土木工程材料作业题及例题

累计筛余（％） A1=a1=1 A2=A1+ a2=21 A3=A2+ a3=51 A4=A3+ a4=80 A5=A4+ a5=96 A6=A5+ a6=100
作业4：自己设计钢筋混凝土构件，混凝土设计强度为C30，混
凝土坍落度要求为55-70mm, 原材料如下： 水泥：普通硅酸盐水泥强度等级32.5级， 密度3100kg/m3 ，水泥富余系数1.13； 砂：河砂表观密度自己计算；
材料结构
材料中的气相
材料中均或多或少地含有气相； 气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料
中，因此孔隙有一定的结构——孔结构；
孔 (缝)隙对材料性能有很大影响：
有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；
无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。
★ §2.2材料的基本物理性质
注：碎石在水中吸水的体积近似=V开口=(1036-1000)/1=36cm3
(4) 空隙率p‘=1-堆积密度/体积密度=1-1.350/2.404=43.8% D’=1-p’
1411-1000=需加入水的质量？
作业1
(1) 绝干体积密度： 0 m /V0 =260/130=2.0g/cm3
材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显
下降的性质； 抗渗性指材料抵抗压力水不渗透的性质； 抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏， 强度也不显著下降的性质。
1、材料的亲水性与憎水性
1、亲水性与憎水性：当材料与水接 触时，有些材料能被水润湿，有些
材料则不能被水润湿，前者称材料 具有亲水性，后者称具有憎水性。
1 某地质人员从一堆碎石中取样，并将其洗净后干燥，用一个10L的 金属桶称得一桶碎石的质量为13.5kg；再从桶中取出1000g的碎石， 让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一个广口瓶 中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25度，将碎石 倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净干燥后 碎石中取一块磨细过筛成细分 ，称取50g，用李氏瓶称其体积为 18.8ml，试求：
密实度和孔隙率
0 V D *100% *100% 1 p V0
p V0 V *100% (1 0 ) *100% V0
材料体积内被固体物质充实的程度
开口孔隙率：材料中能被水所饱和的孔隙体积与材料在 自然状态下的体积的百分比 填充率和空隙率
D' V0 ' *100% 0 *100% 1 p' V0 ' 0
试样饱和所吸收水的体积Vsw=Vk=V0-V’=130-100=30cm3
(2)体积吸水率： V (Vsw / V0 ) 100% (30 / 130) 100% 23.1%
(3)质量吸水率： m (msw / m) 100% (30 / 260) 100% 11.5%
(1)抗折强度 3d抗折平均值P’=(1.25+1.60+1.50)/3=1.45kN (1.45-1.25)/1.45X100%=13.79>10%,则P3=(1.60+1.50)/2=1.55kN f=3PL/2bh2=(3*1.55*100)/(2*40*402)=3.63MPa 28天 略 (2)抗压强度 F3’=(23+29+29+28+26+27)/6=27kN (27-23)/27=17.4%>10%，则F3= ’=(29+29+28+26+27)/5=27.8kN fc=27.8*1000/1600=17.38MPa F28= f28=44.06MPa
(1) 该碎石的密度，体积密度和堆积密度； (2) 该碎石的孔隙率，开口孔隙率； (3) 该碎石的密实度，空隙率和填充率。
作业1 某石子绝干质量260g，将其放入水中，其吸水饱和后排出水 的体积为100cm 3 ；取出该石子试样擦干表面后，再将其投入水中， 此时排出水的体积为130cm3。试求：
石子的体积密度，体积吸水率，质量吸水率和开口孔隙率。
石子：碎石，Dmax=40mm,连续级配，级配良好，
表观密度ρ0g=2650kg/m3 ； 自来水 求：混凝土初步配合比设计。并现场试验，检测和易性。
• 1、混凝土配制强度计算
fcu,t fcu,k 1.645
2、计算水灰比
fcu,t=30+1.645×5=38.2MPa
Afce W C f cu,t ABfce
f cu A. f ce (
C B) W
例题：经试验测得某工程用热轧钢筋的屈服荷载为29kN，
极限荷载为50kN，钢筋公称直径为12mm，5d标距拉
断后的长度为78.4mm，10d拉断后的长度为148mm。 试计算：屈服强度，抗拉强度，屈强比，δ5，δ10
建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥胶砂试件 进行了标准检测，试验结果如下，试确定其强 度等级。 抗折强度破坏荷载(kN) 3d 28d 1.25 2.90 1.60 1.50 3.05 2.75 抗压强度破坏荷载(kN) 3d 28d 23 75 29 71 29 70 28 68 26 69 27 70
§2.1材料的组成与结构
Composition and Structure of Civil Engineering Materials
材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是
材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。
• 组成 – 化学组成 – 矿物组成
结构

微观结构(micro-structure) 细观结构(meso-structure) 宏观结构(macro-structure)
4、新型材料的出现与土木工程技术的发展相互促进
1 土木工程材料的分类
化学成分： 有机材料 无机材料 复合材料
金属材料 无机材料非金属材料 金属 非金属复合材料 土木工程材料有机材料 木材、石油沥青、塑料 等 无机非金属 有机复合材料 玻璃纤维增强材料等 复合材料 金属 有机复合材料 轻质金属夹芯板等
强度等级为
例题 某干砂500g的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评 定其级配
计算各筛的分计筛余百分数和累计筛余百分数如下表： 筛孔 分计筛余 尺寸(mm) 量（g） 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 5 100 150 145 80 20
分计筛余（％） a1=5/500=1 a2=100/500=20 a3=150/500=30 a4=145/500=29 a5=80/500=16 a6=20/500=4
基本含水状态：
(a)干燥状态-材料的孔隙中不含水或含水极微，通常在(105±5°C)条件下烘干而得。
(b)气干状态-材料表面干燥，内部孔隙中部分含水。即材料的孔隙中所含水与大气湿度
相平衡，含水大小与空气相对湿度和温度密切相关。 (c)饱和面干-材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和。即将湿润状态的试样，用拧干 的湿毛巾擦除表面水分后的状态。 (d)湿润状态-材料不仅孔隙中含水饱和,而且表面上为水湿润附有一层水膜。在常温下通 常将试样放入水中浸泡4d后，由水中取出即为湿润状态。
润湿边角：材料被水湿润的情况可 用润湿边角θ表示。当材料与水接
（ａ）亲水性材料；（ｂ）憎水性材料
θ越小，材料亲水性越强， 越易被水湿润 θ=0时，表示材料完全被水 湿润
触时，在材料、水以及空气三相的 交点处，作沿水滴表面的切线，此 切线与材料和水接触面的夹角θ， 称为润湿边角
2、材料的含水状态（亲水性材料）
– 相组成
化学组成与矿物组成的关系
化学组成相同，其矿物组成不一定相同；
例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O，但
它有-、-、- 等3种矿物相。
不同的矿物相，其化学组成可能相同。
例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不
同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。
矿物组成相同，其化学组成一定相同。
Co=420.5kg
6、用重量法计算配合比：（取混凝土密度为2400kg/m3）
每立方米混凝土各材料用量
=水泥:砂:石子:水=421:185:538:1256
§1 土木工程材料与土木工程的关系
土木工程材料 土木工程
土木工程的发展从来就离不开材料，它们之间有着相互 依存不可分割的关系
1、土木工程材料是一切土木工程结构中不可缺少的物质基础 2、在各类土木工程建设中，材料费用在工程总造价中占有很高的 比例（40%-60%，甚至更高） 3、材料的品质和性能在很大程度上决定了结构物的性能
=(0.46X32.5X1.1)/(38.2+0.46X 0.07X32.5X1.1)=0.44
3、选取每立方米混凝土用水量查表：用水量为185 kg 4、计算每立方米混凝土水泥用量： W0 C0 W /C 5、确定砂率（Sp）:30%
C 0 W0 S 0 G0 0 SP S0 *100% S 0 G0
General Properties of Civil Engineering Materials 本节主要讨论以下5个问题 一、材料的结构特征参数：
密度、表观密度、堆积密度
二、密实度、孔隙率、空隙率、填充率 三、材料与水有关的性质 四、材料的热工性质 五、材料的耐热性与耐燃性
材料的密度、表观密度和堆积密度有何区别？ 答:(1)密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 (2)表观密度是材料自然状态下单位体积的质量。 ★ 通常把包括所有孔隙(开口和闭口)在内的密度称为 体积密度；而把只包括闭口孔的密度称为视密度。
3、材料的吸湿性和吸水性
1）吸湿性：用含水率表示 亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性： 亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。
含水率
Wh
ms m g mg
材料在吸湿状态下的重量
*100%
材料在干燥状态下的重量
影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度 平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时
颗粒填充的程度
p'
Vs V0 'V0 ' *100% (1 0 ) *100% V0 ' V0 ' 0
散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率
材料与水有关的性质
材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现
为亲水与憎水两种不同的性质；
材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸湿 性与吸水性；
1 解:(1) Vs=18.8ml，m=50g
=m/Vs=50/18.8=2.66g/cm3
(2) 根据排水法测定物体体积的原理可以算出(假定水的密度为1g/cm3) ★ V(仅含有闭口孔隙)=[791-(1411-1000)]/1=380ml=380cm3 视密度(表观密度) =m/ V =1000/380=2.63g/cm3 ※ V0=[791-(1411-1036)]/1=416ml=416cm3 体积密度=1000/416=2.404g/cm3 ▴ V0’=10L,m1=13.5kg 堆积密度=m1/V0’=13.5/10=1.35kg/L=1.350g/cm3 (3) 孔隙率p=1-体积密度/密度1-2.404/2.66=9.624% 开口孔隙率=V开口/V0=(1036-1000)/416=8.655% D=1-p

0
m V
m V0
★
的大小与含水情况有关，材料的重量和体积均随含水率 的变化而有所改变，因此，在测定体积密度时要注明含水率。 气干状态：气干体积密度；绝干状态：绝干体积密度。 (3)堆积密度是粉状或颗粒状材料在堆积状态下单位体积的 m 质量。 '
0
V0
'
三者的区别在于材料体积内部含 孔隙、空隙程度不同。
(4)开口孔隙率： PK

Vk 23.1% V0
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作业3：水泥强度为42.5，强度富余系数1.10，卵石，要配制 36.8MPa的混凝土，估算水灰比。
解：卵石：A=0.48，B=0.33 36.8= 0.48 × 42.5 × 1.10（C/W - 0.33 ） C/W= 1.97→W/C= 0.51 因此配制该混凝土水灰比采用0.51