土木工程材料基本性質(zhì)概述

1、 1. 材料的密度、表觀密度和堆積密度材料的密度、表觀密度和堆積密度1.1 密度密度定義：定義：材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量?？砂聪率接嬎悖篤m 密度，g/cm3；m 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；V 材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，cm3。（density）一、材料的物理性質(zhì)一、材料的物理性質(zhì)測量方法測量方法 有較多孔隙的材料，采用磨細后（粒徑0.02mm）用李氏瓶測定其體積的方法。 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)視密度。1. 2 表觀密度表觀密度定義：定義：材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)

2、量。計算：計算：00Vm0 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。（unit weight）1. 3 堆積密度堆積密度定義：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：計算：00Vm0 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。（heaped density ）V0VVKVB開口孔開口孔封閉孔封閉孔閉口孔隙自然狀態(tài)下的塊狀材料開口孔隙VmPVVm0BKVVVm0實體實體實實 體體空空 隙隙開口孔隙開口孔隙封閉孔隙封閉孔隙裝在容器里的粒狀、粉狀或塊狀材料V0VVKVBV

3、000Vm2 .材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率2.1 材料的孔隙材料的孔隙(1)孔隙率: 材料內(nèi)部孔隙體積占材料總體積的百分率%100)1 (%100000VVVp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。pVVD1%100%10000(2)密實度密實度: 材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實際體積占材料材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實際體積占材料 總體積的百分率總體積的百分率孔隙特征主要有兩方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、細孔和大孔；（2）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

4、積記為VB，則孔隙體積 V= 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0VVpKK0VVpBBBKppp散粒材料顆粒間的空隙多少用空隙率表示。(1) 空隙率空隙率: 散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率的百分率%100)1 (%10000000VVVp2.2 材料的空隙材料的空隙(2)填充率填充率:顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率00001%100%100pVVD(a) 親水性材料(b) 憎水性材料 親水材料 憎水材料3.1 3.1 材料的親水性與憎水性材料的親水性與憎水性潤濕邊角潤濕邊角: 在材

5、料、水和空氣的三相交叉點處沿水滴表面作切線，切線與材料和水接觸面的夾角。3.3.材料與水有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)的性質(zhì)3.2 3.2 材料的含水狀態(tài)材料的含水狀態(tài)四種基本含水狀態(tài)：四種基本含水狀態(tài)：干燥狀態(tài)干燥狀態(tài)材料孔隙中不含或含水極微；材料孔隙中不含或含水極微；氣干狀態(tài)氣干狀態(tài)材料孔隙中所含水與大氣濕度平衡；材料孔隙中所含水與大氣濕度平衡；飽和面干狀態(tài)飽和面干狀態(tài)材料表面干燥，孔隙含水飽和；材料表面干燥，孔隙含水飽和；濕潤狀態(tài)濕潤狀態(tài)材料孔隙含水飽和，表面為水濕潤附材料孔隙含水飽和，表面為水濕潤附 有一層水膜。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)材料也可處于兩種基本含水狀態(tài)

6、之間的過渡狀態(tài)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)3.3 3.3 材料的吸濕性和吸水性材料的吸濕性和吸水性(1)吸濕性吸濕性 親水材料在潮濕空氣中吸收水分 的性質(zhì)。用含水率表示%100ggshmmmWWh 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。材料的含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而變化。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：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。材料在干燥空氣中放出所

7、含水分的性質(zhì)稱還濕性。（2）吸水性）吸水性材料在水中吸水的性質(zhì)。 用吸水率表示，有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩個定義：質(zhì)量吸水率材料吸水飽和時，吸收的水分質(zhì) 量占材料干燥時質(zhì)量的百分率；體積吸水率材料吸水飽和時，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。%100ggbmmmmW%10010wgbvVmmW工程上，建筑材料一般采用質(zhì)量吸水率，如粘土磚為820。吸水性和吸濕性會使材料絕熱性降低，強度和耐久性產(chǎn)生不同程度的下降，體積發(fā)生變化，影響材料使用。3.4 3.4 耐水性耐水性定義 材料長期在水作用下不破壞、強度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟

8、化系數(shù)表示：kR=fb/fg。公式中fb表示材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度，Mpa；fg表示材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度，MpakR在01之間，不同材料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金屬kR=1；土木工程中將kR0.85的材料稱為耐水材料，用于潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)。3.5 3.5 抗?jié)B性抗?jié)B性定義定義 材料抵抗 壓力水滲透的性質(zhì) 常用滲透系數(shù)或抗?jié)B標號表示：滲透系數(shù)：AtHQdks k s 滲透系數(shù)，cm/h；Q 透水量，cm；d 試件厚度，cm；A 透水面積，cm； t 時間，h；H 靜水壓力水頭，cm?？?jié)B性用抗?jié)B等級Pn表示，抗?jié)B等級是以規(guī)定的試件在規(guī)定的試驗條件下，所能承受的最大水壓力

9、來確定；其中的n，表示材料所能承受的最大水壓力（ Mpa）的10倍，例如P4、P6、P10表示材料最大能承受0.4、0.6、1.0 Mpa的水壓力而不滲水。材料的滲透系數(shù)越小或抗?jié)B標號越高表明材料的抗?jié)B性越好。3.6 3.6 抗凍性抗凍性干燥箱干燥箱混凝土抗?jié)B儀混凝土抗?jié)B試模（左）4.1 4.1 熱容性熱容性定義定義材料在溫度變化時吸收或放出熱量的材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力能力不同材料的熱容性可用比熱進行比較。不同材料的熱容性可用比熱進行比較。比熱：單位質(zhì)量的材料升高單位溫度所需熱量。比熱：單位質(zhì)量的材料升高單位溫度所需熱量。4 4 與熱有關(guān)的性質(zhì)與熱有關(guān)的性質(zhì)定義定義4.2 4.2

10、 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性材料兩側(cè)有溫差時熱量由高溫側(cè)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。向低溫側(cè)傳遞的能力。常用導(dǎo)熱系數(shù)表示：常用導(dǎo)熱系數(shù)表示：材料的導(dǎo)熱性能與孔隙特征有關(guān)，增加材料的導(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)熱能孤立的、不連通孔隙可降低材料導(dǎo)熱能力。力。0.23的材料稱為絕熱材料。的材料稱為絕熱材料。AtTTQ)21(）傳熱時間（）傳熱面積（）材料兩側(cè)溫差（）材料厚度（）傳熱量（）（導(dǎo)熱系數(shù)StmAKTTmJQkmW221/4.3 4.3 熱變形性熱變形性定義定義材料在溫度變化時的尺寸變化材料在溫度變化時的尺寸變化常用線膨脹系數(shù)表示。常用線膨脹系數(shù)表示。有保

11、溫隔熱要求的工程盡量選用熱容量有保溫隔熱要求的工程盡量選用熱容量大、導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。大、導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。 土木工程材料在使用過程中經(jīng)受各種破壞因素 ( 物理的、化學(xué)的、環(huán)境的、生物的等等 ) 的作用，而能保持其使用性能的性質(zhì)稱為土木工程材料的耐久性土木工程材料的耐久性。環(huán)境影響因素往往是復(fù)雜多變的，它們單獨或交互作用于材料形成破壞。由于各種破壞因素的復(fù)雜性和多樣性，使得耐久性是一個綜合性概念。5 5 材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性包括抗凍性、抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性、抗炭化性、大氣穩(wěn)定性、耐磨性等。耐久性是一項綜合性指標，建筑材料應(yīng)有良好的耐久性。從工程技術(shù)發(fā)展角度看，由按耐久性進行工程

12、設(shè)計取代按強度進行工程設(shè)計更具科學(xué)性和實用性。然而，要按耐久性進行工程設(shè)計，尚需對各種材料的耐久性進行更為廣泛深入的研究。提高材料耐久性是土木工程材料生產(chǎn)及應(yīng)用的重要課題之一。1. 1. 強度與等級強度與等級1.1材料的強度材料的強度定義 材料在外力作用下抵抗破壞的能力。 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。二、材料的力學(xué)性質(zhì)二、材料的力學(xué)性質(zhì) LLF/2 F/2FFL/3F FL/3 L/3(a) 壓力(b) 拉力(c) 彎曲(d) 剪切材料所受外力：材料所受外力：各種強度的計算公式如下： 抗壓、抗拉、抗剪的強度抗壓、抗拉、抗剪的強度AFf f 強度， M

13、pa；F 破壞時最大荷載，N；A 受力截面面積，mm2。 抗彎強度抗彎強度223bhFLftm1）(中點集中荷載)2）2bhFLftm(三分點兩相等集中荷載)f tm 抗彎強度，Mpa；F 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。 材料的抗彎強度又稱為抗折強度，分兩種情況：第一種為1個集中荷載（兩個支點），代表構(gòu)件為水泥膠砂試件（40mm40mm160mm）的抗折強度。第二種為2個集中荷載（兩個支點），代表構(gòu)件為公路水泥混凝土路面的水泥混凝土試件（150mm150mm550mm）的抗折強度。常見土木工程材料的強度見12頁。許多土

14、木工程材料常以其強度大小劃分為若干等級，俗稱 “ 標號 ”。材料強度受以下三個因素的影響： 材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造(強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關(guān)系)。 材料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等) 強度值的測試條件(試件尺寸、加荷速度等)2.材料的比強度材料的比強度衡量材料是否輕質(zhì)、高強的指標定義 單位體積質(zhì)量的材料強度,等于材料的強度與其表觀密度之比3. 材料的彈性與塑性材料的彈性與塑性 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塑性變形。材料在彈

15、性范圍內(nèi)，其應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系符合如下公式： 應(yīng)力； 應(yīng)變，為材料受外力變形尺寸增量與原尺寸之比； 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。4. 4. 脆性和韌性脆性和韌性（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，稱為脆性材料脆性材料。從應(yīng)力應(yīng)變圖中看材料的脆性（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韌性或沖擊韌性

16、。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。5. 5. 硬度和耐磨性硬度和耐磨性硬度：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。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、洛氏硬度刻劃法稱莫氏硬度；壓入法稱布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。和維氏硬度。耐磨性：材料抵抗磨損的能力，用耐磨度表示。耐磨性：材料抵抗磨損的能力，用耐磨度表示。P156. 6. 材料的徐變和應(yīng)力松弛材料的徐變和應(yīng)力松弛 當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，稱為徐變徐變。 當材料在持續(xù)外力作用下，總的變形值保持不變，由于徐變而使材

17、料內(nèi)應(yīng)力隨時間而逐漸降低的過程，稱為應(yīng)力松弛松弛。徐變和應(yīng)力松弛是相互關(guān)聯(lián)的兩種現(xiàn)象。n材料的其它性質(zhì)見教材，不作為重點。作業(yè)n2-1 試解釋以下名詞：（1）密度；（2）表觀密度（容重）；（3）堆積密度；（4）孔隙率；（5）空隙率；（6）吸水率；（7）含水率；（8）比強度 。n2-2 確定建筑成品或半成品的質(zhì)量在工程上用來分析設(shè)計活載、地基承載力、現(xiàn)澆模板荷載、預(yù)制吊裝荷載等等具有重要意義，根據(jù)設(shè)計圖如何確定兩框架柱之間的現(xiàn)澆梁板的質(zhì)量？根據(jù)設(shè)計圖如何確定1片預(yù)制T梁的質(zhì)量？n2-3 一塊燒結(jié)普通磚的外形尺寸為240mm115mm53mm。吸水飽和后的重為2940g烘干至恒重為2580g。今將

18、該磚磨細并烘干后取代50g，用李氏瓶測得其體積為18.58cm3。試求該磚的密度、表觀密度、孔隙率、質(zhì)量吸水率、開口孔隙率及閉口孔隙率。n2-4 稱河砂500g，烘干至恒重時質(zhì)量為494g，求此河砂的含水率。n2-5某工程共需要煤矸磚（240mm115mm53mm）15萬匹，用載質(zhì)量為5噸的汽車分五批運完，每批需要安排汽車多少輛？（1m3磚的理論匹數(shù)為684匹，磚的容重為1.8t/ m3）n2-6有直徑20 mm，長14 m的鋼筋一捆25根，計算其總質(zhì)量為多少kg？（鋼材的密度為7.85t/ m3）n2-7收到含水率為3.5%的河砂1 t，實為干砂多少t？如果需要干砂1 t，應(yīng)進含水率為3.5%的含水河砂多少t？n2-8某石灰?guī)r的密度為2.62g/cm3，孔隙率為1.20%。今將該石灰?guī)r破碎成碎石，碎石的堆積密度為1580kg/m3。求此碎石的表觀密度和空隙率。n2-9 某材料的體積吸水率為10%，密度為3.0g/cm3,烘干后的表觀密度為1500kg/m3。試求該