土木工程材料教案第一章緒論課件

《土木工程材料》教案

第一章1、緒言1.1概述1.2材料的基本狀態(tài)參數(shù)1.3材料的力學(xué)性質(zhì)1.4材料與水有關(guān)的性質(zhì)主要內(nèi)容：緒論材料的基本狀態(tài)參數(shù)材料與水有關(guān)的性質(zhì)重點(diǎn)內(nèi)容：材料的基本狀態(tài)參數(shù)難點(diǎn)：材料的物理常數(shù)要求：材料的基本狀態(tài)參數(shù)材料與水有關(guān)的性質(zhì)對(duì)《土木工程材料》有概括的了解參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴(yán)家伋《道路建筑材料》孫凌《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》1.2材料的基本狀態(tài)參數(shù)1.2.1材料的密度、表觀密度、毛體積密度和堆積密度一、密度1.定義：材料的密度是材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的（不包括開(kāi)口和閉口孔隙體積）的質(zhì)量。2.公式：

式中：ρ——材料的密度，ｇ／ｃｍ３；ｍｓ——材料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，ｇ；Ｖ——料礦質(zhì)實(shí)體的體積，ｃｍ３。因試驗(yàn)的條件是在空氣中稱(chēng)量石料的質(zhì)量，故ｍ。＝０，ｍs＝ｍ，則公式改寫(xiě)為

式中：ｍ——烘干石料試樣的質(zhì)量，ｇ；Ｖ——意義同前。石料密度的測(cè)定可采用比重瓶法或李氏比重瓶法T二、表觀密度

1.定義：在規(guī)定條件下，材料單位表觀體積（礦質(zhì)實(shí)體體積十閉口孔隙體積）的質(zhì)量，稱(chēng)為表觀密度，亦稱(chēng)視密度。2.公式：式中：ρt——石料的表觀密度，ｇ／ｃｍ３；ｍ、Ｖ——意義同前；ＶB——石料閉口孔隙的體積，ｃｍ３。測(cè)定方法：排水法T三、毛體積密度定義：材料的毛體積密度是在規(guī)定試驗(yàn)條件下，烘干材料單位體積（包括孔隙在內(nèi)）的質(zhì)量。公式：

式中：——石料的毛體積密度，ｇ／ｃｍ3——石料開(kāi)口孔隙體積，ｃｍ3ｍ，ｖ，ｖB——意義同前。材料的毛體積密度測(cè)定可將石料加工為規(guī)則形狀石料試件，采用精密量具測(cè)量其幾何形狀的方法計(jì)算其體積；對(duì)于遇水崩解、溶解和干縮濕脹性松軟石料，應(yīng)采用封蠟法測(cè)定。T1.2.2材料的孔隙和空隙一、材料的孔隙

空隙對(duì)材料的影響：（1）孔隙的多少（孔隙率）（2）孔隙的特征1.孔隙率定義：孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積(開(kāi)口孔隙和閉口孔隙)占材料總體積的百分率。公式：

2.密實(shí)度定義：材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實(shí)體占材料總體積的百分率。公式：孔隙的特征（1）按孔隙尺寸大小，可把空襲氛圍為微孔、細(xì)孔和大孔三種（2）按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔、連通孔。（3）按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開(kāi)口孔、封閉孔。二、材料的空隙1.空隙率定義：散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率。公式：2.填充率定義：顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。公式：R1.4.3材料的吸濕性和吸水性一、吸濕性定義：親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)表示方法：含水率二、吸水性定義：材料在水中吸水的性質(zhì)。重量吸水率提及吸水率開(kāi)口細(xì)微連通孔，吸水量大。1.4.4耐水性定義：材料長(zhǎng)期在水作用下不破壞、強(qiáng)度也不明顯下降的性質(zhì)。軟化系數(shù)：＞0.85為耐水材料，該值越小耐水性越差。1.4.5抗?jié)B性1.4.6抗凍性材料在含水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次動(dòng)容循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。凍融循環(huán)

直接凍融法是測(cè)定石料抗凍性的主要試驗(yàn)方法。此方法是將石料制備成直徑和高均為５０ｍｍ的圓柱體或邊長(zhǎng)為５０ｍｍ的立方體試件，放人烘箱（１０５℃±５℃）烘至恒重，冷卻后稱(chēng)其質(zhì)量，按吸水率試驗(yàn)方法讓試件吸水飽和，然后取出擦去表面水分，置于冰箱（-１５℃）凍結(jié)４ｈ，然后取出放人２５℃±５℃的水中融解４ｈ，如此為一次凍融循環(huán)，經(jīng)反復(fù)凍融至規(guī)定次數(shù)為止，將凍融后的試件再烘干至恒重，并稱(chēng)其質(zhì)量。對(duì)于不同的工程環(huán)境氣候條件，凍融循環(huán)的次數(shù)有不同的要求，分為15次、25次及25次以上。在試驗(yàn)過(guò)程中，每隔一定的凍融循環(huán)次數(shù)，應(yīng)詳細(xì)檢查試件有無(wú)剝落、裂縫、分層及掉邊等現(xiàn)象，并加以記錄。對(duì)于塊狀石料的抗凍性，可采用經(jīng)規(guī)定次數(shù)的凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率或者耐凍系數(shù)表征。公路工程，一般要求石料的耐凍系數(shù)大于０.７５；質(zhì)量損失率不大于５％。同時(shí)，試件應(yīng)無(wú)明顯缺損（包括剝落、裂縫和邊角損壞等情況）。橋梁工程石料，對(duì)一月份平均氣溫低于—１０℃的地區(qū)，要進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。２）硫酸鈉堅(jiān)固性法思考題：1.孔隙的特征與吸水率的關(guān)系。2.什么條件下要對(duì)石料進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)？什么是凍融循環(huán)？3.如何判定石料抗凍性是否合格？R主要內(nèi)容：材料的力學(xué)性質(zhì)集料的技術(shù)性質(zhì)重點(diǎn)內(nèi)容：石料的抗壓強(qiáng)度、磨耗率集料的級(jí)配難點(diǎn)：級(jí)配及計(jì)算參數(shù)要求：掌握石料的力學(xué)性質(zhì)掌握石料等級(jí)的確定掌握級(jí)配參數(shù)的計(jì)算方法參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴(yán)家伋《道路建筑材料》孫凌《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》影響強(qiáng)度的因素：材料的組成孔隙率增加強(qiáng)度降低含水率增加強(qiáng)度降低溫度升高強(qiáng)度降低試件尺寸大強(qiáng)度降低加荷速度快強(qiáng)度降低等二、比強(qiáng)度定義：?jiǎn)挝惑w積重量的材料強(qiáng)度與毛體積密度之比——衡量材料是否輕質(zhì)、高強(qiáng)。補(bǔ)充一：１．公路工程石料的力學(xué)性質(zhì)１）抗壓強(qiáng)度石料的抗壓強(qiáng)度，通常有單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度兩種。如果不作邊坡驗(yàn)算等，一般僅需要進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。公路工程石料的抗壓強(qiáng)度，是將石料制備成邊長(zhǎng)為５０ｍｍ±０.５ｍｍ的正立方體或直徑與高均為５０ｍｍ±０.５ｍｍ的圓柱體試件，經(jīng)吸水飽和后，在規(guī)定的加載條件下單軸受壓，石料試件達(dá)到極限破壞時(shí)，單位受壓面積的強(qiáng)度。公式：式中：——石料的抗壓強(qiáng)度，ＭＰａ；Fmax——試件極限破壞時(shí)的荷載，Ｎ；Ａ——試件的截面積，ｍｍ２。石料的抗壓強(qiáng)度值，取決于石料的組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)也取決于試驗(yàn)的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。石料的抗壓強(qiáng)度值，取決于石料的組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)也取決于試驗(yàn)的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。

（2）狄法爾試驗(yàn)法狄法爾試驗(yàn)法采用狄法爾（或雙筒）式磨耗試驗(yàn)機(jī)。它是將石料破碎（人工或機(jī)械），并過(guò)篩選出５０～７５ｍｍ的塊石５０±２塊，共約５ｋｇ（每塊質(zhì)量約１００ｇ），計(jì)兩份，分別洗凈烘干，裝人磨耗機(jī)的兩圓筒中，磨耗機(jī)以３０～３３ｒ／ｍｉｎ的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)１００００轉(zhuǎn)，石料的磨耗率同樣是以通過(guò)２ｍｍ或１．7ｍｍ篩孔的質(zhì)量損失百分率來(lái)表示，亦按上式計(jì)算。按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，兩種試驗(yàn)方法以洛杉磯試驗(yàn)法為標(biāo)準(zhǔn)方法。２．橋梁工程石料的力學(xué)性質(zhì)抗壓強(qiáng)度是橋梁工程石料的主要力學(xué)指標(biāo)，是確定石料標(biāo)號(hào)的主要依據(jù)。橋用石料的抗壓強(qiáng)度是將石料加工成邊長(zhǎng)為２０ｃｍ的正立方體試件，經(jīng)吸水飽和后，按規(guī)定的加荷條件單軸受壓，石料試件達(dá)到極限破壞時(shí)，單位受壓面積的強(qiáng)度。此亦作為石料的標(biāo)號(hào)。公式：橋用石料的力學(xué)性質(zhì)以抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，其他力學(xué)指標(biāo)（如抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等）一般可采用與抗壓強(qiáng)度的大約比值。石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2.粗度粗度是評(píng)價(jià)砂粗細(xì)程度的一種指標(biāo)，通常用細(xì)度模數(shù)來(lái)表示，細(xì)度模數(shù)是各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率之和除以１００的商，可按下式計(jì)算。

[例]從工地取回烘干砂樣500g做篩析試驗(yàn)，列于表中，求該砂樣的分計(jì)篩余、累計(jì)篩余、通過(guò)百分率及該砂樣的細(xì)度模數(shù)，并對(duì)該砂樣進(jìn)行評(píng)定。細(xì)度模數(shù)T（二〕力學(xué)性質(zhì)１．壓碎性壓碎性是指碎石（或卵石）抵抗壓碎的性能?？赏ㄟ^(guò)壓碎值試驗(yàn)，采用壓碎值來(lái)相對(duì)地衡量石料在逐漸增加荷載的作用下抵抗壓碎的能力，壓碎值是表征粗集料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)之一。１）水泥混凝土用粗集料壓碎值試驗(yàn)方法10～20mm，3Kg，二層裝入（每層顛擊25次）；3～5min至200KN，過(guò)2.5mm篩。2）瀝青混合料用粗集料壓碎值試驗(yàn)13.2～16mm，3Kg，三層裝入（每層插搗25次）；10min至400KN，過(guò)2.36ｍｍ篩。（三）化學(xué)性質(zhì)石料根據(jù)ＳｉＯ２含量的多少分為：酸性石料、中性石料和堿性石料。大量試驗(yàn)證明，堿性石料與瀝青的粘附性較酸性石料與瀝青的粘附性大，酸性石料比較堅(jiān)硬。為確定集料與瀝青的粘附性，通常在公路工程中采用一些簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行測(cè)定。目前我國(guó)現(xiàn)行的試驗(yàn)方法主要有：１）水煮法２）水浸法３）親水系數(shù)法當(dāng)采用同一種瀝青時(shí)，選擇礦料從堿性、中性直至酸性，集料與瀝青的粘附性逐漸降低。為保證瀝青混合料的強(qiáng)度，在選擇集料時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用堿性石料。若當(dāng)?shù)厝狈A性石料且必須采用酸性石料時(shí)，可摻加各種抗剝劑以提高瀝青與石料的粘附性。思考題：1.如何判定集料的酸性、中性、堿性，工程應(yīng)用中如何考慮？2.掌握級(jí)配參數(shù)的計(jì)算公式。作業(yè)：主要內(nèi)容：級(jí)配理論礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容：泰波公式修正平衡面積法礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)難點(diǎn)：泰波公式修正平衡面積法礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)要求：利用泰波公式能夠計(jì)算適宜的級(jí)配范圍掌握修正平衡面積法礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴(yán)家伋《道路建筑材料》孫凌補(bǔ)充3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)路用礦質(zhì)混合料的基本要求：１.最小空隙率２.最大摩擦力為達(dá)到上述要求，必須對(duì)礦質(zhì)混合料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，其內(nèi)容包括：１）級(jí)配理論和級(jí)配范圍的確定；２）基本組成的設(shè)計(jì)方法。一、礦質(zhì)混合料的級(jí)配理論（一）級(jí)配類(lèi)型各種不同粒徑的集料，按照一定比例搭配起來(lái)，以達(dá)到最大密實(shí)度和最大摩擦力的要求，可以采用兩類(lèi)級(jí)配：１.連續(xù)級(jí)配２.間斷級(jí)配（二）級(jí)配理論１.（富勒）Ｗ.Ｂ.Ｆuller理論富勒根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出一種理想級(jí)配，認(rèn)為：“級(jí)配曲線愈接近拋物線時(shí)，則其密度愈大”，因此，當(dāng)級(jí)配曲線為拋物線時(shí)為最大密度曲線。

當(dāng)粒徑ｄ等于最大粒徑Ｄ時(shí)，礦質(zhì)混合料的通過(guò)率等于１００％，則：

T２.（泰波）Ａ.Ｎ.Ｔalbal理論泰波認(rèn)為富勒曲線是一種理想曲線，實(shí)際礦料的級(jí)配應(yīng)允許有一定的波動(dòng)范圍，故將富勒最大密度曲線改為n次冪的通式，即

從泰波公式可看出，當(dāng)ｎ＝１／２時(shí)為拋物線，即富勒曲線。根據(jù)試驗(yàn)認(rèn)為ｎ＝０.３～０.６之間時(shí)，礦質(zhì)混合料具有較好的密實(shí)度。泰波理論可用來(lái)解決連續(xù)級(jí)配的級(jí)配范圍問(wèn)題，故具有很大的實(shí)用意義。例題已知礦質(zhì)混合料最大粒徑為40mm，試用泰波公式計(jì)算級(jí)配范圍曲線的各級(jí)粒徑通過(guò)百分率。（n=0.3～n=0.7）。二、級(jí)配曲線范圍的繪制我國(guó)級(jí)配曲線采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)形式T三、礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)方法天然的或人工軋制的單一集料的級(jí)配一般很難完全符合某一合適級(jí)配范圍的要求，因此，必須采用幾種集料按照一定比例進(jìn)行搭配才能達(dá)到級(jí)配范圍的要求，這就需要對(duì)礦質(zhì)混合料進(jìn)行配合組成設(shè)計(jì)。確定礦質(zhì)混合料配合比的方法很多，但一般主要采用試算法和圖解法。

不管采