第1章土木工程材料的基本性質(zhì)ppt課件

1、第一章、土木工程材料的基本性質(zhì)第一章、土木工程材料的基本性質(zhì) 1、材料的基本物理性質(zhì)2、材料的力學(xué)性質(zhì)3、材料與水有關(guān)的性質(zhì)4、材料的熱性質(zhì)5、材料的耐久性一、材料的基本物理性質(zhì)v 1 、材料的密度 、表觀密度和堆積密度v （1密度:材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。v v 公式： 單位：g/cm3。v v v 式中 密度（ g/cm3 ）v m材料的質(zhì)量g） v V材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積cm3）vm實(shí)際密度的測(cè)量實(shí)際密度的測(cè)量v絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積是指不包括材料任何孔隙在內(nèi)的體積。 v實(shí)際密度的測(cè)量： v 1對(duì)近于絕對(duì)密實(shí)的材料：金屬、玻璃等可以量測(cè)幾何體積稱(chēng)重代入公式 v 2對(duì)有孔隙

2、的材料：磚、混凝土、石材等可以磨成細(xì)粉 李氏比重瓶法測(cè)試 李氏比重瓶 （2表觀密度容重）材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。表觀密度容重）材料在自然狀態(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） oovm表觀密度的測(cè)量表觀密度的測(cè)量v自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。孔隙在內(nèi)的體積。v材料內(nèi)部孔隙含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體材料內(nèi)部孔隙含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況積均發(fā)生變化。注

3、明含水情況 。v表觀密度的測(cè)量：表觀密度的測(cè)量： v 1對(duì)形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土、對(duì)形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土、石材石材 v 烘干量測(cè)幾何體積稱(chēng)重烘干量測(cè)幾何體積稱(chēng)重代入公式代入公式 v 2對(duì)形狀不規(guī)則的材料：對(duì)形狀不規(guī)則的材料： （為什么（為什么要用蠟密封？）要用蠟密封？） v 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）散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3公式： 式中 堆積密度（ g/cm3 ） m 材料的質(zhì)量g） 材料的堆積體積cm3）oovmoov堆積密度的測(cè)量堆積密度的測(cè)量v堆積體積是指包含顆粒內(nèi)部孔隙和顆粒之間的空隙在內(nèi)的體積。v 堆

4、積密度的測(cè)量： v 1容器法： 散粒材料裝入容器量測(cè)體積稱(chēng)凈重代入公式 v 2自然堆積法：堆積成一定形狀量測(cè)幾何體積稱(chēng)重代入公式 v （1孔隙率指材料體積內(nèi)，孔隙體積與總體積之比?？紫堵手覆牧象w積內(nèi)，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。v 公式公式 v v v 孔結(jié)構(gòu)孔隙率孔徑尺寸開(kāi)口形狀孔結(jié)構(gòu)孔隙率孔徑尺寸開(kāi)口形狀 v 影響材料的：強(qiáng)度、影響材料的：強(qiáng)度、 吸水性、耐久性、吸水性、耐久性、 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性2、材料的孔隙率和密實(shí)度、材料的孔隙率和密實(shí)度 孔隙的類(lèi)型：孔隙的類(lèi)型： 孤立孔、連通孔、開(kāi)口孔隙、閉口孔孤立孔、連通孔、開(kāi)口孔隙、閉口孔隙隙 開(kāi)口孔隙率為開(kāi)

5、口孔隙體積占材料總體積的比率。開(kāi)口孔隙率為開(kāi)口孔隙體積占材料總體積的比率。 閉口孔隙率為閉口孔隙體積占材料總體積的比率。閉口孔隙率為閉口孔隙體積占材料總體積的比率?？紫兜挠绊懣紫兜挠绊懸话汶S材料內(nèi)部孔隙的增加，表現(xiàn)為：一般隨材料內(nèi)部孔隙的增加，表現(xiàn)為：表觀密度表觀密度；強(qiáng)度強(qiáng)度、耐磨性、耐磨性；抗凍性抗凍性、抗?jié)B性、抗?jié)B性、耐水性、耐水性、耐腐蝕性、耐腐蝕性、其它耐久、其它耐久性性；吸水性吸水性、吸濕性、吸濕性；保溫性保溫性；v （2材料的密實(shí)度：材料的密實(shí)度： 指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度。反映材料的致密程度。度。反映材料的致密程度。 v 公式公式 v

6、v 孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系 P+D=1v v例題：已知一塊狀材料在干燥狀態(tài)下質(zhì)量為120g，自然狀態(tài)下的體積為40cm3，絕對(duì)密度體積35cm3求這材的密度、表觀密度、密實(shí)度、孔隙率。3、材料的填充率和空隙率（1填充率指散粒材料在某容器的堆積體積中，被其顆粒填充的程度。反映散粒材料堆積的致密程度。 公式 v （2空隙率散粒材料在某容器的堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占總體積的比率。 v 公式 v 空隙率與填充率的關(guān)系1 DP二、 材料的力學(xué)性質(zhì)1 、強(qiáng)度和比強(qiáng)度、強(qiáng)度和比強(qiáng)度強(qiáng)度材料在外力荷載作用下抵抗破壞的能力強(qiáng)度材料在外力荷載作用下抵抗破壞的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。稱(chēng)為強(qiáng)度。 依受

7、力形式有：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、依受力形式有：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度; 抗抗剪強(qiáng)度等剪強(qiáng)度等 v材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度可直接由下式計(jì)算： v式中f 材料的抗壓、抗拉或抗剪強(qiáng)度，MPa；P 材料破壞時(shí)的最大荷載，N；A 受力截面面積，mm2。APf v 對(duì)于抗彎強(qiáng)度，有兩種計(jì)算方式。將抗彎試件放在兩支點(diǎn)上，當(dāng)外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時(shí)，抗彎強(qiáng)度也稱(chēng)抗折強(qiáng)度可用下式計(jì)算： bhPLfm23v 若在此試件跨距的三分點(diǎn)上加兩個(gè)相等的集中荷載P/2），抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算：v 式中 材料的抗彎抗折強(qiáng)度，MPa；P 材料破壞時(shí)的最大荷載,N；b，h 試件橫截面的寬和

8、高，mm。2bhPLfmmf影響材料強(qiáng)度的因素：孔隙率、表觀密度、含水狀態(tài)、溫度情況影響材料強(qiáng)度的因素：孔隙率、表觀密度、含水狀態(tài)、溫度情況v數(shù)顯陶瓷磚抗折儀(抗折機(jī)) 強(qiáng)度等級(jí)與比強(qiáng)度強(qiáng)度等級(jí)與比強(qiáng)度v建筑材料常根據(jù)極限強(qiáng)度的大小，劃分為不同的強(qiáng)度等級(jí)或標(biāo)號(hào)。 v混凝土按抗壓強(qiáng)度劃分為 C15C80 v 水泥按抗壓和抗拉強(qiáng)度劃分為32.562.5v 砂漿按抗壓強(qiáng)度劃分為M2.5M20六個(gè)等級(jí)比強(qiáng)度比強(qiáng)度v 反映材料輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)參數(shù)是比強(qiáng)度，比強(qiáng)度是指按單位體積質(zhì)量計(jì)反映材料輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)參數(shù)是比強(qiáng)度，比強(qiáng)度是指按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比算的材料強(qiáng)度，即材料的

9、強(qiáng)度與其表觀密度之比f(wàn) /0）。）。v 幾種主要材料的比強(qiáng)度幾種主要材料的比強(qiáng)度 資料資料表觀密度表觀密度/(kg/m3)/(kg/m3)強(qiáng)度強(qiáng)度/MPa/MPa比強(qiáng)度比強(qiáng)度低碳鋼低碳鋼7 8507 8504204200.0540.054普通混凝土抗壓）普通混凝土抗壓）2 4002 40040400.0170.017松木順紋抗拉）松木順紋抗拉）5005001001000.2000.200玻璃鋼玻璃鋼2 0002 0004504500.2250.225燒結(jié)普通磚抗壓）燒結(jié)普通磚抗壓）1 7001 70010100.0060.0062、材料的彈性與塑性v彈性材料在外力的作用下產(chǎn)彈性材料在外力的作用

10、下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)形形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。狀的性質(zhì)。 v彈性模量彈性模量 E=/ v塑性材料在外力的作用下產(chǎn)塑性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，仍保持生變形，當(dāng)外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。生裂縫的性質(zhì)。 v實(shí)際的材料并不存在理想的彈實(shí)際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。性變形和塑性變形。v彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。后者為不可逆變形。材料的彈性變形材料的彈

11、性變形a和塑性變形和塑性變形b曲線曲線3、材料的脆性與韌性v脆性在外力作用下，當(dāng)脆性在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞而又無(wú)明顯的料突然破壞而又無(wú)明顯的塑性變形的性質(zhì)。塑性變形的性質(zhì)。 v具有脆性性質(zhì)的材料稱(chēng)脆具有脆性性質(zhì)的材料稱(chēng)脆性材料。特點(diǎn)：脆性材料性材料。特點(diǎn)：脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，可高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)強(qiáng)度，可高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。十倍。v 韌性在沖擊、震動(dòng)荷載的作用下，材料承受很韌性在沖擊、震動(dòng)荷載的作用下，材料承受很大的變形也不致破壞的性能稱(chēng)為韌性。大的變形也不致破壞的性能稱(chēng)為韌性。v 具有韌性性質(zhì)的材料稱(chēng)韌性材料。在

12、建筑具有韌性性質(zhì)的材料稱(chēng)韌性材料。在建筑工程中，對(duì)于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的工程中，對(duì)于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，材料均應(yīng)具有較高的韌性。結(jié)構(gòu)，材料均應(yīng)具有較高的韌性。4、材料的硬度與耐磨性v 硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。 一般情況下，硬度大的材料強(qiáng)度高、耐磨性較強(qiáng)，但不易加工。所以，工程中有時(shí)用硬度來(lái)間接推算材料的強(qiáng)度。耐磨性耐磨性v耐磨性是材料具有一定的抵抗磨損耐磨性是材料具有一定的抵抗磨損的能力，常用磨損率的能力，常用磨損率B表示：表示： v式中：式中：m1、m2試件被磨損前、試件被磨損前、后的質(zhì)量后的質(zhì)量g）；）；v A試件受磨損的面積試件受磨損的面積cm

13、 2）。）。12mmBA 路面磨損裂紋路面磨損裂紋 v 經(jīng)過(guò)幾年的使用，某水泥混凝土路面出現(xiàn)露石現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)幾年的使用，某水泥混凝土路面出現(xiàn)露石現(xiàn)象。 出現(xiàn)露石的路面出現(xiàn)露石的路面三、材料與水有關(guān)的性質(zhì)三、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1、 親水性與憎水性 材料在空氣中與水接觸時(shí)，根據(jù)其是否能被水潤(rùn)濕，將材料分為親水性和憎水性兩大類(lèi)。常用潤(rùn)濕角表示。 哪些是親水材料？哪些是憎水材料？親水性材料 90 憎水性材料 90v 親水性：自潔凈玻璃具有超親水性，膜層受紫外光激發(fā)后，親水性：自潔凈玻璃具有超親水性，膜層受紫外光激發(fā)后，對(duì)水的接觸角減少到對(duì)水的接觸角減少到5度以下普通玻璃對(duì)水的接觸角約為度以下普通玻璃對(duì)水

14、的接觸角約為46度），甚至可以達(dá)到度），甚至可以達(dá)到0度，使水鋪展在玻璃表面上并把污度，使水鋪展在玻璃表面上并把污物帶走，水在玻璃表面形成水幕，水滴和水痕降最少。物帶走，水在玻璃表面形成水幕，水滴和水痕降最少。 通常，自然的雨水就能夠使自潔凈玻璃保持清潔。若氣通常，自然的雨水就能夠使自潔凈玻璃保持清潔。若氣候干旱，只需要用自來(lái)水沖洗也可以起到同樣的清潔作用。候干旱，只需要用自來(lái)水沖洗也可以起到同樣的清潔作用。自潔凈玻璃 v自清潔功能：利用太陽(yáng)中的能量和雨水的沖刷，自清潔功能：利用太陽(yáng)中的能量和雨水的沖刷，依靠高降解率使玻璃自動(dòng)清潔。同時(shí)可以減少人依靠高降解率使玻璃自動(dòng)清潔。同時(shí)可以減少人工清潔

15、的次數(shù)和費(fèi)用。工清潔的次數(shù)和費(fèi)用。 2、吸水性、吸水性2、吸水性材料在浸水情況下吸入水分的能力。用吸水率表示。 吸水率包括：質(zhì)量吸水率、體積吸水率。質(zhì)量吸水率公式 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（） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（）%100干干濕質(zhì)mmmwv體積吸水率：輕質(zhì)多孔的材料，質(zhì)量吸水率超過(guò)體積吸水率：輕質(zhì)多孔的材料，質(zhì)量吸水率超過(guò)100%的情況下，用體積吸水率。的情況下，用體積吸水率。吸水性對(duì)材料性能的影響：材料吸水后，對(duì)材料的性能一般會(huì)產(chǎn)生不利的影響。材料吸水后，對(duì)材料的性能一般會(huì)產(chǎn)生不利的影響。 材料吸水性與材料的哪些性質(zhì)有關(guān)系？材料吸水性與材料是否親水、材

16、料孔隙特征等有關(guān)。材料孔隙結(jié)構(gòu)一定時(shí)，孔隙率越大，吸水性越強(qiáng) 3、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(shí)的質(zhì)量（） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（）%100干干含含mmmw3、吸濕性v影響含水率大小的因素：影響含水率大小的因素： v 材料的本性親水性或憎水性材料材料的本性親水性或憎水性材料v 環(huán)境溫度、濕度氣溫越低，相對(duì)濕度環(huán)境溫度、濕度氣溫越低，相對(duì)濕度越大，材料的含水率越高越大，材料的含水率越高 v吸濕性對(duì)材料的影響：吸濕性對(duì)材料的影響： v導(dǎo)熱性增大、熱阻降低對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材導(dǎo)熱性增大、熱阻降低對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料不利料不利v體積膨

17、脹對(duì)木結(jié)構(gòu)和木制品不利體積膨脹對(duì)木結(jié)構(gòu)和木制品不利 v濕脹干縮濕脹干縮 與周?chē)h(huán)境平衡的平衡含水與周?chē)h(huán)境平衡的平衡含水率率4、 耐水性材料長(zhǎng)期在飽和水作用下不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(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(qiáng)度MPa） f 干材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度MPa）干飽軟ffK4、 耐水性材料軟化系數(shù)的要求v 材料軟化系數(shù)的要求v 軟化系數(shù)越小，說(shuō)明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低越多，其耐水性越差。 v 對(duì)經(jīng)常處于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物如地下構(gòu)筑物、根底、水工結(jié)構(gòu)的材料，其v K軟0.85； v K軟0.85的材料，一般稱(chēng)為耐水

18、的材料。 磚浸水后強(qiáng)度下降磚浸水后強(qiáng)度下降 v某地發(fā)生歷史罕見(jiàn)的洪水。洪水退后，許多磚房某地發(fā)生歷史罕見(jiàn)的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見(jiàn)圖。請(qǐng)分析原因。見(jiàn)圖。請(qǐng)分析原因。未燒透的紅磚未燒透的紅磚a5、抗?jié)B性材料抵抗有壓介質(zhì)水、油、氣滲透的性質(zhì)稱(chēng)抗?jié)B性。用滲透系數(shù)K表示。 a a式中Ks材料的滲透系數(shù),cmh；Q滲透水量,cm3；d材料的厚度,cm；A滲水面積,cm2；t滲水時(shí)間,h；H靜水壓力水頭,cm。AtHQdKs5、抗?jié)B性抗?jié)B試驗(yàn)就是對(duì)試件定時(shí)逐級(jí)加壓，即從0.1MPa開(kāi)始，每隔8h增加0.1MPa，直至6個(gè)

19、試件中有3個(gè)端面滲水為止。 v6、 材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融材料在吸水飽和的狀態(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)稱(chēng)循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱(chēng)為抗凍性。為抗凍性。6、抗凍性 材料受凍破壞的原因：材料孔隙內(nèi)的水材料受凍破壞的原因：材料孔隙內(nèi)的水受凍結(jié)冰時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力凍融時(shí)受凍結(jié)冰時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力凍融時(shí)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，對(duì)孔壁造成很大的靜水壓產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，對(duì)孔壁造成很大的靜水壓力，對(duì)材料造成破壞。力，對(duì)材料造成破壞。v 混凝土抗凍性一般以抗凍等級(jí)表示?？箖龅燃?jí)是采用齡期28的試塊在吸水飽和后，承受反復(fù)凍融循環(huán)，以抗壓強(qiáng)度下降不

20、超過(guò)25，而且質(zhì)量損失不超過(guò) 時(shí)所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定的。v 混凝土劃分為以下抗凍等級(jí)：10、F15、F25、F50、F150、F200、F250、F300等九個(gè)等級(jí)，分別表示混凝土能夠承受反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)為10、25、25、50、100、150、200、250和300次。四、四、 材料的熱性質(zhì)材料的熱性質(zhì)1、導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的一側(cè)、通過(guò)材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種一側(cè)、通過(guò)材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力，稱(chēng)為導(dǎo)熱性。傳導(dǎo)熱量的能力，稱(chēng)為導(dǎo)熱性。材料的導(dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。材料的導(dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。 v 式中式中材料的導(dǎo)熱系數(shù)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（mK）；）；Q 傳導(dǎo)的熱量，傳導(dǎo)的熱量，J；a 材料的厚度，材料的厚度，m；A 材料傳熱的面積，材料傳熱的面積，m2；Z 傳熱時(shí)間，傳熱時(shí)間，h；（t1-t2）材料兩側(cè)溫度差，材料兩側(cè)溫度差，K。材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，工程