土木工程材料0緒論第一章

1、緒論一. 土木工程材料的定義及分類1.定義土木工程材料是土木工程中所使用的各種材料及其制品的總稱。2.分類（1） 根據(jù)材料來源分：天然材料和人造材料（2） 根據(jù)使用部位分：承重、屋面、墻體和地面材料等（3） 根據(jù)其功能分：結(jié)構(gòu)材料和功能材料（4） 根據(jù)組成物質(zhì)的種類及化學(xué)成分分：分 類實 例無機材料金屬材料黑色金屬鐵、鋼等有色金屬鋁、銅、鋅及其合金等非金屬材料天然石材砂、石及石材制品等燒土制品黏土磚、瓦、陶瓷制品等膠凝材料及制品石灰、石膏及制品、水泥及水泥混凝土制品、硅酸鹽制普通平板、安全、絕熱等無機材料、礦物棉、巖棉等有機材料植物材料木材、竹材、植物及制品等瀝青材料煤瀝青、石油瀝青及其制品等

2、高材料、涂料、樹脂、膠黏劑、橡膠等復(fù)合材料有機材料與無機非金屬材料復(fù)合瀝青混凝土、聚合物混凝土、增強等金屬與無機非金屬材料復(fù)合鋼筋混凝土、鋼混凝土、cY板等金屬與有機材料復(fù)合鋁塑管、有機涂層鋁合金板、塑鋼等二土木工程材料在建設(shè)工程中的地位和作用(1) 土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)(2)土木工程質(zhì)量的保證(3)影響土木工程的造價材料費用占工程總造價的5070%。要降低工程造價必須優(yōu)化選擇和正確使用材料，提高材料的利用率。(4)促進土木工程技術(shù)的進步和發(fā)展材料決定結(jié)構(gòu)形式和施工方式。新的材料的出現(xiàn)，往往會促進結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)的革新和發(fā)展，使一些無法實現(xiàn)的構(gòu)想變成現(xiàn)實。三土木工程材料的發(fā)展概況發(fā)展經(jīng)歷：從無

3、到有，從天然材料到人工材料，從手工 業(yè)生產(chǎn)到工業(yè)化生產(chǎn)。¾未來材料的發(fā)展趨勢：首先，建立節(jié)約型的生產(chǎn)體系，做到節(jié)能、節(jié)土、節(jié)水和節(jié)約礦產(chǎn)等。其次，建立有效的環(huán)境保護與管理體系，大力發(fā)，充分利用再展無污染、環(huán)境友好型的綠色材料生及工農(nóng)業(yè)廢料；再次，積極采用高科技成果推進材料工業(yè)的現(xiàn)代化大力發(fā)展功能型材料，提供材料是目前發(fā)展的趨勢。更好的綠色化和智能化四土木工程材料的檢驗與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.標(biāo)準(zhǔn)化的意義為了保證材料的質(zhì)量，保證現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)管理，或者是作為設(shè)計應(yīng)用和研究時的依據(jù)。土木工程材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括要求、檢驗方法、驗收規(guī)則、標(biāo)志、等方面內(nèi)容。規(guī)格、分類、技術(shù)和儲存注意事項2.土木工程材

4、料標(biāo)準(zhǔn)的類別¾我國現(xiàn)行的土木工程材料標(biāo)準(zhǔn)的類別(1)標(biāo)準(zhǔn)強制性標(biāo)準(zhǔn)(代號GB)和推薦性標(biāo)準(zhǔn)(代號GBT)(2)行業(yè)(或部)標(biāo)準(zhǔn)(3)地方標(biāo)準(zhǔn)DB(4)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB行業(yè)名稱建材建工水利冶金電力標(biāo)準(zhǔn)代號JCJGSLYBDL¾其他準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO美國材料試驗德國DIN標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS 法國標(biāo)準(zhǔn)NF英國標(biāo)準(zhǔn)BS3.標(biāo)準(zhǔn)的表示方法標(biāo)準(zhǔn)ASTM標(biāo)準(zhǔn)的一般表示方法是由標(biāo)準(zhǔn)名稱、標(biāo)準(zhǔn)代號、標(biāo)準(zhǔn)編號和頒布年份等組成。通用硅酸鹽水泥 GB175-2007五本課程的內(nèi)容、學(xué)習(xí)目的和基本要求1.學(xué)習(xí)目的獲得有關(guān)土木工程材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本技能，為后續(xù)課程提供材料的基礎(chǔ)知識；為將要從事土木工程

5、建設(shè)工作的技術(shù)確使用材料奠定基礎(chǔ)。2.主要內(nèi)容合理選擇和正除介紹了材料的一些基本性質(zhì)外，主要講述了工程中常用的氣硬性膠凝材料、水泥、混凝土、體材料和屋面材料、土木工程用鋼材、木材、高料、瀝青材料。砂漿、墻材3.基本要求（1）掌握常用材料的組成、基本性能及技術(shù)要求，理解材料組成及結(jié)構(gòu)對材料性質(zhì)的影響，能夠根據(jù)工程實際條件合理地選擇和使用各種材料；（2）注意外界條件對材料性能的影響；（3）在學(xué)習(xí)中要避免死記硬背，要注意理解，運用對比方法來學(xué)習(xí)；既要學(xué)習(xí)材料的共性，更要掌握材料的特性。（4）了解各種材料的原料、生產(chǎn)等方面的知識；（5）掌握常用材料貯藏和時的注意事項。第一章 土木工程材料的基本性質(zhì)材料

6、所處的環(huán)境和部位不同，所起的作用也各不相同，為此要求材料必須具備不同的性質(zhì)。土木工程材料的基本性質(zhì)是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時，通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。土木工程材料的基本性質(zhì)一般包括物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和耐久性等。第一節(jié) 材料的物理性質(zhì)一.與質(zhì)量狀態(tài)有關(guān)的物理性質(zhì)1密度()是材料在絕對密實狀態(tài)下，體積的質(zhì)量。r = m不含有任何孔隙的體積V式中密度(g/cm3)或(kg/m3)；m材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g)或(kg)；V材料在絕對密實狀態(tài)下的體積(cm3)或(m3)。測量時，須在干燥狀態(tài)下；含孔材料磨成細粉，烘干后，用李氏瓶測定其體積。鋼材、用上式計算獲得。等少

7、數(shù)材料可直接采2表觀密度()表觀密度(又稱視密度、近似密度)是指材料在自然狀態(tài)下，不含開口孔時體積的質(zhì)量。mV ¢mr ¢ =V+Vb式中表觀密度(gcm3)或(kgm3)；V材料在自然狀態(tài)下不含開口孔隙時的體積(cm3)或(m3)；Vb材料內(nèi)部閉口孔 隙的體積(cm3)或(m3)。測定材料的表觀密度時，材料必須絕對干燥。3容積密度(0， (gcm3)或(kgm3)又稱體積密度(俗稱容重)是指材料在自然狀態(tài)下，宏觀外形體積的質(zhì)量mmr =0V V+ VV0bk式中V0材料在自然狀態(tài)下的宏觀外形體積，Vk材料內(nèi)部開口均為(cm3)或(m3)?？紫兜捏w積，粉狀材料在絕干狀態(tài)下的

8、容積密度與密度值近似相等。測量容積密度時，材料質(zhì)量可以是在任意含水狀態(tài)下，但應(yīng)注明其含水情況，未特別標(biāo)明時，常指氣干狀態(tài)下的容積密 度。在材料對比試驗時，則在絕干狀態(tài)下進行。對于形狀不規(guī)則的材料，可采用蠟封排水法測定其體積。4堆積密度 (r0¢ )是指散粒材料或粉狀材料，在自然堆積狀態(tài)下質(zhì)量體積的mmmr ¢ =V=0V ¢+VV+VVV00vbkv式中 r0¢ 堆積密度 (gcm3)或(kgm3)；V0¢ 堆積體積(cm3)或 (m3)；Vv材料內(nèi)部開口孔隙的體積(cm3)或(m3)。材料的堆積體積指在自然、松散狀態(tài)下，按一定方法裝入一定容器

9、的容積，包括顆粒體積和顆粒之間空隙的體積。 若以搗實體積計算時，則稱緊密堆積密度。幾種密度有什么異同點？有一石材干試樣的質(zhì)量為300g，把它浸入水中，吸水飽和排出水的體積120cm3，將其取出擦干表面，再次放入水中排出水體積130 cm3，若體積無膨脹，求此石材的表觀密度、容積密度。二.與構(gòu)造狀態(tài)有關(guān)的物理性質(zhì)1. 孔隙率與密實度1.1 孔隙率（P）孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積占其總體積的百分率，即r0 öV0 - VæP =´100% = ç1 -è÷ ´100%ørV0材料內(nèi)部孔隙構(gòu)造上的特征，如大小、形狀、分布

10、、連通等統(tǒng)稱為孔隙特征。開口孔隙：材料內(nèi)部孔隙不僅彼此互相貫通并且與外界相通。開口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸聲性，并降低 材料的抗凍性、抗?jié)B性和耐水性。閉口孔隙：材料內(nèi)部孔隙彼此不連通且與外界隔絕。微小而均勻的閉口孔隙能提高材料的保溫隔熱性能和耐久性，但 降低材料的表觀密度。材料的孔隙率分為開口孔隙率Pk和閉口孔隙率Pb，即P = Pk + Pb1.2 密實度D密實度即材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實的程度。D = V ´100% = r0 ´100% = 1 - PrV02. 空隙率和填充率2.1 空隙率P空隙率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒之間的空隙體積占其自 然堆積體積的百分

11、率。V0¢ - V0ær0¢ öP¢ =´100% = ç1 - r÷ ´100%V ¢èø002.2 填充率D填充率即散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。D¢ = V0 ´100% = r0¢ ´100% = 1 - P¢V0¢r0三.材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.親水性與憎水性（1）定義材料與水接觸時，水可以在材料表面鋪展開，能被水潤 濕的性質(zhì)稱為親水性。材料與水接觸時，水不可以在材料表面鋪展開，不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎

12、水性。親水性材料：鋼材、混凝土、木材等憎水性材料：石蠟、聚氯乙烯管材、瀝青基防水材料（2）潤濕角液滴在固體表面上全展開時，在氣液固三相匯合點，固液界面的水平線SL與氣液界面的切線GL之間的夾角，稱為潤濕角 。(a)親水性材料(b)憎水性材料當(dāng)潤濕角 90°時，這種材料稱為親水性材料；當(dāng)潤濕角 > 90°時，這種材料稱為憎水性材料。2吸水性與吸濕性材料在水中吸收水分的能力2.1 吸水性(1)質(zhì)量吸水率Wm指材料吸水飽和時，所吸水量占材料絕干質(zhì)量的百分率。- m ´100%= m飽Wmm(2)體積吸水率WV指材料吸水飽和時，所吸水分的體積占絕干材料自然體積的百分

13、率。= m飽 - m ×1´100%WVrV0Ww為水的密度。常溫下取w=l(gcm3)質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為：WV= Wm × r0rW¾材料的吸水率與孔隙率和孔隙構(gòu)造的關(guān)系： 材料具有微細而連通的孔隙，則吸水率較大； 材料具有封閉孔隙或較粗大開口的孔隙，則吸水率較??；2.1 吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性，常以含水率W含表示：- m ´100%= m含W含m含水率隨環(huán)境溫度和空氣濕度的變化而改變例1. 從室外取來質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，外觀為240mm×115mm×53mm，烘干時質(zhì)量為

14、2600 g，浸水飽和后質(zhì)量為2850g，密度為2.7g/cm3，求該燒結(jié)磚的含水率、質(zhì)量吸水率、體積吸水率、開口孔隙率、表觀密度和容積密度。-mm解：含水率27002600=´100%=100 ´= 3含W%.8%含m2600-mm28502600質(zhì)量吸水率=´100%=100 ´= 9飽W%.6%mm2600-mm128502600體積吸水率=×´10024%=17=.飽WV13%r´11.5´V5.0W-= V水 mmVk1´100P=×V=%W17=.飽開口孔隙率1%krVVV000W例

15、2：某材料密度為2.60 g/cm3，干燥容積密度為1.60 g/cm3， 現(xiàn)將一重954g的該材料浸入水中，吸水飽和后取出稱重為1086g，試求該材料的孔隙率、質(zhì)量吸水率、開口孔隙率。解：孔隙率r0rV0 - Væöæ1.600 öP =´100% = ç1 -è÷ ´100% = ç1 -÷ ´100% = 38.5%V02.60 øèø- m ´100% = 1086 - 954 ´100% = 13.8%= m飽質(zhì)量吸

16、水率Wmm954m954宏觀外形體積V= 596cm3or1.600m= 1086 - 954 = 132cm3V=r水1水´100% = V水 ´100% = 132 ´100% = 22.1%= Vk開口孔隙率PkVV59600四.材料與熱有關(guān)的性質(zhì)1.導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，常用導(dǎo)熱系數(shù) (W (m·K)表示材料的導(dǎo)熱能力的大小。通常將0.23 W(m·K)的材料稱為絕熱材料。2.熱阻R材料層厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的比值， 它表明熱量通過材料層時所受到的阻力。為m2·KW，¾影響導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻的主要因素有：（1）材

17、料的組成金屬材料、無機材料、晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別大于非金屬材料、有機材料和非晶體材料（2）孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)孔隙率越大，細微而封閉孔越多，導(dǎo)熱系數(shù)就越?。?）含水狀況含水率增大，其導(dǎo)熱系數(shù)就變大（4）溫度除金屬材料外，一般的，溫度越高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大。3.熱容量材料受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量，它等于比熱c與材料質(zhì)量m的乘積。比熱是指質(zhì)量材料在溫度升高或降低1K時所吸收的或放出的熱量，即Q(T1-c =m)2 T式中c為材料的比熱(J(g·K)；Q為材料吸收或放出的熱量(J)； m為材料的質(zhì)量(g)；（T1-T2）為材料受熱或冷卻前后的溫差(K)。設(shè)計時應(yīng)選用

18、導(dǎo)熱系數(shù)較小而熱容量較大的材料。¾五.材料與聲有關(guān)的性質(zhì)1.吸聲性材料能吸收聲音的性質(zhì)吸聲系數(shù)越大，材料吸聲效果越好，0.20的材料稱為吸聲材料。具有細微而連通的孔隙且孔隙率較大的材料，其吸聲效果較好；若具有粗大的或封閉的孔隙，則吸聲效果較差。2.隔聲性材料隔絕聲音的性質(zhì)密實、沉重的材料隔空氣聲的效果好采用不連續(xù)結(jié)構(gòu)，以彈性、軟質(zhì)材料作夾層隔固體聲最有效第二節(jié) 材料的基本力學(xué)性質(zhì)一強度和比強度1. 強度1.1 強度的定義和分類材料的強度通常以材料在外力作用下失去承載能力時的極限應(yīng)力值來表示，亦稱極限強度。根據(jù)外力的作用方式，材料強度有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度。強度類別受

19、力示意圖強度計算式附注抗拉強度f = PmaxAf材料的抗拉、抗壓或抗剪強度(MPa)；Pmax材料破壞時的最大荷載(N)；A材料受力面積(mm2)；fb材料的抗彎強度(MPa)；L試件兩支點間距(mm)；b、h分別為試件截面的寬度和高度(mm)抗壓強度抗剪強度抗彎強度f= 3Pmax Lb2bh2f= Pmax Lbbh21.2 影響材料強度的因素（1）材料的組成組成不同的材料，強度差別很大，因為不同材料的內(nèi)部質(zhì)點的排列方式、質(zhì)點間距及結(jié)合強度有很大不同。表l一2MPa）常用結(jié)構(gòu)材料的強度（材料名稱抗壓強度（MPa）抗拉強度（MPa）抗彎強度（MPa）花崗巖120250581014普通粘土磚

20、7.5301.84.0普通混凝土7.5601.04.0松木(順紋)30508012060100鋼材235600235600（2）材料的結(jié)構(gòu)：孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)、內(nèi)部質(zhì)點結(jié)合方式、晶粒等。（3）材料的含水狀態(tài)，含有水分的材料，其強度較干燥時的低。（4）外部因素，如溫度、測試條件和方法等。1.3強度等級在工程使用上，結(jié)構(gòu)材料常根據(jù)強度值的大小劃分為若干強度等級，具體劃分方法視材料而異。2. 比強度衡量材料輕質(zhì)高強的重要指標(biāo)是按體積的質(zhì)量計算的材料強度，其值等于材料強度與其容積密度之比，即用f/0表示。二彈性與塑性1. 彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去后，變形能完全消失的性質(zhì)稱為彈性。材料的這

21、種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形。某些材料的彈性變形大小與外力成正比，其比例系數(shù)在一定范圍內(nèi)為常數(shù)，稱為材料的彈性模量E。E = se式中為材料所承受的應(yīng)力（MPa），為材料的應(yīng)變。彈性模量值越大，材料抵抗變形的能力越強，剛度也越好。2. 塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去后，材料仍保留一部分殘余變形，且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這部分殘余變形稱為塑性變形。有的材料在受力不大時，僅產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力超過一定數(shù)值后，便出現(xiàn)塑性變形，如鋼材。有的材料在受力一開始，彈性變形和塑性變形便同時發(fā)生，外力除去后，彈性變形完全消失，而塑性變形則殘留下來，這類材料稱為彈塑性材料，如混凝土材料三脆性與韌性1.脆性外力作用于材料并達到一定限度后，材料無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)脆性材料的特點：抗壓強度遠大于其抗拉強度；承受沖荷載的能力很差。擊或2.韌性在沖擊或荷載作用下，材料能吸收較大能量，同時產(chǎn)生較大變形，而不發(fā)生突然破壞的性質(zhì)韌性材料的特點：變形大，特別是塑性變形大；抗拉強度接近或高于抗壓強度。第三節(jié) 材料的耐久性材料在長期使用過程中，抵抗各種環(huán)境因素的作用而不破壞的性質(zhì)，稱為耐久性。（1）機械作用。包括載荷的持續(xù)作用或交變作用引起材料的