土木工程材料公式类

第1章土木工程材料的基本性质

密度ρ：绝对密实状态下。实体。试样-干燥至衡重的粉末，李氏瓶排液法。

表观密度ρ0：自然状态下。实体+孔隙。试样-块体，直接测，排液法。粉末近似视作密度。

堆积密度ρ0’：粉或颗粒在自然堆积状态下。分为松散和振实。实体+孔隙+颗粒空隙。试样-颗粒堆，固定体积法。

密实度：材料体积内被固体物质填充程度

孔隙率：材料内部空隙的体积占其总体积百分率

开口孔隙率：开口孔的孔隙率；闭口孔隙率：闭口孔的孔隙率

孔分为气孔50~200μm 、毛细孔2.0nm~20μm 、凝胶孔20nm 以下

填充率：堆积体积中，被散粒状材料填充程度

空隙率：堆积体积中，颗粒间空隙体积占总体积百分比

亲水性：能被水润湿 憎水性：不能被水润湿 接触角（润湿边角）：指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角。 θ≤90°亲水θ>90°憎水

吸水性：材料接触水时吸收水分的性质

吸水率：材料吸水饱和时所吸水量占材料干燥状态下质量百分比

体积吸水率：材料吸水饱和时所吸水量占材料自然状态下体积百分比 吸湿性：在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率表示。 含水率：材料含水质量占干燥质量的百分率。

耐水性：在饱和水的长期作用下维持不破坏其强度也不明显降低的性质。用软化系数表示

软化系数：饱水状态下抗压强度与干燥状态下抗压强度的比值。大于0.85为耐水材料

抗渗性：抵抗压力水渗透的性质。防水材料用抗渗系数K 表示，普通材料用抗渗等级P 表示

抗冻性：饱水状态抵抗多次冻融循环而不破坏也不降低强度的性质。用相对动弹性模量和质量损失率表示

导热性：将热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧的能力，用导热系数表示

热容量：材料受热吸收或冷却放出热量的性质，用比热容表示

强度：在荷载作用下抵抗破坏的能力 比强度：单位体积质量计算的材料强度

弹性、塑性

脆性：外力作用时不产生明显变形就破坏的性质

韧性：在冲击、振动荷载下吸收大量能量承受较大变形而不突然破坏的性质。用冲击试验检验。

第2章气硬性胶凝材料

¤2.1

胶凝材料：经物理、化学作用，能将散粒材料或块状材料胶结成整体的材料 气硬性胶凝材料：石膏、石灰、水玻璃、镁氧水泥

¤2.2石灰

原料：碳酸钙为主要成分的天然岩石，石灰石、白云石、白垩

煅烧：石灰石CaCO3煅烧成生石灰CaO ，温度在

1000~1100℃。太低有碳酸钙，欠火石灰；太高有大块

熔融物，过火石灰。

熟化：生石灰CaO 与水生成消石灰Ca(OH)2。陈伏避免碳化，消除欠火石灰和过火石灰。 硬化：结晶、碳化

特性：

1）保水性好

2）凝结硬化慢、强度低

3）耐水性差 4）体积收缩大

¤2.3 石膏

石膏：主要成分是硫酸钙

原料：天然二水石膏CS ·2H，天然无水石膏CS 和二者混合物

熟石膏：半水石膏CS·1/2H

65~75℃二水脱水，107~170℃半水，170~200℃可溶性硬石膏，400~750℃不溶性硬石膏，800℃以上有氧化钙，重新开始溶解

α型半水石膏（高强石膏）：0.13MPa ，124℃过饱和蒸汽条件下蒸炼脱水；β型半水石膏（建筑石膏）：窑炉脱水

硬化原理：半水石膏与水变二水石膏 特性：

1）凝结时间短 2）微膨胀性 3）孔隙率大 4）耐水性差 5）抗火性好 6）塑性变形大

¤2.3 水玻璃

水玻璃：可溶硅酸盐

生产方法：碳酸钠与二氧化硅煅烧生成硅酸钠 硬化：硅酸钠与二氧化碳生成碳酸钠 特性：

1）耐腐蚀性，尤其耐酸 2）耐热 3）防水

第3章水泥

¤3.1

水泥：属于水硬性胶凝材料 水化：某材料加水后凝结

混合材：改善性能，调节强度等级

水泥熟料原料：含钙质CaO, 硅质SiO2, 调节原料

工艺：按比例磨成细粉，烧至部分熔融

成品：CaCO3少于*66%主要，CaO,SiO2*质量

比不小于2.0，硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙，铁铝酸四钙

凝结：开始水化，胶体状产物增多，形成疏松网状结构，水泥浆失去可塑性，但尚未具有一定强度 硬化：强度明显发展，成为水泥石

石膏（CaSO4·2H2O ）作用：延缓水泥凝结，便于施工

闪凝、急凝：铝酸三钙与水反应太快，水化铝酸钙形成晶体，过早凝结，质地粗糙，放热巨大。石膏解决闪凝

原因：石膏与水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙AFt （钙矾石），单硫型水化硫铝酸钙AFm 。钙矾石形成保护膜，但仍会继续水化

水化产物：凝胶类：水化硅酸钙CSH ，水化铁酸钙CFH

晶体类：氢氧化钙CH ，水化铝酸钙C3AH6，

水化硫铝酸钙C3A·C3H3

*比例：完全水化CSH 70%，CH 20%，C3A·C3H3

7%

技术性质：

1）细度：水泥的粗细程度。粒径小于40μm 具有高水化活性。比表面积表示。国标大于300m2/kg

2）凝结时间：初凝时间：加水到失去可塑性。不小于45min

终凝时间：加水到产生强度。大于390min （6.5h ）

标准稠度水泥净浆凝结时间测定。标准稠度：测度仪上试锥下沉28mm ±2mm 净浆

3）体积安定性：加水硬化后体积变化的均匀性。不良就是变化不均匀

原因：游离氧化钙、游离氧化镁或石膏（或三氧化硫）过量。早期水化延迟而膨胀。游离氧化钙为煮沸法：试饼法或雷氏夹法。游离氧化镁（

4）强度：水泥胶砂法测定。42.5，52.5，62.5三个等级，R 代表早强

5）水化热：与水泥细度和熟料矿物组成有关。越细越高。混凝土热不良导体，内外温差导致开裂。 6）碱含量：指氧化钠与氧化钾总量。碱骨料反应有害，故降低碱含量。

7）废品：体积安定性（游离氧化钙、氧化镁、三氧化硫），初凝时间。不得使用。

不合格品：细度，终凝时间，不溶物，烧失量，混合料

太多，强度太低，不合格品。酌情使用或重新加工。

水泥石侵蚀：水泥石在侵蚀介质作用下，逐渐遭受侵蚀，强度降低，甚至破坏

1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）：软水溶出氢氧化钙和其他矿物成分。与重碳酸盐有关。先表面碳化再使用。 2）硫酸盐腐蚀：硫酸盐跟氢氧化钙生成硫酸钙和钙矾石，胀坏水泥，“水泥杆菌”是钙矾石

3）镁盐腐蚀：镁盐跟氢氧化钙生成氯化钙和硫酸钙，氯化钙溶于水，硫酸钙引起硫酸盐破坏

4）碳酸腐蚀：碳酸跟氢氧化钙生成碳酸钙，再生产碳酸氢钙，溶于水

5）一般酸腐蚀：直接与氢氧化钙中和反应 6）碱腐蚀：强碱与水化铝酸钙反应

侵蚀原因：

1）氢氧化钙、水化铝酸钙等成分溶于水，与水中成分反应

2）水泥多孔，容易被渗透 侵蚀防治： 1）选择品种

2）减少用水，提高密实度 3）采取表面防护处理

¤3.2

掺混合材水泥共性： 1）密度小 2）早强低

3）温度敏感，适合蒸汽养护

4）水化热小 5）耐腐蚀性好

6）抗冻、耐磨、抗碳化不如硅酸盐水泥和普通水泥

¤3.3

¤3.2

铝酸盐水泥：铝矾土和石灰石为原料，煅烧后含铝酸钙、氧化铝

主要成分：铝酸一钙、二铝酸一钙、少量硅酸二钙

适用范围：早强、紧急抢修、冬季施工、耐热

禁用范围：高温高湿、大体积、整齐养护、碱性环境、硅酸盐类水泥混用

第4章混凝土

¤4.1

混凝土分类：

按表观密度：重混凝土大于2800kg/m3，普通混凝土1950~2800kg/m3，轻混凝土小于1950kg/m3

按胶凝材料分类、按流动性分类、按用途分类、按生产加工方法分类

按强度分类：低强30、中强30~60、高强60~100、超高强100MPa 以上

混凝土组成：水泥、粗细骨料*70%左右、水

作用：水泥、水连续相，骨料分散相。硬化后骨料具有

骨架作用，减小变形，提高强度、耐腐蚀、耐磨

混凝土特性：已塑、经济、安全、耐火、多用、耐久 抗

拉强度低、延展性差、自重大、比强度低、体积不稳定性

¤4.2

水泥：

品种选择：泵送不用火山灰

强度等级：水泥强度等级与混凝土设计强度等级想适应。水泥为混凝土的1.5~2.0倍

细骨料：（φ0.15~4.75mm）：天然砂和人工砂 粗骨料：（φ>4.75mm）：卵石和碎石 最大粒径：骨料公称粒级的上限

强度：岩石抗压强度测定法。气干石子装入标准筒然后加载荷压碎，称取质量。再过筛称取筛余量 含水状态：干燥、气干（含水与大气平衡）、饱和面干 水

外加剂：

减水剂：普通、高效、早强、缓凝、引气（不可高温养护）。表面活性剂，亲水基指水，憎水基指空气或固体。 木钙，奈系，树脂，聚羧酸（最高效）

a. 减少水，增大流动性，降低水灰比，改善孔结构、提

（孔隙含水饱和，表面干燥）、湿润 坚固性：抗冻要求。硫酸钠溶液法检验

粗细程度：不同粒径的颗粒混合物的平均粗细程度。砂用细度模数表示，越大越粗。石用累计筛余百分率。 颗粒级配：砂大小颗粒的搭配情况。砂用级配区表示。石用最大粒径表示。

级配相同细度模数一定相同，细度模数相同级配不一定相同

太粗和易性不好控制，内摩擦大，不易振捣成型；太细水泥更多，强度变低 测定方法：筛分法

高密实度，减少水泥用量

早强剂、引气剂、缓凝剂、速凝剂、防冻剂、膨胀剂、泵送剂、阻锈剂

掺合料：

粉煤灰：活性作用

硅粉：增稠保水，提高强度，提高密实度 沸石粉：改善和易性，提高强度

¤4.3

和易性：拌合物便于施工能获得均匀、密实混凝土的综合性能。坍落度和维勃稠度测定。包括：

流动性：自重或振捣下流动的性能。取决于稠度。 粘聚性：抗离析、分层性能。

保水性：保持水分不析出的性能。常压泌水率和压力泌水率也能评判保水性。 影响因素：

1）水泥浆量和水灰比 2）砂率：混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。随着砂率增大，流动性先大后小。增大因为减少摩擦，减小因为用水减少。

3）组成材料。组成性质与比例，组成之间化学反应，外部客观因素

水灰比：过大：干稠，流动性低；过小：保水性、粘聚性不良，影响强度

砂率：过大：比较面积太大，空隙率大，流动性差；太小：空隙率大，保水性、粘聚性不良 合理砂率：水和水灰比一定，最大流动性；流动性一定，

水泥用量最少；

坍落度法：分三层放入圆形锥筒内，每层高1/3桶高，逆时针向外转圈捣插25次。磨平后提起锥筒。 坍落度值，越大流动性越好。

振捣棒轻轻敲击新拌混凝土锥体，四周下沉则粘聚性好。倒塌崩裂或离析，则粘聚性差。

稀浆从底部析出，骨料外露则保水性差。

适用范围：骨料最大粒径不大于40mm ，坍落度值不小于10mm

低塑10~40mm，塑性50~90mm，流动100~150mm，大流动160mm 以上

维勃稠度法：对于坍落度小于10mm 的拌合物使用。

坍落度选择：

1）构件截面越小，坍落度越大 2）钢筋越密，坍落度越大 3）振捣强，坍落度可小

4）施工工艺直接决定坍落度选择

改善和易性： 1）降低砂率； 2）改善级配；

3）采用粗大的砂石；

4）坍落度小时，水灰比不变，增加水泥浆或外加剂；坍落度大但粘聚性好时，保持砂率，增加砂石

注：粉煤灰不增大流动性；水泥初终凝和混您股初终凝不一样

¤4.4

混凝土宏观缺陷：基体：微裂纹、孔隙 骨料：微裂纹 界面区：界面裂纹

受压破坏：本质：纵向压力载荷作用下横向拉伸破坏 Ⅰ无明显变化→A比例极限→Ⅱ裂缝增长→B临界荷载→Ⅲ砂浆裂缝和连续裂缝→（裂缝缓慢增长）→C极限荷载→（迅速开裂）→Ⅳ连续裂缝迅速发展

强度测定：

1）立方体抗压强度

fcu 标准抗压强度：150mm 的标准养护28d 立方体试样的抗压强度 影响因素：

（1）尺寸效应：越大抗压强度越差

环箍效应：压板与被压表面有摩擦力，对试件起横向膨胀约束作用。破坏后成棱锥体 （2）加载越快越高； （3）高度越高越低； （4）越粗糙越高； （5）偏心越大越低；

强度等级：C7.5，C10~C80（每5MPa 一级）

2）劈裂抗拉强度 3）轴心抗压强度 4）抗折强度

影响因素： 1）水泥石强度 2）粘结强度 3）水灰比

4）振捣搅拌效果 5）养护条件 6）龄期

提高强度方法：

1）提高水泥强度，降低水灰比 2）用好骨料 3）掺入外加剂 4）掺入掺合料

5）采用机械搅拌振捣 6）采用高温蒸汽养护 7）采用裹石法 8）采用磁化水

¤4.5

变形：总体积或局部体积变化

分类：

按龄期分：1）早期变形；2）硬化中变形；3）硬化后变形

按间距分：1）相向变形；2）背向变形

按载荷分：1）非载荷作用变形；2）载荷作用变形 按时间分：1）短期在和产生弹塑性变形；2）长期在和产生徐变

收缩：

1）化学减缩：没有干燥和其他外界因素，水化作用和凝结硬化导致体积缩小

2）干缩：空气中混凝土失水，体积收缩。放入水中后膨胀，称为湿胀

3）自收缩：初凝后随着水化进行，恒温恒重下体积减缩。原因是微细孔中自由水量降低，产生毛细孔应力 *干缩是水分扩散到外部，自收缩是水分被内部消耗 4）温度变形：包括（1）冷缩开裂（2）温差变形（分层浇筑解决）（3）极端温度变化（大体积混凝土，加添加剂，温度钢筋）

5）碳化收缩：水化物与大气中CO2反应。水中不易碳化。主要导致钢筋锈蚀

影响收缩的因素：

1）水泥用量和品种：水泥用量越大，干缩越大；掺合料水泥收缩更大

2）骨料用量和质量：增加骨料、采用弹性模量高的骨料，减小收缩

3）水灰比：水越少收缩越少

4）外加剂 5）环境条件

减少收缩措施：

1）水化热低的水泥，少用水泥 2）减少水

3）选用热膨胀低，弹性模量高的骨料 4）外加剂

5）预冷却原材料 6）分缝分块 7）埋设冷却管 8）表面绝热 9）蒸汽养护

荷载变形

徐变大的原因：

1）水泥用量多 2）强度发展慢 3）水灰比大 4）骨料少

5）早龄期就加荷载 6）龄期短 7）应力水平高 8）环境湿度小

弹性模量：1）初始切线模量2）切线模量3）割线模量 影响因素：

1）强度高，模量大 2）龄期长，模量大

3）水灰比小，越密实，模量大 4）骨料多，骨料模量大，模量大 5）引气剂降低模量

¤4.6

耐久性：混凝土在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力

抗渗性：混凝土抵抗压力液体渗透的能力。抗渗等级表示。用抗渗加压法和电通量法。 因素：（1）低水灰比（2）矿物掺合料（3）减水剂（4）引气剂（5）养护

抗冻性：饱水状态下，混凝土能经受多次冻融循环不破坏，也不降低性能。慢冻法，快冻法，盐冻法。 因素：（1）密实度（2）孔洞（3）充水度

盐冻：1）渗透压增大，吸水多，结冰压大；2）结晶压力；3）分层结冰应力差 因素：（1）引气（2）硅酸盐或普通（3）降低水胶比，不加硅土（4）增加保护层

碳化：二氧化碳与水化物反应。强碱性被二氧化碳中和后腐蚀钢筋。 因素：CO2，水分

氯离子扩散：氯离子破坏钝化膜 因素：保护层，水灰比，水泥用量

硫酸盐：内外硫酸盐生成钙矾石、石膏、MgSO4综合影响、钙硫硅钙石

因素：石灰石，硫酸盐，低温。使用C3A 低的水泥，加保护层，用双掺水泥，加外加剂

碱骨料反应：水泥中碱性氧化物与骨料中活性SiO2和碳酸盐反应生成凝胶，吸水后膨胀破坏 破坏特征：（1）离浇筑时间久（2）顺筋和网状开裂（3）裂缝边缘凹凸不平（4）越湿越厉害（5）有凝胶渗出 因素：（1）碱含量（2）活性氧化硅碳酸盐含量（3）骨料直径（4）水分（5）温度 防治：（1）避免碱活性骨料（2）限制碱含量（3）干燥（4）掺合料（5）引气剂

提高耐久性：

（1）减少水和水灰比1）级配粒型好的粗骨料2）减水剂3）低水需掺合料

（2）增强界面粘结性1）降低水胶比2）降低水泥浆用量

（3）选择合理水泥品种1）避免早强2）避免C3A 高 （4）降低渗透性1）降低水固比2）细致化孔隙 （5）使用引气剂

（6）降低胶凝材料用量

（7）防治钢筋锈蚀1）控制氯离子2）提高密实度

¤4.7

强度分布规律：正态分布

*混凝土强度评定鉴定方法单独

¤4.8

配合比设计需要满足：和易性、强度、耐久性

最大水灰比，最小水泥用量（满足混凝土施工性能和掺

加矿物掺和料后满足混凝土耐久性），矿物掺合料最大掺量（提高耐久度）

第6章钢材

¤6.1

钢：含碳量小于2.06%的铁碳合金 按化学成分分类： 1）碳素钢：低碳（0.6%） 2）合金钢：低合金（10%） 按冶炼脱氧分类： 1）沸腾钢（F ）：有气泡和杂志，质量差，成本低

2）镇静钢（Z ）：浇筑后平静地冷却凝固，基本无气泡。

机械性能好，成分均匀，品质高，成本高 3）特殊镇静钢（TZ ）：脱氧更充分。特别重要的工程 4）半镇静钢（B ）：脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间

¤6.2

抗拉强度：弹性阶段：弹性极限σp ；屈服阶段：屈服极限σs ；强化阶段：抗拉强度/极限强度σb ；颈缩阶段 冲击韧性：抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性值衡量。随着温度降低，冲击韧性急剧下降，为低温冷脆效应 疲劳强度：在交变荷载反复作用下应力远低于抗拉强度发生破坏。与抗拉强度相关 疲劳原因：（1）内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）；（2）成分偏析；（3）过大的内应力，截面沿纵向的突变；（4）表面状态；（5）受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。

钢材的塑性随着含碳量增加而变差

屈服现象：形变增加，应力不增加

屈强比：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比。越小越坚固。太小利用率低太大脆性太大。屈强比最好在0.60~0.75

冷弯性能：在常温下承受弯曲变形的能力。用弯曲角度和弯心直径与刚才直径厚度比值衡量。角度越大，比值

越小越好

焊接性能：电弧焊和接触对焊。检验方法是试件拉伸和原位非破损检验

时效敏感性：经过冷加工的钢材在常温下放置，随着时间延长，钢材呈现出强度提高，而塑性和冲击韧性下降的现象称为钢材的时效

热加工：是在再结晶温度以上进行的压力加工，常用锻造、热压、扎制等多种方式

热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结构致密，晶粒细化

热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质量

冷加工：

冷拉、冷拔：提高屈服强度，降低塑性韧性

重复拉伸：屈服强度提高，塑性和韧性降低，可焊形变差，硬脆倾向增加

¤6.3

主要成分：碳（越多强度、塑性、冲击韧性、耐腐蚀性、可焊性下降），铁

有益成分：硅（增加强度、硬度、耐腐蚀性，太多反而降低，增加冷脆性和时效敏感性），锰（排氧硫，加强

热加工、可焊性），铝、钒、钛、铌（脱氧，提高强度，

改善韧性和可焊性）

有害成分：硫（FeS 热脆），磷，氧、氮、氢

¤6.4

牌号：

1）Q （屈服点字母）XXX （屈服点数值MPa ）-A （质量

等级）·Z （脱氧程度）

2）XXX （万分之一含碳量）Mn （合金元素）

¤6.6

1）化学锈蚀：与周遭物质氧化反应，申城疏松的氧化物

2）电化学锈蚀：与电解质溶液接触形成微电流，电解腐蚀钢

防锈：

1）制作合金 2）保护层

3）设置化学电池保护 4）混凝土中使用钝化膜

¤9.1

沥青：极其复杂的高分子碳氢化合物和碳氢化合物的非金属衍生物混合物

地沥青：天然沥青和石油沥青

焦油沥青：有机物干馏得到焦油后再加工得到

选用标准：

（1）选择屋面防水时，软化点高出屋面最高温度20～25℃，屋面最高温度高于最高气温 25～30℃

（2）选择地下防水用沥青时，对软化点要求不高，但是要求具有良好的塑性和足够的粘性。

¤9.2

石油沥青：石油蒸馏后的残留物 三组分分法：油分（流动性），树脂（粘结性、塑性和可流动性），沥青质（温度敏感性和粘性，提高软化点） 四组分分法：可溶分，饱和分，芳香分，胶质 结构：溶胶型，凝胶型（沥青质大），溶-凝胶型

技术性质：三大指标：粘滞性、塑性、温度敏感性 密度 热胀系数

粘滞性：阻碍其相对流动的特性。针入度表示。越大越软

塑性：外力作用弹性形变不破坏的特性。延伸度表示。拉伸法，越大越好

温度敏感性：粘滞性和塑性岁温度变化而变化的性能。软化点表示。用环球法

大气稳定性：在外界环境等因素长期综合作用下抵抗衰老的性能。加热蒸发后剩余残留度表示

老化：低分子量组向高分子量组递变。油分→树脂→沥青质。变硬变脆

粘附性：沥青与集料的黏附作用。与抗水性有关

¤9.3

改性沥青：增加改性剂：SBS 改性和APP 改性；微填料改性；纤维改性

乳化沥青：加入乳化剂和稳定剂

¤9.4

防水卷材：纸胎油毡，玻璃布胎油毡，玻璃纤维胎油毡 防水涂料

牌号由针入度决定