土木工程材料

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1、 土木工程材料 绪 论1.1 概述 一、土木工程材料的分类 土木工程材料的种类繁多，性质各异，用途不现，为了研究、使用和叙述上的方便，通常根据材料的组成、功能和用途分别加以分类。（一）、土木工程材料按材料的的化学成分分类，通常可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。如下表：土木工程材料无机材料非金属材料天然石材：石子，砂，毛石，料石烧土制品：黏土砖，瓦，空心砖，建筑陶瓷玻璃：窗用玻璃，安全玻璃，特种玻璃 胶凝材料：石灰，石膏，水玻璃，各种水泥混凝土及砂浆：普通混凝土，轻混凝土，特种混凝土，各种砂浆硅酸盐制品：粉煤灰砖、灰砂砖，硅酸盐砌块绝热材料：石棉，矿棉，玻璃棉，膨胀珍珠岩金属材料黑色金属

2、：生铁、碳素钢、合金钢有色金属：铝，锌，铜及其合金有机材料植物质材料木材，竹材，软木，毛毡沥青材料石油沥青，煤沥青，沥青防水制品高分子材料塑料，橡胶，涂料，胶粘剂复合材料无机非金属材料和有机材料的复合聚合物混凝土、沥青混凝土，水泥刨花板，玻璃钢 （二）、按功能分类，可分为两大类：结构材料主要指梁、板、柱、基础、墙体和其他受力构件所用的土木工程材料。最常用的有钢材、混凝土、砖、砌块、墙板、楼板、屋面板和石材等。功能材料主要有防水材料、防火材料、装饰材料、保温材料、吸声（隔声）材料、采光材料、防腐材料等等。二、土木工程材料的标准化二、土木工程材料的标准化（一）、我国现行的常用的标准有如下三类：1、

3、国家标准国家强制性标准代号GB、推荐性标准GB/T2、行业标准建材行业代号JC，交通行业代号JT，建工行业代号JG等。3、地方标准和企业标准地方标准代号DB，企业标准代号QB。（二）标准的表示方法 标准一般表示方法，是由标准名称、部门代号、编号和批准年份等组成。如：国家强制性标准金属拉伸试验方法GB228-88。注：地方标准或企业标准所制定的技术要求应高于国家标准。1.2 材料的基本状态参数1.2.1、材料的密度、表观密度和堆积密度1.2.1.1 密度 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积内的质量。材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度。按下式计算：=m/v式中密度,g/cm3或kg/m

4、3；m-材料的质量，g或kg；v材料在绝对密实状态下的体积，（即材料体积内固态物质的实体积），cm3或m3。材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积，亦称实体积。土木工程料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定有孔隙的材料密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.20mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。材料密度的大小取决于材料的组成及微观结构，因此相同组成及微观结构的材料其密度为一定值。1.2.1.2 表观密度 材料在自然状态下，单位体积的质量称为表观密度。公式表示如下：0=m/v0式中 0-体积密度，g/cm3或k

5、g/m3；m-自然状态下材料的质量，g或kg；v0材料在自然状态下的体积，cm3或m3。所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。测定方法：外观形状规则，按几何公式计算，外观形状规则，用排液法。在自然状态下，材料内往往含有水分，其质量将随含水程度而改变，故测定体积密度时应注明其含水程度。一般指的是材料在气干状态下的体积密度，干燥材料的表观密度称为干表观密度。1.2.1.3 堆积密度 散粒状材料在堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度。按下式计算：0=m/v0式中0-材料的堆积密度，kg/m3；m-材料的质量，kg；v0材料的堆积体积，m3。材料在堆积状态下，其堆积体

6、积不但包括所有颗粒内的孔隙，而且还包括颗粒间的空隙。其值大小不但取决于材料颗粒的体积密度，而且还与堆积的疏密程度有关。在土木工程中，进行配料计算、确定材料堆放空间及运输量、材料用量及构件自重等经常用到的材料的密度、体积密度和堆积密度的数值。材料 名称 密 度g/cm3 表观密度g/cm3 堆积密度g/cm3 钢 材 7.85松 木 1.550.400.80水 泥 2.803.209001300砂 2.662.6514501650碎石（石灰石）2.602.802.6014001700普通混凝土 2.601.952.50普通黏土砖 2.6016.01.90 1.2.2 材料的孔隙和空隙 1.2.2

7、.1 材料的孔隙孔隙率孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积百分率。以P表示，并按下式计算：P=（V-V0）/V0=1-/0 密实度是指材料内部固体物质实体积占材料总体积的百分率。以D表示，并按下式计算：D=V/V0 孔隙率与密实度从两个不同侧面来反映材料的致密程度，即D+P=1。建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的致密程度有关。这些性质除取决于孔隙率的大小外，还与孔隙的构造特征密切相关。孔隙特征主要指孔隙的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及孔的分布等。实际上绝对的闭口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常温、常压下水能否进入孔中来区分开口与闭口。因

8、此，开口孔隙率（Pk）是指常温常压下能被水所饱和的孔体积（即开口孔体积Vk）与材料体积之比。闭口孔隙率（PB）便是总孔率P与开口孔隙率Pk之差。1.2.2.1材料的空隙 空隙率：散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率。与空隙率相对应的是填充率，即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。公式：略1.3 材料的力学性质 一.强度与比强度 根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等，抗压、抗拉、抗剪强度的计算公式如下:f=/A式中 f材料的强度，Mpa；材料破坏时的最大荷载，N；A材料受力截面积，mm2。“比强度”比强度是评价材料是否轻质高强的指标。

9、它等于材料的强度与体积密度之比，其数值大者，表明材料轻质高强。二、弹性与塑性（略）三、脆性与韧性 脆性 材料在外力作用下，直至断裂前只发生很小的弹性变形，不出现塑性变形，而突然破坏的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度比抗拉强度大得多，可达几倍到几十倍。脆性材料抵抗冲击或振动荷载的能力差，故常用于承受静压力作用的工程部位如基础、墙体、柱子、墩座等。属于此类的材料如石材、砖、混凝土、铸铁等。韧性 材料在冲击、振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时也能产生一定的塑性变形而不致破坏的性质称为韧性（或冲击韧性）。建筑钢材、木材、沥青混凝土等属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车

10、梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。材料的韧性用冲击试验来检验。四、硬度和耐磨性 硬度是材料抵抗其他物体刻划，压入其表面出现塑性变形的能力，通常，矿物的硬度采用刻划法测定其莫氏硬度，即“相对硬度”。钢材，木材，混凝土采用钢球压入法测定其布氏硬度（HB）。耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，通常用磨损率K表示，即 M=m0-m1/A 其中 m0，m1表示磨损前后的质量，g；A受损面积，cm2。矿物名称硬度值滑石1石膏2方解石3萤石4磷灰石5正长石6石英7黄玉8刚玉9金刚石10 1.4 材料与水有关的性质 1.4.1材料的亲水性与憎水性 材料与水接触时出现两种不同的现象，如图所示，这是由于水与固

11、体表面之间的作用情况不同。若材料遇水后其表面能降低，则水在材料表面易于扩展。这种与水的亲合性称为亲水性。表面与水亲合能力较强的材料称为亲水性材料。亲水性材料遇水后呈图（a）的现象，其润湿边角（固、气、液三态交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角）90o。与此相反，当材料与水接触时不与水亲合，这种性质称为憎水性。憎水性材料遇水呈图（b）的现象，90o。v 1.4.2 材料的含水状态 1.4.3 材料的吸湿性和吸水性（1）吸湿性 亲水性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。反之，在干燥空气中会放出所含水分，为还湿性。材料的吸湿性用含水率表示，即吸入水与干燥材料的质量之比。按下式计

12、算：Wb=（ms-mg）/mg 式中 Wb材料的质量吸水率，%；ms材料吸湿状态下的质量，g 或kg；mg材料在干燥状态下的质量，g 或kg；（2）吸水性 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。吸水性大小用吸水率表示，吸水率常用质量吸水率，即材料吸入水的质量与材料干质量之比表示，对于高度多孔的材料的吸水率常用体积吸水率表示，即材料吸入水的体积与材料自然状态下体积之比。质量吸水率：Wm=（mb-mg）/mg 式中，Wm材料的质量吸水率，%；mb材料吸水饱和时的质量，g；mg材料在在干燥状态下的质量，g；体积吸水率：Wv=（mb-mg）/wv0 将上式变换可导出体积吸水率与质量吸水率的关系 Wv=

13、Wm0 材料吸水率的大小不仅取决于材料对水的亲憎性还取决于材料的孔隙率及孔隙特征。密实材料及具有闭口孔的材料是不吸水的；具有粗大孔的材料因其水分不易存留，其吸水率也常小于其开口孔隙率；而那些孔隙率较大，且具有细小开口连通孔的亲水性材料往往具有较大的吸水能力。材料在水中吸水饱和后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。材料含水后，不但可使材料的质量增加，而且会使强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀。可见材料中含水对材料的性能往往是不利的。1.4.4 耐水性材料长期在水的作用下不破坏，强度不显著降低的性质称为耐水性。一般材料含水后，将会以不同方式减弱材料的内部结合力，

14、使强度有不同程度的降低。材料的耐水性用软化系数表示：K=fb/fg式中 K材料的软化系数；fb材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；fg材料在干燥状态下的抗压强度，Mpa。材料的软化系数波动在0-1之间，软化系数越小，说明材料吸水饱和后强度降低得越多，耐水性越差。软化系数在工程当中的意义：（）处于水中或潮湿环境中的重要结构物所选用的材料其软化系数不得小于0.85 （）受潮较轻的部位或次要结构部位的材料软化系数不宜小于0.75 （）软化系数大于0.85的材料，称耐水性材料 （）干燥环境下使用的材料可不考虑耐水性。越大，材料的抗渗性越差。1.4.5 材料的抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为

15、抗渗性。QAdH抗渗等级Pn抗渗等级抗渗等级 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：S=10H1 H试件开始渗水时的水压力（MPa）影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。1.4.6 材料的抗冻性 定义：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，强度也不显著降低的性质。衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%。冻融破坏原因：材料有孔且孔隙含水；水冰，体积膨胀9，结冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。1.6 材料的耐久性一、概念 材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的或外来因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原有性能不影响使用的性质。这是一个综合性指标。二、影响耐久性的因素1、物理作用2、化学作用3、机械作用4、生物作用