土木工程材料的基本性質(zhì)(5)課件

1、內(nèi)容：材料的基本物理性質(zhì)材料的基本力學性質(zhì)材料的耐久性第一章第一章 土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì)1.1 材料的基本物理性質(zhì)內(nèi)容： 材料與孔隙有關的性質(zhì) 材料與水有關的性質(zhì) 材料的熱工性質(zhì)（一）材料的體積（一）材料的體積1.絕對密實體積絕對密實體積2.表觀體積表觀體積3.堆積體積堆積體積一、材料與孔隙有關的性質(zhì)材料與孔隙有關的性質(zhì)內(nèi)容：內(nèi)容： 材料的實際密度（密度）材料的實際密度（密度） 材料的表觀密度材料的表觀密度 材料的堆積密度材料的堆積密度 用途： 計算材料的用量， 構(gòu)件的自重， 配料計算 確定材料的堆積空間等（二）材料的密度（二）材料的密度1、實際密度（密度）、實際密度（

2、密度）材料在材料在絕對密實狀態(tài)絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 實際密度（實際密度（ g/cm3 ） m材料的質(zhì)量（材料的質(zhì)量（g） V材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）絕對密實狀態(tài)下的體積絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括材料內(nèi)部是指不包括材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積?？紫对趦?nèi)的體積。Vm實際密度的測量1）對近于絕對密實的材料：）對近于絕對密實的材料： 金屬、玻璃等量測金屬、玻璃等量測 幾何體積稱重代入公式幾何體積稱重代入公式 2）對有孔隙的材料：）對有孔隙的材料： 磚、混凝土、石材等磚、混凝土、石

3、材等 磨成細粉磨成細粉 李氏比重瓶法測試李氏比重瓶法測試 P285-286 2、表觀密度（容重）、表觀密度（容重）材料在材料在自然狀態(tài)自然狀態(tài)下單下單位體積的質(zhì)量。單位位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 o表觀密度（表觀密度（ g/cm3 ） m材料的質(zhì)量（材料的質(zhì)量（g） Vo材料在自然狀態(tài)下的體積（材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）自然狀態(tài)下的體積自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。材料內(nèi)部孔隙含有水分時，其質(zhì)量和體積均發(fā)積。材料內(nèi)部孔隙含有水分時，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況生變化。注明含水情況ooVm表觀密

4、度的測量 1）對形狀規(guī)則的材料：）對形狀規(guī)則的材料： 磚、混凝土等磚、混凝土等 烘干量測幾何體積稱重代入公式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：）對形狀不規(guī)則的材料： 砂、石等砂、石等 烘干蠟封浮力天平烘干蠟封浮力天平3、堆積密度（松散容重）、堆積密度（松散容重）散粒狀材料散粒狀材料在自然堆在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位單位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 /o堆積密度（堆積密度（ g/cm3 ） m材料的質(zhì)量（材料的質(zhì)量（g） V/o材料的堆積體積（材料的堆積體積（cm3）堆積體積堆積體積指包含顆粒指包含顆粒內(nèi)部孔隙內(nèi)部孔隙和

5、和顆粒之間的空顆粒之間的空隙隙在內(nèi)的體積。在內(nèi)的體積。ooVm/堆積密度的測量1）容器法：）容器法： 散粒材料裝入容器量測體積稱凈重散粒材料裝入容器量測體積稱凈重代入公式代入公式2）自然堆積法：）自然堆積法： 堆積成一定形狀量測幾何體積稱重堆積成一定形狀量測幾何體積稱重代入公式代入公式常用材料的狀態(tài)參數(shù)思考：思考：* *顆粒材料的密度為顆粒材料的密度為，表觀密度，表觀密度，堆積容重為堆積容重為 0 0，則存在下列關系，則存在下列關系( () )。 a、 0 b、 0 c、 0（三）材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)（三）材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)容：內(nèi)容： 密實度密實度 孔隙率孔隙率 填充率填充率 空隙率空隙率1、密實度密

6、實度指材料密實度指材料體積內(nèi)體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實被固體物質(zhì)所充實的程度。反映材料的致密程度。的程度。反映材料的致密程度。 公式公式 影響材料的：強度影響材料的：強度 吸水性吸水性 耐久性耐久性%100ooVVD2、孔隙率 孔隙率指材料孔隙率指材料體積內(nèi)體積內(nèi)，孔隙體積與總體積之比。，孔隙體積與總體積之比。 直接反映材料的致密程度。直接反映材料的致密程度。 公式公式 孔隙率與密實度的關系孔隙率與密實度的關系 P+D=1 %100)1 (1ooooVVVVVP內(nèi)部孔隙:連通和封閉連通孔隙不僅彼此連通而且與外界連通；連通孔隙不僅彼此連通而且與外界連通；封閉孔隙不僅彼此封閉而且與外界隔絕。封閉孔隙不

7、僅彼此封閉而且與外界隔絕。材料內(nèi)部孔隙示意圖按孔徑尺寸分為： 極微細孔隙極微細孔隙（凝膠孔）：（凝膠孔）：90時，水分子之間的內(nèi)聚時，水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與材料表面分子之間的相互吸引力小于水分子與材料表面分子之間的相互吸引力，材料表面可以被水浸濕。力，材料表面可以被水浸濕。 防水材料等防水材料等 潤濕角潤濕角 潤濕角示意圖潤濕角示意圖（二）材料的吸水性與吸濕性吸水性與吸濕性1.吸水性材料在浸水情況下吸入水分的能力。用吸水率表示。 公式 式中 W質(zhì)材料的質(zhì)量吸水率（） m濕材料吸水飽和后的質(zhì)量（g） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（g） 干干濕質(zhì)100mmmW影響吸水率大小的因素：材料的本性親

8、水性或憎水性材料 材料的孔結(jié)構(gòu)孔徑大小、開口與否 細微且連通的孔隙-吸水率較大吸水性對材料的影響： 體積膨脹、強度降低對圍護結(jié)構(gòu)材料不利 （二）材料的吸水性與吸濕性吸水性與吸濕性2、吸濕性材料在空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)。用含水率表示。 公式 式中 W含材料的質(zhì)量含水率（） m濕材料含水時的質(zhì)量（g） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（g） 干干含含100mmmW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、濕度吸水性對材料的影響：體積膨脹對木結(jié)構(gòu)和木制品不利 濕脹干縮(木制門窗在潮濕環(huán)境下往往不易開關）（三）材料的耐水性耐水性材料長期在飽水作用下不破壞，其強度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化

9、系數(shù)表示。 公式 式中K軟材料的軟化系數(shù)（K軟01） 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）干飽軟ffK材料軟化系數(shù)的要求材料軟化系數(shù)的要求 軟化系數(shù)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(jīng)常處于水中或受潮嚴重的重要結(jié)構(gòu)物（如地下構(gòu)筑物、基礎、水工結(jié)構(gòu)）的材料，其K軟 0.85； 受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其K0.75； K軟0.85的材料，一般稱為耐水的材料。 例1-2 某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測得的某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測得的抗壓強度分別為抗壓強度分別為174174、178178、165 MPa165 M

10、Pa，求該石材的，求該石材的軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程? ? 解解: :該石材的軟化系數(shù)為該石材的軟化系數(shù)為: :93.0178165gbRffK 由于該石材的軟化系數(shù)為由于該石材的軟化系數(shù)為0.930.93，大于，大于0.850.85，故該石材可用于水下工程。故該石材可用于水下工程。（四）材料的抗?jié)B性抗?jié)B性材料抵抗有壓介質(zhì)（水、油、氣）滲透的性質(zhì)稱抗?jié)B性。用滲透系數(shù)K表示。 依達西定律 式中K材料的滲透系數(shù)（ml/cm2.s） W透過材料試件的水量（ml） t透水時間（s） A透水面積（ cm2 ） H凈水壓力（cm） d試件的厚度（cm）A

11、tHWdK 抗抗 滲滲 等等 級級 滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。 對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(S)表示： S=10H1 H試件開始滲水時的水壓力（MPa） 分為:P4、P6、P8、P10、P12五個等級 影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結(jié)構(gòu)、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。（五）材料的抗凍性抗凍性 材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性質(zhì)稱為抗凍性。 用抗凍標號D表示。 凍融破壞的原因凍融破壞的原因 材料有孔且孔隙含水，水冰體積膨脹9，結(jié)冰壓力高達100MPa，

12、結(jié)冰壓力超過材料的抗拉強度時，材料開裂，裂縫的增加也進一步增加了材料的飽水程度，飽水程度的增加進一步加劇了凍融破壞，反復多次進一步加劇最終材料崩潰。 嚴寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺、跨海大橋等均需考慮凍融破壞凍融破壞的橋梁凍融破壞的橋梁海上鉆井平臺海上鉆井平臺凍融破壞的道面凍融破壞的道面凍融破壞的混凝土芯凍融破壞的混凝土芯樣樣四、材料的熱工性質(zhì)四、材料的熱工性質(zhì)1、導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大小用熱導率（）表示。 公式 式中 熱導率（W/m.K） 熱阻 R=1/ Q傳導的熱量（J） A熱傳導面積（m2） 材料的厚度（m） t熱傳導時間（s） (T2-T1)材料兩側(cè)溫差

13、（K） )(12TTAtQ熱工性質(zhì)熱工性質(zhì) 材料的熱導率越小，絕熱性能越好熱導率越小，絕熱性能越好。 影響熱導率的因素： 材料內(nèi)部的孔隙構(gòu)造密閉的空氣使降低 材料的含水情況含水、結(jié)冰使增大 常見熱導率參數(shù)： 泡沫塑料 0.035 水 0.58 大理石 3.5 冰 2.2 鋼材 58 空氣 0.023 混凝土 1.51 松木 1.170.351.2 材料的基本力學性質(zhì)材料的基本力學性質(zhì)內(nèi)容： 材料的強度、比強度 材料的彈性與塑性 材料的脆性與韌性 一、材料的強度、比強度一、材料的強度、比強度1.定義：強度材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為 強度。2.分類:( () )抗壓抗壓( () )

14、抗拉抗拉( () )抗折抗折( () )抗剪抗剪材料的受力形式材料的受力形式 不同材料的承載特點是不同的： 相同種類的材料，隨著其孔隙率及構(gòu)造特征的不同，各種強度也有明顯差異。強強 度度 等等 級級 建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。不同的強度等級或標號。 混凝土按抗壓強度劃分為混凝土按抗壓強度劃分為 C7.5C60（12個）個） 水泥按抗壓和抗折強度劃分為水泥按抗壓和抗折強度劃分為32.5、32.5R 42.5 42.5、42.5R42.5R、52.552.5、52.5R52.5R 六個等級六個等級 砂漿按抗壓強度劃分為砂漿按抗壓強

15、度劃分為M2.5M2.5、 M5 M5 、M7.5M7.5 M10 M10、 M15 M15 、M20M20六個等級六個等級 比 強 度 比強度材料的強度與其表觀密度的比比強度材料的強度與其表觀密度的比值（值（fc/o）。用于評價材料）。用于評價材料輕質(zhì)高強輕質(zhì)高強 幾種材料的強度比較幾種材料的強度比較材材 料料表觀密度表觀密度(kg/m3)強度強度fc(MPa)比強度比強度（fc/o）低碳鋼低碳鋼78604150.053松松 木木50034.30.059混凝土混凝土2400600.025二、材料的彈性與塑性二、材料的彈性與塑性 彈性彈性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當外材料在外力的作用下產(chǎn)生變

16、形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質(zhì)。原來形狀的性質(zhì)。 彈性模量彈性模量 E=/ 塑性塑性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當外材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。 實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。變形。低碳鋼的低碳鋼的曲線曲線=P/A L/L = b p s A B C D 低碳鋼受拉時應力-應變曲線 0 分段的彈性變形和塑性變形混凝土的混凝土的曲線曲線 同時進行的彈性變形和塑

17、性變形三、材料的脆性與韌性三、材料的脆性與韌性脆性脆性在外力作用下，當外力達到一定限度在外力作用下，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后，材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質(zhì)。性質(zhì)。 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗沖擊或震動荷載的能力很差。抗沖擊或震動荷載的能力很差。韌性韌性在沖擊、震動荷載的作用下，材料承在沖擊、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。受很大的變形也不致破壞的性能稱為韌性。如鋼材、木材、纖維等。如鋼材、木材、纖維等。 橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等 1.3 材料的耐久性材料的耐久性 定義：材料在使用過程中能抵抗周圍各定義：材料在使用過程中能抵抗周圍各種介質(zhì)的侵蝕而不破壞，也不易失去其種介質(zhì)的侵蝕而不破壞，也不易失去其原有性能的性質(zhì)。原有性能的性質(zhì)。 包括：抗凍性混凝土、磚、石材包括：抗凍性混凝土、磚、石材 抗風化性陶瓷、磚抗風化性陶瓷、磚 抗老化性有機建材抗老化性有機建材 耐化學腐蝕金屬材料耐化學腐蝕金屬材料侵侵 蝕蝕 介介 質(zhì)質(zhì) 物理介質(zhì)溫度、濕度、凍融、陽光、輻射物理介質(zhì)溫度、