水利建筑材料是水利工程的物质基础，其性能的优劣直接关系到工程的质量、耐久性和安全性。在备考过程中，系统地掌握核心考点，并能将理论知识应用于实际工程问题的分析，是取得高分的关键。本文将为你详细梳理水利建筑材料的核心考点，并深入解析常见的工程问题，助你高效备考。

一、 核心考点总结

1. 材料的基本物理性质

这是理解所有水利建筑材料的基础，必须熟练掌握。

  • 密度、表观密度与堆积密度

    • 密度 (Density)：指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。计算公式为：ρ = m / V，其中 m 为材料的质量（干燥状态），V 为材料的绝对密实体积（不包括内部孔隙）。对于致密材料，如钢材、玻璃，密度是一个常数。
    • 表观密度 (Apparent Density)：指材料在自然状态下，单位体积的质量。计算公式为：ρ₀ = m / V₀，其中 V₀ 为材料的自然体积（包括内部闭口孔隙，但不包括开口孔隙）。对于石材、木材等，表观密度是一个重要指标。
    • 堆积密度 (Bulk Density)：指散粒状材料（如砂、石子）在堆积状态下，单位体积的质量。计算公式为：ρ’₀ = m / V’₀，其中 V’₀ 为材料的堆积体积（包括颗粒内部的孔隙和颗粒之间的空隙）。堆积密度直接影响混凝土配合比设计中的砂石用量计算。

  • 孔隙率与空隙率

    • 孔隙率 (Porosity)：指材料内部孔隙的体积占材料自然体积的百分比。计算公式为：P = (1 - ρ₀ / ρ) × 100%。孔隙率是影响材料强度、吸水性、导热性和耐久性的关键指标。例如，砖的孔隙率高，则强度低，吸水率大，抗冻性差。
    • 空隙率 (Void Ratio)：指散粒状材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分比。计算公式为：P’ = (1 - ρ’₀ / ρ₀) × 100%。空隙率是混凝土配合比设计中确定砂率（砂占砂石总重的百分比）的重要依据。空隙率小，说明骨料级配良好，可以节约水泥浆体。

  • 亲水性与憎水性

    • 当材料分子与水分子间的相互作用力（附着力）大于水分子间的内聚力时，材料表现为亲水性，如混凝土、砖、木材等。亲水性材料能被水润湿。
    • 当材料分子与水分子间的相互作用力小于水分子间的内聚力时，材料表现为憎水性，如沥青、石蜡、塑料等。憎水性材料可作为防水材料。

  • 吸水性与吸湿性

    • 吸水性 (Water Absorption)：指材料在水中能吸收水分的性质。用质量吸水率 Wₘ 或体积吸水率 Wᵥ 表示。Wₘ = (m湿 - m干) / m干 × 100%。吸水会使材料的表观密度增大，导热性增强，强度和耐久性下降。
    • 吸湿性 (Moisture Absorption)：指材料在潮湿空气中吸收水蒸气的性质。用含水率表示。材料的含水率会随环境湿度的变化而变化，当与空气湿度达到平衡时，称为平衡含水率。木材的干缩湿胀变形就是由吸湿性引起的。

  • 耐水性 (Water Resistance)

    • 指材料在长期饱和水作用下，其强度不显著降低的性质。用软化系数 (K软) 表示。K软 = f饱 / f干，其中 f饱 为材料在吸水饱和状态下的抗压强度，f干 为材料在干燥状态下的抗压强度。
    • K软 是衡量材料耐水性的重要指标。K软 越大，耐水性越好。一般认为 K软 > 0.85 的材料为耐水性材料，可用于潮湿或水下环境。例如，用于基础、水工建筑物的材料，其软化系数不得低于0.8。

  • 抗渗性 (Impermeability)

    • 指材料抵抗压力水渗透的性质。对于混凝土和砂浆，常用抗渗等级 (P) 表示，如 P4、P6、P8 等，表示材料能承受 0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa 的水压而不渗透。对于沥青等防水材料，则用渗透系数表示。
    • 抗渗性是水工混凝土（如大坝坝体、水池）的核心要求。

  • 抗冻性 (Frost Resistance)

    • 指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，且强度不显著降低的性质。用抗冻等级 (F) 表示，如 F50、F100、F200 等，表示材料能承受 50、100、200 次冻融循环。
    • 抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、吸水率及强度密切相关。孔隙率小、闭口孔隙多、吸水率低、强度高的材料，抗冻性好。

2. 气硬性胶凝材料

这类材料只能在空气中硬化，并保持和发展强度。

  • 石灰 (Lime)

    • 成分：主要成分为氧化钙 (CaO) 和氢氧化钙 (Ca(OH)₂)。
    • 特性：
      1. 保水性、可塑性好：易于施工。
      2. 凝结硬化慢、强度低：不适用于重要结构。
      3. 体积收缩大：石灰浆体硬化过程中水分蒸发，导致体积收缩显著，易开裂，常掺入砂、麻刀等减少收缩。
      4. 耐水性差：Ca(OH)₂ 易溶于水，所以石灰不宜用于潮湿环境或水下工程。
    • 应用：拌制石灰砂浆、石灰土（灰土），用于室内抹灰、砌筑，以及硅酸盐制品的原料。

  • 石膏 (Gypsum)

    • 成分：主要成分为硫酸钙 (CaSO₄)。
    • 特性：
      1. 凝结硬化快：几分钟内即可初凝，便于快速施工。
      2. 硬化后体积微膨胀：硬化时体积略有膨胀，填充模型效果好，表面光滑饱满，不开裂。
      3. 孔隙率大、表观密度小、保温隔热性好。
      4. 耐水性、抗冻性差：石膏是气硬性材料，吸水后强度会显著降低。
    • 应用：建筑石膏主要用于室内抹灰、制作石膏板、装饰制品等。高强石膏用于制作模型、医疗模具等。

3. 水硬性胶凝材料——水泥

水泥是水利工程建设中用量最大、最重要的材料。

  • 通用硅酸盐水泥

    • 定义：由硅酸盐水泥熟料、0~5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
    • 主要矿物成分及其水化特性：
      • 硅酸三钙 (C₃S)：水化速度快，早期强度高，水化热大。
      • 硅酸二钙 (C₂S)：水化速度慢，早期强度低，后期强度高，水化热小。
      • 铝酸三钙 (C₃A)：水化速度极快，强度发展很快但不高，水化热最大，干缩大。
      • 铁铝酸四钙 (C₄AF)：水化速度较快，强度低，但能促进硅酸三钙的形成。
    • 水泥石的腐蚀与防治：
      • 软水侵蚀（溶出性侵蚀）：水泥石中的 Ca(OH)₂ 在软水（如雨水、蒸馏水）中会溶解流失，导致结构破坏。防治方法：提高水泥石的密实度，或采用掺混合材料的水泥。
      • 硫酸盐侵蚀：环境中的 SO₄²⁻ 与水泥石中的 Ca(OH)₂ 反应生成钙矾石，体积膨胀导致开裂。防治方法：选用抗硫酸盐水泥，提高水泥石密实度。
      • 酸类侵蚀：酸性介质与 Ca(OH)₂ 反应，使水泥石结构破坏。防治方法：提高密实度，或采用耐酸水泥、沥青等做保护层。
      • 强碱侵蚀：高浓度强碱会使水泥石中的铝酸盐水化物分解，导致强度下降。

  • 掺混合材料的水泥

    • 矿渣水泥：抗腐蚀性好，耐热性好，水化热低，但早期强度低，抗冻性差。适用于大体积混凝土（如大坝）和有抗腐蚀要求的工程。
    • 火山灰水泥：抗渗性好，抗腐蚀性好，水化热低，但干缩大，抗冻性差。适用于有抗渗要求的工程。
    • 粉煤灰水泥：干缩小，抗裂性好，水化热低，和易性好。适用于大体积混凝土、泵送混凝土及有抗裂要求的工程。

4. 混凝土

混凝土是由胶凝材料、水、粗细骨料按适当比例配制，经硬化而成的人造石材。

  • 组成材料的技术要求

    • 水泥：根据工程特点和环境条件选择合适的水泥品种和强度等级。
    • 骨料 (Aggregate)：
      • 细骨料 (砂)：要求级配良好，含泥量、泥块含量、有害物质含量不超标。砂的粗细程度用细度模数表示。
      • 粗骨料 (石子)：要求颗粒级配良好，针片状颗粒含量、含泥量、压碎指标等满足要求。最大粒径不宜超过结构截面最小尺寸的1/4，且不宜超过钢筋最小净距的3/4。
    • 水：拌合用水要求洁净，不得含有影响水泥正常凝结和硬化的有害杂质，一般要求与饮用水相当。
    • 外加剂：在混凝土拌合物中掺入的，能显著改善混凝土性能的物质。
      • 减水剂：在保持和易性不变的情况下，显著减少拌合用水量，提高强度和耐久性。是应用最广的外加剂。
      • 缓凝剂：延缓凝结时间，适用于大体积混凝土、夏季施工。
      • 早强剂：提高早期强度，适用于冬季施工、抢修工程。
      • 引气剂：引入微小气泡，改善和易性，显著提高抗冻性和抗渗性。

  • 混凝土的技术性质

    • 和易性 (Workability)：指混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、振捣）并能获得质量均匀、成型密实的性能。包括流动性、黏聚性和保水性三方面含义。
      • 坍落度：是衡量流动性的主要指标。坍落度越大，流动性越好。
      • 影响和易性的主要因素：水泥浆用量、水胶比、砂率、水泥品种、骨料性质、外加剂、温度和时间等。
    • 强度 (Strength)：混凝土的抗压强度是其最重要的力学性能指标。
      • 立方体抗压强度标准值 (f_cuk)：按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试块，在28d龄期，用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%。单位为MPa。
      • 影响强度的主要因素：
        1. 水胶比 (W/B)：是决定强度的最关键因素。在原材料一定的情况下，水胶比越小，强度越高。
        2. 水泥强度等级：水泥强度等级越高，配制的混凝土强度越高。
        3. 骨料：骨料的强度、表面特征、级配等。
        4. 养护条件：温度、湿度对强度发展至关重要。标准养护条件为（20±3）℃，相对湿度95%以上。
        5. 龄期：强度随龄期增长，早期增长快，后期增长慢。
        6. 施工质量：搅拌、运输、浇筑、振捣的均匀密实程度。
    • 耐久性 (Durability)：指混凝土在长期使用过程中，抵抗环境介质作用并保持其使用性能的能力。主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化、碱骨料反应等。
      • 提高耐久性的措施：
        1. 合理选择水泥品种。
        2. 控制水胶比和水泥用量（最大水胶比和最小水泥用量限制）。
        3. 选用质量良好的骨料，并注意碱骨料反应。
        4. 掺入引气剂、减水剂等外加剂。
        5. 改善施工工艺，保证密实成型和充分养护。

5. 建筑钢材

  • 力学性能

    • 拉伸性能：是钢材最重要的性能。包括屈服强度 (σs)、抗拉强度 (σb) 和伸长率 (δ)。屈服强度是结构设计中强度取值的依据。伸长率是衡量钢材塑性好坏的指标。
    • 冲击韧性：指钢材抵抗冲击荷载的能力。温度降低，冲击韧性会下降，存在脆性转变温度。
    • 硬度：指钢材抵抗其他更硬物体压入的能力。
    • 耐疲劳性：指钢材在交变荷载作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂的性质。

  • 工艺性能

    • 冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。是衡量钢材塑性及质量优劣的重要指标。
    • 可焊性：指钢材在焊接工艺条件下，能获得良好焊接接头的性能。

  • 钢材的化学成分影响

    • 碳 ©：含碳量增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降，可焊性变差。
    • 硅 (Si)、锰 (Mn)：有益元素，能提高强度。
    • 硫 (S)、磷 (P)：有害元素。硫引起热脆性，磷引起冷脆性。

二、 常见工程问题解析

问题1：大体积混凝土（如重力坝）为何容易产生温度裂缝？应采取哪些措施来防治？

问题解析： 大体积混凝土的特点是体形巨大、水泥用量多、水化热集中。在硬化过程中，水泥水化产生大量热量，导致混凝土内部温度急剧升高。而混凝土外部散热快，温度较低，这样就形成了内热外冷的局面。内部混凝土膨胀受到外部混凝土的约束，产生压应力；外部混凝土则受到内部混凝土的拉伸，产生拉应力。当这种温度应力超过混凝土当时的抗拉强度时，就会产生裂缝。

防治措施：

  1. 优化混凝土配合比：
    • 采用低水化热水泥：如矿渣水泥、粉煤灰水泥。
    • 掺加粉煤灰、矿渣粉等掺合料：替代部分水泥，降低水化热，同时改善混凝土的和易性与后期强度。
    • 掺加缓凝减水剂：延缓水化热释放速度，降低峰值温度。
    • 增大骨料粒径：减少水泥浆用量，从而降低水化热。
  2. 降低混凝土入模温度：
    • 在夏季对骨料堆进行遮阳、洒水降温。
    • 使用低温水或冰水拌合。
    • 避免在高温时段浇筑。
  3. 改善施工工艺：
    • 分层分块浇筑：将大体积混凝土分成若干单元，分层浇筑，利于散热。
    • 采用后浇带或施工缝：释放部分约束应力。
    • 加强振捣：提高混凝土的密实度和均匀性。
  4. 加强养护与温度控制：
    • 保温保湿养护：在混凝土表面覆盖保温材料（如草帘、塑料薄膜、保温板），减小内外温差，控制降温速度。通常要求内外温差不超过25℃，降温速度不超过2℃/d。
    • 预埋冷却水管：在混凝土内部埋设水管，通入循环冷水，强制带走内部热量，降低内部峰值温度。

问题2：某水利工程使用一年后，部分混凝土表面出现粉化、剥落现象，试分析其可能原因。

问题解析： 这种现象通常是混凝土碳化或保护层厚度不足导致的钢筋锈蚀，也可能是水泥安定性不良或碱骨料反应的早期表现。

  1. 混凝土碳化 (Carbonation)：

    • 机理：空气中的二氧化碳 (CO₂) 与水泥石中的氢氧化钙 (Ca(OH)₂) 反应，生成碳酸钙 (CaCO₃) 和水。这个过程称为碳化。碳化会使混凝土的pH值从12~13降至8~9。
    • 影响：混凝土碳化本身会增加其硬度和密实度，但最大的危害是破坏钢筋的钝化膜。当pH值降低后，钢筋表面的钝化膜（保护层）被破坏，在有水和氧气的条件下，钢筋开始锈蚀。铁锈的体积是原钢筋体积的2~4倍，会产生巨大的膨胀力，导致混凝土保护层开裂、剥落。
    • 原因分析：该工程可能使用了普通硅酸盐水泥，其抗碳化能力相对较弱；或者混凝土水胶比过大，导致内部孔隙多，CO₂易于侵入；或者养护不当，导致表面疏松多孔；或者保护层厚度不足，CO₂很快到达钢筋表面。

  2. 水泥安定性不良：

    • 机理：水泥中游离的氧化钙 (f-CaO) 或氧化镁 (f-MgO) 含量过高，它们在水泥硬化后才缓慢水化，体积膨胀，导致已硬化的混凝土产生不均匀的体积变化，引起开裂、剥落。
    • 原因分析：使用了不合格的水泥。

  3. 碱骨料反应 (Alkali-Aggregate Reaction, AAR)：

    • 机理：水泥中的碱 (Na₂O, K₂O) 与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，生成具有吸水膨胀特性的凝胶体。凝胶体吸水后体积膨胀，导致混凝土内部产生巨大的膨胀应力，使混凝土开裂、剥落，表面出现网状裂缝和白色渗出物。
    • 原因分析：同时使用了高碱水泥和活性骨料（如蛋白石、玉髓、流纹岩等）。

综合判断与处理建议： 首先应进行现场检测，如酚酞试剂法检测碳化深度，取芯样进行微观分析判断是否存在碱骨料反应。根据具体原因采取相应措施，如对碳化严重的部位进行凿除、除锈、用高标号砂浆或环氧砂浆修补；对于碱骨料反应，则需从根本上杜绝，对已建工程处理困难，主要在于预防。

问题3：在混凝土中掺入减水剂，有哪些技术经济效益？

问题解析： 减水剂是目前应用最广泛、效果最显著的外加剂，其技术经济效益主要体现在以下几个方面：

  1. 在保持和易性不变的情况下，显著减少拌合用水量：

    • 提高强度：水胶比是决定混凝土强度的关键。减水剂能减少10%~25%的用水量，相应地降低了水胶比，从而使混凝土强度提高15%~30%，特别是早期强度提高更显著。
    • 提高耐久性：用水量减少，混凝土内部的毛细孔隙和连通孔隙减少，密实度提高，从而显著提高抗渗性、抗冻性和抗化学侵蚀能力。
    • 节约水泥：在保持强度和和易性不变的情况下，减少用水量的同时可以相应减少水泥用量（约10%~20%），从而降低工程成本。

  2. 在保持水胶比不变的情况下，显著增加流动性：

    • 改善和易性：坍落度可增加100~200mm，便于泵送、浇筑，尤其适用于钢筋密集、形状复杂的结构。
    • 提高施工效率：减少振捣时间，加快施工进度。

  3. 延缓或加速凝结时间：

    • 缓凝型减水剂可延缓水化热释放，适用于大体积混凝土和夏季高温施工。
    • 早强型减水剂可显著提高早期强度，适用于冬季施工和抢修工程。

  4. 减少收缩：

    • 部分高性能减水剂（如聚羧酸系）能有效减少混凝土的收缩，提高抗裂性能。

举例说明： 某C30混凝土原配合比为：水泥350kg/m³，水195kg/m³，砂680kg/m³，石子1175kg/m³，坍落度为50mm。 掺入0.8%的萘系减水剂后，保持坍落度50mm不变，用水量可减少至165kg/m³，水泥用量可减少至320kg/m³。此时水胶比由0.56降至0.52，28d强度可由30MPa提高到38MPa以上，且耐久性更好。若保持水胶比不变，用水量和水泥用量不变，则坍落度可增至150mm以上，极大地方便了施工。

三、 高效备考策略

  1. 构建知识框架：以材料的“性质-应用-问题”为主线，将零散的知识点串联起来。例如，学习水泥时，要将“矿物组成-水化特性-技术性质-腐蚀与防治-工程应用”联系起来。
  2. 对比记忆：将相似或相反的概念进行对比。例如，对比气硬性材料与水硬性材料；对比矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的异同；对比亲水性与憎水性。
  3. 理论联系实际：多思考教材中的理论知识在实际水利工程中是如何体现的。例如，大坝为何要用低热水泥？水池为何要特别关注抗渗性？通过实际案例加深理解。
  4. 抓住关键指标：对于每种材料，都要抓住其最核心的技术指标。例如，水泥的强度和安定性，混凝土的强度、和易性和耐久性，钢材的屈服强度和伸长率。
  5. 多做练习题：通过做题检验自己对知识点的掌握程度，特别是计算题（如孔隙率、配合比计算）和分析题（如工程问题分析），要理清解题思路。

通过以上对核心考点的系统梳理和对常见工程问题的深入解析，相信你对水利建筑材料这门课程有了更清晰的认识。在最后的备考阶段，希望你能抓住重点，攻克难点，做到融会贯通，预祝你在考试中取得优异的成绩！