2

2

2

2(2CaO · SiO )  4H O  3CaO · 2SiO · 3H O  Ca(OH)

2

2

2

2

2

3CaO · Al O  6H O  3CaO · Al O · 6H O

2

3

2

2

3

2

4CaO · Al O · Fe O 7H O  3CaO · Al O · 6H O  CaO · Fe O · H O

2

3

2

3

2

2

3

2

2

3

2

3CaO · Al O · 6H O （3 CaSO · 2H O） 19H O  3CaO · Al O · 3CaSO · 31H O

2

3

2

4

2

2

2

3

4

2

 3CaO · Al O · 6H O CaSO · 2H O  4H O  3CaO · Al O · CaSO ·12H O

2

3

2

4

2

2

2

3

4

2

（4）硅酸盐水泥的凝结和硬化

硅酸盐水泥加水拌合后，成为可塑性的浆体，随着时间的推移，其塑性逐渐降低，最后失 去塑性，这个过程称为水泥的凝结。随着水化的不断进行，水泥凝胶不断生成，形成密实的空 间网状结构，水泥浆转变为石状体，产生了强度，即达到了硬化。

11

土木工程材料速记知识点

（a） （b） （c） （d）

图 3.2 硅酸盐水泥凝结硬化示意图

（a）水泥颗粒分散在水中 （b）在水泥颗粒表面形成水化产物膜层

（c）膜层长大并相互连接（凝结） （d）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化） 1—水泥颗粒；2—水；3—水泥凝胶体；4—晶体；5—未水化的水泥颗粒内核；6—孔隙

（5）影响水泥凝结硬化的主要因素 ①熟料矿物组成的影响 ②水泥细度的影响

③龄期（养护时间）的影响

图 3.3 水泥水化龄期对强度的影响

④养护温度和湿度 ⑤水灰比（W/C）

3.1.3 硅酸盐水泥的腐蚀与防止

引起水泥石腐蚀的原因及作用多而复杂，几种典型水泥石腐蚀的类型如下： （1）软水腐蚀（溶出性腐蚀）

（2）离子交换腐蚀（溶解性腐蚀） ①碳酸的腐蚀

Ca(OH) ＋CO ＋H O  CaCO ＋2H O 

2

2

2

3

2

CaCO ＋CO ＋H O  Ca（HCO ）

3

2

2

3 2

②一般酸的腐蚀

2HCl+Ca(OH)  CaCl (易溶)＋2H O

2

2

2

③镁盐的腐蚀

MgCl +Ca(OH)  CaCl (易溶)＋Mg(OH) (絮凝状、无胶结力) 

2

（3）膨胀性腐蚀

①硫酸盐的腐蚀

2 2

2

12

土木工程材料速记知识点

MgSO +Ca(OH) +2H O  Mg(OH) (絮凝状、无胶结力)＋CaSO · 2H O 

4

2

2

2

4

2

（ CaSO ·2H O）＋3CaO ·Al O ·6H O+19H O  3 3CaO ·Al O ·3CaSO ·31H O

4

2 2 3 2

2

2 3 4 2

（水化硫铝酸钙）（结晶膨胀）

②硫酸的腐蚀

H SO ＋Ca(OH)  CaSO · 2H O+H O 

2

生成的硫酸盐会与水化铝酸三钙继续反应，生成的水化硫铝酸钙，导致水泥石的破坏。 （4）强碱的腐蚀

4 2 4 2

2

3CaO · Al O 6NaOH  3Na O · Al O +3Ca(OH) 

2

3

2

2

3

2

（易溶于水）

2NaOH+CO +9H O  Na CO ·10H O 

2

2

2

3

2

水泥石腐蚀的主要原因是：侵蚀性介质以液相的形式与水泥石接触并具有一定的浓度；水

泥石中存在着易被腐蚀的成分；水泥石结构不致密，存在较多毛细孔隙，侵蚀性介质可通过毛 细孔进入水泥石内部。

（5）水泥石腐蚀的防止

根据水泥石腐蚀的原因，可以采用以下措施防止水泥石腐蚀：

①根据环境侵蚀特点，合理选用水泥品种，减少水泥中易被腐蚀物质（即

3CaO·Al2O3·6H2O）的含量。

②降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的密实度。

③在水泥石的表面涂抹或铺设保护层，隔断水泥石和外界的腐蚀性介质的接触。

Ca(OH)2、

3.1.4 硅酸盐水泥的技术指标

（1）密度和堆积密度

一般硅酸盐水泥的密度为 3.0～3.2g·cm-3。

在进行混凝土或砂浆配合比设计时，通常密度取为 3.10 g·m堆积密度取为 1300 kg· -3。c-3 ，m （2）细度

国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细 度以比表面积表示，其比表面积不小于 300m2·kg-1，否则为不合格品。

（3）标准稠度需水量

测定凝结时间和体积安定性时必须采用规定稀稠程度的水泥净浆，这个规定的稠度，称为 标准稠度。当达到规定稀稠程度时，拌制水泥浆的加水量，就是标准稠度用水量。硅酸盐水泥 的标准稠度用水量一般在 23%～30%之间。

（4）凝结时间

水泥的凝结时间有初凝与终凝之分。自加水时起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间，称 为初凝时间。自加水起至水泥浆完全失去可塑性，随后开始产生强度的时间，称为终凝时间。 国家标准《通用硅酸盐水泥（GB175—2007）规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得小于45min， 》

终凝时间不得大于 390min。初凝时间不合格的水泥为废品水泥，终凝时间不合格的水泥为不 合格品。

（5）体积安定性

水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性为水泥的体积安定性。

13

土木工程材料速记知识点

引起水泥安定性不良的原因有：

①水泥熟料中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁

国家标准规定：由游离氧化钙引起的水泥安定性不良，可用沸煮法检验。沸煮法又分试饼 法和雷氏法，当两者发生争议时以雷氏法为准。

游离氧化镁引起的水泥体积安定性不良，用压蒸法才能检验出来。由于游离氧化镁造成的 安定性不良不便于快速检验，因此，国家标准规定，水泥中的游离氧化镁的含量不得超过 5.0%， 当压蒸试验合格时可放宽到 6.0%。

②石膏掺量过多

国家标准规定，在生产水泥时，控制水泥中 SO3 的含量不得超过 3.5%。

体积安定性不合格的水泥为废品，不得用于任何工程。 （6）强度等级

硅酸盐水泥强度主要取决于熟料的矿物组成和细度

（7）水化热

水泥在与水进行水化反应时放出的热量称为水化热（J·g-1）。

（8）碱含量

国家标准规定：水泥中的碱含量按 Na2O+0.658K2O 计算值表示，若使用活性骨料，用户 要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量不得大于 0.60%或由买卖双方协商确定。

3.1.5 硅酸盐水泥的特性、应用及储存

（1）硅酸盐水泥的特性、应用

①凝结硬化快，早期强度和后期强度高 ②水化热大、抗冻性好 ③干缩小、耐磨性较好 ④抗碳化性较好 ⑤耐腐蚀性差 ⑥耐高温性差

（2）水泥的储存和运输

水泥在储存和运输中不得受潮和混入杂物。 水泥存放期不宜过长。

水泥在运输和储存中，不同品种、不同强度等级的水泥不能混装。水泥堆放高度不得超过 10 包，遵循先来的水泥先用的原则。

3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥

由硅酸盐水泥熟料，一定量的混合材料及石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为掺混 合材料的硅酸盐水泥

3.2.1 混合材料

在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调节水泥强度等级而加入水泥中的人工或天然的矿 物材料，称为水泥混合材料。

Ca(OH)2）或硫酸盐激发剂

（CaSO4·2H2O)时，不仅能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化，并生成水硬性胶凝材料

（1）活性混合材料

在常温下，与水不反应或反应很慢，当加入碱性激发剂（

14

土木工程材料速记知识点

的产物，称为活性混合材料。常用的活性混合材料有如下几种：

①粒化高炉矿渣 ②火山灰混合材料

火山灰质混合材料泛指火山灰一类物质，按其活性成分与矿物结构可分为三类：

a.含水硅酸质的混合材料 硅藻土、硅藻石、蛋白石及硅质渣等 b.铝硅玻璃质的混合材料 火山灰、凝灰岩、浮石及某些工业废渣 c.烧粘土质的混合材料 主要有烧粘土、煤渣、煤矸石灰渣等 ③粉煤灰混合材料

（2）非活性混合材料

加入水泥中，不与或几乎不与水泥水化产物发生作用，仅仅是降低强度等级，提高产量， 降低成本，调节水泥性能，减小水化热的这一类矿物材料，称为非活性混合材料，常见的非活 性混合材料如磨细的石灰石粉、石英砂、窑灰、慢冷矿渣等。

3.2.2 普通硅酸盐水泥

由硅酸盐水泥熟料、适量的混材料及石膏共同磨细，制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅 酸盐水泥，代号 P·O。

（1）普通硅酸盐水泥的技术指标

普通硅酸盐水泥的技术指标要求与硅酸盐水泥有几点不同： ①凝结时间

普通硅酸盐水泥的初凝时间不小于 45min，终凝时间不大于 600min。 ②强度等级 ③烧失量

普通硅酸盐水泥的烧失量不大于 5.0%。

普通硅酸盐水泥的其他技术要求同硅酸盐水泥完全相同。

（2）普通硅酸盐水泥的性质

普通硅酸盐水泥由于掺加的混合材料较少，因此它的性质同硅酸盐水泥的性质基本上相 同。

3.2.3 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥

（1）定义及组成

根据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）规定：由硅酸盐水泥熟料、掺量大于 20%且不大于 70%的粒化高炉矿渣及适量的石膏磨细所得的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐 水泥，简称矿渣水泥，代号 P·S。

凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细所得的水硬性胶凝材料称为火山 灰质硅酸盐水泥，简称火山灰水泥，代号 P·P。水泥中火山灰质混合材料掺量为大于 20%且 不大于 40%。

凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细所得的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水 泥，简称粉煤灰水泥，代号 P·F。水泥中粉煤灰掺量为大于 20%且不大于 40%。

（2）技术指标

①细度、凝结时间、体积安定性 ②MgO、SO3含量 ③强度等级

（3）特性及应用

15

土木工程材料速记知识点

①三种水泥的共性

a.凝结硬化速度慢，早期强度低，后期强度发展较快 b.对温度及湿热敏感性强 c.耐腐蚀性好 d.水化热小

e.抗碳化能力差

f.抗冻性差、耐磨性差 ②三种水泥的特性

a.矿渣水泥特性

矿渣硅酸盐水泥的耐热性较好，抗渗性差，且干燥收缩也较普通水泥大 b.火山灰水泥特性

具有良好的保水性，较高的抗渗性和耐水性，不宜用于长期处于干燥环境中的混凝土工程。

c.粉煤灰水泥特性

粉煤灰水泥的干缩小、抗裂性好。不宜用于干燥环境。此外，抗渗性较差，不宜用于抗渗

要求高的混凝土工程。

3.2.4 复合硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料，适量的石膏共同磨细所得的水硬 性胶凝材料称为复合硅酸盐水泥，简称复合水泥，代号 P·C。

（1）技术指标

①MgO、SO3含量 ②细度

③凝结时间 ④强度等级

复合水泥的强度等级按 3d 和 28d 的抗压强度和抗折强度来划分，各龄期水泥的强度不得 低于表 3.5 的值。

（2）技术性质

常用水泥的组成、特性及应用如表 3.6 所示。

第 4 章 混凝土

4.1 混凝土的概述

4.1.1 混凝土的定义

以胶凝材料、颗粒状集料（必要时加入的化学外加剂、掺合料、纤维等材料）为原材料， 按比例配料、拌合、成型，经硬化而形成的具有堆聚结构的人造石材，统称为混凝土，

4.1.2 混凝土的发展历史

4.1.3 混凝土的分类

从结构及表观密度方面进行分类

16

土木工程材料速记知识点

（1）按混凝土结构分 1）普通结构混凝土 2）细粒混凝土 3）大孔混凝土 4）多孔混凝土

（2）按照表观密度分 1）重混凝土 2）普通混凝土 3）轻混凝土 4）特轻混凝土

4.1.4 混凝土材料的特点

（1）优点 1）成本低 2）可塑性好

3）配制灵活，适应性好 4）抗压强度高 5）复合性能好 6）耐久性好 7）耐火性好

8）生产能耗低。 （2）混凝土的缺点

1）自重大、比强度小 混凝土比强度比木材、钢材小。

2）抗拉强度低、变形能力小 呈脆性、易开裂，抗拉强度约为抗压强度的 1/10～1/20。

4.2 混凝土的组成材料

普通混凝土的组成材料主要有水泥、水、粗骨料（碎石、卵石） 细骨料（砂）。 有时，为 了改善某方面的性能，需加入外加剂或掺合料。普通混凝土硬化后的宏观组织构造如图4.1 所 示。

4.2.1 水泥

（1）水泥品种的选择

水泥品种的选择，需在分析工程特点、环境特点、施工条件的基础上，结合水泥的性能特 点来选择，

（2）水泥强度等级的选择

水泥强度等级要与混凝土强度等级相适应。 （3）水泥的技术性质

对于所选水泥品种，应检验技术性质，需满足相关要求。

4.2.2 细骨料

公称粒径在 0.15～4.75mm 之间的骨料称为细骨料，也叫砂。砂按来源分为天然砂、人工 砂两类。砂的技术要求主要有：

（1）砂的颗粒级配和粗细程度

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土木工程材料速记知识点

砂的颗粒级配是指砂子大小不同的颗粒搭配的比例情况。 砂的粗细程度是指砂子总体的粗细程度

砂子的颗粒级配和粗细程度，可通过筛分析的方法来确定。

砂的粗细程度可通过计算细度模数确定。细度模数根据（4.1）式计算（精确至 0.01）。

M  x

A2 A  A  A  A  5 A

3 4 5 6 1

100  A

3

1 （4.1）

式中： M —细度模数。 A 、 A 、 A 、 A 、 A 、 A —分别为 4.75mm、2.36mm、1.18mm、

x

1

2

4

5

6

600 m 、300 m 、150 m 筛的累计筛余百分率。

砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，其细度模数分别为： 粗砂：3.7～3.1 中砂：3.0～2.3 细砂：2.2～1.6 （2）含泥量（石粉含量和泥块含量）

天然砂的含泥量和泥块含量应符合表 4.3 规定。 （3）有害物质

砂中云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等的含量应符合表 4.3 的规定。 （4）坚固性

坚固性是砂在自然风化和其他外界物理化学因素作用下，抵抗破裂的能力。根据

GB/T14-2001 规定，天然砂采用硫酸钠溶液进行试验，砂样经5 次循环后其质量损失应符合 表 4.4 规定。

（5）表观密度、堆积密度、空隙率

砂的表观密度大于 2500 kg·m-3，松散堆积密度大于 1350 kg·m-3，空隙率小于 47%。 （6）碱集料反应

指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与集料中活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并 导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。

（7）砂的含水状态

砂有四种含水状态（如图 4.4 所示）： 1）绝干状态 2）气干状态

3）饱和面干状态 4）湿润状态

4.2.3 粗骨料

粒径大于 4.75mm 的岩石颗粒，分为卵石和碎石两大类 粗骨料的主要技术指标有： （1）粗骨料最大粒径 (２)粗骨料的颗粒级配

普通混凝土用的碎石或卵石级配应符合表 4.5 的要求，试样筛分所需筛号，也按表 4.5 规定的级配选用，累计筛余计算均与砂相同。

（3）含泥量和泥块含量 含量应符合表 4.6 的规定。 （4）有害物质

其有害物质主要有有机物，硫化物及硫酸盐，对混凝土的危害与砂相似，其含量应符合表

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土木工程材料速记知识点

4.6 的规定。

（5）针、片状颗粒含量

卵石和碎石颗粒的长度大于该颗粒所属相应粒级平均粒径 2.4 倍者为针状颗粒；厚度小于 平均粒径 0.4 倍者为片状颗粒（平均粒径指该粒级上、下限粒径的平均值）。 其含量应符合表 4.6 的规定。

（6）坚固性

指卵石、碎石在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下抵抗破裂的能力，采用硫酸钠 溶液法进行试验，卵石和碎石经 5 次循环后，其质量损失应符合表 4.7 的规定。

（7）强度

卵石、碎石的强度，一般用压碎指标来反映，对于碎石也可以测定岩石的抗压强度来反映。

压碎指标愈高，表示石子抵抗碎裂的能力愈软弱，压碎指标值应小于表 4.8 的规定。

（8）表观密度、堆积密度、空隙率

表观密度大于 2500kg·m-3，松散堆积密度大于 1350kg·m-3，空隙率小于 47%。 （9）碱集料反应

经碱集料反应试验后，由卵石、碎石制备的试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象。在规 定的试验龄期的膨胀率小于 0.1%。

4.2.4 水

用来拌制和养护混凝土的水，不应含有能够影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质、油脂和 糖类等等。凡可供饮用的自来或清洁的天然水，一般都可用来拌制和养护混凝土。

4.2.5 混凝土化学外加剂

（1）化学外加剂概述

1）混凝土外加剂发展情况 2）混凝土外加剂分类

混凝土外加剂按其主要功能分为四类：改善混凝土拌合物流变性能的外加剂；调节混凝土 凝结时间、硬化性能的外加剂；改善混凝土耐久性的外加剂；改善混凝土其他性能的外加剂。

混凝土外加剂按化学成分分为有机外加剂，无机外加剂和有机无机复合外加剂。

混凝土外加剂按使用效果分为减水剂、调凝剂（缓凝剂、早强剂、速凝剂） 引气剂、加 气剂、防水剂、阻锈剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、泵松剂以及复合外加剂（如早强减水剂、 缓凝减水剂、缓凝高效减水剂等）。

（2) 常用混凝土外加剂定义

普通减水剂 在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。

高效减水剂 在混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少拌合用水量的外加剂。 缓凝剂 可延长混凝土凝结时间的外加剂。

早强剂 可加速混凝土早期强度发展的外加剂。

引气剂 在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布稳定而封闭的微小气泡的外加剂。 早强减水剂 兼有早强和减水功能的外加剂 缓凝减水剂 兼有缓凝和减水功能的外加剂。

缓凝高效减水剂 兼有缓凝和大幅度减少拌合用水量的外加剂。 引气减水剂 兼有引气和减水功能的外加剂。 （4）化学外加剂的品种及主要功能 1）减水剂

19

土木工程材料速记知识点

①减水剂品种及作用机理

目前常用的普通减水剂主要有：木质素磺酸盐系减水剂、羟基羧酸系减水剂、糖密类减水 剂和腐殖酸类减水剂等。

高效减水剂主要有：萘系（β—萘羧酸盐甲醛缩合物）减水剂、甲基萘系减水剂、蒽系减 水剂、古马隆系减水剂、三聚氰胺系减水剂、多羧酸系减水剂、氨基硅酸盐系减水剂等。

减水剂的主要成分是表面活性剂，其对水泥的作用主要是表面活性作用，本身不与水泥发 生化学反应。减水剂在水泥混凝土中的作用包括：吸附分散作用、湿润作用、润滑作用等。

A.吸附分散作用 如图 4.6 所示。 B.润湿作用 C.润滑作用

②减水剂主要成分、推荐掺量见表 4.9

③减水剂的主要功能和适用范围见表 4.10 2）引气剂

①品种及作用机理

引气剂属于表面活性剂的范畴，根据其水溶液电离性质可分为阴离子、非离子、阳离子和 两性离子四类，按组成又可分为以下几种类型：松香及其热聚物类；非离子型表面活性剂（主 要成分是烷基酚环氧乙烷缩合物）；烷基苯磺酸盐类引气剂；皂角类引气剂等。

引气剂有界面活化作用及引气作用。引气剂的界面活化作用指引气剂在水中被界面吸附， 形成憎水化吸附层，降低界面能，使界面性质显著改变,尤其是能够吸附在混凝土拌和物在搅 拌的过程中产生的无数微细气泡的表面，形成稳定的吸附膜，使气泡成为溶胶性气泡，彼此独 立、均匀的分布于混凝土拌和物中而不易破灭。

②常用引气剂类别及其性能指标,见表 4.11 ③引气混凝土含气量推荐值见表 4.12 ④引气剂对混凝土性能影响

引气剂能显著改善混凝土拌和物黏聚性、保水性，引气剂也能提高寒冷、严寒地区混凝土

耐久性。对干缩影响不大，抗中性化程度降低。

3）早强剂

早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂。可用于蒸养混凝土及常温、低温和变温（最 低气温不低于-5℃）条件下施工的有早强或防冻要求的混凝土工程。

早强剂的主要种类有：无机物类（氯盐类、硫酸盐类、碳酸盐类等）；有机物类（有机胺 类、羧酸盐类） 矿物类（天然矿物如明矾石，合成矿物如氟铝酸钙，无水硫铝酸钙等）但越 ；

来越多的是使用由它们组成的复合早强剂。

①氯盐类早强剂

常用氯盐类早强剂主要有：氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝及三氯化铁等。 ②硫酸盐类早强剂

硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠（即元明粉，俗称芒硝），硫代硫酸钠（即海波）、硫酸钙（即 石膏）、硫酸铝及硫酸钾铝（即明矾）等。

③有机胺类早强剂

常用有机胺类早强剂主要有：三乙醇胺（简称 TEA）、三异丙醇胺（简称 TP）、二乙醇胺等。。 以上三类常用早强剂在实际混凝土工程中应用时，其掺量应符合表 4.13 规定。 ④复合早强剂

4）缓凝剂

20

土木工程材料速记知识点

按照化学成分，缓凝剂可分为有机缓凝剂和无机缓凝剂两类。

有机缓凝剂具有表面活性作用，能在水泥颗粒的固液界面吸附，改变了水泥颗粒表面的亲 水性，形成一层可抑制水泥水化的缓凝剂膜层，从而导致混凝土凝结时间的延长；无机缓凝剂 主要是在水泥颗粒表面形成一层不溶性的薄层，阻止了水泥颗粒与水的接触，因而延缓了水泥 的水化起到缓凝作用。

常用的缓凝剂掺量为：糖蜜类掺量 0.1%～0.3%；木质素磺酸盐 0.2%～0.3%；羟基羧酸及 其盐类 0.01%～0.1%；无机缓凝剂 0.1%～0.2%。

4.2.6 混凝土矿物外加剂

（1）作用机理

由于掺用矿物外加剂，使水泥基材在水化前就有了密实的堆积。水化时及水化后，矿物外 加剂中的活性组分，与水泥水化生成的 Ca(OH)2 反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫 铝酸钙等，从而改变了水泥石及水泥石与集料界面的结构，孔隙率降低，界面层厚度变薄， Ca(OH)2 取向指数降低。

（2）矿物外加剂的品种

当前广泛使用的矿物外加剂有磨细矿渣（S）、磨细粉煤灰（F）、磨细天然沸石（Z）、硅灰 （SF）等。

1）矿渣微粉

粒化高炉矿渣磨细后的细粉称为矿渣微分。粒化高炉矿渣是熔化的矿渣在高温状态迅速水 淬而成。我国国家标准 GB/18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》中对矿渣微粉等矿 物外加剂规定了一系列技术要求。如表 4.14 所示。 矿渣微粉混凝土的性能特征简介如下：

①凝结时间 矿渣微粉对混凝土的初、终凝时间比普通混凝土有所延缓，但幅度不大。 ②流动性 能改善流动性

③泌水性 矿渣微粉混凝土具有良好的黏聚性，因而显著改善了混凝土的泌水性。

④强度 在相同的混凝土强度等级与自然养护的条件下，矿渣微粉混凝土的早期强度比普 通混凝土略低，但 28d 即以后的强度增长显著多于普通混凝土。

⑤耐久性 矿渣微粉混凝土的抗渗性明显优于普通混凝土，提高了混凝土抗氯离子渗透能 力和抗硫酸盐侵蚀性。对预防和抑制碱—骨料反应也是十分有利的。

2）粉煤灰

又称飞灰，是一种颗粒非常细，以致能在空气中流动并被除尘设备收集的粉状物质。我们 通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出，被收尘器收集的物 质。我国的国家标准 GB 1596—91 根据粉煤灰的细度和烧失量对用于混凝土和砂浆掺合料的粉 煤灰分为三个等级：

Ⅰ级粉煤灰 0.045mm 方孔筛筛余小于 12%，烧失量小于 5%。 Ⅱ级粉煤灰 0.045mm 方孔筛筛余小于 20%，烧失量小于 8%。 Ⅲ级粉煤灰 0.045mm 方孔筛筛余小于 45%，烧失量小于 15%。 我国还按 CaO 含量以 10%为分界分为高钙灰和低钙灰。 粉煤灰混凝土具有如下特点：

①新拌混凝土 Ⅰ级粉煤灰可减少混凝土需水量，改善混凝土的泵送性能，提高混凝土流 动性和塑性。

②粉煤灰混凝土的养护 粉煤灰混凝土对养护湿度更为敏感，保持比较高的湿度将有利于 粉煤灰混凝土性能的发展。

③强度 粉煤灰混凝土早期强度降低比较明显，90d 后在掺量比较小的情况下粉煤灰混凝

21

土木工程材料速记知识点

土强度接近普通混凝土，1 年后甚至超过普通混凝土强度。

④弹性模量 粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度也成正比关系

⑤变形能力 粉煤灰混凝土的徐变特性与普通混凝土没有多大差异。

⑥耐久性 粉煤灰改善了混凝土的孔结构，提高了混凝土的抗渗性，有较好的抗硫酸盐侵 蚀的能力。

3）硅灰

硅灰一般为青灰色或银白色，在电子显微镜下观察，硅灰的形状为非结晶的球形颗粒，表 面光滑。硅灰的用途很多，主要有以下几个方面：

①配制高强混凝土

②配制抗冲耐磨混凝土 ③配制抗化学腐蚀混凝土 ④抑制碱—骨料反应 ⑤配制喷射混凝土 ⑥配制泵送混凝土 ⑦用于基础灌浆 4）沸石粉

又称 F 矿粉，是一种由天然沸石磨细而成的火山灰质硅铝酸盐矿物掺合料。 掺有沸石矿物外加剂的混凝土特点如下：

①可减少混凝土拌合物的泌水性，改善可泵性 ②提高混凝土强度

③提高混凝土的密实性、抗渗性、抗冻性 ④抑制碱—骨料反应

4.3 混凝土的技术性质

4.3.1 混凝土拌合物的和易性

（1）和易性的概念

和易性是指在一定施工条件下，便于各种施工操作并能获得均匀、密实的混凝土的一种综 合性能，一般用流动性、黏聚性、保水性三方面的含义来描述。

1）流动性 2）黏聚性 3）保水性

（2）和易性的测定方法 根据普通混凝土拌合物性能试验方法标准 GB/T50080—2002 的稠度试验，混凝土拌合物 和易性的试验方法，有坍落度与坍落扩展度法、维勃稠度法、增实因数法等。

（3）影响和易性的因素分析

1）水泥浆用量

22

土木工程材料速记知识点

度 落 坍

量 用 泥 水

合理砂率

砂率 合理砂率 砂率

(a) 砂率与坍落度的关系

（b）砂率与水泥用量的关系

图 4.9 砂率与混凝土流动性和水泥用量的关系

2）砂率 3）外加剂

4）掺合料

5) 温度与时间

另外，水泥品种、骨料种类 、骨料粒形、级配也影响和易性 (4）坍落度选择

混凝土拌合物的坍落度应根据施工方法（运送和捣实方法）和结构条件（构件截面尺寸、

钢筋分布情况等）并参考有关经验资料加以选择。原则上，在便于施工操作和捣固密实的条件 下，应尽可能选用较小的坍落度，以节约水泥并得到质量合格的混凝土。

4.3.2 混凝土的强度

(1）混凝土立方体抗压强度及强度等级

混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压强度标准值来确定，即具有 95%保证率的立方体试

件抗压强度（强度保证率是数理统计方法，混凝土强度总体中等于及大于设计强度等级的概率） 即有(4.3)式的关系。

f

式中： f

cu,k

cu,k

 f

cu,m

 t (4.3)

——混凝土立方体抗压强度标准值,MPa；

f

cu,m

——混凝土立方体试件抗压强度总体的平均值,MPa；

t ——混凝土强度的保证率， 当保证率为 95%时，t 取 1.5 ；  ——混凝土强度标准差,MPa。

根据《混凝土质量控制标准》（GB501-1992）的规定，强度等级采用符号 C 及混凝土立

方体抗压强度标准值来表示，普通混凝土强度等级有C7.5、C10 、C15、C20、C25、C30、C35、 C40、C45、C50、C55 及 C60 十二等级。根据《混凝土结构设计规范》（GB50020-2002），钢筋

混凝土结构用混凝土分为 C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55 、C60、C65、C70、 C75、C80 等 14 个等级。

(2）轴心抗压强度

在结构设计中常以棱柱体抗压强度作为设计依据。棱柱体抗压强度是按照规定成型试件标 养 28d 后所得的抗压强度，通常用 fcp 表示。

23

土木工程材料速记知识点

棱柱体试件边长为 150mm×150mm×300mm 为标准试件。边长为 100mm×100mm×300mm 和

200mm×200mm×400mm 为非标准试件，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸检算系数。轴 心抗压强度值大约为立方体抗压强度的 70%～80%。

(3）劈裂抗拉强度

混凝土的抗拉强度很小，只有抗压强度的 1/10～1/20。劈裂抗拉强度指按照规定成型 150mm×150mm×150mm 试件，标养 28d 后，采用半径为 75mm 的钢制弧形垫块并加三层胶合板 制成的垫条进行加荷，测劈裂抗拉强度，试验装置如图 4.10 所示。该法基于弹性力学原理， 即当在试件的两个相对表面上作用着均匀分布的线荷载，就能够在外力作用的竖向平面产生均 匀分布的拉应力（如图 4.11 所示）。按式（4.4）计算强度。

2FF

f   0.637 ts A A

(4.4)

式中

f —— 混凝土劈裂抗拉强度，MPa

ts

F ——试件破坏荷载，N

A ——试件破裂面面积，mm2 。

采用 100mm×100mm×100mm 非标准试件测得的劈裂抗拉强度值，应乘以尺寸检算系数

0.85。

影响混凝土强度的主要因素。

1) 水灰比、水泥强度、骨料品种

通过大量试验资料的数理统计分析 ，建立了水灰比、水泥强度、骨料品种对混凝土强度 影响的经验公式（又称鲍罗米公式），如(4.5)式所示。

f

cu,m

 a fa ce

cw a 

b

(4.5)

式中：

f

cu,m

——混凝土立方体试件抗压强度总体分布平均值，一般指 28d 强度。

C / W ——混凝土的灰水比，其倒数即是水灰比，水泥用量与用水量的比值。

a ，b ——与原材料有关的经验系数。

a

b

振动

手工捣实

充分密实 的混凝土

度 强 压 抗

不完全密实的混凝土

度 强 压 抗

（

强度与水灰比的关系 （b)强度与灰水比的关系

图 4.12 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

2) 施工质量

主要指搅拌与振捣的方法对混凝土性能的影响。一般而言，机械搅拌比人工搅拌不但效率

24

土木工程材料速记知识点

高的多，而且可以把混凝土拌得更加均匀，混凝土强度相对较高。

3) 养护条件

养护指混凝土成型后处于一定的温度、湿度条件下进行凝结、硬化，养护条件通常有四种 类型。

①标准养护 ②自然养护 ③蒸汽养护 ④蒸压养护

13℃ 23℃ 32℃

41℃

49℃

度 强

龄期

图 4.13 养护温度对混凝土强度的影响

1

度 强 d 8 2 护 养

2 3 4 5

龄期

1--长期保持潮湿；2--保持潮湿14d；3--保持潮湿7d；

4--保持潮湿3d；5--保持潮湿1d；

图 4. 14 混凝土强度与保湿养护时间的关系

4）龄期

标准条件下养护的普通硅酸盐水泥配制的混凝土，当龄期大于等于 3d 时，混凝土强度发

展大致与龄期（d）的对数成正比关系，因此，可根据早龄期强度推算 28d 龄期强度。可用(4.6) 式估计后期混凝土的强度。

f

cu,28

 lg 28 lg n  f

(4.6)

25

cu,n

f cu,n ——第 n 天时混凝土的立方体抗压强度。 f

cu,28

土木工程材料速记知识点

——28d 混凝土的立方体抗压强度。

5）化学外加剂 6）矿物外加剂

另外，试件尺寸、形状、表面状态和加载速度等试验条件在一定程度上也影响混凝土强度

的测试结果。因此，试验时必须严格按有关标准进行。

4.3.3 混凝土的变形

混凝土有两种变形：一种是荷载作用下的变形，如弹塑性变形、徐变等；另一种是非荷

载作用下的变形，如干湿变形、温度变形、自身体积变形、自收缩等。

（1）弹塑性变形

混凝土在短期荷载作用下的变形包括弹性变形和塑性变形，如图 4.15 所示 （2）弹性模量

按照普通混凝土力学性能试验方法标准 GB/T5008—2002 测定混凝土静力受压弹性模量， 试验后用（4.7）式计算混凝土弹性模量。

FFE  a 0 c A

式中： E ——混凝土弹性模量，MPa。

C

l

n

（4.7）

F ——应力为 1/3 轴心抗压强度时的荷载，N。

a

F ——应力为 0.5 MPa 时的初始荷载，N。

o

A ——试件承压面积，mm2。 L ——测量标距，mm。

 ——最后一次 F 从加荷至 F 时试件两侧变形的平均值，mm。

n

o a

 —— F 时试件两侧变形的平均值，mm。

a

a

 —— F 时试件两侧变形的平均值，mm。

o

o

影响混凝土弹性模量的主要因素有： 1）混凝土强度高，弹性模量越大，

2）骨料含量越高，骨料自身的弹性模量越大，则混凝土的弹性模量越大。 3）混凝土水灰比越小，混凝土越密实，弹性模量越大。 4）混凝土养护龄期越长，弹性模量越大。 5）掺入引气剂将使混凝土弹性模量下降。 （3）徐变

在长期荷载作用下尽管荷载不变，但随时间延长会产生变形，这种变形即为徐变。如图 4.16 所示。

一般认为徐变是由于水泥石中的凝胶体及吸附水在外力作用下产生黏性流动而引起的变

26

土木工程材料速记知识点

形。

影响徐变的主要因素：

1）水泥用量越大，徐变越大。 2) W/C 越大，徐变越大。

3) 混凝土密实度大，强度高，徐变值越大。

4) 骨料用量大，弹性模量大，粒径大，徐变小。 5) 荷载越大，持续时间越长，徐变值越大。 (4) 干湿变形

干湿变化引起混凝土体积变化，表现为干缩湿胀，混凝土凝结后，如果处于水中，变形为 膨胀，但如果处于干燥空气中 ，会出现干缩。如图 4.17 所示。

(5）自身体积变形 (6）自收缩 (7）碳化收缩 (8）温度变形

4.3.4 混凝土的耐久性

混凝土抵抗外界各种破坏作用的能力，称为混凝土耐久性。 (1）混凝土抗渗性

抗渗性是混凝土抵抗压力水或其它液体、气体渗透的性能。 提高混凝土抗渗性的主要措施：

1) 设计合理的混凝土配合比，严格控制混凝土的水灰比。

2) 在混凝土中掺入化学外加剂及矿物外加剂，提高密实度或改善孔的特征。 3) 对砂石材料的级配，清洁度提出严格要求。

4) 采用机械搅拌、机械振捣，保证混凝土的质量。 5) 加强混凝土的养护。

6) 采用表面涂层或覆盖层。 (2）混凝土抗冻性

混凝土抗冻性是混凝土抵抗反复冻融循环的能力。对于严寒地区的混凝土，混凝土抗冻性 不足是造成耐久性破坏的主要原因。

混凝土冻融破坏的机理主要是由于毛细孔中水结冰产生膨胀应力及渗透压力，当这种应力 超过混凝土局部抗拉强度时，就可能产生裂缝，在反复冻融作用下，混凝土内部的微细裂缝逐 渐增多和扩大，导致混凝土产生疏松剥落，直至破坏。

提高混凝土抗冻性的措施如下：

1) 严格控制水灰比，提高混凝土密实度。

2) 掺用引气剂、减水剂或引气减水剂，改善孔的特征。 3) 加强早期养护或掺入防冻剂，防止混凝土受冻。 (3) 混凝土的碱—集料反应

碱集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组成之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混 凝土耐久性最主要的因素之一。

碱—集料反应必须同时具备如下三种条件才能发生： 1) 配制混凝土时由水泥、集料（海砂）、外加剂和拌合水中带进混凝土中一定数量碱，

或者混凝土中处于有利于碱渗入的环境。 2) 有一定数量的碱活性集料。

3) 潮湿环境，能够提供反应吸水膨胀所需要的水分。

27

土木工程材料速记知识点

防止碱——集料反应的措施： 1) 使用非活性集料。

2) 采用低碱水泥，混凝土的含碱量。 3) 使用磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等掺合料。 4) 使用引气剂。

5) 混凝土表面采用防水或隔离措施。 (4）混凝土碳化

混凝土碳化是指水泥水化产物 Ca(OH)2 与空气中 CO2 在一定湿度条件下发生化学反应，产 生 CaCO3 和水的过程，反应式如下：

Ca(OH)2+ CO2+H2O===CaCO3+2H2O

碳化过程是由表及里逐步向混凝土内部发展的，碳化深度大致与碳化时间的平方根成正 比，可用（4.10）式表示。

（4.10） D a t

式中： D —— 碳化深度，mm。

t ——碳化时间，d。 a ——碳化速度系数。

提高抗碳化的措施：

1) 尽可能降低混凝土的水灰比，提高密实度。

2) 加强施工养护、保持混凝土均匀密实，水泥水化充分。 3) 根据环境条件合理选择水泥品种。

4) 用减水剂、引气剂等外加剂降低水灰比或引入封闭气孔改善孔结构。 5) 必要时还可以采用表面涂刷石灰水等加以保护。 (5)混凝土抗腐蚀性

从材料本身来说，混凝土的耐化学腐蚀性主要取决于水泥石的抵抗能力。水泥石腐蚀的原 因主要是水泥的组成中存在引起腐蚀的组成成分，；水泥石周围存在着能使水泥石发生腐蚀的

软水、盐类、酸类等介质；水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易于进入其内 部。

可采用以下措施来提高水泥石耐腐蚀性： 1) 选用耐腐蚀的水泥 2) 提高混凝土的密实度 3) 加做保护层

(6) 抗氯离子渗透性

混凝土氯离子渗透性的测定方法主要是按照 ASTMC（1202-94）直流电量法的试验进行， 即将直径 100mm，高 50mm 的圆柱体混凝土试件在真空浸水饱和后，侧面密封安装到试验箱中， 两端安制铜网电极，一端侵入 0.3mol 的 NaOH 溶液（正极），另一端浸入 3%的 NaCl 溶液（负 极），测两侧在 60V 电压下通过 6h 的电量，用以评价混凝土的渗透性，如表 4.15 所示。

对氯离子的腐蚀采取如下防护措施：

1）原材料及混凝土中氯离子含量。 2）提高保护层厚度及质量。 3）混凝土表面涂层。 4）采用耐腐蚀钢筋。

5) 混凝土中掺入阻锈剂。 (7) 混凝土的耐磨性

28

土木工程材料速记知识点

根据交通部标准（JTJ0531/T0527-94），混凝土的耐磨性采用 150mm×150mm×150mm 的立 方体试块，标准养护 27d，在 60℃条件下烘干恒重 ，然后在带有花轮磨头的混凝土磨耗试验 机上，外加 200N 负荷磨削 50 转。按（4.11）式计算磨损量。

G 

m0m1

0.0125

（4.11）

式中： G ——单位面积磨损量，Kg·m-2。

m ——试件的原始质量，Kg。

o

m ——试件磨损后的质量，Kg。

1

根据混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承法）（GB/T16925—1997），是以滚珠轴为

磨头通过滚珠在额定负荷下回转滚动时，摩擦湿试件表面。在受磨面上磨成环形磨槽，通过测 量磨槽的深度和磨头的研磨转数，计算耐磨度。耐磨度按（4.12）式计算。

I  R P （4.12） a

式中：  ——耐磨度，精确至 0.01。

a

R ——磨头的转数，千转。

p ——磨槽深度（最终磨槽深度—初始磨槽深度），mm。

提高混凝土耐磨性的措施：

1) 采用较低的用水量，较高水泥用量的高强度混凝土。

2) 选择级配良好，清洁而坚硬的粗细集料，最大粒径 25mm 左右较好。 3) 注意修饰抹面方法及质量，用钢制抹刀抹面光滑，也可磨平表面。 4) 采用良好的养护条件。

5) 可掺用减水剂、硅灰等外加材料。

4.4 混凝土的质量控制和评定

4.4.1 混凝土质量波动的原因

（1）原材料的质量波动

（2）施工及养护引起的质量波动 （3）试验条件变化引起的质量波动

4.4.2 混凝土质量波动的规律

在正常连续生产的情况下，对于混凝土材料的许多影响因素都是随机的，混凝土的强度变 化也是随机的。测定混凝土强度时，若以混凝土的强度为横坐标，以某一强度出现的概率为纵 坐标，绘出的强度概率分布曲线一般符合正态分布曲线（如图 4.18 所示）。

正态分布曲线愈窄而高，相应的标准差值（拐点离对称轴的距离）愈小，表明混凝土的强 度愈集中于平均强度附近，混凝土的匀质性好，质量波动小，施工管理水平高。相反，如曲线 宽而矮，表明强度数据的离散性大，混凝土的质量波动大，施工管理水平低。

4.4.3 混凝土强度的平均值、标准差、变异系数

29

土木工程材料速记知识点

（1）强度平均值 f

cu,m

同一批混凝土，在某一统计期内连续取样制作多组试件（每组 3 块），测得各组试件的立 方体抗压强度值分别为 f

cu,1

、 f

cu,2

、 f

cu,3

、…、 f

cu,n

，求算术平均值，即得平均强度 f cu,m ，

可用（4.13）式表示。

f cu,m  cu,1

f

 f

cu,2

 f

fn cu,3 cu,n



1 n

n

f cu,i （4.13）

i1

式中： f cu,i —每一组试件的立方体抗压强度值，MPa；

f cu,m —n 组试件的强度平均值，MPa。

平均强度反映混凝土总体强度的平均值，但不反映混凝土强度的波动情况。能反映混凝土 强度波动的是标准差和变异系数。

（2）标准差

混凝土的强度标准差是强度分布曲线上拐点距离强度平均值间的距离，  值愈小，则强 度概率分布曲线愈窄而高，说明强度的离散程度愈小，混凝土的质量愈均匀。可按（4.14）式 计算混凝土的强度标准差。



n

 f

 

i1

cu,i cu,m

 f 2

（4.14）

n  1

（3）变异系数 C

v

变异系数根据（4.15）式计算。

C 

v



f

（4.15）

cu,m

变异系数即为标准差与平均强度比值，实际上反映了相对于平均强度而言，混凝土强度的

变异程度。其值愈小，说明混凝土的质量愈均匀，波动愈小，施工管理水平愈高。

4.4.4 混凝土的强度保证率

强度保证率是指混凝土强度总体中大于设计强度等级的概率，亦即混凝土强度大于设计强 度等级的组数占总组数的百分率。在强度分布曲线上以阴影表示（如图4.19 所示）。可根据正 态分布的概率函数计算求得，用（4.16）式表示。

1 

P  2 dt （4.16） t2 e2 t

式中： P —强度保证率；

t —概率度，或称保证率系数，根据（4.17）式计算。

t 

f cu ,k

 f

cu ,m



fC f

cu ,k cu ,m

 f

（4.17）

v cu ,m

30

土木工程材料速记知识点

式中： f cu,k —混凝土的设计强度等级值。

根据 t 值，可计算强度保证率 P 。由于计算比较复杂，一般可根据表 4.17 查表取用。

4.4.5 混凝土的配制强度

根据我国 JGJ55-2000 的规定，混凝土的强度保证率必须达到 95%以上，此时对应的强度 保证率系数 t  1.5 ，因此，有：

f

cu,0

 f

cu,k

 1.5 （4.19）

式中：  —混凝土的强度标准差。当生产单位或施工单位有统计资料时，可根据统计资料确

定，但当无统计资料和经验时，可参考表 4.18 取用。

4.4.6 混凝土的强度评定标准

（1）统计法

1）当混凝土的生产条件在较长时间内能保持一致，且同一品种混凝土强度变异性能保持稳定 时，应由连续的三组试件组成一个验收批，其强度应同时满足（4.20）（4.21）要求。

f ≥ f

cu

cu,k

 0.7 0 （4.20）

（4.21） 0.7 0

f

cu,min

≥ f

cu,k

当混凝土强度等级不高于 C20 时，其强度的最小值尚应满足（4.22）式要求。

f f

cu

cu,min

）≥0.85 f cu,k （4.22

当混凝土强度等级高于 C20 时，其强度的最小值尚应满足（4.23）式要求。

cu,min

）≥0.90 f cu,k （4.23

式中： f —同一验收批混凝土立方体抗压强度的平均值，MPa；

f cu,k —混凝土的设计强度等级值，MPa；

f cu,min —同一验收批混凝土立方体抗压强度的最小值，MPa；

 —验收批混凝土立方体抗压强度的标准差，MPa。

0

验收批混凝土立方体抗压强度的标准差，应根据前一检验期内同一品种混凝土试件的强度 数据，按（4.24）式确定。



m 0

0.59 m

fi1 

cu,i （4.24）

式中：  f cu,i —前一检验期内第 i 批试件立方体抗压强度中最大值与最小值之差；

m —前一检验期内验收批总批数。

2）当混凝土的生产条件在较长时间内不能保持一致，且同一品种混凝土强度变异性能不

能保持一致，或在前一检验期内的同一品种混凝土没有足够的数据用以确定验收批混凝土立方

31

土木工程材料速记知识点

体抗压强度的标准差时，应由不少于 10 组的试件组成一个验收批，其强度应同时满足（4.25） （4.26）公式的要求。

f   ≥0.9 f cu,k （4.25）

cu

1

f

cu

cu,min

≥  f

2 cu,k

（4.26）

式中： f —同一验收批混凝土立方体抗压强度的平均值，MPa；

 —同一验收批混凝土立方体抗压强度的标准差，MPa，当  的计算值小于 0.06 f

cu,k

时，取  =0.06 f cu,k ；

 、  —合格判定系数，按表 4.19 取用。

1

2

（2）非统计法

对零星生产的预制构件或现场搅拌批量不大的混凝土，可采用非统计方法评定，验收批的 强度必须同时满足（4.27）（4.28）要求。

f ≥1.15 f cu,k （4.27）

cu

f

cu,min

）≥ 0.95 f cu,k （4.28

（3）混凝土强度合格性判断

当检验结果能满足上述要求时，则该批混凝土强度判断为合格；当不能满足上述规定时， 该批混凝土强度判为不合格。由不合格批混凝土制成的结构或构件，应进行鉴定。

当对混凝土试件强度的代表性有怀疑时，可采用从构件或结构中钻取试件的方法或采用非 破损检验方法，按有关标准的规定对结构或构件中混凝土的强度进行鉴定。

4.5 混凝土配合比设计

4.5.1 混凝土配合比设计的基本要求

混凝土的配合比就是混凝土组成材料相互间的配合比例。混凝土配合比设计的实质就是要

在满足混凝土和易性、强度、耐久性以及尽可能经济的条件下，比较合理的确定水泥、水、砂、 石子四者的用量比例关系。因此，配合比设计的基本要求为：

（1）满足结构物设计的强度等级要求。 （2）满足混凝土施工的和易性要求。

（3）满足结构物混凝土所处环境耐久性要求。 （4）满足经济性要求。 4.5.2 混凝土配合比设计的步骤

混凝土配合比设计可分如下几个步骤进行：

（1）初步配合比计算 根据混凝土的性能要求，针对具体原材料试验数据，根据标准给出 的公式、经验图表，初步确定各材料的关系。

32

土木工程材料速记知识点

（2）基准配合比设计 基准配合比主要是满足和易性，即按照设计混凝土所用原材料进行 小批量的试拌，通过和易性的调整进行必要的校正。

（3）实验室配合比设计 实验室配合比主要是满足强度、耐久性、经济性的要求，一般要 采用三组以上的配合比进行试验，通过实测强度、耐久性后，选择强度、耐久性满足要求而 W/C 较大的一组配合比做为实验室配合比。

（4）施工配合比换算 由于工地堆放的砂、石含水情况常有变化，所以在施工过程中应经 常测定砂、石含水率，并按含水率变化情况作必要的修正。

4.5.3 初步配合比计算

（1）确定混凝土配制强度

为了达到一定保证率，混凝土配制强度要比强度等级要求的混凝土立方体抗压强度标准值

高，具体按数理统计方法来确定，也就是让混凝土配制强度大于等于正态分布曲线中混凝土立 方体抗压强度总体分布的平均值，即：

f

cu,o

 f

cu,k

（4.29） 1.5

式中：fcu,0——混凝土配制强度，MPa。

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值，MPa。

σ ——混凝土强度标准差，MPa。

混凝土强度标准差可根据生产单位统计资料计算，若生产单位无历史统计资料时，σ 值可

按照表 4.18 取值。

(2)确定水灰比（W/C）

水灰比的选择一方面要考虑混凝土强度的要求，另一方面要考虑混凝土耐久性的要求。 1） 当混凝土强度等级小于 C60 时，混凝土水灰比按式（4.30）计算。

W

a  f ce

C  f  aa  a  f

（4.30）

cu,0 a b ce

式中： a , a ——回归系数。

a

b

f ——水泥 28d 抗压强度实测值，MPa。

ce

a , a 系数根据工程所使用的水泥、骨料通过试验由建立的水灰比与混凝土强度关系式确

a

b

定。当不具备上述试验统计资料时，其回归系数可按表 4.20 选用。

f 如无实测值，按公式 4.31 确定。

ce

f  r  f

ce

c

ceg

（4.31）

式中： r ——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定。

c

f

ceg ——水泥强度等级值，MPa。

2) 计算出 W/C 后，一般混凝土查表 4.21 检查是否符合耐久性的要求。W/C 若大于表上数 值选用表上 W/C。

(3) 用水量的选择（mw0）

33

土木工程材料速记知识点

1）水灰比在 0.40～0.80 范围内的干硬性和塑性混凝土用水量分别按表 4.22 及表 4.23 确定。

2）水灰比小于 0.40 的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土用水量应通过试验确定。 3）以表 4.23 中坍落度 90mm 的用水量为基础，按坍落度每增大 20mm 用水量增加 5kg， 计算出未掺外加剂时混凝土的用水量；掺外加剂混凝土用水量可按（4.32）式计算：

m  m

w0

w0

1  （4.32 ）

式中： m w0 ——掺外加剂混凝土每 m3 的用水量,kg。

m ——未掺外加剂混凝土每 m3 混凝土的用水量,kg。

w0

 ——外加剂的减水率,%。

（4）水泥用量 m

c0

先根据每 m3 混凝土用水量 m w0 及 W/C 按公式 4.33 计算水泥用量。

m

计算出水泥用量后，通常按表 4.21 检验水泥用量，以便符合耐久性的要求，如水泥用量

小于表中数值，要按表中数值确定水泥用量。

(5）砂率 的确定



Wm / C

w0 （4.33）

s

1) 坍落度为 10～60mm 的混凝土砂率可根据粗骨料品种及水灰比按表 4.24 选取。

2) 坍落度大于 60mm 的混凝土砂率，可经试验确定。也可在表 4.24 基础上，按坍落度每 增大 20mm 砂率增大 1%的幅度予以调整。

3) 坍落度小于 10mm 的混凝土，其砂率经试验确定。

(6）粗骨料(mgo)及细骨料(mco)用量的确定 1) 当采用重量法时，应按（4.34）公式计算。

m  m  m  m  m cp

c0 g 0 so w0  

 m  100%

s0

 s m  m  g 0 s0

（4.34）

式中： m —每立方体混凝土的水泥用量,kg。

c0

m

g 0

—每立方体混凝土粗骨料用量,kg。

m ——每立方体混凝土细骨料用量,kg。

s 0

m ——每立方体混凝土用水量,kg。

w0

 ——砂率,%

s

34

土木工程材料速记知识点

m ——每立方体混凝土拌合物的假定质量,其值可取 2350～2490 kg·m。

-3

cp

2) 当采用体积法时，应按（4.35）公式计算。

m  m g 0   m so   m w0   0.01a  1  c0   os og s w 

m

  s0 100%

s m g 0  m s0

（4.35）

式中：

 ——水泥密度，可取 2900～3100 kg·m-3。

c

0 g

 ——细骨料的表观密度,



——粗骨料的表观密度,kg·m-3。

os kg·m-3。

 ——水的密度,可取 1000 kg·m-3。

w

a ——混凝土的含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，a 可取为 1。

当有外加剂和掺合料时，应通过试验确定，并应符合国家标准的规定。

4.5.4 基准配合比

初步配合比是根据经验公式和经验图表估算而得，因此不一定符合实际情况，必须通过

试拌调整。当不符合设计要求时，需通过调整使和易性满足施工要求。

根据初步配合比按规定试拌一定量混凝土，先测定混凝土坍落度，同时观察黏聚性和保

水性。如不符合要求，按下列原则进行调整：

(1) 当坍落度小于设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，增加用水量和相应的水泥 用量（即增加水泥浆）。

(2) 当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，增加砂、石用量（相当于减 少水泥浆用量）。

(3) 当黏聚性和保水性不良时（通常是砂率不足） 可适当增加砂用量，即增大砂率。 ，

(4) 拌合物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，即降低砂率。

在混凝土和易性满足要求后，测定拌合物的表现密度物中，各材料用量（按 1m3混凝土计算），计为 m 、 m

ca

 。并计算经调整后，实际拌合

c,t

wa

、m、m，则混凝土表观密度计

sa ga

算值为



c,c

（4.36） m  m  m  m ga

ca

wa

sa

基准配合比校正计算如下：

m    m ca （4.37）

ca

m    m wa （4.38）

wa

m    m sa （4.39）

sa

35

土木工程材料速记知识点

m    m ga （4.40）

ga

 

 

c,t （4.41）

c,c

m 、 m 、 m 、 m ——试拌调整后水泥、水、砂子、石子拌合用量；

ca

wa

sa ga

m 、 m 、 m  、 m ——基准配合比中 1m3混凝土各材料用量；

ca

wa

sa ga

 ——配合比校正系数；

 

——混凝土表观密度实测值,kg·m-3；c,t ——混凝土表观密度计算值,kg·m-3。c,c

4.5.5 实验室配合比

在和易性满足要求的基准配合比的基础上保持用水量不变，水灰比分别增加和减少 0.05

再配制二组混凝土试件，砂率可分别增加和减少 1%，并同时进行上述试验，对这三组配合比 的混凝土都成型强度试件，标养 28d 后测抗压强度，当对混凝土耐久性有要求时，则制作相应 试件，最终综合决定即能满足强度，又能满足耐久性，且水泥用量最少的配合比作为实验室配

合比，计作 m 、 m

cb

wb

、 m 、 m 。

sb gb

4.5.6 施工配合比

进行混凝土配合比计算时，其计算公式和有关参数表格中的数值均系以干燥状态骨料为基 准。（干燥状态骨料系指含水率小于 0.5%的细骨料或含水率小于 0.2%的粗骨料），但现场施工

所用砂、石料常含有一定的水分。因此，需对配合比进行修正，设砂的含水率为 a%；石子的 含水率为 b%，则施工配合比按下列各式计算：

m  m cb （4.42）

c

m  m  m  a%  m  b% （4.43）

wb

w

ss gs

 a% m  m 1

s sb

（4.44） （4.45）

 b% m  m 1

g

gb

m 、 m 、 m 、 m ——施工配合比中水泥、水、砂、石用量。

c

w

s

g

第 6 章 建筑钢材

钢材是在严格的技术控制条件下生产的，具有品质均匀致密、强度高、塑性及韧性好、

能承受冲击和振动荷载等优点；同时具有优良的可加工性能，可以锻压、焊接、铆接及切割，

36

土木工程材料速记知识点

便于装配。但易锈蚀，需定时维护，成本及维护费用大，耐火性差。

6.1 钢材的生产及钢的分类

6.1.1 钢材的生产

钢材的生产可大致分为钢的冶炼、铸锭和压力加工等三个过程。 （1）钢的冶炼

钢的大规模冶炼方法主要有三种：

1）转炉炼钢法 有空气转炉法和氧气转炉法两种。 2）平炉炼钢法 3）电弧炉炼钢法 （2）脱氧与铸锭

根据脱氧程度不同，钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢仅用锰铁脱氧，脱氧不完全。钢的抗腐蚀性、冲击韧性和可焊性差，特别是低温冲 击韧性更差，但钢锭收缩孔减少，成品率较高，成本低。可广泛用于一般建筑结构，不宜用于 重要结构。

镇静钢采用锰铁、硅铁和铝进行脱氧，脱氧较完全，钢的质量好，具有较好的耐蚀性、可 焊性及塑性，脆性和时效敏感性较小。钢锭缩孔大，成品率低，成本高。多用于承受冲击荷载 及其它重要结构和焊接结构。

半镇静钢脱氧程度及材质介于沸腾钢与镇静钢之间，钢质较好。

特殊镇静钢比镇静钢脱氧更充分彻底，适用于特别重要的结构工程。 （3）热压力加工

热压力加工是将钢锭加热至塑性状态（再结晶温度以上），依靠外加压力来改变形状的加 工，常用方式有锻造、热压、轧制等。

6.1.2 钢的分类

（1）按化学成分分

1）碳素钢 2）合金钢

（2）按有害杂质分

按钢中有害杂质磷（P）和硫（S）含量的多少，分为普通钢、优质钢、高级优质钢。 （3）按用途分

钢按用途不同分为：

1）结构钢 主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。 2）工具钢 主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。

3）特殊钢 具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、 磁性钢等。

6.2 建筑钢材的主要技术性质

6.2.1 力学性能

建筑钢材的主要力学性能有抗拉性能、抗冲击性能、耐疲劳性能、硬度和应力松弛等，力

37

土木工程材料速记知识点

学性能又称机械性能。

（1）抗拉性能

抗拉性能是钢材最重要的技术性质，可用低碳钢（软钢）的拉伸应力－应变图（如图 6.2 所示）来阐明。

根据材料变形的性质，拉伸应力－应变曲线可细分为比例弹性阶段（O→p）、非比例弹性 阶段（p→e）、弹塑性阶段（e→s）、屈服（塑性）阶段（s→s′）、应变强化阶段（ s′→b）和颈 缩破坏阶段（b→f）等 6 个阶段。

1）弹性模量和比例极限

应力与应变之比称为弹性模量 E，即 E＝ /ε。最大应力（p 点对应值）称为比例极限 弹性模量反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度 2）弹性极限

不产生残留塑性变形的最大应力（e 点对应值）称为弹性极限 e。事实上， p 与

p。

e

相当接

近。

3）屈服强度

屈服阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。规范规定以下屈服点作为材料 抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用 s 表示。中、高碳钢没有明显的屈服现象，规范规 定以发生残余变形为 0.2%L0 时对应的应力作为屈服强度，称为条件屈服强度，用 如图 6.3 所示。

4）极限强度

钢材受拉断裂前的最大应力（b 点对应值）称为强度极限或抗拉强度 b。

0.2

表示。

5）伸长率

伸长率 δ 反映钢材拉伸断裂前经受塑性变形的能力，是衡量钢材塑性的重要技术指标，按 （6.1）式计算。

－

δ＝ L1 L0 100％

L0

（6.1）

式中 L0——试件原始标距长度，mm；

L1——试件拉断后原标距两点间的长度，mm。

标准拉伸试验的标距长度为 L0＝10d0 或 L0＝5d0（d0 是试件原直径），其伸长率相应地被

记为 δ10 或 δ5。

（2）冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用标准试件（中部加工有 V 型 或 U 型缺口）在摆锤式冲击试验机上进行冲击弯曲试验确定，如图 6.4 所示。以试件折断时缺 口底部处单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击韧性值 αk（J·cm-2）表示。按 （6.2）计算。

αk＝

mg（Hh）

A

（6.2）

式中：m——摆锤质量，kg；

g——重力加速度，数值为 9.81 m·s -2； H，h——摆锤冲击前后的高度，m； A——试件缺口处截面积，cm2。

αk 愈大，表示冲断试件消耗的能量愈大，钢材冲击韧性愈好，脆性破坏的危险性愈小。 常温下，随着温度的下降，冲击韧性平缓降低，钢件破坏断口呈韧性断裂状。当温度降到

38

土木工程材料速记知识点

某一温度时，冲击韧性突然发生大幅度下降，如图6.5 所示，钢材呈脆性断裂。这种性质称为 冷脆性

（3）耐疲劳性

钢材受交变荷载作用，在应力远低于其抗拉强度时突然发生脆断的现象，称为疲劳破坏。 （4）硬度

硬度表示钢材表面局部体积内抵抗另一更硬物体压入产生塑性变形的能力。一般硬度高 时，耐磨性能好，但脆性亦大。建筑钢材硬度常用测定方法为布氏法。

（5）应力松弛

在高温条件下受力的钢构件，若保持其总变形不变，可发生构件中的应力随着时间的延长 自行降低的现象，这叫应力松弛。

6.2.2 工艺性能

（1）可焊性

焊接是把两个分离的金属进行局部加热，使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态而牢固地 联接起来的方法。基本方法有两种：

①电弧焊 ②接触对焊

（2）冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯性能合格是指钢材在规定的弯曲角度（ °、弯心直径 d 与试件厚度 a（或直 90 、180°）

径）条件下承受冷弯试验后，试件弯曲的外拱面和两侧面不发生裂缝、断裂或起层等现象。弯 曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值d/a 愈小，表示钢材冷弯性能愈好，如图 11.13 所示。

6.3 钢的组成与结构

6.3.1 钢的基本晶体组织

（1）金属的结晶概念

纯铁在冷却或加热过程中会依次形成 3 种同素异晶体：

液态铁 1535 0 C 

0CC     0 δ-Fe 1390γ-Fe 910α-Fe

体心立方晶体 面心立方晶体 体心立方晶体

（3）铁碳合金的晶体组织

合金是指熔合两种或两种以上元素（其中至少一种是金属元素）所组成的具有金属特性的 物质。铁碳合金中碳原子与铁原子的基本结合形式有固溶体、化合物和机械混合物 3 种。

1）固溶体 固溶体是以铁为溶剂，碳为溶质，共溶后所形成的固态溶液。如图6.11 所示。 铁和碳所形成的固溶体主要有铁素体和奥氏体两种。

①铁素体（α） 是碳在 α-Fe 中的固溶体

②奥氏体（γ） 是碳在 γ-Fe 中的固溶体，一般只在高温下存在 2）化合物（Fe3C） 化合物主要是 Fe3C，称为渗碳体。其性能特点是脆而硬。渗碳体是碳钢中的主要强化组 分。

3）机械混合物

机械混合物是指在一定含碳量下，铁碳合金的基本组织保持各自原有晶格和性质，以不同

39

土木工程材料速记知识点

比例组合形成的聚合体。有珠光体和莱氏体两种。

①珠光体（P） 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

②莱氏体（L） 当温度高于 723℃时，莱氏体是奥氏体与渗碳体的机械混合物；温度低于 723℃时，莱氏体是以渗碳体为基体的珠光体与渗碳体的机械混合物。

（4）钢的基本晶体组织与钢材性能的关系 1）铁碳合金相图的概念

铁碳合金相图，又称铁碳合金平衡图，是表示不同含碳量的铁碳合金处于平衡状态时在不 同温度下晶体组织变化的一种图示，用于研究各晶体组织随温度和含碳量变化的规律。Fe-Fe3C 的合金相图如图 6.12 所示。

2）钢的基本晶体组织与钢材性能的关系

钢的常温基本晶体组织有铁素体、渗碳体和珠光体。

6.3.2 钢的化学成分及其对钢材性能的影响

（1）碳（C） （2）磷（P） （3）硫（S） （4）氧（O） （5）氮（N） （6）氢（H） （7）锰（Mn） （8）硅（Si） （9）钛（Ti） （10）钒（V）

6.3.3 钢材的结构

钢材属于晶体结构，其宏观力学性能基本上是晶体力学性能的表现。钢材是各向同性材料。 钢材晶体中存在很多的缺陷，如点缺陷——空位、间隙原子；线缺陷——刃型位错；晶粒 间的面缺陷——晶界。如图 6.15 所示。

6.4 钢材的冷加工和热处理

6.4.1 冷加工强化与时效处理

冷加工是指在再结晶温度下（一般为常温）进行的机械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷 轧、刻痕等方式。

有些钢材，尤其是经过冷加工的钢材，在常温下放置时，随着时间的延长，会自发地呈现 出强度、硬度提高，塑性、韧性逐渐降低的现象，称之为应变时效，简称时效。

钢筋冷拉时效时的应力应变过程如图 6.16 所示。

冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高强度以及其与混凝土的握裹 力。

6.4.2 热处理℃

热处理有下列几种基本形式，如图 6.18 所示。

40

土木工程材料速记知识点

图 6.18 热处理工艺示意图

退火 、正火 、淬火、回火、调质

6.5 建筑用钢及钢材的标准和选用

6.5.1 建筑用钢

（１）碳素结构钢

1）牌号

碳素结构钢按其化学成分和力学性能（屈服点）划分为 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 等 5 个牌号。按屈服点的大小分为 195、215、235、255、275 5 个强度等级。按硫、磷杂质含 量由多到少分为 A、B、C、D 4 个质量等级。按脱氧程度分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、 镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。

2）技术要求

①化学成分 化学成分应符合表 6.1 的规定。

②力学性能 拉伸和冲击试验数据应符合表 6.2 的规定；冷弯试验应符合表 6.3 的规定。 ③脱氧程度 不同牌号、不同质量等级的碳素结构钢均规定了相应的脱氧方法。 ④冶炼方法 由氧气转炉、平炉或电炉冶炼。

3）性能及应用

工程中主要应用的是 Q235 号钢。

（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢分类如下：

①按冶金质量等级分 优质钢，高级优质钢 A，特级优质钢 E。

②按使用方法分 压力加工用钢 UP，热压力加工用钢 UHP，顶锻用钢 UF，冷拔坯料用钢 UCD，切削加工用钢 UC。

（3）低合金高强度结构钢

1）牌号表示方法

2）技术性能与应用

低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能应符合表 6.4 和表 6.5 的规定。

（4）钢的选用

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土木工程材料速记知识点

选用钢材时，要根据结构的重要性、受荷情况（动荷载、静荷载）、连接方式（焊接或非 焊接）及使用时的温度条件等，综合考虑钢材的牌号、质量等级、脱氧方法加以选择。

6.5.2 钢结构用钢材

钢结构用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢等；。

（1）热轧型钢 1）角钢 2）L 型钢 3）工字钢 4）槽钢 5）H 型钢

（2）冷弯薄壁型钢

1）结构用冷弯空心型钢 2）通用冷弯开口型钢 （3）钢管

钢结构中常用热轧无缝钢管（GB 8162-87）和焊缝钢管。 （4）板材 1）钢板

2）花纹钢板 3)压型钢板

4）彩色涂层钢板 （5）棒材

1）热轧六角钢和热轧八角钢 2）扁钢

3）圆钢和方钢

6.5.3 钢筋混凝土结构用钢材

（1）热轧钢筋

热轧钢筋按其表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋。 1）钢筋混凝土用热轧直条光圆钢筋

2）低碳钢热轧盘条光圆钢筋 3）钢筋混凝土用热轧带肋钢筋

（2）热处理钢筋 1）余热处理钢筋

2）预应力混凝土用热处理钢筋 （3）冷加工钢筋 1）冷轧带肋钢筋

2）冷拉钢筋

3）冷拔低碳钢丝

（4）预应力混凝土用钢丝

（5）预应力混凝土用钢绞线

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土木工程材料速记知识点

钢绞线具有强度高、柔韧性好、无接头、与混凝土粘结性能好、易于锚固等优点，使用时按 要求的长度切割。主要用作重荷载、大跨度的后张法预应力屋架、桥梁、薄腹梁等结构的预应力 钢筋。

（6）混凝土用钢纤维 （7）钢筋的选用

6.6 钢材的防护

6.6.1 钢材的锈蚀与防止

（1）钢材的锈蚀

1）化学锈蚀（干锈蚀） 2）电化学锈蚀（湿锈蚀） （2）钢材的防锈 目前防锈方法有： 1）合金化 2）金属覆盖 3）非金属覆盖 4）阴极保护

（3）混凝土用钢筋的防锈

一般混凝土配筋的防锈措施是：保证混凝土的密实度以及钢筋外侧混凝土保护层的厚度，限 制氯盐外加剂的掺量或使用防锈剂，采用环氧树脂涂层钢筋或镀锌钢筋等。

6.6.2 钢材的防火

防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。

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