第1章土木工程材料的基本性质

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第一章、土木工程材料的基本性质1、材料的基本物理性质2、材料的力学性质3、材料与水有关的性质4、材料的热性质5、材料的耐久性CompanyLogo 一、材料的基本物理性质1、材料的密度、表观密度和堆积密度（1）密度:材料在绝对密实状态下单位体积的质量。公式：单位：g/cm3。式中ρ－密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）CompanyLogo 实际密度的测量绝对密实状态下的体积－是指不包括材料任何孔隙在内的体积。实际密度的测量：1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等可以量测几何体积－称重－代入公式2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材等可以磨成细粉－李氏比重瓶法测试CompanyLogo 李氏比重瓶CompanyLogo （2）表观密度（容重）－材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρo－表观密度（g/cm3）m－材料的质量（g）Vo－材料在自然状态下的体积（cm3）CompanyLogo 表观密度的测量自然状态下的体积－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、石材烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：（为什么要用蜡密封？）烘干－蜡封－浮力天平CompanyLogo （3）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/cm3或kg/m3公式：式中－堆积密度（g/cm3）m－材料的质量（g）－材料的堆积体积（cm3）CompanyLogo 堆积密度的测量堆积体积－是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：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式CompanyLogo （1）孔隙率－指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。公式孔结构－孔隙率＋孔径尺寸＋开口形状影响材料的：强度、吸水性、耐久性、导热性2、材料的孔隙率和密实度CompanyLogo 孔隙的类型：孤立孔、连通孔、开口孔隙、闭口孔隙开口孔隙率为开口孔隙体积占材料总体积的比率。闭口孔隙率为闭口孔隙体积占材料总体积的比率。。CompanyLogo 孔隙的影响一般随材料内部孔隙的增加，表现为：表观密度↓；强度↓、耐磨性↓；抗冻性↓、抗渗性↓、耐水性↓、耐腐蚀性↓、其它耐久性↓；吸水性↑、吸湿性↑；保温性↑；CompanyLogo （2）材料的密实度：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。公式孔隙率与密实度的关系P+D=1CompanyLogo 例题：已知一块状材料在干燥状态下质量为120g，自然状态下的体积为40cm3，绝对密度体积35cm3求这材的密度、表观密度、密实度、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CompanyLogo （2）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CompanyLogo 二、材料的力学性质1、强度和比强度强度－材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。依受力形式有：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度;抗剪强度等CompanyLogo 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：式中f——材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；P——材料破坏时的最大荷载，N；　A——受力截面面积，mm2。CompanyLogo 对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折强度）可用下式计算：CompanyLogo 若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载（P/2），抗弯强度按下式计算：式中——材料的抗弯（抗折）强度，MPa；　　P——材料破坏时的最大荷载,N；b，h——试件横截面的宽和高，mm。影响材料强度的因素：孔隙率、表观密度、含水状态、温度情况CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 数显陶瓷砖抗折仪(抗折机)CompanyLogo 强度等级与比强度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C15～C80水泥按抗压和抗拉强度划分为32.5~62.5砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级CompanyLogo 比强度反映材料轻质高强的力学参数是比强度，比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比（f/ρ0）。几种主要材料的比强度材料表观密度/(kg/m3)强度/MPa比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹抗拉）5001000.200玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）1700100.006CompanyLogo 2、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。CompanyLogo 弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。材料的弹性变形（a）和塑性变形（b）曲线CompanyLogo 3、材料的脆性与韧性脆性－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。具有脆性性质的材料称脆性材料。特点：脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。CompanyLogo 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。具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，材料均应具有较高的韧性。CompanyLogo 4、材料的硬度与耐磨性硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。CompanyLogo 耐磨性耐磨性是材料具有一定的抵抗磨损的能力，常用磨损率（B）表示：式中：m1、m2——试件被磨损前、后的质量（g）；A——试件受磨损的面积（cm2）。CompanyLogo 路面磨损裂纹经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。出现露石的路面CompanyLogo 三、材料与水有关的性质1、亲水性与憎水性材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角θ表示。CompanyLogo 哪些是亲水材料？哪些是憎水材料？亲水性材料θ≤90°憎水性材料θ＞90°CompanyLogo 亲水性：自洁净玻璃具有超亲水性，膜层受紫外光激发后，对水的接触角减少到5度以下（普通玻璃对水的接触角约为46度），甚至可以达到0度，使水铺展在玻璃表面上并把污物带走，水在玻璃表面形成水幕，水滴和水痕降最少。   通常，自然的雨水就能够使自洁净玻璃保持清洁。若气候干旱，只需要用自来水冲洗也可以起到同样的清洁作用。自洁净玻璃CompanyLogo 自清洁功能：利用太阳中的能量和雨水的冲刷，依靠高降解率使玻璃自动清洁。同时可以减少人工清洁的次数和费用。CompanyLogo 2、吸水性2、吸水性－材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。吸水率包括：质量吸水率、体积吸水率。质量吸水率公式式中W质－材料的质量吸水率（％）m湿－材料吸水饱和后的质量（％）m干－材料烘干到恒重的质量（％）CompanyLogo 体积吸水率：轻质多孔的材料，质量吸水率超过100%的情况下，用体积吸水率。CompanyLogo 吸水性对材料性能的影响：材料吸水后，对材料的性能一般会产生不利的影响。材料吸水性与材料的哪些性质有关系？材料吸水性与材料是否亲水、材料孔隙特征等有关。材料孔隙结构一定时，孔隙率越大，吸水性越强CompanyLogo 3、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（％）m干－材料烘干到恒重的质量（％）3、吸湿性CompanyLogo 影响含水率大小的因素：材料的本性－亲水性或憎水性材料环境温度、湿度－气温越低，相对湿度越大，材料的含水率越高吸湿性对材料的影响：导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利体积膨胀－对木结构和木制品不利湿胀干缩－与周围环境平衡的平衡含水率CompanyLogo 4、耐水性－材料长期在饱和水作用下不破坏，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）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）4、耐水性CompanyLogo 材料软化系数的要求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；K软≥0.85的材料，一般称为耐水的材料。CompanyLogo 砖浸水后强度下降某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。未烧透的红砖CompanyLogo 5、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。式中Ks——材料的渗透系数,cm／h；Q——渗透水量,cm3；d——材料的厚度,cm；A——渗水面积,cm2；t——渗水时间,h；H——静水压力水头,cm。5、抗渗性CompanyLogo 抗渗试验就是对试件定时逐级加压，即从0.1MPa开始，每隔8h增加0.1MPa，直至6个试件中有3个端面渗水为止。CompanyLogo 6、材料在吸水饱和的状态下，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称为抗冻性。6、抗冻性材料受冻破坏的原因：材料孔隙内的水受冻结冰时体积膨胀，产生膨胀应力冻融时产生的温差应力，对孔壁造成很大的静水压力，对材料造成破坏。CompanyLogo 混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示。抗冻等级是采用龄期28ｄ的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25％，而且质量损失不超过５％时所能承受的最大冻融循环次数来确定的。混凝土划分为以下抗冻等级：Ｆ10、F15、F25、F50、F150、F200、F250、F300等九个等级，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10、25、25、50、100、150、200、250和300次。CompanyLogo 四、材料的热性质1、导热性导热性当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。CompanyLogo 式中λ——材料的导热系数，w/（m·K）；Q——传导的热量，J；a——材料的厚度，m；A——材料传热的面积，m2；Z——传热时间，h；　　（t1-t2）——材料两侧温度差，K。　　材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料称为绝热材料。CompanyLogo 常用土木工程材料的热工性质指标CompanyLogo 2、热容量与比热容热容量：指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，可用下式表示：式中Q——材料的热容量，kJ；m——材料的重量，kg；t1-t2——材料受热或冷却前后的温度差，K；C——材料的比热，kJ／(kg·K)。CompanyLogo 材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。用公式表示为式中，C、Q、m、（t1-t2）意义同前。材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，CompanyLogo 3、温度变形性温度变形性：指材料在温度升高或降低时其体积的变化。一般用线彭胀系数表示。α-线彭胀系数，1/K；△L—材料的线膨胀或线收缩量，mm；L—材料的原来长度，mm；t2-t1—材料的升温或降温前后的温度差，K；CompanyLogo 4、耐燃性耐燃性：指材料抵抗燃烧的性质。耐燃性是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。根据燃烧性质的不同可分为：非燃烧材料、难燃烧材料、可燃烧材料、易燃烧材料。CompanyLogo 五、材料的耐久性材料的耐久性是指：用于构筑物的材料在长期使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而保持其原有性能不变质，不破坏的性质。周围环境的破坏作作用主要有：物理作用、化学作用、生物作用。CompanyLogo 海洋环境下腐蚀严重CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 碳化箱混凝土抗冻仪CompanyLogo