第1章土木工程材料的基本性質

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第一章、土木工程材料的基本性質1、材料的基本物理性質2、材料的力學性質3、材料與水有關的性質4、材料的熱性質5、材料的耐久性CompanyLogo 一、材料的基本物理性質1、材料的密度、表觀密度和堆積密度（1）密度:材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。公式：單位：g/cm3。式中ρ－密度（g/cm3）m－材料的質量（g）V－材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）CompanyLogo 實際密度的測量絕對密實狀態(tài)下的體積－是指不包括材料任何孔隙在內的體積。實際密度的測量：1）對近于絕對密實的材料：金屬、玻璃等可以量測幾何體積－稱重－代入公式2）對有孔隙的材料：磚、混凝土、石材等可以磨成細粉－李氏比重瓶法測試CompanyLogo 李氏比重瓶CompanyLogo （2）表觀密度（容重）－材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。單位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρo－表觀密度（g/cm3）m－材料的質量（g）Vo－材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）CompanyLogo 表觀密度的測量自然狀態(tài)下的體積－是指包含材料內部孔隙在內的體積。材料內部孔隙含有水分時，其質量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況。表觀密度的測量：1）對形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土、石材烘干－量測幾何體積－稱重－代入公式2）對形狀不規(guī)則的材料：（為什么要用蠟密封？）烘干－蠟封－浮力天平CompanyLogo （3）堆積密度（松散容重）－散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質量。單位g/cm3或kg/m3公式：式中－堆積密度（g/cm3）m－材料的質量（g）－材料的堆積體積（cm3）CompanyLogo 堆積密度的測量堆積體積－是指包含顆粒內部孔隙和顆粒之間的空隙在內的體積。堆積密度的測量：1）容器法：散粒材料裝入容器－量測體積－稱凈重－代入公式2）自然堆積法：堆積成一定形狀－量測幾何體積－稱重－代入公式CompanyLogo （1）孔隙率－指材料體積內，孔隙體積與總體積之比。直接反映材料的致密程度。公式孔結構－孔隙率＋孔徑尺寸＋開口形狀影響材料的：強度、吸水性、耐久性、導熱性2、材料的孔隙率和密實度CompanyLogo 孔隙的類型：孤立孔、連通孔、開口孔隙、閉口孔隙開口孔隙率為開口孔隙體積占材料總體積的比率。閉口孔隙率為閉口孔隙體積占材料總體積的比率。。CompanyLogo 孔隙的影響一般隨材料內部孔隙的增加，表現為：表觀密度↓；強度↓、耐磨性↓；抗凍性↓、抗?jié)B性↓、耐水性↓、耐腐蝕性↓、其它耐久性↓；吸水性↑、吸濕性↑；保溫性↑；CompanyLogo （2）材料的密實度：指材料體積內被固體物質所充實的程度。反映材料的致密程度。公式孔隙率與密實度的關系P+D=1CompanyLogo 例題：已知一塊狀材料在干燥狀態(tài)下質量為120g，自然狀態(tài)下的體積為40cm3，絕對密度體積35cm3求這材的密度、表觀密度、密實度、孔隙率。CompanyLogo 3、材料的填充率和空隙率（1）填充率－指散粒材料在某容器的堆積體積中，被其顆粒填充的程度。反映散粒材料堆積的致密程度。公式CompanyLogo （2）空隙率－散粒材料在某容器的堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占總體積的比率。公式空隙率與填充率的關系CompanyLogo 二、材料的力學性質1、強度和比強度強度－材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。依受力形式有：抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度;抗剪強度等CompanyLogo 材料的抗壓、抗拉、抗剪強度可直接由下式計算：式中f——材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa；P——材料破壞時的最大荷載，N；　A——受力截面面積，mm2。CompanyLogo 對于抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算：CompanyLogo 若在此試件跨距的三分點上加兩個相等的集中荷載（P/2），抗彎強度按下式計算：式中——材料的抗彎（抗折）強度，MPa；　?。燩——材料破壞時的最大荷載,N；b，h——試件橫截面的寬和高，mm。影響材料強度的因素：孔隙率、表觀密度、含水狀態(tài)、溫度情況CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 數顯陶瓷磚抗折儀(抗折機)CompanyLogo 強度等級與比強度建筑材料常根據極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號?；炷涟纯箟簭姸葎澐譃镃15～C80水泥按抗壓和抗拉強度劃分為32.5~62.5砂漿按抗壓強度劃分為M2.5～M20六個等級CompanyLogo 比強度反映材料輕質高強的力學參數是比強度，比強度是指按單位體積質量計算的材料強度，即材料的強度與其表觀密度之比（f/ρ0）。幾種主要材料的比強度材料表觀密度/(kg/m3)強度/MPa比強度低碳鋼78504200.054普通混凝土（抗壓）2400400.017松木（順紋抗拉）5001000.200玻璃鋼20004500.225燒結普通磚（抗壓）1700100.006CompanyLogo 2、材料的彈性與塑性彈性－材料在外力的作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質。彈性模量E=σ/ε塑性－材料在外力的作用下產生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質。實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。CompanyLogo 彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。材料的彈性變形（a）和塑性變形（b）曲線CompanyLogo 3、材料的脆性與韌性脆性－在外力作用下，當外力達到一定限度后，材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質。具有脆性性質的材料稱脆性材料。特點：脆性材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，可高達數倍甚至數十倍。CompanyLogo 韌性－在沖擊、震動荷載的作用下，材料承受很大的變形也不致破壞的性能稱為韌性。具有韌性性質的材料稱韌性材料。在建筑工程中，對于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結構，材料均應具有較高的韌性。CompanyLogo 4、材料的硬度與耐磨性硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。一般情況下，硬度大的材料強度高、耐磨性較強，但不易加工。所以，工程中有時用硬度來間接推算材料的強度。CompanyLogo 耐磨性耐磨性是材料具有一定的抵抗磨損的能力，常用磨損率（B）表示：式中：m1、m2——試件被磨損前、后的質量（g）；A——試件受磨損的面積（cm2）。CompanyLogo 路面磨損裂紋經過幾年的使用，某水泥混凝土路面出現露石現象。出現露石的路面CompanyLogo 三、材料與水有關的性質1、親水性與憎水性材料在空氣中與水接觸時，根據其是否能被水潤濕，將材料分為親水性和憎水性兩大類。常用潤濕角θ表示。CompanyLogo 哪些是親水材料？哪些是憎水材料？親水性材料θ≤90°憎水性材料θ＞90°CompanyLogo 親水性：自潔凈玻璃具有超親水性，膜層受紫外光激發(fā)后，對水的接觸角減少到5度以下（普通玻璃對水的接觸角約為46度），甚至可以達到0度，使水鋪展在玻璃表面上并把污物帶走，水在玻璃表面形成水幕，水滴和水痕降最少。???通常，自然的雨水就能夠使自潔凈玻璃保持清潔。若氣候干旱，只需要用自來水沖洗也可以起到同樣的清潔作用。自潔凈玻璃CompanyLogo 自清潔功能：利用太陽中的能量和雨水的沖刷，依靠高降解率使玻璃自動清潔。同時可以減少人工清潔的次數和費用。CompanyLogo 2、吸水性2、吸水性－材料在浸水情況下吸入水分的能力。用吸水率表示。吸水率包括：質量吸水率、體積吸水率。質量吸水率公式式中W質－材料的質量吸水率（％）m濕－材料吸水飽和后的質量（％）m干－材料烘干到恒重的質量（％）CompanyLogo 體積吸水率：輕質多孔的材料，質量吸水率超過100%的情況下，用體積吸水率。CompanyLogo 吸水性對材料性能的影響：材料吸水后，對材料的性能一般會產生不利的影響。材料吸水性與材料的哪些性質有關系？材料吸水性與材料是否親水、材料孔隙特征等有關。材料孔隙結構一定時，孔隙率越大，吸水性越強CompanyLogo 3、吸濕性－材料在空氣中吸收空氣中水分的性質。用含水率表示。公式式中W含－材料的質量含水率（％）m濕－材料含水時的質量（％）m干－材料烘干到恒重的質量（％）3、吸濕性CompanyLogo 影響含水率大小的因素：材料的本性－親水性或憎水性材料環(huán)境溫度、濕度－氣溫越低，相對濕度越大，材料的含水率越高吸濕性對材料的影響：導熱性增大、熱阻降低－對圍護結構材料不利體積膨脹－對木結構和木制品不利濕脹干縮－與周圍環(huán)境平衡的平衡含水率CompanyLogo 4、耐水性－材料長期在飽和水作用下不破壞，其強度也不顯著降低的性質。用軟化系數表示。公式式中K軟－材料的軟化系數（K軟＝0～1）f飽－材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）f干－材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）4、耐水性CompanyLogo 材料軟化系數的要求材料軟化系數的要求軟化系數越小，說明材料吸水飽和后的強度降低越多，其耐水性越差。對經常處于水中或受潮嚴重的重要結構物（如地下構筑物、基礎、水工結構）的材料，其K軟≥0.85；K軟≥0.85的材料，一般稱為耐水的材料。CompanyLogo 磚浸水后強度下降某地發(fā)生歷史罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見圖。請分析原因。未燒透的紅磚CompanyLogo 5、抗?jié)B性－材料抵抗有壓介質（水、油、氣）滲透的性質稱抗?jié)B性。用滲透系數K表示。式中Ks——材料的滲透系數,cm／h；Q——滲透水量,cm3；d——材料的厚度,cm；A——滲水面積,cm2；t——滲水時間,h；H——靜水壓力水頭,cm。5、抗?jié)B性CompanyLogo 抗?jié)B試驗就是對試件定時逐級加壓，即從0.1MPa開始，每隔8h增加0.1MPa，直至6個試件中有3個端面滲水為止。CompanyLogo 6、材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質稱為抗凍性。6、抗凍性材料受凍破壞的原因：材料孔隙內的水受凍結冰時體積膨脹，產生膨脹應力凍融時產生的溫差應力，對孔壁造成很大的靜水壓力，對材料造成破壞。CompanyLogo 混凝土抗凍性一般以抗凍等級表示?？箖龅燃壥遣捎谬g期28ｄ的試塊在吸水飽和后，承受反復凍融循環(huán)，以抗壓強度下降不超過25％，而且質量損失不超過５％時所能承受的最大凍融循環(huán)次數來確定的?；炷羷澐譃橐韵驴箖龅燃墸海?0、F15、F25、F50、F150、F200、F250、F300等九個等級，分別表示混凝土能夠承受反復凍融循環(huán)次數為10、25、25、50、100、150、200、250和300次。CompanyLogo 四、材料的熱性質1、導熱性導熱性當材料兩側存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側、通過材料傳遞到溫度低的一側，材料的這種傳導熱量的能力，稱為導熱性。材料的導熱性可用導熱系數來表示。CompanyLogo 式中λ——材料的導熱系數，w/（m·K）；Q——傳導的熱量，J；a——材料的厚度，m；A——材料傳熱的面積，m2；Z——傳熱時間，h；　?。╰1-t2）——材料兩側溫度差，K。　　材料的導熱系數愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料的導熱系數差別很大，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料。CompanyLogo 常用土木工程材料的熱工性質指標CompanyLogo 2、熱容量與比熱容熱容量：指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質，可用下式表示：式中Q——材料的熱容量，kJ；m——材料的重量，kg；t1-t2——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K；C——材料的比熱，kJ／(kg·K)。CompanyLogo 材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。用公式表示為式中，C、Q、m、（t1-t2）意義同前。材料的導熱系數和熱容量是設計建筑物圍護結構（墻體、屋蓋）進行熱工計算時的重要參數，CompanyLogo 3、溫度變形性溫度變形性：指材料在溫度升高或降低時其體積的變化。一般用線彭脹系數表示。α-線彭脹系數，1/K；△L—材料的線膨脹或線收縮量，mm；L—材料的原來長度，mm；t2-t1—材料的升溫或降溫前后的溫度差，K；CompanyLogo 4、耐燃性耐燃性：指材料抵抗燃燒的性質。耐燃性是影響建筑物防火和耐火等級的重要因素。根據燃燒性質的不同可分為：非燃燒材料、難燃燒材料、可燃燒材料、易燃燒材料。CompanyLogo 五、材料的耐久性材料的耐久性是指：用于構筑物的材料在長期使用過程中，能抵抗周圍各種介質的侵蝕而保持其原有性能不變質，不破壞的性質。周圍環(huán)境的破壞作作用主要有：物理作用、化學作用、生物作用。CompanyLogo 海洋環(huán)境下腐蝕嚴重CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 碳化箱混凝土抗凍儀CompanyLogo