土木工程材料材料基本性質(zhì)

土木工程材料材料基本性質(zhì)第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一章土木工程材料的基本性質(zhì)第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

1.1材料的基本物理性質(zhì)（主要物理狀態(tài)參數(shù)）第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.1.1材料的密度、表觀密度和堆積密度1.1.1.1密度定義：材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量?？砂聪率接嬎悖酣C––密度，g/cm3；m–––材料的質(zhì)量，g；V–––材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3。（density）第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日測量方法有較多孔隙的材料，采用磨細(xì)后用李氏瓶測定其體積的方法。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日某些致密材料，如卵石等，可用直接

排液法，用這種方法測量的體積，由

于無法排除內(nèi)部封閉的孔隙，所以稱

這樣測得的密度為近似密度(a)。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.1.1.2表觀密度定義：材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。計算：0–––表現(xiàn)密度，g/cm3或kg/m3；m–––材料的質(zhì)量，g，或kg；V0–––材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m3。（unitweight）第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.1.1.3堆積密度定義：粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。計算：0–––堆積密度，kg/m3；m–––材料的質(zhì)量，kg；V0–––松散材料的堆積體積，m3。（heapeddensity

）第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日V0VVKVB開口孔封閉孔閉口孔隙自然狀態(tài)下的塊狀材料開口孔隙實(shí)體第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日實(shí)體空隙開口孔隙封閉孔隙裝在容器里的粒狀、粉狀或塊狀材料V0′VVKVBV0第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.1.2材料的孔隙和空隙1.1.2.1材料的孔隙(1)孔隙率:材料內(nèi)部孔隙體積占材料總體積的百分率材料的孔隙從兩個方面對材料的性能產(chǎn)生影響：一是孔隙的多少（孔隙數(shù)量），二是孔隙特征?？紫稊?shù)量用孔隙率表征。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日(2)密實(shí)度:材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實(shí)際體積占材料總體積的百分率孔隙特征主要有三方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、細(xì)孔和大孔；（2）按空隙間是否貫通分互相隔開的孤立孔和互相貫通的連通孔；第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（3）按孔隙是否與外界連通分為與外界連通的開口孔和不與外界連通的封閉孔（閉口孔）。把開口孔體積記為Vk，閉口孔體積記為VB，則孔隙體積Vｐ=Vk+VB定義開口孔孔隙率為定義閉口孔孔隙率為則孔隙率為第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日散粒材料顆粒間的空隙多少用空隙率表示。(1)空隙率:散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率1.2.2.2材料的空隙(2)填充率:顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2材料的力學(xué)性質(zhì)第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2.1強(qiáng)度與比強(qiáng)度一、材料的強(qiáng)度定義

材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應(yīng)力

根據(jù)外力作用方式的不同，材料有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

LLF/2F/2FFL/3F

FL/3L/3(a)壓力(b)拉力(c)彎曲(d)剪切材料所受外力：第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日各種強(qiáng)度的計算公式如下：抗壓、抗拉、抗剪的強(qiáng)度f––––強(qiáng)度，Mpa；P––––破壞時最大荷載，N；A

––––受力截面面積，mm2。第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日抗彎強(qiáng)度1）(中點(diǎn)集中荷載)2）(三分點(diǎn)兩相等集中荷載)ff––––抗彎強(qiáng)度，Mpa；P––––彎曲破壞時最大荷載，N；L––––兩支點(diǎn)的間距，mm；b––––試件橫截面積寬度，mm；h––––試件橫截面積高度，mm。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

許多土木工程材料常以其強(qiáng)度大小劃分為若干等級，俗稱“

標(biāo)號”。第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日材料強(qiáng)度受以下三個因素的影響：材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等)強(qiáng)度值的測試條件(試件尺寸、加荷速度等)第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、材料的比強(qiáng)度定義

單位體積重量的材料強(qiáng)度,等于材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比衡量材料是否輕質(zhì)、高強(qiáng)的指標(biāo)第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2.2材料的彈性與塑性

彈性與塑性

材料在承受外力時，如撤除外力的作用后，材料的幾何形狀能恢復(fù)原狀，材料的這種性能稱為彈性。如果只能部分恢復(fù)變形，而殘留一部分不能消失的變形，該殘留部份稱為塑性變形。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日材料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系符合如下公式：σ＝Εεσ——應(yīng)力；ε——應(yīng)變，為材料受外力變形尺寸增量與原尺寸之比；Ε——彈性模量；彈性模量是材料剛度的度量，物理意義為單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，反映了材料抵抗變形的能力。是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要參數(shù)之一。彈塑性材料：材料受力時，彈性變形和塑性變形同時發(fā)生，外力去除后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2.3脆性和韌性（1）脆性材料在外力作用下，無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)。具有這種破壞特征的材料，稱為脆性材料。從應(yīng)力應(yīng)變圖中看材料的脆性第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）韌性材料在沖擊或震動荷載作用下，能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性或沖擊韌性。一般以測定其沖擊破壞時單位斷面上吸收的能量作為指標(biāo)。第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2.4硬度和耐磨性硬度：材料抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的能力常用刻劃法和壓入法測定?？虅澐ǚQ莫氏硬度；壓入法稱布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。耐磨性：材料抵抗磨損的能力，用耐磨率表示第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.2.5材料的徐變和應(yīng)力松弛

當(dāng)材料在恒定外力的作用下，其變形隨時間而緩慢增加的過程，稱為徐變。

當(dāng)材料在持續(xù)外力作用下，總的變形值保持不變，由于徐變而使材料內(nèi)應(yīng)力隨時間而逐漸降低的過程，稱為應(yīng)力松弛。徐變和應(yīng)力松弛是相互關(guān)聯(lián)的兩種現(xiàn)象。第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日親水性與憎水性吸水性與吸濕性

耐水性與抗?jié)B性抗凍性（概念區(qū)分、評價指標(biāo)及應(yīng)用分析）1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日(a)親水性材料(b)憎水性材料90

親水材料

90

憎水材料1.3.1材料的親水性與憎水性潤濕邊角:在材料、水和空氣的三相交叉點(diǎn)處沿水滴表面作切線，切線與材料和水接觸面的夾角。評價指標(biāo)

應(yīng)用分析

土木工程材料多為親水性材料，如混凝土、鋼材、磚石等，少數(shù)材料（多為有機(jī)材料）為憎水材料，如瀝青、石蠟、塑料、有機(jī)硅等。憎水性材料常被用作防水材料或親水性材料的復(fù)面層，以提高其防水、防潮性能。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.3.2材料的含水狀態(tài)四種基本含水狀態(tài)：干燥狀態(tài)——材料孔隙中不含或含水極微；氣干狀態(tài)——材料孔隙中所含水與大氣濕度平衡；飽和面干狀態(tài)——材料表面干燥，孔隙含水飽和；濕潤狀態(tài)——材料孔隙含水飽和，表面為水濕潤附有一層水膜。材料也可處于兩種基本含水狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日飽和水表面水材料的含水狀態(tài)(a)干燥狀態(tài)(b)氣干狀態(tài)(c)飽和面干狀態(tài)(d)濕潤狀態(tài)(a)(b)(c)(d)第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.3.3材料的吸濕性和吸水性吸濕性

––––親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，具有可逆性。用含水率表示W(wǎng)h––––含水率；％ms––––材料含水狀態(tài)下的質(zhì)量，g；mg––––材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日材料的含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而變化。平衡含水率：材料中所含水分與環(huán)境溫度所對應(yīng)的濕度相平衡時的含水率。材料在干燥空氣中放出所含水分的性質(zhì)稱還濕性。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）吸水性——材料在水中吸水的性質(zhì)。用吸水率表示，有重量吸水率和體積吸水率兩個定義：重量吸水率（Wm）——材料吸水飽和時吸收的水分重量占材料干燥時重量的百分率；體積吸水率（Wv）——材料吸水飽和時，吸收的水分體積占材料干燥時體積的百分率；材料的體積吸水率等于其重量吸水率乘上材料干燥狀態(tài)時的表觀密度。Wv=Wm?ρ0

第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日評價指標(biāo)吸水性——質(zhì)量吸水率Wm體積吸水率Wv

吸濕性——含水率Wh

（平衡含水率概念）

應(yīng)用分析

（1）材料吸水性與吸濕性大小對強(qiáng)度、保溫隔熱性、吸音等工程應(yīng)用性能的影響？（2）分析孔隙對吸水性與吸濕性大小的影響？第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.3.4耐水性定義

材料長期在水作用下不破壞、強(qiáng)度也不明顯下降的性質(zhì)評價指標(biāo)

軟化系數(shù)

Kp（結(jié)構(gòu)材料）（Kp=fw/fd)

Kp：0~1（粘土KP=0，金屬Kp=1）

Kp＞0.85為耐水材料

應(yīng)用分析

長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)必用KP＞0.85的材料，受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物KP不宜小于0.75。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.3.5抗?jié)B性定義

材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)（與耐水性區(qū)別）

評價指標(biāo)滲透系數(shù)或抗?jié)B等級

工程中常用抗?jié)B等級Pn來評價，材料按規(guī)定制作的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下所能承受的最大水壓力（MPa），如P4、P6、P8。材料的滲透系數(shù)越小或抗?jié)B標(biāo)號越高表明材料的抗?jié)B性越好。應(yīng)用分析地下建筑、水工建筑及防水材料等要求一定的抗?jié)B性。（1）分析抗?jié)B性的影響因素？（孔隙的影響，材料憎水性和親水性的影響)（2）分析抗?jié)B性對耐久性的影響？提高抗?jié)B性措施？第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.4.6抗凍性定義

材料在含水狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。評價指標(biāo)

抗凍等級Fn

如F25、F50、F100、F200等以規(guī)定的吸水飽和試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，經(jīng)一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，強(qiáng)度降低不超過規(guī)定數(shù)值，也無明顯損壞和剝落，則此凍融循環(huán)次數(shù)即為抗凍等級。應(yīng)用分析抗凍等級的選定據(jù)結(jié)構(gòu)物種類、使用條件、氣候條件決定。磚、面磚、輕混凝土等墻體材料：F15、F25或F35；

道路、橋梁用混凝土：F50、F100、F200；

水工混凝土：F500第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.4.6抗凍性思考（1）分析抗凍性的影響因素？內(nèi)因：孔隙率、孔隙特征、充水程度（水飽度）及材料本身強(qiáng)度高低；外因：凍融溫度、降溫速度、凍融頻繁程度等。（2）提高抗凍性措施有哪些？

注：充水程度（水飽度）：

KS>0.91

抗凍性差，KS<0.91抗凍性較好，混凝土KS<0.8

凍害才明顯減少。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.5材料的熱性質(zhì)第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.5.1.熱容性定義材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力不同材料的熱容性可用比熱進(jìn)行比較。比熱：單位質(zhì)量的材料升高單位溫度所需熱量。評價指標(biāo)比熱第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日定義1.5.2導(dǎo)熱性材料兩側(cè)有溫差時熱量由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳遞的能力。材料的導(dǎo)熱性能與孔隙特征有關(guān)，增加孤立的、不連通孔隙可降低材料導(dǎo)熱能力。評價指標(biāo)導(dǎo)熱系數(shù)

工程應(yīng)用

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、屋蓋）等有保溫隔熱要求的工程盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)小、