建造师一级水利水电讲义之建筑材料应用
更新时间：2009-10-19 15:27:29
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1F411032 熟悉建筑材料的应用
一、筑坝用土石料
主要包括土坝（体）壳用土石料、防渗体用土石料、排水设施和砌石护坡用石料。
（一）土坝（体）壳用土石料
最常用于均质土坝的土料是砂质黏土和壤土，要求其应具有一定的抗渗性和强度，其渗透系数不宜大于1×10-4cm／s；粘料含量一般为10％～30％；有机质含量（按重量计）不大于5％；易溶盐含量小于5％。
心墙坝和斜墙坝多用粒径级配较好的中砂、粗砂、砾石、卵石及其他透水性较高、抗剪强度参数较大的混合料。
（二）防渗体用土石料
一般采用黏土、砂壤土、壤土、黏质土等材料。
（三）排水设施和砌石护坡用石料
可采用块石，其饱和抗压强度不小于40～50MPa，岩石孔隙率不大于3％，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，重度应大于22kN／m3。也可采用碎石、卵石，不宜使用风化岩石。
（四）土工合成材料的应用
根据《土工合成材料应用技术规范》（GB 50290－98）规定，土工合成材料包括土工膜、土工织物、土工复合材料及土工特殊材料四大类。在水利水电工程中的应用包括：
1．防渗。利用土工膜或复合土工膜防渗性强的特点，进行土坝、堤防、池塘等工程的防渗。
2．反滤、排水。利用土工布透水性好、孔隙小的特点，作为土石坝、水闸、堤防、挡土墙等工程的排水和反滤体。
3．护岸护底工程。利用土工布做成软体排铺设在防冲的边坡上，防止水流冲刷渠道和海岸等上岸坡。
4．防汛抢险方面。利用填满土石料的土工编织袋，快速加高加固堤坝，在迎水面上利用土工布制成的软体卷材快速铺设，及时堵住渗漏通道，有效控制管涌、流土，防止渗透破坏。
二、建筑石材
岩石按形成条件的不同，分为火成岩（岩浆岩）、水成岩（沉积岩）及变质岩三大类。水工建筑物对石料的要求是有较好的耐水性、抗冻性、耐久性。
（一）火成岩
1．花岗岩：具有较高的抗冻性，凿平、磨光性也较好。多用于基础、桥墩、堤坝、拱石、路面、海港结构和基座等。
2．闪长岩：吸水低，韧性高，耐久性胜过花岗岩。
3．辉长岩：具有很高韧性及抗风化性，是良好的水工建筑石料。
4．辉绿岩：多用于桥墩、基础、路面及石灰、粉刷材料、原料等。
5．玄武岩：主要用作筑路材料、堤岸的护坡材料等。
（二）水成岩
1．石灰岩：致密的石灰岩加工成板状，可用来砌墙、堤坝护坡，碎石可用来作混凝土骨料等。但由于它易溶于含有游离CO2较多的水中，因此当用于水工建筑物时，应考虑它的抗水性及耐冻性。
2．砂岩：多用于基础、衬面和人行道等，但黏土砂岩遇水软化，不能用于水中建筑物。
（三）变质岩
1．片麻岩：用途与花岗岩基本相同，但因呈片状而受到限制，可作成板材，用于渠道和堤岸衬砌等。
2．大理岩：用于地面、墙面、柱面、栏杆及电气绝缘板等。
3．石英岩：均匀致密，耐久性很高，硬度大，开采加工很困难。
三、水泥
（一）水泥的品种及主要性能
水泥是水硬性胶凝材料。常用的品种有：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、粉煤灰硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥、快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥等。硅酸盐水泥密度一般为3100～3200kg／m3。在0．080mm方孔筛上的筛余量不得超过12％，比表面积为2500～3500cm2 ／g。标准稠度用水量，一般在24％～30％之间。初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于12h。
（二）水泥的适应范围
1．水位变化区域的外部混凝土、溢流面受水流冲刷部位的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，避免采用火山灰质硅酸盐水泥。
2．有抗冻要求的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，并掺用加气剂或塑化剂，以提高混凝土的抗冻性。当环境水兼硫酸盐侵蚀时，应优先选用抗硫酸盐硅酸盐水泥。
3．大体积建筑物内部的混凝土，应优先选用矿渣硅酸盐大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等，以适应低热性的要求。
4．位于水中和地下部位的混凝土，宜采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。
（三）水泥检验的要求
水泥应有生产厂家的出厂质量证明书，包括厂别、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性等代表该产品质量的内容，并应补齐28d强度证明书。
有下列情况之一者，应复试并按复试结果使用：用于承重结构工程的水泥，无出厂证明者；存储超过3个月（快硬水泥超过1个月）；对水泥的厂别、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性不明或对质量有怀疑者；进口水泥。
四、水泥砂浆
新拌砂浆的和易性是指其是否便于施工并保证质量的综合性质。包括流动性和保水性两个方面。
（一）流动性
常用沉入度表示。沉入度即标准圆锥体在砂浆中沉入的深度：沉入度大的砂浆，流动性好。
（二）保水性
即保有水分的能力。保水性可用泌水率表示，即砂浆中泌出水分的质量占拌合水总量的百分率。但工程上采用较多的是分层度这一指标。所谓分层度通常用上下层砂浆沉入度的差值来表示。分层度大于2cm的砂浆易泌水，不宜使用，分层度接近于零的砂浆，虽保水性好，但因胶凝材料用量太多，容易发生干缩裂缝。故砂浆的分层度以1～2cm为宜。
五、水泥混凝土
混凝土的主要技术指标有：和易性、强度及耐久性。
（一）和易性
和易性是指在一定施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、密实的混凝土性能。水泥混凝土拌合物的和易性包括流动性、粘聚性、保水性三个方面。影响因素有水泥浆用量、水泥浆稀稠、砂率及水泥的品种，外加剂的掺入等。坍落度的大小反映了混凝土拌合物的和易性。
（二）混凝土的强度
混凝土的强度有抗压、抗拉、抗弯及抗剪强度等，以抗压强度最大，结构中主要是利用混凝土的抗压强度。
1．混凝土的抗压强度
混凝土抗压强度是把混凝土拌合物做成边长为15cm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度20±3℃，相对湿度95％以上）下，养护到28d进行测定的立方体标准值（以MPa计）的大小。根据抗压强度的大小将混凝土分为不同的强度等级如CIO、C15、C20、C25、C30、C40等。其影响因素有：施工方法及施工质量、水泥强度及水灰比、骨料种类及级配、养护条件及龄期等。
2．混凝土的抗拉强度
混凝土的抗拉强度，一般约为抗压强度的7％～t4％。有抗裂要求的结构，除对混凝土抗压强度有要求外，还需对抗拉强度提出要求。抗拉强度的测定方法有轴心抗拉试验法及劈裂试验法两种。影响因素与影响抗压强度的因素相同。
（三）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗冲磨性、抗侵蚀性等。
1．抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透作用而不破坏的能力。抗渗等级分为：W2、W4、W6、W8、W10等。
2．抗冻性是指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环作用而不严重降低强度的性能。抗冻等级分为：F50、FlO0、F150、F200、F250及F300等。
3．抗冲磨性是指混凝土抵抗高速含砂水流冲刷破坏的能力。
4．抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境水侵蚀的能力。
（四）分区混凝土要求
1．上、下游最高水位以上坝体表层混凝土：主要考虑抗冻因素，在寒冷地区多采用
厚2～3m的抗冻混凝土。
2．上、下游水位变化区的坝体表层混凝土：主要考虑抗冻、抗裂因素，多采用厚3～5m的抗渗、抗冻并具有抗侵蚀性的混凝土。
3．上、下游最低水位以下坝体表层混凝土：主要考虑强度、抗渗、抗裂因素，多采用厚2～3m的抗渗混凝土。
4．坝体内部混凝土：主要考虑低热、抗裂因素。
5．溢流坝、泄水孔、导墙和闸墩等抗冲刷部位的混凝土：主要考虑强度、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀因素。
（五）混凝土的配合比
混凝土配合比是指混凝土中水泥、水、砂及石子材料用量之间的比例关系。常采用的方法有：
（1）以每立方米混凝土中各项材料的重量来表示；
（2）以各项材料间的重量比来表示。
混凝土配合比的设计，实质上就是确定四种材料用量之间的三个对比关系：水灰比、砂率、浆骨比。水灰比表示水泥与水用量之间的对比关系；砂率表示砂与石子用量之间的对比关系；浆骨比是用单位体积混凝土用水量表示，是表示水泥浆与骨料用量之间的对比关系。
（六）骨料
骨料必须坚硬、致密、耐久、无裂隙。
1．混凝土的细骨料：粒径在0。16～5mm之间的骨料。按形成条件分为天然砂、人工砂；按细度模数F•M分为粗砂（F•M＝3．7～3。l）、中砂（F•M＝3．0～2．3）、细砂（F•M＝2．2～1．6）、特细砂（F•M＝1．5～0．7）。骨料中杂质含量不超过《水工混凝土施工规范》（DL／T 5144一⒛01）的规定，如表1F411032－1所示。
2．混凝土的粗骨料：粒径大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。水工混凝土所用的粗骨料一般分为特大石（150～80mm或120～80mm）、大石（80～40mm）、中石（40～20mm）、小石（20～5mm）四级。粗骨料中杂质含量不得超过表1F411032－2的规定。
3．砂、石料的检验：应按产地或料场、品种、规格、批量取样进行检验。不符合质量标准的原材料，采用技术处理措施使用时，应有审批手续。
（七）混凝土的外加剂
为了提高混凝土的性能、节约水泥、加快施工进度、降低工程造价，常在混凝土内加入少量的外加剂。根据《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119―2003），外加剂按其主要功能可分为四类：
l．改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。包括减水剂、引气剂、泵送剂等。
2．调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括速凝剂、早强剂、缓凝剂。
3．改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂等。
4．改善混凝土其他性能的外加剂。包括膨胀剂、防冻剂、防水剂和泵送剂等。
（八）粉煤灰
根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596―2005）的规定，用作混凝土掺合料的粉煤灰必须满足表1F411032－3的技术要求。
根据《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL／T 5055―1996）的规定，粉煤灰取代水泥的最大限量见表1F411032－4。
一、筑坝用土石料
主要包括土坝（体）壳用土石料、防渗体用土石料、排水设施和砌石护坡用石料。
（一）土坝（体）壳用土石料
最常用于均质土坝的土料是砂质黏土和壤土，要求其应具有一定的抗渗性和强度，其渗透系数不宜大于1×10-4cm／s；粘料含量一般为10％～30％；有机质含量（按重量计）不大于5％；易溶盐含量小于5％。
心墙坝和斜墙坝多用粒径级配较好的中砂、粗砂、砾石、卵石及其他透水性较高、抗剪强度参数较大的混合料。
（二）防渗体用土石料
一般采用黏土、砂壤土、壤土、黏质土等材料。
（三）排水设施和砌石护坡用石料
可采用块石，其饱和抗压强度不小于40～50MPa，岩石孔隙率不大于3％，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，重度应大于22kN／m3。也可采用碎石、卵石，不宜使用风化岩石。
（四）土工合成材料的应用
根据《土工合成材料应用技术规范》（GB 50290－98）规定，土工合成材料包括土工膜、土工织物、土工复合材料及土工特殊材料四大类。在水利水电工程中的应用包括：
1．防渗。利用土工膜或复合土工膜防渗性强的特点，进行土坝、堤防、池塘等工程的防渗。
2．反滤、排水。利用土工布透水性好、孔隙小的特点，作为土石坝、水闸、堤防、挡土墙等工程的排水和反滤体。
3．护岸护底工程。利用土工布做成软体排铺设在防冲的边坡上，防止水流冲刷渠道和海岸等上岸坡。
4．防汛抢险方面。利用填满土石料的土工编织袋，快速加高加固堤坝，在迎水面上利用土工布制成的软体卷材快速铺设，及时堵住渗漏通道，有效控制管涌、流土，防止渗透破坏。
二、建筑石材
岩石按形成条件的不同，分为火成岩（岩浆岩）、水成岩（沉积岩）及变质岩三大类。水工建筑物对石料的要求是有较好的耐水性、抗冻性、耐久性。
（一）火成岩
1．花岗岩：具有较高的抗冻性，凿平、磨光性也较好。多用于基础、桥墩、堤坝、拱石、路面、海港结构和基座等。
2．闪长岩：吸水低，韧性高，耐久性胜过花岗岩。
3．辉长岩：具有很高韧性及抗风化性，是良好的水工建筑石料。
4．辉绿岩：多用于桥墩、基础、路面及石灰、粉刷材料、原料等。
5．玄武岩：主要用作筑路材料、堤岸的护坡材料等。
（二）水成岩
1．石灰岩：致密的石灰岩加工成板状，可用来砌墙、堤坝护坡，碎石可用来作混凝土骨料等。但由于它易溶于含有游离CO2较多的水中，因此当用于水工建筑物时，应考虑它的抗水性及耐冻性。
2．砂岩：多用于基础、衬面和人行道等，但黏土砂岩遇水软化，不能用于水中建筑物。
（三）变质岩
1．片麻岩：用途与花岗岩基本相同，但因呈片状而受到限制，可作成板材，用于渠道和堤岸衬砌等。
2．大理岩：用于地面、墙面、柱面、栏杆及电气绝缘板等。
3．石英岩：均匀致密，耐久性很高，硬度大，开采加工很困难。
三、水泥
（一）水泥的品种及主要性能
水泥是水硬性胶凝材料。常用的品种有：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、粉煤灰硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥、快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥等。硅酸盐水泥密度一般为3100～3200kg／m3。在0．080mm方孔筛上的筛余量不得超过12％，比表面积为2500～3500cm2 ／g。标准稠度用水量，一般在24％～30％之间。初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于12h。
（二）水泥的适应范围
1．水位变化区域的外部混凝土、溢流面受水流冲刷部位的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，避免采用火山灰质硅酸盐水泥。
2．有抗冻要求的混凝土，应优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，并掺用加气剂或塑化剂，以提高混凝土的抗冻性。当环境水兼硫酸盐侵蚀时，应优先选用抗硫酸盐硅酸盐水泥。
3．大体积建筑物内部的混凝土，应优先选用矿渣硅酸盐大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等，以适应低热性的要求。
4．位于水中和地下部位的混凝土，宜采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。
（三）水泥检验的要求
水泥应有生产厂家的出厂质量证明书，包括厂别、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性等代表该产品质量的内容，并应补齐28d强度证明书。
有下列情况之一者，应复试并按复试结果使用：用于承重结构工程的水泥，无出厂证明者；存储超过3个月（快硬水泥超过1个月）；对水泥的厂别、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性不明或对质量有怀疑者；进口水泥。
四、水泥砂浆
新拌砂浆的和易性是指其是否便于施工并保证质量的综合性质。包括流动性和保水性两个方面。
（一）流动性
常用沉入度表示。沉入度即标准圆锥体在砂浆中沉入的深度：沉入度大的砂浆，流动性好。
（二）保水性
即保有水分的能力。保水性可用泌水率表示，即砂浆中泌出水分的质量占拌合水总量的百分率。但工程上采用较多的是分层度这一指标。所谓分层度通常用上下层砂浆沉入度的差值来表示。分层度大于2cm的砂浆易泌水，不宜使用，分层度接近于零的砂浆，虽保水性好，但因胶凝材料用量太多，容易发生干缩裂缝。故砂浆的分层度以1～2cm为宜。
五、水泥混凝土
混凝土的主要技术指标有：和易性、强度及耐久性。
（一）和易性
和易性是指在一定施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、密实的混凝土性能。水泥混凝土拌合物的和易性包括流动性、粘聚性、保水性三个方面。影响因素有水泥浆用量、水泥浆稀稠、砂率及水泥的品种，外加剂的掺入等。坍落度的大小反映了混凝土拌合物的和易性。
（二）混凝土的强度
混凝土的强度有抗压、抗拉、抗弯及抗剪强度等，以抗压强度最大，结构中主要是利用混凝土的抗压强度。
1．混凝土的抗压强度
混凝土抗压强度是把混凝土拌合物做成边长为15cm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度20±3℃，相对湿度95％以上）下，养护到28d进行测定的立方体标准值（以MPa计）的大小。根据抗压强度的大小将混凝土分为不同的强度等级如CIO、C15、C20、C25、C30、C40等。其影响因素有：施工方法及施工质量、水泥强度及水灰比、骨料种类及级配、养护条件及龄期等。
2．混凝土的抗拉强度
混凝土的抗拉强度，一般约为抗压强度的7％～t4％。有抗裂要求的结构，除对混凝土抗压强度有要求外，还需对抗拉强度提出要求。抗拉强度的测定方法有轴心抗拉试验法及劈裂试验法两种。影响因素与影响抗压强度的因素相同。
（三）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗冲磨性、抗侵蚀性等。
1．抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透作用而不破坏的能力。抗渗等级分为：W2、W4、W6、W8、W10等。
2．抗冻性是指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环作用而不严重降低强度的性能。抗冻等级分为：F50、FlO0、F150、F200、F250及F300等。
3．抗冲磨性是指混凝土抵抗高速含砂水流冲刷破坏的能力。
4．抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境水侵蚀的能力。
（四）分区混凝土要求
1．上、下游最高水位以上坝体表层混凝土：主要考虑抗冻因素，在寒冷地区多采用
厚2～3m的抗冻混凝土。
2．上、下游水位变化区的坝体表层混凝土：主要考虑抗冻、抗裂因素，多采用厚3～5m的抗渗、抗冻并具有抗侵蚀性的混凝土。
3．上、下游最低水位以下坝体表层混凝土：主要考虑强度、抗渗、抗裂因素，多采用厚2～3m的抗渗混凝土。
4．坝体内部混凝土：主要考虑低热、抗裂因素。
5．溢流坝、泄水孔、导墙和闸墩等抗冲刷部位的混凝土：主要考虑强度、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀因素。
（五）混凝土的配合比
混凝土配合比是指混凝土中水泥、水、砂及石子材料用量之间的比例关系。常采用的方法有：
（1）以每立方米混凝土中各项材料的重量来表示；
（2）以各项材料间的重量比来表示。
混凝土配合比的设计，实质上就是确定四种材料用量之间的三个对比关系：水灰比、砂率、浆骨比。水灰比表示水泥与水用量之间的对比关系；砂率表示砂与石子用量之间的对比关系；浆骨比是用单位体积混凝土用水量表示，是表示水泥浆与骨料用量之间的对比关系。
（六）骨料
骨料必须坚硬、致密、耐久、无裂隙。
1．混凝土的细骨料：粒径在0。16～5mm之间的骨料。按形成条件分为天然砂、人工砂；按细度模数F•M分为粗砂（F•M＝3．7～3。l）、中砂（F•M＝3．0～2．3）、细砂（F•M＝2．2～1．6）、特细砂（F•M＝1．5～0．7）。骨料中杂质含量不超过《水工混凝土施工规范》（DL／T 5144一⒛01）的规定，如表1F411032－1所示。
2．混凝土的粗骨料：粒径大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。水工混凝土所用的粗骨料一般分为特大石（150～80mm或120～80mm）、大石（80～40mm）、中石（40～20mm）、小石（20～5mm）四级。粗骨料中杂质含量不得超过表1F411032－2的规定。
3．砂、石料的检验：应按产地或料场、品种、规格、批量取样进行检验。不符合质量标准的原材料，采用技术处理措施使用时，应有审批手续。
（七）混凝土的外加剂
为了提高混凝土的性能、节约水泥、加快施工进度、降低工程造价，常在混凝土内加入少量的外加剂。根据《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119―2003），外加剂按其主要功能可分为四类：
l．改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。包括减水剂、引气剂、泵送剂等。
2．调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括速凝剂、早强剂、缓凝剂。
3．改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂等。
4．改善混凝土其他性能的外加剂。包括膨胀剂、防冻剂、防水剂和泵送剂等。
（八）粉煤灰
根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596―2005）的规定，用作混凝土掺合料的粉煤灰必须满足表1F411032－3的技术要求。
根据《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL／T 5055―1996）的规定，粉煤灰取代水泥的最大限量见表1F411032－4。
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