试议土木工程材料的基本性质

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1、Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,*,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,内 容,◎ 材料的基本物理性质,◎ 材料的基本力学性质,◎ 材料的耐久性,◎ 材料的组成、结构及构造与材料性质的关系,,,第,2,章 土木工程材料的基本性质,2.1,材料的基本物理性质,内容：,☆ 材料的状态参数,☆ 材料的结构参

2、数,☆ 材料与水有关的性质,☆ 材料的热工性质,一、材料的状态参数,内容：,材料的实际密度（密度）,材料的表观密度,材料的堆积密度,,,用途：,计算材料的用量，,构件的自重，,配料计算,确定材料的堆积空间等,,,,（一）材料的密度,1,、实际密度（密度）－,材料在,绝对密实状态,下单位体,积的质量。,单位,g/cm,3,或,kg/m,3,。,,公式：,,,式中：,,ρ,－实际密度（,g/cm,3,,）,,m,－材料的质量（,g,）,,V,－材料在绝对密实状态下的体积（,cm,3,）,,绝对密实状态下的体积,－是指不包括材料内部孔隙在内,的体积。,,实际密度的测量,1,）对近于绝对密实的材料

3、：金属、玻璃等量测,几何体积,→,称重,→,代入公式,,2,）对有孔隙的材料： 砖、混凝土、石材等,磨成细粉,→,李氏比重瓶法测试,,P285-286,,（二）材料的表观密度,1,、,表观密度（容重）－,材料在,自然状态下单位体积,的质量。,单位,g/cm,3,或,kg/m,3,。,公式：,,,式中,：,ρ,o,－表观密度（,g/cm,3,,）,,m,－材料的质量（,g,）,,V,o,－材料在自然状态下的体积（,cm,3,）,自然状态下的体积,－是指包含材料内部孔隙在内的体,积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生,变化。注明含水情况。,表观密度的测量,1,）对形状规则的材料：砖、混凝土

4、等,烘干,→,量测几何体积,→,称重,→,代入公式,,2,）对形状不规则的材料： 砂、石等,烘干,→,蜡封,→,浮力天平,,（三）材料的堆积密度,1,、堆积密度（松散容重）－,散粒状材料在自然堆积状态,下单位体积的质量。,单位,g/cm,3,或,kg/m,3,。,公式：,,,式中：,,ρ,/,o,－堆积密度（,g/cm,3,,）,,m,－材料的质量（,g,）,,V,/,o,－材料的堆积体积（,cm,3,）,堆积体积,－指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的,体积。,,堆积密度的测量,1,）容器法：,散粒材料装入容器→量测体积→称净重 →代入公式,,2,）自然堆积法：,堆积成→定形状→量测几

5、何体积→称重→代入公式,,常用材料的状态参数,见教材,P9,－表,1-1,思考：,※,,颗粒材料的密度为,ρ,，表观密度,ρ′,，堆积容重为,ρ,0,′,，则存在下列关系,(,,),。,,,a,、,ρ>ρ,0,′>ρ′,,,b,、,ρ′>ρ>ρ,0,′,c,、,ρ>ρ′>ρ,0,′,二、材料的结构参数,内容：,,◎,密实度,,◎,孔隙率,,◎,填充率,,◎,空隙率,（一）密实度,密实度,－指材料,体积内,被固体物质所充实,的程度。反映材料的致密程度。,,公式,:,,影响材料的： 强度,吸水性,耐久性,（二）孔隙率,孔隙率,－指材料,体积内,，孔隙体积与总体积,之比。,直接反映材料的致

6、密程度。,,公式,:,,,孔隙率与密实度的关系,:,P+D=1,,内部孔隙,:,连通和封闭,1,、,连通孔隙,不仅彼此连通而且与外界连通；,2,、,封闭孔隙,不仅彼此封闭而且与外界隔绝。,材料内部孔隙示意图,自然状态下体积示意图,1-,固体；,2-,闭口空隙；,3-,开口空隙,（三）填充率,填充率－,指,散粒材料,在某容器的堆积体积,中，被其颗粒填充的程度。,,反映散粒材料堆积的致密程度。,,公式：,,,（四）空隙率,空隙率－,散粒材料,在某容器的堆积体积中， 颗,粒之间的空隙体积占总体积的比率。,,公式：,,,,空隙率与填充率的关系：,P,/,+D,/,=1,,例,1-1,,某工地所用卵石材

7、料的密度为,2.65g/cm,3,、表观密度为,,2.61g/cm,3,、堆积密度为,1680 kg/m,3,，,计算此石子的孔隙,率与空隙率？,解,:,石子的孔隙率,P,为：,,,,石子的空隙率,P,/,为,：,,,三、材料与水有关的性质,,内 容：,1,、材料的亲水性与憎水性,,2,、材料的吸水性与吸湿性,,3,、材料的耐水性,,4,、材料的抗渗性,,5,、材料的抗冻性,,,（一）亲水性与憎水性,1,、亲水性材料,：,当,θ≤90°,时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料,表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。,,如：木材等。,2,、,憎水性材料：,当,θ>90°,时，水分

8、子之间的内聚力小于水分子与材料,表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。,,如：防水材料等。,,润湿角,θ,,,润湿角示意图,θ,（二）材料的吸水性与吸湿性,1,、吸水性－,材料在浸水情况下吸入水分的能力，用,吸水率表示。,公式：,,,式中 ：,W,质－材料的质量吸水率（％）,,m,湿－材料吸水饱和后的质量（,g,）,,m,干－材料烘干到恒重的质量（,g,）,,◎,,影响吸水率大小的因素：,1,、,材料的本性－亲水性或憎水性材料,2,、材料的孔结构－孔径大小、开口与否,细微且连通的孔隙,---,吸水率较大,,◎,,吸水性对材料的影响：,体积膨胀、强度降低，对围护结构材料不利,,（二）材

9、料的吸水性与吸湿性,2,、吸湿性,－材料在空气中吸收空气中水分的性质，,用含水率表示。,公式：,,,式中：,W,含,－材料的质量含水率（％）,,m,湿,－材料含水时的质量（,g,）,,m,干,－材料烘干到恒重的质量（,g,）,,◎,影响含水率大小的因素：,1,、材料的本性－亲水性或憎水性材料,2,、环境温度、湿度,◎ 吸水性对材料的影响：,体积膨胀－对木结构和木制品不利,湿胀干缩,,木制门窗在潮湿环境下往往不易开关,（三）材料的耐水性,耐水性,－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不,显著降低的性质，用软化系数表示。,,公式：,,,式中：,K,软,－材料的软化系数（,K,软,＝,0,～,1,）

10、,,f,饱,－材料在饱水状态下的抗压强度（,MPa,）,,f,干,－材料在干燥状态下的抗压强度（,MPa,）,材料软化系数的要求,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低,越多，其耐水性越差；,对经常处于水中或受潮严重的重要结构物,（如地,下构筑物、基础、水工结构）,的材料，其,K,软,≥,0.85,；,受潮较轻的或次要结构物的材料，其,K≥0.80,；,,K,软,≥,0.80,的材料，一般称为耐水的材料。,1,2,3,4,例,1-2,,某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗,压强度分别为,174,、,178,、,165 MPa,，求该石材,的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程,?,解

11、,:,该石材的软化系数为,:,,,,由于该石材的软化系数为,0.93,，大于,0.85,，故该石材可用于水下工程。,（四）材料的抗渗性,抗渗性,－材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性,质称抗渗性。用渗透系数,K,表示。,依达西定律：,,,式中：,K,－材料的渗透系数（,ml/cm,2,.s,）,,W,－透过材料试件的水量（,ml,）,,t,－透水时间（,s,）,,A,－透水面积（,cm,2,,）,,H,－净水压力（,cm,）,,d,－试件的厚度（,cm,）,抗 渗 等 级,◎,渗透系数越大，材料的抗渗性越差；,◎,对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级,(S),表示：,,S=10H,－,1,；

12、,,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。,,（五）材料的抗冻性,抗冻性,：,材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。,用抗冻标号,D,表示。,,,冻融破坏的原因,,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，裂缝的增加也进一步增加了材料的饱,水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏，反,复多次→进一步加剧→最终材料崩溃。,,严寒地

13、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。,冻融破坏的桥梁,冻融破坏的道面,冻融破坏的混凝土芯样,冻融破坏的水库坝面,冻融破坏的西直门桥,四、材料的热工性质,1,、导热性,－材料传导热量的能力称为导热性。其大,小用热导率（,λ,）表示。,公式：,,,式中：,,λ,－热导率（,W/m.K,） 热阻,R=1/ λ,Q,－传导的热量（,J,）,,A,－热传导面积（,m,2,）,,δ,－材料的厚度（,m,）,,t,－热传导时间（,s,）,,(T,2,-T,1,),－材料两侧温差（,K,）,,热工性质,◎,材料的热导率越小，绝性能越好。,◎ 影响热导率的因素：,材料内部的

14、孔隙构造－密闭的空气使,λ,降,材料的含水情况－含水、结冰使,λ,增,◎ 常见热导率参数：,材料,λ,材料,λ,泡沫塑料,0.035,水,0.58,,大理石,3.5,,冰,2.2,钢材,58,空气,0.023,,混凝土,1.51,松木,1.17,～,0.35,,2.2,材料的基本力学性质,,内 容：,,◎,材料的强度、比强度,,◎,材料的弹性与塑性,,◎,材料的脆性与韧性,,一、材料的强度、比强度,1,、定义：,强度－,材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。,,2,、分类,:,(,ａ,),抗压,(,ｂ,),抗拉,(,ｃ,),抗折,(,ｄ,),抗剪,材料的受力形式,◎,不同材料的承载

15、特点是不同的：,例：木材与钢材,◎,相同种类的材料，随着其孔隙率及构造,特征的不同，各种强度也有明显差异。,,,强 度 等 级,◎,建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。,◎,混凝土按抗压强度划分为,C7.5,～,C60,（,12,个）,◎,水泥按抗压和抗折强度划分为,32.5,、,32.5R 42.5,、,,42.5R,、,52.5,、,52.5R,,六个等级,◎,砂浆按抗压强度划分为,M2.5,、,M5,、,M7.5,、,M10,、,,M15,、,M20,六个等级,比 强 度,比强度－,材料的强度与其表观密度的比值（,f,c,/ρ,o,）。,用于评价材料轻质高强,,几种

16、材料的强度比较：,材 料,表观密度,(kg/m,3,),强度,f,c,,(MPa),比强度（,f,c,/ρ,o,）,低碳钢,7860,415,0.053,松 木,500,34.3,0.059,混凝土,2400,60,0.025,二、材料的弹性与塑性,◎,弹性,－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。,弹性模量：,E=σ/ε,◎,塑性,－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。,,实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。,低碳钢的,σ,～,ε,曲线,分段的弹性变形和塑性变形,混凝土的,σ

17、,～,ε,曲线,,同时进行的弹性变形和塑性变形,三、材料的脆性与韧性,1,、脆性,－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材,料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。,☆,脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击,或震动荷载的能力很差。,2,、韧性,－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大,的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、,木材、纤维等。,,桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等,,2.3,材料的耐久性,定义：,材料在使用过程中能抵抗周围各种介 质的侵,蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。,包括：,,抗冻性－混凝土、砖、石材,抗风化性－陶瓷、砖,抗老化性－有机建材,耐化学腐蚀－金属材料,侵

18、蚀 介 质,◎,,物理介质－温度、湿度、冻融、阳光、辐射,◎,,化学介质－酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气,◎,生物介质－昆虫、菌类、,白蚁,◎,,机械介质－荷载、冲击、震动、磨损、磨耗,,如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等,耐久性的特点,◎,长期性、后期加剧作用；,◎多种介质同时作用；,◎材料劣化－结构失效－服务寿命降低。,2.4,材料组成、结构及构造与材料性质的关系,◎,组成决定材料的化学性能,◎ 结构决定材料的物理性能,◎ 构造决定材料的工程性质,一、材料的成分（组成）,化学组成：,构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量；,,矿物组成：,无机非金属材料中具有特定的晶体结,构、

19、特定的物理力学性能的组成结构；,,相组成：,材料中有相同物理化学性质的均匀部分成为相。,二、材料的结构,1,、晶体：,,雪花晶体,锡石晶体,晶体的规则外形,二、材料的结构,2,、玻璃体,,,二、材料的结构,3,、胶体：,材料的构造,—,指具有特质性质的材料结构单元间的,相互组合搭配情况。,三、材料的构造,孔隙率对材料物理力学化学性能影响,孔隙率,,P,,密度,表观密度,强度,吸水性,吸湿性,抗渗性,抗冻性,耐水性,导热性,吸声性,P,,增加,,,,,,,,,,,,P,,一定,开孔多,,,,,,,,,,,P,,一定,闭孔多,,,,,,,,,,,公式,,ρ,ρ,o,f,W,W,含,,P,F,K,λ

20、,a,,,,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,内 容。材料的实际密度（密度）。1、实际密度（密度）－材料在绝对密实状态下单位体。自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体。1、堆积密度（松散容重）－散粒状材料在自然堆积状态。1、连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通。2、封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝。2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙。率与空隙率。当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料。表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。当θ>90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料。2、吸湿性－材料在空气中吸收空气中水分的性质，。耐水性－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不。解:该石材的软化系数为:。◎ 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：。冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度。1、导热性－材料传导热量的能力称为导热性。材料的含水情况－含水、结冰使λ增。谢谢观看/欢迎下载,