中南大学土木工程材料习题集与参考答案

1土木工程材料习题集与参考答案第一章土木工程材料的基本性质1.试述材料成分、结构和构造对材料性质的影响？参考答案：材料的成分对性质的影响：材料的组成及其相对含量的变化，不仅会影响材料的化学性质，还会影响材料的物理力学性质。材料的成分不同，其物理力学性质有明显的差异。值得注意的是，材料中某些成分的改变，可能会对某项性质引起较大的改变，而对其他性质的影响不明显。材料的结构对性质的影响：材料的结构是决定材料物理性能的重要因素。可分为微观结构和细观结构。材料在微观结构上的差异影响到材料的强度、硬度、熔点、变形、导热性等性质，可以说材料的微观结构决定着材料的物理力学性能。材料的构造对性质的影响：材料的构造主要是指材料的孔隙和相同或不同材料间的搭配。不同材料适当搭配形成的复合材料，其综合性能优于各个单一材料。材料的内部孔隙会影响材料的强度、导热性、水渗透性、抗冻性等。总之，材料的组成、结构与构造决定了材料的性质。材料的组成、结构与构造的变化带来了材料世界的千变万化。2．试述材料密度、表观密度、孔隙率的定义、测定方法及相互关系。密度与视密度的区别何在？参考答案：密度：是指材料在密实状态下单位体积的质量。测定方法：将材料磨细成粒径小于0.25mm的粉末，再用排液法测得其密实体积。用此法得到的密度又称“真密度”。表观密度0：是指材料在自然状态下单位体积的质量。测定方法：对于外形规则的块体材料，测其外观尺寸就可得到自然体积。对于外观不规则的块体材料，将其加工成规则的块体再测其外观尺寸，或者采用蜡封排液法。孔隙率P：材料中的孔隙体积与总体积的百分比。相互关系：%10010P密度与视密度区别：某些散粒材料比较密实，其内部仅含少量微小、封闭的孔隙，从工程使用角度来说，不需磨细也可用排液法测其近似的密实体积，这样测得的密度称为“视密度”。3．孔隙率及孔隙特征对材料的表观密度、强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性等性质有何影响？参考答案：对表观密度的影响：材料孔隙率大，在相同体积下，它的表观密度就小。而且材料的孔隙在自然状态下可能含水，随着含水量的不同，材料的质量和体积均会发生变化，则表观密度会发生变化。对强度的影响：孔隙减小了材料承受荷载的有效面积，降低了材料的强度，且应力在孔隙处的分布会发生变化，如：孔隙处的应力集中。对吸水性的影响：开口大孔，水容易进入但是难以充满；封闭分散的孔隙，水无法进入。当孔隙率大，且孔隙多为开口、细小、连通时，材料吸水多。对抗渗性的影响：材料的孔隙率大且孔隙尺寸大，并连通开口时，材料具有较高的渗透性；2如果孔隙率小，孔隙封闭不连通，则材料不易被水渗透。对抗冻性的影响：连通的孔隙多，孔隙容易被水充满时，抗冻性差。对导热性的影响：如果材料内微小、封闭、均匀分布的孔隙多，则导热系数就小，导热性差，保温隔热性能就好。如果材料内孔隙较大，其内空气会发生对流，则导热系数就大，导热性好。4．材料的耐水性、吸水性、吸湿性、抗冻性、导热性、热容、抗渗性的含义是什么？参考答案：耐水性：材料抵抗水破坏作用的能力称为耐水性，即材料经水浸泡后，不发生破坏，同时强度也不显著降低的性质。指标：软化系数吸水性：材料与水接触时其毛细管会吸收水分的性质。指标：吸水率吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。指标：平衡含水率抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，强度也不严重降低的性质。指标：抗冻等级，其划分取决于材料在一定条件下经受冻融而不被破坏的次数。导热性：当材料两面存在温度差时，热量会从温度较高的一面传导到温度较低的一面的性质。指标：导热系数热容：某块材料在温度升降1K时所放出或吸收的热量。指标：C（热容）＝c（比热容）•m（材料质量）抗渗性：材料抵抗压力水或液体渗透的性质。指标：渗透系数5．材料的导热系数、比热容和热容与建筑物的使用功能有什么关系？参考答案：材料的导热系数小，建筑物的保温隔热性能就好。如果建筑物围护结构的热容越大，则在气温变化较大时，能较好地保持室内温度。6．试述材料的弹性、朔性、脆性和弹性磨量的意义？参考答案：弹性：当撤去外力或外力恢复到原状态，材料能够完全恢复原来形状的性质。塑性：当撤去外力或外力恢复到原状态，材料仍保持变形后的形状和尺寸，并不产生裂缝的性质。脆性：是材料在外力作用下不产生明显变形而突然发生破坏的一种性能。弹性模量：晶体材料如金属材料表现为线弹性，一些非晶体材料如玻璃等也表现为线弹性，其应力与应变之比为常数，比值称为弹性模量，它是衡量材料抵抗外力使其变形能力的一个指标。7．影响材料强度试验结果的因素有哪些？强度与强度等级是否不同，试举例说明。参考答案：试验条件对材料强度试验结果有较大的影响，其中主要有试件的形状和尺寸、试验机的加载速度、试验时的温度和湿度，以及材料本身的含水状态等。强度与强度等级不一样。强度是一个具体值，而强度等级是一个等级范围。如：混凝土的强度等级为C30，那么属于C30强度等级的混凝土的实际强度值有可能是30MPa或与30MPa接近的强度值。8．某地红砂岩，已按规定将其磨细，过筛。烘干后称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.9cm3。另有卵石经过清洗烘干后称取1000g，将其浸水饱和后用布擦干。又用广口瓶盛满水，连盖称得其质量为790g，然后将卵石装入，再连盖称得其质量为1409g，水温为25℃，求红砂岩及卵石的密度或视密度，并注明哪个是密度或视密度。3参考答案：红砂岩的密度：)/(646.29.18503cmg卵石的视密度：)(3811140910007903cmV)/(625.238110003cmg9．某多孔材料的密度为2.59g/cm3。取一块称得其干燥时质量为873g，同时量得体积为480cm3。浸水饱和后取出擦干表面水分称得质量为972g。求其质量吸水率、闭口孔隙率及开口孔隙率。参考答案：质量吸水率：%34.11%100873873972%1001mmm密实体积：)(0.33759.28733cmV孔隙体积：)(1433374803cm开口孔隙体积：)(998739723cm闭口孔隙体积：)(44991433cm开口孔隙率：%6.20%10048099闭口孔隙率：%17.9%10048044第二章无机胶凝材料1、什么是气硬性胶凝材料？什么是水硬性胶凝材料？参考答案：气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且只能在空气中保持或发展其强度，如石膏、石灰等；水硬性胶凝材料则不仅能在空气中而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度，如水泥。2、为什么说石膏是有发展前途的建材？参考答案：石膏的主要优点是原料丰富、生产能耗低、不污染环境等，作为一种绿色建材已大量用于室内的空间分隔和装饰；建筑石膏硬化时体积略有膨胀，这一性能使得石膏制品表明光滑细腻线条清晰，具有很好的装饰艺术效果；建筑石膏还具有隔热、保温、不燃、不蛀、隔声、可锯、可钉、污染小等良好性能，所以石膏是很有发展前途的建材。3、石膏制品有哪些？参考答案：建筑石膏制品的种类较多，主要有：纸面石膏板、空心石膏条板、纤维石膏板、石膏砌块和装饰石膏制品等。44、过火石灰、欠火石灰对石灰性能有什么影响？如何消除？参考答案：欠火石灰的产浆量较低，质量较差；欠火石灰的密度较大，表面常被黏土杂质溶化时所形成的玻璃釉状物包覆，因而消解很慢，在工程中过火石灰颗粒往往会在正常石灰硬化后继续吸湿消解而发生体积膨胀，降低石灰品质，影响工程质量。消除方法有：将石灰经陈伏处理后再使用于工程，控制煅烧温度在1000℃～1200℃之间，岩块尺寸不宜过大。5、水玻璃的模数、浓度与性能有何关系？参考答案：水玻璃中氧化硅和氧化钠的分子数比称为水玻璃的模数，模数愈大，水玻璃的黏度和粘结力愈大，也愈难溶解于水；同一模数水玻璃溶液浓度越高，则粘结力也越大。6、水玻璃的硬化有何特点？参考答案：水玻璃能与空气中的二氧化碳反应生产无定形的硅酸凝胶，随着水分的挥发干燥，无定形硅酸脱水转变成二氧化硅而硬化。由于空气中二氧化碳较少，反应进行很慢，因此水玻璃在实际使用时常加入促硬剂以加速硬化。7、为什么菱苦土在使用时不能单独用水拌和？参考答案：菱苦土是以天然菱镁矿（主要成分为碳酸镁）为主要原料，经煅烧后磨细而得到的以氧化镁为主要成分的白色或浅黄色粉末，当其单独与水拌和时会生产不溶于水的氢氧化镁，而且氧化镁也不溶于水，一般常用氯化镁（MgCl2·6H2O）水溶液作为调和剂，掺量为菱苦土的50％～60％，生成一种易溶于水的氧氯化镁复盐(xMgO·yMgCl2·8H2O)和氢氧化镁。8、判断石膏、石灰、水玻璃与镁氧水泥是气硬性胶凝材料的理由是什么？参考答案：石膏、石灰、水玻璃与镁氧水泥的硬化过程只能在空气中完成，并且也只能在空气中保持或发展其强度。9、生产硅酸盐水泥的主要原料有哪些？参考答案：主要原料有：石灰质原料（如石灰石）、黏土质原料（如黏土、页岩）、少量铁粉、适量石膏。10、生产硅酸盐水泥为什么要掺入适量石膏？参考答案：水泥熟料中的硅酸三钙与水反应十分迅速，使得水泥熟料加水后迅速凝结，导致来不及施工。所以为调节水泥的凝结时间，通常在水泥中加入适量石膏，这样，水泥加水后石膏迅速溶解与水化铝酸钙发生反应，生产针状的晶体（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O，又称为钙钒石）沉积在水泥颗粒表面形成保护膜，延缓了水泥凝结时间。11、试述硅酸盐水泥的主要矿物成分及其对水泥性能的影响？参考答案：硅酸盐水泥熟料中，C3A的水化和凝结硬化速度最快，但水化铝酸钙的强度不高；C3S和C4AF的水化速度较快，凝结硬化速率也较快，C3S的水化产物强度高，C4AF的水化产物强度不高；C2S水化反应速度最慢，凝结硬化速率也慢，强度早期低，后期高。12、硅酸盐水泥的主要水化产物有哪几种？水泥石的结构如何？5参考答案：主要水化产物是：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。水泥石主要由固体（水泥水化产物及未水化的残存水泥内核）和孔隙组成。凝胶是由尺寸很小的凝胶微粒与位于胶粒之间的凝胶孔组成，胶粒的比表面积大，可强烈地吸附一部分水分，此水分与填充胶孔的水分称为凝胶水；毛细孔中的水分称为毛细水，毛细水的结合力较弱，脱水温度较低，脱水后形成毛细孔。13、试述水泥细度对水泥性质的影响？怎样检验？参考答案：水泥细度直接影响到水泥的水化和凝结硬化。水泥颗粒越细，比表面积越大，则使水泥熟料的化学活性发挥得越快，表现为水泥的水化反应速度快，凝结硬化也快，但过细的水泥不宜久存，硬化时收缩比较大。细度的检验方法通常用筛分法或比表面积法来测定，筛分法以80um方孔筛的筛余量表示，比表面积法以1kg质量材料所具有的总表面积（m2/kg）来表示。14、造成硅酸盐水泥体积安定性不良的原因有哪几种？怎样检验？参考答案：造成水泥体积安定性不良，一般是由熟料中所含游离氧化钙游离氧化镁过多或掺入石膏过多等原因所造成。国家标准规定，由游离的氧化钙过多引起的水泥体积安定性不良可用雷氏法或试饼法检验。试饼法是用标准稠度的水泥净浆做成试饼，经恒沸3小时后用肉眼观察未发现裂纹，用直尺检验没有弯曲；雷氏法是用雷氏夹中的水泥浆经沸煮三小时后的膨胀值。15、试述硅酸盐水泥的强度发展规律及影响因素？参考答案：强度发展规律为：水泥的水化和凝结硬化从颗粒表面深入到内部是有一个时间过程的，水化速度开始比较快，强度发展也比较快，以后逐渐减慢。不同水泥的强度发展不完全相同，掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥早期强度比较低，后期增进率高。16、在下列工程中选择适宜的水泥品种：（1）现浇混凝土梁、板、柱冬季施工：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；（2）高层建筑基础底板（具有大体积混凝土和抗渗要求）：矿渣水泥和粉煤灰水泥；（3）南方受海水侵蚀的钢筋混凝土工程：矿渣水泥和火山灰水泥；（4）高炉炼铁炉基础：铝酸盐水泥；（5）高强度预应力混凝土梁：硅酸盐水泥和普通水泥；（6）地下铁道：普通水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥；（7）东北某大桥的沉井基础及桥梁墩台：矿渣水