土木工程材料第2章材料的基本性質.ppt

第二章 材料的基本性質,第一節(jié) 材料的物理性質 第二節(jié) 材料的力學性質 第三節(jié) 材料的耐久性 第四節(jié) 材料的組成、結構與構造及其與材 料性質的關系,第一節(jié) 材料的物理性質,密實材料體積 組成示意圖,含孔材料體積 組成示意圖 V-實體體積 V開、V閉- 開口孔隙、閉口孔隙,材料體積組成示意圖,m-材料在干燥狀態(tài)下的重量 mp-材料孔隙部分的重量 V- 材料實體的體積 Vp-材料孔隙的體積,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,1) 密度 ：材料在絕對密實狀態(tài)下（不包含孔隙或空隙）單位體積的質量，俗稱比重。 = m/V (g/cm3) 式中：m 材料在干燥狀態(tài)下的質量(g)； V 材料在絕對密實狀態(tài)下的體積(cm3)。 對近于絕對密實的材料V ：如金屬、玻璃等，量測幾何體積稱重代入公式中計算。 對有孔隙的材料V ：如磚、混凝土磨成細粉（通過 0.2mm或900孔/cm2方孔篩），用李氏密度瓶測量（排水法）。,1. 材料的密度、表觀密度和堆積密度,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,2) 表觀密度0 :指材料在自然狀態(tài)下（包含孔隙）單位體積的質量，俗稱容重。 0= m / V0 (g/cm3或kg/m3) 式中：m 材料在干燥狀態(tài)下的質量（g或kg）； V0 材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3或m3） 對外形規(guī)則的材料V0 ：直接用量具測其外形尺寸，按公式計算體積。 對外形不規(guī)則的材料V0 ：材料表面封蠟排液法求得。,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,表觀密度0與含水狀況有關，當材料含水率變化，材料的體積和質量都會發(fā)生變化。,干容重,濕容重,飽水容重,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,3) 堆積密度 0：指散粒材料或粉狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質量，俗稱松散容重。 0 = m / V0（kg/m3）,散粒材料的堆積體積V0 ：用材料所充滿的容器的標定容積來表示。 松散狀態(tài)材料的堆積體積稱為自然堆積體積； 搗實狀態(tài)材料的堆積體積稱為擠密堆積體積。,式中： m 材料在干燥狀態(tài)下的質量（kg）； V0 材料的堆積體積（m3），包括材料絕對體積、內部所有孔隙體積和顆粒間的空隙體積。,4) 材料的密度、表觀密度和堆積密度之間的關系,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,密度并不能反映材料的性質，但可以大致了解材料的品質，并可用來計算材料的孔隙率； 表觀密度建立了材料自然體積與質量之間的關系，可用來計算材料的用量、構件自重等； 堆積密度可用于確定材料堆放空間、運輸車輛等。 三者之間的關系為 ：,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,1)孔隙率P ：指材料內部孔隙體積(Vp)占總體積(即自然狀態(tài)下的體積V0)的百分率。,孔隙的特征 按孔隙尺寸大小，可把孔隙分為微孔、細孔和大孔三種。 按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔，或連通孔。 按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開口孔，或封閉孔。,2. 材料的孔隙率與密實度,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,孔隙率的意義 影響材料與水相關的特性 影響材料的熱工性質、聲學性質 與材料的強度相關 影響材料的耐久性,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,2) 密實度D：與孔隙率相對應，即材料內部固體物質的實體積占材料總體積的百分率：,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,3.材料的空隙率與填充率 1)空隙率P：指散粒材料在堆積狀態(tài)下顆粒之間的空隙體積(Vs)占其堆積體積的百分率。,空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？捎脕砜刂苹炷凉橇霞壟渑c計算含砂率。,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,2) 填充率D：與空隙率對應，即散粒材料在自然狀態(tài)下體積(V0)占堆積體積的百分率。,例1-1 已知某卵石的質量為10.6g，體積為4.06cm3，用李氏瓶法，排除的水的體積為4ml，現(xiàn)總共有這樣的卵石3360kg，堆成體積為2m3，求石子的密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率和空隙率。,密 度,堆積密度,表觀密度,孔隙率,空隙率,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質,材料在空氣中與水接觸時，根據(jù)其是否能被水潤濕，分為： 能被水潤濕親水性，潤濕邊角900 不能被水潤濕憎水性，潤濕邊角900,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,1. 材料的親水性和憎水性,潤濕邊角： 在材料、水和空氣的三相交叉點沿水滴表面做切線，此切線與材料和水接觸面的夾角， 稱為潤濕邊角。,親水性 水分子之間的內聚力水分子與材料分子間的吸引力,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,材料的四種含水狀態(tài) (a)干燥狀態(tài)：含水率接近為零。 (b)氣干狀態(tài)：含水率與大氣濕度達到平衡。 (c)飽和面干狀態(tài)：表面干燥，內部孔隙含水飽和。 (d)潤濕狀態(tài)：內部孔隙含水飽和，表面附有一層水膜。,2. 材料的含水狀態(tài),二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,材料的吸濕作用是可逆的。,1) 吸濕性: 指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質，用含水率Wh表示。,式中： ms材料吸濕狀態(tài)下的質量，g； mg 材料在干燥狀態(tài)下的質量，g。,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,3. 材料的吸濕性與吸水性,2）吸水性：材料在水中吸收水分的性質，用吸水率表示。 a. 質量吸水率Wm：材料飽水狀態(tài)，所吸水分質量占材料干燥狀態(tài)質量的百分率。 b. 體積吸水率Wv ：材料飽水狀態(tài)，所吸收水分體積V水占材料干燥狀態(tài)體積V0的百分率。,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,式中： mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質量，g； mg 材料在干燥狀態(tài)下的質量，g。 w水的密度（常溫下取1），g/cm3,封閉孔隙較多的材料，吸水率不大時通常用質量吸水率公式進行計算；對一些輕質多孔材料，如加氣混凝土、木材等，由于質量吸水率往往超過100%, 故可用體積吸水率進行計算。 材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。對于細微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,質量吸水率與體積吸水率的關系,4. 耐水性：材料長期在水作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質，用軟化系數(shù)KR表示。,式中：fb-材料飽水狀態(tài)抗壓強度，MPa fg-材料干燥狀態(tài)抗壓強度，MPa,注意：隨含水量增加，其內部結合力減弱，導致強度下降。 KR0.85，稱為耐水材料,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,5. 抗?jié)B性：材料抵抗壓力水滲透的性質，常用滲透系數(shù)(K)或抗?jié)B等級(P)表示。 滲透系數(shù)K的物理意義是：在一定時間t內，透過材料試件的水量Q，與試件的滲水面積A及水頭差H成正比，與滲透距離(試件的厚度)d成反比，用公式表示為：,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,K的意義：抗?jié)B系數(shù)越小，抗?jié)B性能越好。,抗?jié)B等級是指材料在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力(MPa) ，如P4、P6、P8等分別表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水壓而不滲水。,材料的抗?jié)B性與其孔隙率和孔隙特征有關。細微連通的孔隙水易滲入，故這種孔隙愈多，材料的抗?jié)B性愈差。閉口孔水不能滲入，因此閉口孔隙率大的材料，其抗?jié)B性仍然良好。開口連通大孔，水最易滲入，故其抗?jié)B性最差。 材料的抗?jié)B性還與材料的憎水性和親水性有關，憎水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。材料的抗?jié)B性與材料的耐久性有著密切的關系。,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,6. 抗凍性：指材料在飽和狀態(tài)下，經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，強度也不嚴重降低的性質，常用抗凍等級F表示。 (1) 抗凍等級： 以規(guī)定的試件，在規(guī)定的試驗條件下，測得其強度等級不超過規(guī)定值，并無明顯剝落時所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定，用Fn表示，n 為最大凍融循環(huán)次數(shù)如F25，F(xiàn)50 (2) 材料受凍融的原因：孔隙水結冰-體積膨脹-材料內部產生應力 (3) 材料的抗凍性取決于材料內部構造（孔隙率、孔隙特征及充水程度）及外界條件（凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度）,二、材料與水有關的性質 第一節(jié) 材料的物理性質,1. 導熱性：材料兩側存在溫差時，熱量將由高溫側向低溫側傳遞，材料的這種傳導熱量的性質稱為導熱性，可用熱導系數(shù)()來表示： 式中： Q 傳導的熱量，J d 材料的厚度，m T1-T2 溫度差， K A 傳熱面積，m2 Z 傳熱時間，s,導熱系數(shù)越小，材料的保溫隔熱性能越好。,三、材料的熱工性質 第一節(jié) 材料的物理性質,2. 熱容性：材料在溫度變化時吸收和放出熱量的性質，通常用熱容量C和比熱c來表示。 1) 熱容量C是指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力(用于比較同種材料的熱容性)。 式中：Q材料在溫度變化時吸收或放出的熱量(J) m材料的質量(g) t1-t2材料受熱或冷卻前后的溫差(K) c 材料的比熱J/(g.K) 2) 比熱c是指單位質量的材料升高或降低1K時所吸收或放出的熱量。,熱容量高的材料，能對室內溫度起調節(jié)作用。,三、材料的熱工性質 第一節(jié) 材料的物理性質,3. 熱變形性:是指材料在溫度變化時的尺寸變化。一般以線膨脹系數(shù)表示。 式中：L材料在溫度變化前的長度(mm) L材料在溫度變化過程中產生的線變形量(mm) t1-t2材料升降溫前后的溫差(K),三、材料的熱工性質 第一節(jié) 材料的物理性質,4. 耐燃性：材料對火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性。 非燃燒材料 難燃材料 可燃材料,三、材料的熱工性質 第一節(jié) 材料的物理性質,5. 耐火性：指材料在長期高溫作用下，保持不熔性冰冷正常工作的性能。,1. 吸聲性：聲能穿透材料和被材料吸收的性質，用吸聲系數(shù)(%)來評定材料吸聲性能的好壞。 式中：Ea+Et材料吸收和透過的聲能之和 E0入射到材料表面的總聲能 材料的吸聲性能與聲波的頻率和入射方向有關。 材料的吸聲特性還與其孔隙構造有關，一般孔隙率較大且具有細微而聯(lián)通孔隙的材料，其吸聲效果比較好； 若材料具有粗大的或封閉的孔隙，則其吸聲性能較差。,四、材料的聲學性質 第一節(jié) 材料的物理性質,2. 隔聲性：材料隔絕聲音的性質?？梢杂貌牧蠈β暡ǖ耐干湎禂?shù)或材料的隔聲量R來評定。,式中：Et 透過材料的聲能 E0 入射到材料表面的總聲能 R 材料的隔聲量（dB）,四、材料的聲學性質 第一節(jié) 材料的物理性質,隔絕固體聲的最有效的措施是在結構上采用有彈性材料進行不連續(xù)的處理，例如在墻壁和承重梁之間加彈性襯墊，如毛氈、軟木、橡皮等材料，或在樓板上加彈性地毯、木地板等。,材料的力學性質指材料在外力作用的變形和抵抗破壞的性質。 一、強度 二、材料的彈性和塑性 三、脆性和韌性 四、硬度和耐磨性,第二節(jié) 材料的力學性質,材料的強度：材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應力。,根據(jù)外力作用方式的不同，材料有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 壓力,(b) 拉力,(d) 剪切,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 壓力,(b) 拉力,(c) 彎曲,(d) 剪切,一、強度 第二節(jié) 材料的力學性質,混凝土路面磚抗折強度試驗,混凝土路面磚抗壓強度試驗,各種強度的計算公式如下：,1) 抗壓、抗拉、抗剪的強度,式中：f 強度， MPa； P 破壞時最大荷載，N； A 受力截面面積，mm2。,一、強度 第二節(jié) 材料的力學性質,(中點集中荷載),(三分點兩相等集中荷載),式中： 抗彎強度，MPa； P 彎曲破壞時最大荷載，N； L 兩支點的間距，mm； b 試件橫截面積寬度，mm； h 試件橫截面積高度，mm。,2) 抗彎強度,一、強度 第二節(jié) 材料的力學性質,L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,一、強度 第二節(jié) 材料的力學性質,3) 材料的比強度,按單位體積質量計算的材料強度,等于材料的強度與其表觀密度之比。,衡量材料是否輕質、高強的指標,材料強度受以下三個因素的影響：,材料內部結構和構造 強度值的測試條件(試件尺寸、加荷速度等) 材料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等),即：材料強度是在特定的條件下測定的數(shù)值,一、強度 第二節(jié) 材料的力學性質,材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，能夠完全恢復到原來形狀的性質稱為彈性，而這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形），屬可逆變形； 有一部分的變形不能恢復，這種性質稱為塑性，這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形），屬不可逆變形。 許多材料受力不大時，僅產生彈性變形，受力超過一定限度后，即產生塑性變形。如低碳鋼。 而有些材料在受力時彈性變形和塑性變形同時產生，如果取消外力，則彈性變形可以恢復，而其塑性變形則不能恢復，如混凝土材料。,二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學性質,二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學性質,指標：彈性模量,意義：E表示材料抵抗變形的指標，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強。,彈塑性材料的變形曲線,二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學性質,根據(jù)破壞形式的不同，材料可分為脆性材料和韌性材料。 脆性：材料受外力作用，當外力達到一定值時，材料突然破壞，而無明顯的塑性變形的性質稱為脆性。 脆性材料的抗壓強度遠大于抗拉強度。土木工程材料中大部分無機非金屬材料為脆性材料，如天然石材、陶瓷、玻璃及普通混凝土等。,三、脆性和韌性 第二節(jié) 材料的力學性質,三、脆性和韌性 第二節(jié) 材料的力學性質,韌性：材料在沖擊或動荷載作用下，能吸收一定的能量，產生一定的變形而不破壞的性質。 土木工程中常用的低碳鋼、木材等屬韌性材料，在一些承受沖擊荷載或有抗震要求的結構中應考慮材料的韌性。,式中：k 材料的沖擊韌性（J/mm2） Ak 試件破壞時所消耗的功（J） A 試件受力凈截面積 （mm2）,1. 硬度：指材料表面抵抗硬壓入或刻劃的能力。 刻劃法測定的硬度稱莫氏硬度；壓入法測定的硬度有布氏硬度、洛氏硬度。 2. 耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力，用磨損率或耐磨度N表示 式中：m0試樣磨損前的質量(g) m1試樣磨損后的質量(g) A試樣受磨面積(cm2),四、硬度與耐磨性 第二節(jié) 材料的力學性質,1. 耐久性的定義 耐久性是指材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質、不破壞的性質。 2. 影響耐久性的環(huán)境因素 物理作用主要為溫濕變化，這些變化會使材料體積產生膨脹或收縮，體積變化受阻時產生內應力，或導致內部裂縫的擴展，長久作用后會使材料產生破壞。 化學作用主要是指材料受到酸、堿、鹽及紫外線的侵蝕作用，使材料的組成和結構發(fā)生變化而破壞。,第三節(jié) 材料的耐久性,機械作用包括荷載的持續(xù)作用或交變作用而引起材料的疲勞、沖擊、磨損或磨耗破壞。 生物作用主要是指材料受到蟲蛀或菌類的腐朽作用而產生的破壞。,第三節(jié) 材料的耐久性,第四節(jié) 材料的組成、結構與構造及其與材料性質的關系,一、材料的組成與性質 二、材料的結構、構造與性質,一、材料的組成與性質 第四節(jié) 材料的組成、結構與構造,1. 化學組成 金屬材料的化學組成以主要元素的含量來表示； 無機非金屬材料以各種氧化量來表示。 2. 礦物