建筑材料是建筑工程的物质基础，其性能直接影响建筑物的安全性、耐久性和经济性。本题库旨在通过简答题形式，帮助学习者系统掌握常见建筑材料的性能特点、应用场景及选择原则。以下内容将围绕水泥、混凝土、钢材、木材、玻璃、沥青及新型材料等核心类别展开，结合具体实例进行详细阐述。

一、 水泥与混凝土材料

1. 水泥的主要性能指标有哪些？其在工程中如何应用？

水泥是混凝土和砂浆的核心胶凝材料，其性能指标主要包括：

  • 强度：通常以抗压强度（如32.5、42.5、52.5等级）衡量，是选择水泥标号的主要依据。例如，高层建筑基础常选用42.5或52.5级普通硅酸盐水泥。
  • 凝结时间：分为初凝和终凝。初凝时间不宜过短（≥45分钟），以保证施工操作时间；终凝时间不宜过长（≤10小时），以加快模板周转。例如，大体积混凝土浇筑需选用初凝时间较长的水泥，以避免冷缝。
  • 安定性：指水泥硬化后体积变化的均匀性，不合格会导致混凝土开裂。通过沸煮法检验，必须合格。
  • 细度：影响水化速度和早期强度，通常以比表面积表示。

应用实例：在道路工程中，常选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因其早期强度高、耐磨性好。而在大坝等大体积混凝土工程中，为减少水化热，常选用低热矿渣水泥或粉煤灰水泥。

2. 混凝土的和易性包括哪些方面？如何改善？

混凝土的和易性（工作性）指拌合物易于搅拌、运输、浇筑和密实的性能，包括流动性、黏聚性和保水性。

  • 流动性：用坍落度或扩展度表示，影响浇筑密实度。例如，泵送混凝土要求坍落度在160-200mm。
  • 黏聚性：防止离析，确保均匀性。
  • 保水性：防止泌水，保证表面质量。

改善方法：

  • 调整水灰比：增加用水量可提高流动性，但过量会降低强度和耐久性。
  • 掺加外加剂：如减水剂（如聚羧酸系）可显著提高流动性而不增加用水量。例如，在泵送混凝土中掺入0.5%-1.0%的高效减水剂，可使坍落度从80mm提升至180mm。
  • 优化骨料级配：连续级配的骨料可减少空隙率，提高黏聚性。
  • 使用矿物掺合料：如粉煤灰、矿渣粉，可改善保水性和后期强度。

实例：某住宅楼板混凝土设计强度C30，要求坍落度120±20mm。通过试验确定配合比：水泥42.5级300kg/m³，粉煤灰80kg/m³，砂率38%，水灰比0.45，掺入0.8%聚羧酸减水剂，实测坍落度130mm，黏聚性良好，无泌水。

3. 混凝土耐久性包括哪些方面？如何提高？

混凝土耐久性指其在环境作用下长期保持性能的能力，主要包括抗渗性、抗冻性、抗碳化性、抗化学侵蚀性等。

  • 抗渗性：抵抗水、油等液体渗透的能力，用抗渗等级（如P6、P8）表示。提高方法：降低水灰比（≤0.50）、掺加引气剂（引入微小气泡阻断渗水通道）、使用防水混凝土。
  • 抗冻性：抵抗冻融循环破坏的能力，用抗冻等级（如F100、F200）表示。提高方法：掺引气剂（含气量4%-6%）、降低水灰比、选用优质骨料。
  • 抗碳化性：抵抗CO₂与Ca(OH)₂反应生成碳酸钙，导致钢筋锈蚀。提高方法：提高混凝土密实度（水灰比≤0.55）、表面涂刷防护层（如环氧树脂）。
  • 抗化学侵蚀：抵抗硫酸盐、酸、碱等侵蚀。提高方法：选用抗硫酸盐水泥、掺矿物掺合料（如矿渣粉）、提高密实度。

实例：某沿海桥梁墩身混凝土，设计抗冻等级F300、抗渗等级P10。配合比采用：水泥42.5级320kg/m³，矿渣粉100kg/m³，砂率36%，水灰比0.40，掺入1.0%引气剂（含气量5.5%），并添加5%硅灰。经测试，28天抗压强度52MPa，抗冻融循环300次后质量损失率%，抗渗性能满足P10要求。

二、 钢材

4. 钢材的主要力学性能指标有哪些？其在结构设计中如何应用？

钢材的力学性能是结构设计的核心依据，主要包括：

  • 屈服强度（ReL）：钢材开始产生明显塑性变形时的应力，是设计强度取值的基础。例如，HRB400钢筋的屈服强度标准值为400MPa，用于梁、柱受力筋。
  • 抗拉强度（Rm）：钢材断裂前的最大应力，反映强度储备。屈强比（ReL/Rm）不宜过大（通常≤0.85），以保证塑性。
  • 伸长率（A）：衡量塑性变形能力，防止脆性破坏。例如，热轧钢筋要求伸长率≥16%（HRB400）。
  • 冲击韧性：抵抗冲击荷载的能力，低温环境下尤为重要。例如，Q345B钢在-20℃时的冲击功≥34J。
  • 冷弯性能：检验钢材在弯曲变形时的塑性，避免脆断。例如，直径20mm的HRB400钢筋需在180°弯心直径4d（80mm）下无裂纹。

应用实例：在钢结构厂房设计中，主梁采用Q345B钢（屈服强度345MPa），次梁采用Q235B钢（屈服强度235MPa）。连接节点采用高强度螺栓（如8.8级），其抗拉强度≥800MPa。设计时需验算强度、稳定性和疲劳强度，确保安全。

5. 钢材的腐蚀与防护措施有哪些？

钢材在潮湿环境中易发生电化学腐蚀，导致截面减小、承载力下降。防护措施包括：

  • 涂层防护：刷防锈漆（如环氧富锌底漆+面漆），适用于室内或干燥环境。例如，钢屋架表面涂刷两道防锈漆，每道干膜厚度≥40μm。
  • 阴极保护：通过外加电流或牺牲阳极（如锌块）保护钢材，适用于地下管道或海洋平台。
  • 合金化：添加铬、镍等元素制成不锈钢（如304不锈钢），耐腐蚀性好，但成本高。例如，沿海建筑的栏杆采用304不锈钢。
  • 混凝土包裹：将钢筋埋入混凝土中，利用混凝土的碱性环境（pH>12）形成钝化膜。这是最常用的方法，但需保证混凝土密实度。

实例：某跨海大桥的钢箱梁，采用“环氧富锌底漆（80μm）+环氧云铁中间漆（100μm）+氟碳面漆（60μm）”的涂层体系，并在关键部位设置锌块牺牲阳极。设计寿命50年，腐蚀速率控制在0.05mm/年以下。

三、 木材与玻璃

6. 木材的优缺点及在建筑中的应用？

木材是天然可再生材料，具有以下特点：

  • 优点：轻质高强（密度约0.5g/cm³，抗拉强度可达100MPa以上）、保温隔热性好（导热系数0.1-0.2W/(m·K)）、加工方便、美观自然。
  • 缺点：各向异性（顺纹强度高，横纹强度低）、易腐朽（受真菌侵蚀）、易燃、尺寸稳定性差（吸湿膨胀、干燥收缩）。

应用实例：

  • 结构用材：胶合木（Glulam）用于大跨度屋架，如体育馆屋顶，跨度可达30m以上。
  • 装饰用材：实木地板、木饰面，如中式风格的室内装修。
  • 复合材料：工程木（如LVL、OSB）用于墙体、楼板，提高利用率和强度。

防护措施：防腐处理（如CCA防腐剂浸渍）、防火处理（如阻燃剂涂刷）、控制含水率（8%-12%）。

7. 玻璃的性能及在建筑中的应用？

玻璃是无机非金属材料，主要性能包括：

  • 透光性：普通玻璃透光率约85%-90%，用于采光。
  • 热工性能：导热系数约0.76W/(m·K)，单层玻璃保温差。中空玻璃（双层或三层）可显著降低传热系数（U值），如Low-E中空玻璃U值可降至1.5W/(m²·K)以下。
  • 安全性：普通玻璃易碎，钢化玻璃（抗冲击强度提高3-5倍）和夹层玻璃（PVB膜粘合）破碎后不飞溅，用于幕墙、门窗。
  • 装饰性：可通过镀膜、彩釉、磨砂等工艺实现多样化效果。

应用实例：

  • 幕墙系统：某写字楼采用单元式玻璃幕墙，玻璃为6+12A+6 Low-E中空钢化玻璃，传热系数1.8W/(m²·K)，遮阳系数0.35，满足节能要求。
  • 室内隔断：采用12mm钢化玻璃，安全美观。

四、 沥青与防水材料

8. 沥青混合料的性能要求及在道路工程中的应用？

沥青混合料是道路面层的主要材料，性能要求包括：

  • 高温稳定性：抵抗车辙变形，用动稳定度（DS）衡量，高速公路要求DS≥2800次/mm。
  • 低温抗裂性：抵抗温度收缩裂缝，用弯曲试验的破坏应变衡量。
  • 水稳定性：抵抗水损害，用浸水马歇尔试验残留稳定度（≥85%）和冻融劈裂强度比（≥80%）衡量。
  • 耐久性：抗老化性能，通过薄膜加热试验（TFOT）后质量损失率≤1.0%。

应用实例：

  • 高速公路面层：采用改性沥青SMA-13（沥青玛蹄脂碎石），掺入4% SBS改性剂，动稳定度达4500次/mm，抗车辙性能优异。
  • 城市道路：采用普通沥青AC-13，成本较低，适用于轻交通道路。

9. 常见防水材料有哪些？其性能特点如何？

防水材料用于防止水渗透，常见类型包括：

  • 卷材类：SBS改性沥青防水卷材（耐低温-25℃，适用于北方）、APP改性沥青防水卷材（耐高温110℃，适用于南方）、高分子卷材（如PVC、EPDM，耐老化性好）。
  • 涂料类：聚氨酯防水涂料（弹性好，适用于复杂基层）、聚合物水泥基防水涂料（JS涂料，环保，适用于潮湿基层）。
  • 密封材料：硅酮密封胶（耐候性好，用于幕墙接缝）、聚硫密封胶（用于变形缝）。

应用实例：某地下室底板防水采用“SBS改性沥青卷材（3mm厚）+聚氨酯涂料（2mm厚）”的复合防水体系，卷材满粘，涂料涂刷均匀，确保无渗漏。

五、 新型建筑材料

10. 什么是高性能混凝土（HPC）？其性能特点及应用？

高性能混凝土（HPC）是通过优化配合比设计，具有高强度、高耐久性和高工作性的混凝土。

  • 性能特点：抗压强度≥60MPa，低水胶比（≤0.38），掺加矿物掺合料（硅灰、矿渣粉）和高效减水剂，抗渗性、抗冻性优异。
  • 应用：高层建筑核心筒、大跨度桥梁、海洋工程。例如，上海中心大厦核心筒采用C60高性能混凝土，泵送高度达632米。

11. 绿色建筑材料有哪些？其环保优势如何？

绿色建筑材料指在全生命周期内对环境影响小、资源消耗少的材料，包括：

  • 再生材料：再生骨料混凝土（利用建筑垃圾破碎制成骨料），可减少天然资源消耗。例如，某项目使用30%再生骨料，节约天然砂石20%。
  • 节能材料：相变储能材料（如石蜡微胶囊），用于墙体保温，调节室内温度。
  • 低环境影响材料：竹材（生长快、固碳能力强）、秸秆板（利用农业废弃物）。

环保优势：减少碳排放、降低能耗、促进资源循环。例如，使用粉煤灰混凝土可减少水泥用量，每立方米混凝土减少CO₂排放约100kg。

六、 综合应用题

12. 如何根据工程环境选择合适的建筑材料？举例说明。

选择材料需综合考虑环境条件、功能要求、经济性和可持续性。

  • 步骤：
    1. 分析环境：如沿海地区（高湿度、盐雾）、寒冷地区（冻融循环）、地震区（高韧性）。
    2. 确定性能要求：如强度、耐久性、保温性。
    3. 材料比选：列出候选材料，评估性能、成本、施工性。
    4. 验证与调整：通过试验或模拟验证。

实例：某北方寒冷地区住宅外墙保温系统选择：

  • 环境：冬季严寒（最低-30℃），冻融频繁。
  • 要求：保温性好（传热系数≤0.3W/(m²·K)）、抗冻融、耐久性≥25年。
  • 比选：
    • 方案A：EPS板（聚苯乙烯）+薄抹灰，成本低，但抗冻性一般。
    • 方案B：岩棉板（矿物纤维），防火A级，抗冻性好，但成本高。
    • 方案C：石墨聚苯板（改性EPS），保温性更好，成本适中。
  • 选择：采用方案C（石墨聚苯板，厚度100mm），配合抗裂砂浆和耐碱玻纤网，传热系数0.28W/(m²·K)，通过冻融试验（300次循环）无损坏。

13. 混凝土配合比设计的基本步骤是什么？以C30泵送混凝土为例说明。

混凝土配合比设计遵循“绝对体积法”或“质量法”，基本步骤：

  1. 确定设计参数：强度等级C30，坍落度160±20mm，泵送施工。
  2. 选择原材料：水泥42.5级普通硅酸盐水泥，砂（中砂，细度模数2.6），碎石（5-25mm连续级配），水，外加剂（聚羧酸减水剂）。
  3. 计算水灰比：根据强度公式（fcu,0=αa·fce·(C/W-αb)），取αa=0.46，αb=0.07，fce=1.10×42.5=46.75MPa，计算得W/C=0.48。
  4. 确定用水量：根据坍落度和骨料最大粒径，查表得用水量mwo=210kg/m³。
  5. 计算水泥用量：mco=mwo/(W/C)=210⁄0.48=437.5kg/m³，取440kg/m³。
  6. 确定砂率：根据水灰比和骨料最大粒径，查表得砂率βs=41%。
  7. 计算砂石用量：采用绝对体积法，设砂用量mso，石用量mgo，有： mco/ρc + mso/ρs + mgo/ρg + mwo/ρw + 0.01α=1 其中ρc=3.10g/cm³，ρs=2.65g/cm³，ρg=2.70g/cm³，ρw=1.00g/cm³，α=1%（含气量）。 代入得：440/3.10 + mso/2.65 + mgo/2.70 + 210⁄1.00 + 0.01=1 解得：mso=685kg/m³，mgo=980kg/m³。
  8. 调整外加剂：减水剂掺量0.8%，用量3.52kg/m³。
  9. 试配与调整：制作试件，测试28天强度、坍落度，根据结果微调。

最终配合比（kg/m³）：水泥440，水210，砂685，石980，减水剂3.52。实测坍落度165mm，28天强度38MPa，满足C30要求。

七、 总结

本题库涵盖了建筑材料的主要类别，通过简答题形式系统梳理了性能、应用及选择要点。学习者应结合工程实践，深入理解材料特性，灵活应用。建议通过案例分析、试验操作加深理解，为实际工程设计与施工奠定坚实基础。