道路建筑材料指导大纲

（72学时）

参考教材：《土木工程材料》（武汉理工大学出版社，宋少民主编） 一、课程的性质与任务

本课程是从事道路与桥梁专业的人员应该熟悉和了解的基本道路建筑材料的知识，是与实际生产联系紧密的基础理论和经验总结。是研究道路与桥梁专业用材料的结构、性能、标准及相互关系的一门学科。

本课程的任务：通过本课程的学习，使学生掌握各种道路与桥梁用材料的内部组成、结构、技术性能、技术标准及其相互关系；具有合理选用和组配新型优质复合材料的能力。

二、课程基本要求

学习道路与桥梁用材料石灰、水泥、钢材、水泥混凝土、沥青材料及沥青混合料的组成结构、技术性质及其关系；学习矿质混合料的组成设计；了解金属材料的技术性质和各种外加剂的技术性能。

通过学习，使学生掌握水泥混凝土、沥青混凝土配合比设计；了解石灰、水泥凝结硬化原理；沥青混凝土强度理论；集料的级配理论以及能在水泥混凝土中正确实用外加剂；能够地、熟练地完成道路建筑材料的工程试验。

三、课程基本内容

绪论

1、教学目的和教学要求

（1）熟悉道路建筑材料在道路与桥梁工程中的作用以及在经济发展中的意义。 （2）初步了解这门课的意义以及在本专业中的地位。 2、教学内容和重点知识解析

（1）我国土木工程材料的发展状况及趋势 （2）土木工程材料在土木工程中的作用 （3）建筑材料的检验与标准 （4）本课程研究的内容、教学思路 第1章 道路建筑材料的基本性质 1、教学目的和教学要求 （1）了解材料科学的基础知识

（2）掌握材料的物理性质、力学性质、耐久性。 理解材料的物理—力学性质相互间的关系及在土木工程中的应用。

2、教学内容和重点知识解析 第一节 材料科学的基础知识

一、材料组成：化学组成、相组成、矿物组成 二、结构

1、晶体：（1）化学稳定性好 （2）固定的形状 （3）固定的熔点 （4）各向异性 2、非晶体：

（1）化学稳定性差

（2）无固定的形状 （3）无固定的熔点 （4）各向同性

3．胶体：凝胶、溶胶、溶-凝胶、触变性 第二节 材料的物理性质 一、材料与质量有关的性质

1．材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的（不包括开口和闭口孔隙体积）的质量。 2．材料的表观密度是指材料在自然状态下单位体积（包括开口和闭口孔隙体积）的质量。 3．材料的堆积密度是指粉状或颗粒材料在自然堆积状态下单位体积（包括孔隙和空隙的体积）的质量。

4．材料的密实度和孔隙率：

在自然状态下，材料中固体物质的体积占材料总体积的百分数。D反映了材料的密实程度，D越大，材料越密实，在绝对密实状态下D=1，若D<1，说明材料内部含有孔隙。

D = V/V表*100% V --- 材料中固体物质（实体）的体积 V表---材料自然状态下体积

孔隙率(Porosity) P：孔隙的体积占材料总体积的百分数。

P =[（V表-V）/ V表]*100% = (1-ρ表/ρ) *100%

V表— 材料在自然状态下体积 V — 实体体积 ρ表—表观密度 ρ— 密度

材料的密度、表观密度、孔隙率是材料最基本的特性。孔隙率的大小，反映材料的密实程度。

(1)孔隙的分类

a.按孔隙之间的相互关系分类：孤立的、连通的 b.按孔隙与外界的关系分类：开口的、闭口的 c.按孔隙的尺寸分类：粗大的孔隙（Φ>1.0 m m）、细小孔隙（Φ=0.01~1.0 m m）、极细孔隙（Φ<0.01 m m）

d.按孔隙的形状分类：球形、针形、片形

(2)孔隙对材料性能的影响：主要从两个方面进行分析，即孔隙率和孔隙特征；它反映材料的

密实程度，一般情况下开口的粗大孔隙容易吸水、但保水性差；而开口的微细孔隙容易吸水也容易保水，因此含水率高，吸湿性好，但抗冻性、抗渗性差。不连通的、封闭的孔隙越多，强度越低、，抗冻性、抗渗性、导热性均差，但保温性好。与外界连通的微细孔隙越多,隔音吸声性越好.

5．材料的填充率与空隙率：对散粒材料而言，在堆放时，颗粒和颗粒之间会存在许多的空隙（开口孔隙和间隙之和）而不能达到绝对级配状态，空隙的多少说明了堆积的致密程度和开口孔隙的多少。

空隙率=空隙的体积/堆积体积*100%

=[（V堆- V实）/ V堆]*100% =（1-ρ堆/ρ表）*100%

空隙率可作为砼骨料级配和计算砂率的依据。 二、材料与水有关的性质

1、当材料与水接触时，能被水湿润的材料具有亲水性，不能被水湿润的材料具有憎水性。用湿润边角表示。

≤90°时，表现为亲水性 

 ＞90°时，表现为憎水性

2、材料的含水状态可分为以下几类

a.干燥状态: 材料内部不含水或含水极微,可以忽略不计 b.气干状态: 材料内部所含水份与大气湿度相平衡

c.饱和面干状态: 材料内部含水已达到饱和,表面呈现干燥状态 d.润湿状态: 材料内部含水已达到饱和,表面呈现面一层水膜

三、材料与热有关的性质 1．导热性

2．热容量：材料每升高1K或降低1K所吸收或放出的热量。热容量对保持建筑物内部温度稳

定有十分重要的意义，热容量较大的材料可做较好的墙体材料，以便冬季时缓和室内的温度。

3．比热

4、影响导热系数的因素有：

（1）材料组成、结构与构造。如金属材料、晶体材料都比非金属材料和非晶体材料导热性好。

（2）孔隙率。孔隙率越大，其导热系数就越小，具有互不连通封闭的微孔构造的材料，导热系数要比粗大连通孔隙构造材料的导热系数小。

（3）材料的含水量增大时，导热系数也随之增大，这是因为空气导热系数很小，可视为绝热，而水和冰的导热系数都比较大。 第三节 材料的力学性质 （1） 材料的强度

比强度——材料的强度与其表观密度的比值。 比强度值越大，材料轻质高强的性能越好。 （2） 材料的弹性与塑性 （3） 材料的韧性与脆性

（4） 材料的硬度与耐磨性 第四节 材料的耐久性

耐久性是指材料在多种自然因素作用下，经久不变质，不破坏，长久保持原有使用性能的性质。

材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用，这些作用包括物理作用、化学作用、机械作用和生物作用。 3、复习题

(1) 当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不变?

(2) 材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别? (3) 材料的孔隙率和空隙率的含义如何?如何测定?了解它们有何意义?

(4) 亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?举例说明怎样改变材料的亲水性与憎水性? (5) 普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为183kN，干燥状态的破坏荷载为207kN(受压面积为115mm×l20mm)，问此砖是否宜用于建筑物中常与水接触部位？ (6) 材料的耐久性应包括哪些内容? 第2章 建筑钢材 1、教学目的和教学要求

（1）了解钢的生产与分类方法以及钢的晶体组织、化学性质及其对性能的影响；了解建筑钢材的品种与选用。

（2）掌握建筑钢材的技术要求与技术标准。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 钢的冶炼与分类 （1） 钢的冶炼

钢是由生铁冶炼而成的。钢和生铁的主要成分都是铁和碳，其主要区别在于含碳量不同。 （2） 钢的分类 （3） 钢的化学组成

第二节 建筑钢材的主要力学性能 （1） 抗拉性能

拉伸是建筑钢材的主要受力方式，所以抗拉性能是钢材最为重要的力学性能。 低碳钢试件在受拉过程中，其应力-应变曲线可划分为以下四个阶段：

1) 弹性阶段

弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力即刚度的大小，它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 2) 屈服阶段

钢材受力超过屈服点后，会产生较大的塑性变形，尽管其结构不会破坏，但已不再能够满足使用要求 ，故工程中常以屈服点作为钢材设计强度取值的依据。常用低碳钢的σs ＝185～235 MPa。

3) 强化阶段

抗拉强度σb是钢材受拉时所能承受的最大应力值。

屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（σs/σb）。屈强比是反映钢材利用率和安全可靠程度的一个指标。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时，可靠性就越大，结构安全性越高。但屈强比过小，钢材会因有效利用率太低而造成浪费。

4) 颈缩阶段

在某一薄弱截面（有杂质或缺陷之处），断面开始明显减小，产生颈缩直到被拉断。故称颈缩阶段。 （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。以弯曲角度（）及弯心直径对试件厚度（或直径）的比值（d）来表示。弯心直径进行冷弯试验后，如在试件的弯曲处未发生裂纹、裂断或起层现象，即认为冷弯性能合格。 （3） 冲击韧性：钢材抵抗冲击和在与震动荷载作用的能力 （4） 硬度：抵抗外来物体嵌入的能力 （5） 疲劳强度

第三节 钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接 （1） 钢材的冷加工强化及时效强化

包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等 自然时效 人工时效 （2）钢材的焊接 3、复习题

（1）何谓屈强比？屈强比大小对钢材的使用有何影响？

（2）何谓钢材的冷加工强化及时效处理？经冷加工及时效处理后,钢材的性能有何变化？ 规律如何？

（3）钢的化学成分主要有哪几种？各自对钢材性能有何影响？ 第3章 气硬性胶凝材料 1、教学目的和教学要求

（1）熟悉石灰的生产工艺和石灰的消解与硬化；了解石膏和水玻璃的特性及应用范围。

（2）掌握石灰的主要技术性能在路桥工程中的应用及测试方法。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 石灰

（1） 石灰的生产工艺

原理CaCO3 900℃ CaO+CO2↑

温度过低出现欠火石灰，心部依然是CaCO3，石灰利用率降低。 温度过低出现过火石灰，熟化很慢，易造成表层裂纹和剥落

陈伏处理：消除或减轻过火石灰危害 （2）石灰的分类：a、生石灰、熟石灰

b、钙质石灰：当生石灰中MgO≤5%时

镁质石灰；当MgO＞5%时

镁质石灰与钙质石灰相比，凝结硬化速度慢，产浆量少，但硬化后孔隙少，较密实，强度较高。

（3）石灰的熟化与硬化

石灰加水后，放出大量的热，体积膨胀，质纯且煅烧良好的石灰体积增大1～2.5倍。

1）干燥硬化

石灰浆体在干燥过程中，毛细孔隙失水。

2）碳化硬化

氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙晶体称为碳化。生成的碳酸钙具有相当高的强度。

（4）石灰的技术性能和技术标准

技术性能

1）有效氧化钙和氧化镁含量 2）生石灰产浆量和未消化残渣含量 3）二氧化碳含量 4）消石灰粉游离水含量 5）体积安定性 6）细度 技术标准 （5）石灰的应用 1）拌制灰浆、砂浆 2）拌制灰土、三合土 3）建筑生石灰粉

4）石灰碳化制品的主要原料

5）硅酸盐制品的主要原料 第二节 建筑石膏 （1） 建筑石膏生产 （2） 建筑石膏水化与硬化 （3） 建筑石膏技术特性和质量要求 （4） 建筑石膏的应用 第三节 水玻璃 （1） 水玻璃生产 （2） 水玻璃的硬化 （3） 水玻璃的特性和应用 3、复习题

（1）石灰消化时的两个特点？消化后的石灰为何要陈伏一段时间然后使用？ （2）如何判定石灰的等级？ 第4章 水泥

1、教学目的和教学要求

（1）了解硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的生产工艺；了解水泥凝结硬化原理及其腐蚀；了解掺混合料水泥和其他品种水泥的特性及适用范围。

（2）掌握硅酸盐水泥矿物成分的组成及其特性对水泥性能的影响；掌握水泥的技术性质和水泥主要技术性能在路桥工程中的应用及测试方法。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 硅酸盐水泥

在道路与桥梁工程中通常应用的水泥有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、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等五大品种水泥。 (1) 硅酸盐水泥的生产及矿物组成

硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一烧”。

改变熟料矿物含量的比例，从而使水泥的性质发生相应的变化。 （1）C3S ↑，可制得高强水泥； （2）C3S和C3A↑，可制得快硬水泥；

（3）C3A和C3S ↓ ，C2S ↑ ，可制得中、低热水泥； （4）C4AF ↑，C3A ↓，可制得道路水泥等。 (2) 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化

硅酸盐水泥的水化产物： 1）硅酸三钙

2）硅酸二钙 3）铝酸三钙 4）铁铝酸四钙

为了调节水泥的凝结硬化速度，在磨细水泥时，掺入适量石膏，水化铝酸钙与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙，亦称钙矾石。当石育消耗完毕后，水泥中尚未水化的铝酸三钙与钙矾石反应生成单硫型的水化硫铝酸钙。 水泥的凝结硬化过程：

1）初始反应期 2）潜伏期 3）凝结期 4）硬化期

水泥的水化反应是从颗粒表面深入到内核的。开始时水化速度较快，水泥的强度增长快；但由于水化不断进行，堆积在水泥颗粒周围的水化物不断增多，阻碍水和水泥未水化部分的接触，水化减慢，强度增长也逐渐减慢，但无论时间多久，水泥颗粒的内核很难完全水化。 (3) 硅酸盐水泥的技术性质

1）细度

国家标准中规定水泥的细度可用筛析法和比表面积法（勃氏法）检验。 国家标准（GB175-1999）规定，凡细度不符合规定者为不合格品。 2）标准稠度用水量 3）凝结时间

凝结时间分初凝和终凝。

硅酸盐水泥标准规定，初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。规定水泥的凝结时间在施工中具有重要意义。为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝时间不能过短。当施工完毕后，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能太长。

4）体积安定性

国家标准规定，用沸煮法检验由游离氧化钙引起的水泥体积安定性不良，测试方法可用饼法也可用雷氏法，有争议时以雷氏法为准。

体积安定性不良的水泥应作废品处理，不能用于任何工程中。

5）强度及强度等级

水泥的强度是水泥的重要技术指标。 6）水化热

水化热的大小主要与水泥的细度及矿物成分有关。颗粒愈细，水化热愈大；矿物成分中

C3A、C3S含量愈多，水化放热愈高。

冬季施工时，水化热有利于水泥的正常凝结硬化。

对大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，可使混凝土产生裂缝，因此水化热对大体积混凝土是有害因素，不宜采用水化热较高或放热较快的水泥。

7）碱 8）不溶物 9）烧失量

10）密度和堆积密度 (4) 水泥石的腐蚀与防止

1）软水侵蚀 2）盐类腐蚀 3）酸类腐蚀 4）强碱腐蚀

第二节 掺混合材料的硅酸盐水泥 3、复习题

（1）硅酸盐水泥四种矿物成分及其对水泥技术性质的影响

（2）什么是水泥的初凝、终凝？凝结时间对水泥混凝土工程有何影响？ （3）如何确定水泥的强度等级？

（4）如何评定水泥为合格品、不合格品及废品？工程中有何要求？ （5）不同品种水泥的应用。 第5章 水泥混凝土及建筑砂浆 1、教学目的和教学要求

（1）熟悉水泥混凝土材料的基本概念；了解外加剂的作用机理和功能；了解建筑砂浆的技术性质。

（2）掌握水泥混凝土的主要技术性质(工作性、强度、变形、耐久性)及其影响因素；掌握水泥混凝土对组成材料的技术要求；掌握水泥混凝土配合比设计。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 概述

第二节 普通混凝土的组成材料 （1） 混凝土中各组成材料的作用 （2） 混凝土组成材料技术要求

水泥：品种、强度等级 细集料：级配、含泥量等

粗骨料：级配、压碎值、针片状等

拌合物用水：不可对和易性产生不良影响，不可影响混凝土的强度发展和最终强度、不可对耐久性产生不良影响、不侵蚀混凝土、不污染混凝土表面 外加剂：早强剂、引气剂、缓凝剂等 矿物掺合料：粉煤灰、硅灰、火山灰等

第三节 新拌混凝土的性能 （1） 混凝土拌合物的和易性

和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。 （2） 和易性测定方法及指标：坍落度、维勃稠度 （3） 影响和易性的因素 （4） 提高和易性的措施 第四节 混凝土的力学性能 （1）混凝土的受压破坏机理 （2）混凝土的强度

立方体抗压强度、立方体抗压标准强度（fcu,k）与强度等级、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度 （3）影响强度因素

（4）提高混凝土强度的措施 第五节 混凝土的变形 （1） 非荷载作用下的变形

（2） 荷载作用下的变形：弹塑性变形、徐变 第六节 混凝土耐久性

抗冻性、抗渗性、碱——集料反应 工程对混凝土的基本要求： 1、混凝土拌合物和易性要求 2、混凝土应满足工程对其的强度要求 3、混凝土应满足工程对其的耐久性的要求

4、在以上三个要求得到满足的情况下，应满足经济性要求 第七节 混凝土的质量控制与强度评定 （1）混凝土强度的质量控制 （2）混凝土强度的评定

第八节 传统塑性混凝土配合比设计 （1）普通混凝土配合比设计方法和步骤

（2）配合比的试配、调整与确定

当坍落度低于设计要求，可保持水灰比不变，增加适量水泥浆。 如坍落度太大，可以保持砂率不变条件下增加骨料。 如出现含砂不足，粘聚性和保水性不良时，可适当增大砂率 （3）施工配合比

第九节 掺外加剂混凝土配合比设计 （1）掺减水剂的普通混凝土配合比设计 （2）泵送混凝土配合比设计 第十节 高性能混凝土简述 3、复习题

（1）普通混凝土的和易性包括哪些内容？怎样测定？ （2）影响混凝土强度的因素？ （3）提高混凝土强度的措施？

（4）甲、乙、丙工程的混凝土变异系数分别为10％、15％、20％，平均强度为23MPa，设计强度等级C20，求各工程混凝土的标准差和强度保证率。

（5）混凝土C20的配合比为1∶2.2∶4.4∶0.58(水泥∶砂∶石子∶水)，已知砂、石含水率分别为：3％、1％。计算1袋水泥(50kg)拌制混凝土的加水量。

（6）混凝土表观密度为2400kg／m3，水泥用量300kg／m3，水灰比0.60，砂率35％，计算混凝混凝土质量配合比。 第6章 建筑砂浆 1、教学目的和教学要求

（1）熟悉砂浆的分类及在道路与桥梁工程中的应用以及砂浆的变形性能和耐久性；了解抹面砂浆、防水砂浆和其他特种砂浆。

（2）掌握砌筑砂浆组成材料的技术要求以及新拌砂浆的和易性，硬化后砂浆的强度；能够计算砌筑砂浆的配合比。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 砌筑砂浆

（1）砌筑砂浆的组成材料

（2）砌筑砂浆的技术性质：和易性：流动性用沉入度表示，保水性用分层度表示。分层度一般控制在10~20mm之间为宜，大于20mmmm易发生分层离析现象，小于10mm，干缩大，易产生裂纹。强度M2.5\\M5.0\\M10\\ （3）砌筑砂浆的配合比计算 第二节 抹面砂浆

第三节 特种砂浆 3、复习题

（1）建筑砂浆的工作性包括哪几方面含义？评定指标是什么？ （2）影响砌筑砂浆强度的因素有哪些？ 第7章 沥青材料 1、教学目的和教学要求

（1）熟悉石油沥青的生产工艺和流程；了解沥青常规指标的测定方法；了解沥青材料在路桥工程的应用；熟悉乳化沥青形成原理、对组成材料的要求等。

（2）掌握石油沥青的化学组成结构；掌握沥青的针入度指数与沥青路用性能的关系；掌握道路石油沥青的技术性质、技术标准；掌握沥青材料在外界因素作用下产生性能变化的规律。 2、教学内容和重点知识解析 第一节 石油沥青

（1） 石油沥青的生产工艺概述 （2） 石油沥青的组成和结构

四组分法：沥青质、饱和分、芳香分、胶质 胶体结构类型：溶胶结构、溶凝胶结构、凝胶结构 （3） 石油沥青的技术性质

常规性能：物理特征常数、粘结性、塑性、温度稳定性、加热稳定性、安全性、溶解度、含

水量

非常规性能：针人度指数、劲度模量、粘附性、老化 （4）石油沥青的改性措施 （5）石油沥青的技术标准 （6）石油沥青的选用 第二节 乳化沥青 （1）概述

（2）乳化沥青的组成材料 (3) 乳化沥青的形成机理 (4) 乳化沥青的制备 (5) 乳化沥青的 第三节 防水卷材 3、复习题

（1）我国现行规范采用四组分法将沥青材料划分为哪几个组分？各组分与沥青材料的技术性质关系如何？

（2）石油沥青三大指标是什么？其值大小说明其路用性能如何？ （3）劲度模量在工程中有何实际意义？

（4）按照流变学观点，石油沥青可划分为哪几种胶体结构？各种胶体结构的石油沥青有何特点？

第8章 沥青混合料 1、教学目的和教学要求

（1）熟悉沥青混合料的定义及分类；理解热拌沥青混合料的组成结构及强度理论。 （2）掌握沥青混合料对组成材料的技术要求；掌握沥青混合料的技术性质和技术要求；熟练掌握沥青混合料的组成设计。 2、教学内容和重点知识解析

第一节 沥青混合料的定义、分类及基本性质 （1） 沥青混合料的分类 （2） 沥青混合料的基本性质 第二节 热拌沥青混合料

（1） 沥青混合料的组成结构和强度理论 沥青混合料结构类型、沥青混合料的强度理论 （2） 沥青混合料的技术性质和技术标准

高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、施工和易性 （3） 沥青混合料组成材料的技术要求 （4） 沥青混合料配合比设计

矿质混合料配合比设计、马歇尔试验确定沥青混合料的最佳沥青用量 第三节 其他沥青混合料 3、复习题

（1）沥青混合料有哪三种结构类型，主要表现出来的力学特性是什么？ （2）结构沥青是如何形成的？结构沥青是如何影响沥青混合料抗剪强度的？ （3）沥青在沥青混合料中以哪两种形式存在？ （4）什么是沥青最佳用量？

（5）沥青混合料五大技术性质是什么？

（6）什么是沥青混合料高温稳定性，评定指标，提高措施？ （7）施工中如何选择沥青材料？

四、课时分配 序号 课程内容 1 2 3 4 5 6 7 8 9 合计

绪论 第1章 道路建筑材料的基本性质 第2章 建筑钢材 第3章 气硬性胶凝材料 第4章 水泥 第5章 混凝土 第6章 建筑砂浆 第7章 沥青材料 第8章 沥青混合料 总学时 2 6 6 4 10 14 2 12 16 72 授课学时 0 1 1 0 1 4 0 1 4 12 自学学时 2 5 5 4 9 10 2 11 12 60