柯国军主编《土木工程材料》部分作业参考答案

第一章土木工程材料的基本性质P24：题1.2－不变、↑上升、↓下降、？不定孔隙率密度表观密度强度吸水率抗冻性导热性↑－↓↓？？↓评注一般来说，孔隙率增大，材料的体积密度降低、保温性能提高、抗渗性降低、抗冻性降低、耐腐蚀性降低、耐久性降低、吸水性提高。若是开口孔隙和连通孔隙增加，会使材料的吸水性、吸湿性和吸声性显著增强，而使材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等耐久性能显著下降。若是封闭的细小气孔增加，则对材料的吸水、吸湿、吸声无明显的影响；但对抗渗性、抗冻性则有影响。在一定的范围内，增加细小封闭气孔．特别是球形气孔，会使材料的抗渗性、抗冻性提高。在孔隙率一定的情况下，含大孔、开口孔隙及连通孔隙多的材料，其保温性较含细小、封闭气孔的材料稍差。题1.7、答：材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用．能长久地保持其使用性能的性质。材料在建筑物中．除要受到各种外力的作用外。还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用．这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。物理作用有：干湿变化、温度变化及冻融变化等．这些作用将使材料发生体积的胀缩或导致内部裂缝的扩展．时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料起着显著的破坏作用。在高温环境下．经常处于高温状态的建筑物或构筑物．所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中．考虑到安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用；机械作用包括使用荷载的持续作用以及交变荷载引起的材料疲劳、冲击、磨损、磨耗等；生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料则主要是由于化学作用而引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而遇到破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，其所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示．处于暴露环境的有机材料．其耐久性以抗老化能力来表示。题1.8、答：砂的空隙率P砂＝1－1450/2650＝45.28％石的空隙率P石＝1－1500/2700＝44.44％50吨砂堆放需要的面积S砂＝1－（50/1450×1.2）＝28.74m2100吨石堆放需要的面积S石＝1－（100/1500×1.2）＝28.74m2题1.10、答：砖的饱水抗压强度fb=185*1000/114*119=13.64MPa,砖的干燥抗压强度fb=206*1000/114*119=15.19MPa,软化系数KR＝13.64/15.19=0.898,砖的软化系数大于0.85,故可用于常与水接触的工程结构。题1.12答：（1）209.5；（2）①题1.13答：（1）×；（2）×；（3）×第二章天然石材P36题2.2答：表2－2中石材强度等级换算系数的取值随边长平方的增加一倍，换算系数增加0.14。原因是边长的平方即为材料的受压面积，受压面积越大，环箍作用越小另外，石材内部不均匀，存在孔隙和微裂缝等缺陷，受压面积越大，出现缺陷的概率越大，，测得的实验抗压强度越小，需要乘以较大的换算系数给与修正。第三章气硬性胶凝材料P48题3.1【解】这是因为半水石膏硬化是结晶水水分的蒸发，自由水减少，浆体变稠，失去可塑性的过程，该过程不能在水中进行；而且水化产物二水石膏在水中是可以溶解的。石灰的结晶过程也是石灰浆中的水分蒸发，使Ca(OH)2达到饱和而从溶液中结晶析出。下燥环境使水分蒸发快，结晶作用加快。石灰的碳化作用是氢氧化钙与空气中的C02化台生成碳酸钙晶体，释放出水分并被蒸发过程，如果材料中含水过多，孔隙中几乎充满水．CO2气体渗透量少，碳化作用也仅在表层进行。而且水化产物氢氧化钙在水中是可以溶解的。因而石膏和石灰都是属于气硬性胶凝材料。题3.7答：（1）④显著缩小；（2）④消除过火石灰的危害第四章水泥P76题4.2【解】硅酸盐水泥的主要矿物成分有硅酸三钙C3S、硅酸二钙C2S、铝酸三钙C3A和铁铝酸四钙C4AF。这些矿物成分对水泥性质影响和水化产物见表4－2：题4.3【解】在生产水泥时，为改善水泥的性能、调节水泥强度等级、增加水泥品种、提高产量、节约水泥熟料和降低成本，同时可充分利用工业废料及地方材料，而加到水泥中去的人工和天然的矿物材料．称为水泥混合材料。它们可使硅酸盐水泥的性质发生如下一些变化：早期强度降低；抗冻性降低；水化热降低：抗碳化性降低；耐磨性降低；耐腐蚀性提高；耐热性提高。这些变化在建筑上有重要意义：(1)早期强度低，后期强度发展快，甚至可以超过同标号硅酸盐水泥。适合早期强度要求不高的混凝土。(2)水化热低，放热速度慢。适合用于大体积混凝土工程。(3)具有较好的耐热性能，适于高温养护。(4)具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力。适用于与流动软水、具有压力的软水和含硫酸盐等腐蚀介质较多的水接触的混凝土工程。题4.4【解】水泥熟料中的铝酸三钙遇水后，水化反应的速度最快，会使水泥发生瞬凝或急凝。为了延长凝结时间，方便施工，必须掺人适量石膏。石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙(钙矾石)，它很难溶解于水，会沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻止铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度、延缓了凝结时间。膨胀水泥加入石膏，石膏与铝酸三钙作用生成大量水化硫铝酸钙(钙矾石)，改产物具有膨胀性，得到膨胀水泥。题4.6【解】水泥的体积安定是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性。即水泥硬化浆体能保持一定的形状，具有不开裂、不变形、不溃散的性质。水泥体积安定性主要采用用雷氏法检验。试件沸煮前后雷式夹两针尖之间距离增加值的平均值不大于5.omm时，评定水泥安定性合格。沸煮法仅能检验游离氧化钙的危害，对游离氧化镁和过量石膏往往不进行检验，而由生产厂控制含量，并低于标准规定的数量。导致水泥安定不良的主要原因是：1.熟料中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁。这是一种最为常见，影响也最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都经过过烧，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其他成分所包裹，使其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的ca(oh)2晶体，使体积膨胀97%以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。2.掺入石膏过多。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，也导致水泥石开裂。体积安定性不良的水泥，会发生膨胀性裂纹使水泥制品或混凝土开裂，造成结构破坏。因此体积安定性不良的水泥，不得在工程中使用。题4.7【解】表4－16中3d和28d抗折荷载波动未超过10％，3d抗折强度，根据P343公式15－7计算得3d抗折强度Rf3=1.5*100*(1750+1800+1760)/3*40*40*40=4.15MPa;28d抗折强度Rf28=1.5*100*(3100+3300+3200)/3*40*40*40=10.3MPa,表4－16中3d抗压荷载中，70超过了平均值的10％，应剔除，剩下5各数值取平均，为（61＋62＋59＋60＋58）/5＝60（KN），28d抗压荷载平均值为127.33KN按P343公式15－8计算，但因为该题目是按老水泥标准测得的抗压荷载值，面积A为2500mm2,3d抗压强度RC3为24MPa,28d抗压强度RC28为50.9MPa。将3d和28d抗折强度及3d和28d抗压强度和GB175或P62表4－3对比，可以判断该水泥是符合42.5R等级的硅酸盐水泥。题4.10【解】水泥水化热可采取如下措施：1）减少水泥中熟料的含量；2）减少熟料中放热大的矿物比例，如减低C3A、C3S的量3）降低放热速率①掺入水泥混合材料如矿渣微粉、火山灰、粉煤灰等；减少水泥掺量；②采用缓凝剂来降低早期反应速率；低热水泥用于大体积混凝土较多。题4.12下列混凝土工程中宜选用那种水泥，不宜使用那种水泥，为什么？(③采用湿热养护的混凝土制品；⑤厚大体积基础工程；；⑦高温设备或窑炉的基础；(11)海港工程。【解】③选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。因这四种水泥均适合高温养护，即采用高温养护可使混凝土的早期和后期强度均提高。⑤选用矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。因它们均有较低的水化热。⑦选用矿渣硅酸盐水泥。因矿渣硅酸盐水泥有较好的耐热性。(11)选用矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。因它们均有较好的抗腐蚀性。4.14答：（1）③；（2）④第五章题5．4【解】先分别计算二种砂的分计筛余a1,a2,a3,a4,a5,a6,分别计算二种砂的累计筛余，其累计筛余见下表筛孔尺寸/mm4.752.361.180.600.300.15筛底累计筛余百分比甲（细）004507098乙（粗）040709095100甲种砂的累计筛余A1=0A2=0A3=4A4=50A5=70A6=98则：Mx=2.16乙种砂的累计筛余A1=0A2=40A3=70A4=90A5=95A6=100则：0.40100051009590704010051165432AAAAAAAMx甲砂属于细砂，乙砂超出粗砂范围。与级配表对比，看出细砂和粗砂均超出级配区，不可直接用于工程，如果以细砂和粗砂以2：1比例混合，两者搭配后A1=0A2=13.3A3=26A4=63.3A5=78.3A6=98.7Mx=2.80,与级配表对比，符合2区中砂级配区。题5．6【解】与水泥与水拌合后，在浆体内形成许多的絮状结构。这些絮状结构中间包含有许多并没有起作用的水．掺人减水剂后，由于表面活性剂分子在水泥颗粒表面上的定向排列，降低了表面能并使得水泥颗粒表面均带有相同符号的电荷，同时指向水的亲水基团还会吸附多层水分子起到润滑作用。即絮状结构由于静电斥力和增加的湿润及润滑作用而破坏，从而包裹在絮状结构内，末起到流动性的游离水被释放出来并包裹或分散在每个水泥颗粒的外表面，使水泥浆或混凝土的流动性大大提高。若保持流动性不变，则可大大减少用水量。掺人普通减水剂或高效减水剂后，可收到如下效果：(1)若用水量不变，坍落度可增加50～150mm；(2)若流动性和水泥用量不变，可减水l0％－25％，提高强度l0％－30％；(3)若流动性和强度不变，可减水10－25％，节约水泥l0％－20％；(4)粘聚性、保水性可得到改善；(5)混凝土耐久性提高。(6)减小水化放热速度、降低放热峰最高温度。题4．7引气剂掺入混凝土中对混凝土性能有何影响?引气剂的掺量是如何控制的?【解】引气剂可在混凝土内部引入大量的微小的独立球形气泡。这些气泡的存在大大提高了混凝土拌合料的粘聚性和保水性，混凝土在成型后，内部结构均匀且泌水现象大为减小，即避免了由于泌水产生的大量连通孔隙。此外这些气泡切断了混凝土中毛细管渗水通路，使吸水率和水饱和度降低，故可大大提高混凝土的抗渗性和抗冻性。同时，气泡可以容纳未结冰的压力水，其卸压作用使冻害减轻。掺入引气剂后，由于引入一定量的气体，故会造成强度下降，因而需采取一些措施防止强度损失。一般可采取下述措施。(1)控制混凝土的引气量不超过6％，或限制引气剂的掺量。因引气量越大强度损失越大。(2)掺引气剂时，需相应减水5％～l0％。引气剂引入的球形气泡可使混凝土拌合料的流动性提高，因而在保持流动性不变时可以减水，即降低水灰比w／c，从而可以使强度得到保障。题4．9有下列混凝土工程及制品，一般选用哪一种外加剂较为合适?并简要说明原因。①大体积混凝土；②高强混凝土；③现浇普通混凝土；④混凝土预制构件；⑤抢修及喷锚支护的混凝土；⑥有抗冻要求的混凝土；⑦商品混凝土；⑧冬季施工用混凝土；⑨补偿收缩混凝土；⑩泵送混凝土；11道路混凝土。【解】①缓凝剂：延缓水化速度，降低水化热。②高效减水剂：显著改善混凝土流变性能。③减