重慶大學(xué)的土木工程課件

土木工程材料

主編彭小芹

副主編馬銘彬

重慶大學(xué)出版社1/37緒論第1章土木工程材料基本性質(zhì)第2章天然石材第3章氣硬性膠凝材料第4章水泥第5章混凝土第6章砂漿第7章墻體材料和屋面材料第8章金屬材料第9章木材第10章有機(jī)高分子材料第11章瀝青與防水材料第12章絕熱材料和吸聲材料第13章裝飾材料2/37緒論0.1土木工程與材料土木工程泛指建筑工程、道路橋梁工程、水利工程等建設(shè)性工程。土木工程中所使用多種材料及制品，都統(tǒng)稱為土木工程材料。材料是一切土木工程物質(zhì)基礎(chǔ),也是其主要質(zhì)量基礎(chǔ)。一般來說，土木工程對(duì)材料基本要求是：①必須具有足夠強(qiáng)度，能夠安全地承受設(shè)計(jì)荷載；3/37②材料本身質(zhì)量以輕為宜（即表觀密度較?。詼p輕下部構(gòu)造和地基負(fù)荷；③具有與使用環(huán)境相適應(yīng)耐久性，以減少維修費(fèi)用；④用于裝飾材料，應(yīng)能美化建筑，產(chǎn)生一定藝術(shù)效果；⑤用于特殊部位材料，應(yīng)具有對(duì)應(yīng)特殊功能，例如屋面材料能隔熱、防水，樓板和內(nèi)墻材料能隔聲等。4/370.2土木工程材料分類土木工程材料種類繁多，性能各異，用途不一，為了便于辨別和應(yīng)用，常從不一樣角度進(jìn)行分類。0.2.1按材料化學(xué)成份分類按材料化學(xué)成份可分為：無機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料三大類，各大類中還可進(jìn)行更細(xì)分類，如圖0.1所示。5/37圖0.1建筑材料分類6/370.2.2按材料在建筑物或構(gòu)筑物中功能分類按材料在建筑物或構(gòu)筑物中功能可分為：承重材料和非承重材料、保溫隔熱材料、吸聲隔聲材料、防水材料、裝飾材料等。0.2.3按材料使用部位分類按材料使用部位可分為：構(gòu)造材料、墻體材料、屋面材料、地面材料、飾面材料及其他用途材料。7/370.3土木工程材料歷史與發(fā)展土木工程材料是伴隨人類社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平提升而逐漸發(fā)展起來。土木工程材料發(fā)展將具有下列某些趨向：①研制高性能材料。②充足利用地方材料，盡可能少用天然資源，大量使用尾礦、廢渣、垃圾等廢棄物作為生產(chǎn)土木工程材料資源，以及保護(hù)自然資源和維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡。③節(jié)省能源。8/37④材料生產(chǎn)中不得使用有損人體健康添加劑和顏料，如甲醛、鉛、鎘、鉻及其化合物等。⑤產(chǎn)品可再生循環(huán)和回收利用，無污染廢棄物以避免二次污染。0.4土木工程材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)土木工程材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和公司標(biāo)準(zhǔn)三大類。9/370.5學(xué)習(xí)本課程主要目標(biāo)和基本要求土木工程材料是土木建設(shè)類專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)課，它以數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理、化學(xué)等課程為基礎(chǔ)，而又為學(xué)習(xí)建筑、構(gòu)造、施工、建筑經(jīng)濟(jì)等后續(xù)課程提供材料基本知識(shí)，為學(xué)生此后從事工程實(shí)踐和科學(xué)研究打下必要基礎(chǔ)。試驗(yàn)課是本課程主要教學(xué)步驟。通過試驗(yàn)，一方面可學(xué)會(huì)對(duì)多種常用材料檢查辦法，能對(duì)土木工程材料進(jìn)行合格性判斷和驗(yàn)收，同步可培養(yǎng)科學(xué)研究能力和嚴(yán)謹(jǐn)縝密科學(xué)態(tài)度。做試驗(yàn)時(shí)，要求嚴(yán)格按照試驗(yàn)辦法，一絲不茍;要理解試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)成果影響，并能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)成果進(jìn)行正確分析和鑒別。10/37第1章土木工程材料基本性質(zhì)1.1材料基本物理性質(zhì)1.1.1材料密度、表觀密度與堆積密度(1)密度材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量。按下式計(jì)算：(2)表觀密度材料在自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量。按下式計(jì)算：11/37(3)堆積密度材料為散?；蚍蹱睿缟?、石子、水泥等，在堆積狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量。按下式計(jì)算：1.1.2材料密實(shí)度與孔隙率(1)密實(shí)度材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)程度。按下式計(jì)算：12/37圖1.1散粒材料堆積示意圖1—空隙2—顆粒13/37(2)孔隙率材料體積內(nèi)，孔隙體積所占百分比。按下式計(jì)算：即：D+P=1或密實(shí)度+孔隙率=1。1.1.3材料填充率與空隙率(1)填充率散粒材料堆積體積中，顆粒填充程度。按下式計(jì)算：14/37(2)空隙率散粒材料堆積體積中，顆粒之間空隙體積所占百分比。用下式計(jì)算：即：D′+P′=1或填充率+空隙率=1。15/3716/371.2材料與水有關(guān)性質(zhì)1.2.1材料親水性與憎水性(1)親水性材料與水接觸時(shí)能被水潤(rùn)濕性質(zhì)稱為親水性。具有這種性質(zhì)材料稱為親水性材料。如磚、混凝土、木材等。(2)憎水性材料與水接觸時(shí)不能被水潤(rùn)濕性質(zhì)稱為憎水性。具有這種性質(zhì)材料稱為憎水性材料。如石蠟、瀝青等。17/37圖1.2材料潤(rùn)濕示意圖18/371.2.2材料吸水性與吸濕性(1)吸水性材料在水中通過毛細(xì)孔隙吸取并保持水分性質(zhì)，用吸水率表達(dá)，即(2)吸濕性材料在一定溫度和濕度下吸附水分能力，用含水率表達(dá)，即19/371.2.3材料耐水性材料抵抗水破壞作用性質(zhì)稱為耐水性，用軟化系數(shù)表達(dá)，即1.2.4材料抗凍性與抗?jié)B性(1)抗凍性材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受數(shù)次凍融循環(huán)作用而不破壞，同步也不嚴(yán)重減少?gòu)?qiáng)度性質(zhì)稱為抗凍性，用“抗凍等級(jí)”表達(dá)。20/37(2)抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲入性質(zhì)稱為抗?jié)B性，用滲入系數(shù)表達(dá)，即1.3材料基本力學(xué)性質(zhì)1.3.1材料強(qiáng)度材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞能力稱為強(qiáng)度。(1)材料抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度材料抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算21/37圖1.3材料受力示意圖22/37(2)材料抗彎強(qiáng)度一般試驗(yàn)辦法是將條形試件放在兩支點(diǎn)上，中間作用一集中荷載，對(duì)矩形截面試件，則抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算：另外試驗(yàn)辦法是在跨度三分點(diǎn)上作用兩個(gè)相等集中荷載，則抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算：23/3724/371.3.2材料彈性與塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，變形能完全消失性質(zhì)稱為彈性。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，仍保持變形后形狀，并不產(chǎn)生裂縫性質(zhì)稱為塑性。1.3.3材料脆性與韌性材料在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)成一定程度后，材料突然破壞，而破壞時(shí)無顯著塑性變形，材料這種性質(zhì)稱為脆性。25/37圖1.4彈塑性材料變形曲線圖1.5脆性材料變形曲線

26/371.4材料熱工、聲學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及材料耐久性1.4.1材料熱工性質(zhì)(1)材料導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，以導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)，即材料導(dǎo)熱系數(shù)愈大，其傳導(dǎo)熱量就愈多。影響材料導(dǎo)熱系數(shù)主要原因有材料物質(zhì)組成、微觀構(gòu)造、孔隙構(gòu)造、溫度、濕度和熱流方向等。27/37①物質(zhì)組成②微觀構(gòu)造③孔隙構(gòu)造④濕度⑤溫度⑥熱流方向(2)材料熱容量材料受熱（或冷卻）時(shí)吸?。ɑ蚍懦觯崃啃再|(zhì)稱為材料熱容量，用比熱容表達(dá)，即28/37(3)耐燃性根據(jù)耐燃性可分為三大類材料：1)不燃燒類2)難燃燒類3)燃燒類(4)耐火性材料在長(zhǎng)期高溫作用下，保持不熔性并能工作性能稱為材料耐火性，如砌筑窯爐、鍋爐、煙道等材料。按耐火性高低可將材料分為下列3類：1)耐火材料2)難熔材料3)易熔材料29/371.4.2材料聲學(xué)性質(zhì)(1)吸聲性當(dāng)聲波傳輸?shù)讲牧媳砻鏁r(shí)，一部分聲波被反射，另一部分穿透材料，其他部分則傳遞給材料。聲能穿透材料和被材料消耗性質(zhì)稱為材料吸聲性，評(píng)定材料吸聲性能好壞主要指標(biāo)稱為吸聲系數(shù)(α)，即吸聲系數(shù)α值越大，表達(dá)材料吸聲效果越好。聲音起源于物體振動(dòng)，如說話時(shí)聲帶振動(dòng)和打鼓時(shí)鼓皮振動(dòng)，聲帶和鼓皮稱為聲源。30/37影響材料吸聲效果原因有：材料表觀密度和聲速，材料孔隙構(gòu)造，材料厚度等。(2)隔聲性隔聲量（R），又稱傳聲損失，是表達(dá)材料隔絕空氣聲能力，是在標(biāo)準(zhǔn)隔聲試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)出，其單位為分貝（dB）。R越大，隔聲效果越好。31/371.4.3材料光學(xué)性質(zhì)光是以電磁波形式傳輸輻射能。電磁波輻射波長(zhǎng)范圍很廣，只有波長(zhǎng)在380~760nm這部分輻射才能引發(fā)光視覺，稱為“可見光”。波長(zhǎng)短于380nm光是紫外線、X射線、γ射線；長(zhǎng)于760nm光是紅外線、無線電波等。材料光澤是材料表面特性。光線照到物體上，一部分被反射，另一部分被吸取。32/371.4.4材料耐久性作用于材料自然原因和有害介質(zhì)可概括為下列幾個(gè)方面：(1)物理作用物理作用指材料受干濕、冷熱、凍融變化等，使材料體積發(fā)生收縮與膨脹，或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而開裂破壞。(2)化學(xué)作用化學(xué)作用指材料在大氣和環(huán)境水中酸堿鹽等溶液侵蝕下，使材料逐漸發(fā)生質(zhì)變而破壞。(3)生物作用生物作用指材料在昆蟲或菌類等侵害下，造成材料發(fā)生蟲蛀、腐朽而破壞。33/371.5材料組成、構(gòu)造與構(gòu)造及其對(duì)材料性質(zhì)影響1.5.1材料組成材料組成指材料化學(xué)組成和礦物組成。(1)化學(xué)組成化學(xué)組成指組成材料基本化合物或化學(xué)元素種類和數(shù)量。(2)礦物組成無機(jī)非金屬材料中具有特定晶體構(gòu)造和特定物理力學(xué)性能組織構(gòu)造稱為礦物。(3)相組成材料中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)均勻部分稱為相。34/371.5.2材料構(gòu)造和構(gòu)造材料構(gòu)造和構(gòu)造是決定材料性質(zhì)主要原因。材料構(gòu)造可分為宏觀構(gòu)造、細(xì)觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造。(1)宏觀構(gòu)造宏觀構(gòu)造是指用肉眼或放大鏡就可辨別毫米級(jí)組織。分類及特點(diǎn)如下：1)致密構(gòu)造2)多孔材料3)纖維構(gòu)造4)層狀構(gòu)造35/37(2)細(xì)觀構(gòu)造(亞微觀構(gòu)造)細(xì)觀構(gòu)造是指用光學(xué)顯微鏡能觀測(cè)到微米組織，如分析金屬材料金相組織，觀測(cè)木材木纖維、導(dǎo)管、髓線、樹脂道等組織，以及觀測(cè)混凝土內(nèi)微裂縫等。(3)微觀構(gòu)造微觀構(gòu)造是指用電子顯微