土木工程材料精品课件解读

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1、土木工程材料土木工程材料 教学目的: 使学生掌握土木工程材料的制备、性质、用 途、质量检测和控制方法。 掌握土木工程材料的选用及改善性能的途径 。 绪绪 论论 第 一 章 1.1 概 述 土木工程材料与土木工程的关系: 土木工程材料是一切土木工程的物质基础 (一) 土木工程材料的各项物理力学性能是 结构设计的基本依据。 (二) 土木工程材料是选择施工方案和进行 施工设计的基础。 (三) 土木工程材料费用约占土木工程总投 资的6070,是控制土木工程成 本的关键。 (四) 土木工程材料的质量直接影响土木工 程的质量。 1.1.1土木工程材料的分类 土木工程材料品种繁多,我们可按不同原 则进行分类

2、: (1) 按材料在工程中的功能分类 结构材料 它们在建筑中承受各种荷载,起骨架 作用,其质量好坏直接危及结构安全,属 于这类材料的有钢材、水泥混凝土等。 围护与隔绝材料 它们在建筑中起围护与隔绝作用,以 便形成建筑空间,这些材料应具有绝热、 隔声、防水等功能,又称功能材料。 装饰材料 特种功能材料 用于建筑物内外的装饰,其色彩和质 感均应满足建筑内外环境设计的要求。 其中包括耐高温、抗强腐蚀、防辐射 、太阳能转换等具有特种功能要求的材料 。 (2) 按材料的化学成分分类 无机材料 有机材料 复合材料 金属材料 非金属材料 植物材料 沥青材料 合成高分子材料 钢、铝等 碳、水泥、石材 、混凝土

3、玻璃等 木材、竹材 石油沥青、煤沥青 及其制品 塑料、合成橡胶等 金属 非金属 有机 无机 1.1.2 土木工程材料的标准化 标准内容: 规格、分类、技术要求、检验方法、验收规 则、标志、运输和贮存等 标准类型: ISO国际标准 国家标准(GB GB/T) 行业标准(JG JC YB JT) 地方标准(DB) 企业标准(QB) 1.2 1.2 材料的基本状态参数材料的基本状态参数 1.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 1.2.1.1 密度 定义:材料在绝对密实状态下,单位体积的 质量。 可按下式计算: 密度,g/cm3; m 材料的质量,g; V 材料在绝对密实状态下的体积,cm3。 (

4、density) 测量方法 有较多孔隙的 材料,采用磨细 后用李氏瓶测定 其体积的方法。 某些致密材料,如卵石等,可用直接 排液法,用这种方法测量的体积,由 于无法排除内部封闭的孔隙,所以称 这样测得的密度为近似密度(a)。 1.2.1.2 表观密度 定义:材料在自然状态下,单位体积的质量。 计算: 0 表现密度,g/cm3或 kg/m3; m 材料的质量,g,或 kg; V0 材料在自然状态下的体积,cm3 或 m3。 (unit weight) 1.2.1.3 堆积密度 定义:粉状或粒状材料,在堆积状态下 ,单位体积的质量。 计算: 0 堆积密度,kg/m3; m 材料的质量, kg; V

5、0 松散材料的堆积体积, m3。 (heaped density ) V0 V VK VB 开口孔 封闭孔 闭口孔隙 自然状态下的块状材料 开口孔隙 实体 实 体 空 隙 开口孔隙 封闭孔隙 装在容 器里的 粒状、 粉状或 块状材 料 V0 V VK VB V0 1.2.2 材料的孔隙和空隙 1.2.2.1 材料的孔隙 (1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响: 一是孔隙的多少(孔隙数量),二是孔隙特征。 孔隙数量用孔隙率表征。 (2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料 总体积的百分率 孔隙特征主要有三方面: (1)按孔隙尺寸大小分

6、微孔、细孔和大孔; (2)按空隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔; (3)按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔(闭口 孔)。 把开口孔体积记为Vk,闭口孔体积记为 VB ,则孔隙体积 V= Vk+ VB 定义开口孔孔隙率为 定义闭口孔孔隙率为 则孔隙率为 散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的 百分率 1.2.2.2 材料的空隙 (2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率 1.3 材料的力学性质 1.3.1 强度与比强度 一、材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受 的最大应力

7、 根据外力作用方式的不同,材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。 L L F/2F/2 F F L/3 F F L/3L/3 (a) 压力(b) 拉力 (c) 弯曲 (d) 剪切 材料所受外力: 各种强度的计算公式如下: 抗压、抗拉、抗剪的强度 f 强度, Mpa; P 破坏时最大荷载,N; A 受力截面面积,mm2。 抗弯强度 1)(中点集中荷载) 2)(三分点两相等集中荷载) ff 抗弯强度,Mpa; P 弯曲破坏时最大荷载,N; L 两支点的间距,mm; b 试件横截面积宽度,mm; h 试件横截面积高度,mm。 许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级,俗称 “ 标号

8、 ”。 材料强度受以下三个因素的影响: 材料内部结构和构造 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等) 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于 材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标 1.3.2 材料的弹性与塑性 弹性与塑性 材料在承受外力时,如撤除外力的作 用后,材料的几何形状能恢复原状,材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复 变形,而残留一部分不能消失的变形,该 残留部份称为塑性变形。 材料在弹性范围内,其应力和应变之间关系符合如下公 式: 应力; 应变,为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比 ; 弹性模量; 弹性

9、模量是材料刚度的度量,物理意义为单位应变所需 要的应力,反映了材料抵抗变形的能力。是结构设计中 的主要参数之一。 弹塑性材料:材料受力时,弹性变形和塑性变形同时发 生,外力去除后,弹性变形恢复,塑性变形保留。 1.3.3 脆性和韧性 (1)脆性 材料在外力作用下,无明显塑性变形 而突然破坏的性质。 具有这种破坏特征的材料,称为脆性材料。 从应力应变图中看材料的脆性 (2)韧性 材料在冲击或震动荷载作用下 ,能吸收较大的能量,产生一定的变形而不 破坏的性质称为韧性或冲击韧性。 一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。 1.3.4 硬度和耐磨性 硬度:材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力

10、 常用刻划法和压入法测定。 刻划法称莫氏硬度;压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 耐磨性:材料抵抗磨损的能力,用耐磨率表示 1.3.5 材料的徐变和应力松弛 当材料在恒定外力的作用下,其变形随时间而 缓慢增加的过程,称为徐变。 当材料在持续外力作用下,总的变形值保持不变 ,由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过 程,称为应力松弛。 徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。 1.4 材料与水有关的性质 (a) 亲水性材料 (b) 憎水性材料 9090 亲水材料 9090 憎水材料 1.4.1 材料的亲水性与憎水性 润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线,切线与材料和水

11、接触面 的夹角。 1.4.2 材料的含水状态 四种基本含水状态: 干燥状态材料孔隙中不含或含水极微; 气干状态材料孔隙中所含水与大气湿度平衡; 饱和面干状态材料表面干燥,孔隙含水饱和; 湿润状态材料孔隙含水饱和,表面为水湿润附 有一层水膜。 材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态 饱和水 表面水 材 料 的 含 水 状 态 (a) 干燥状态 (b) 气干状态 (c) 饱和面干状态 (d) 湿润状态 (a) (b)(c) (d) 1.4.3 材料的吸湿性和吸水性 (1)吸湿性 亲水材料在潮湿空气中吸收水分 的性质。 用含水率表示 Wh 含水率; ms 材料含水状态下的质量,g; mg 材料干

12、燥状态下的质量,g。 材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。 平衡含水率:材料中所含水分与环境温度所 对应的湿度相平衡时的含水率。 材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性 。 (2)吸水性材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示,有重量吸水率和体积吸水率 两个定义: 重量吸水率材料吸水饱和时,吸收的水分重 量占材料干燥时重量的百分率; 体积吸水率材料吸水饱和时,吸收的水分体 积占材料干燥时体积的百分率; 材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干 燥状态时的表观密度。 1.4.4 耐水性 定义 材料长期在水作用下不破坏、强度也不 明显下降的性质 用软化系数表示: 软化系数材料吸水饱和状态下的

13、抗压强度 与干燥状态下的抗压强度之比 软化系数 0.8 的材料称为耐水材料 1.4.5 抗渗性 定义 材料抵抗 压力水渗透的性质 常用渗透系数或抗渗标号表示: 渗透系数: k 渗透系数,cm/h; Q 透水量,cm; d 试件厚度,cm; A 透水面积,cm; t 时间,h; H 静水压力水头,cm。 抗渗标号(记为Pn): 材料按规定制作的试件在标准试验条件下所 能承受的最大水压力(MPa)。 材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材 料的抗渗性越好。 1.4.6 抗冻性 定义 材料在含水状态下能经受多次冻融循环 作用而不破坏,强度也不显著降低的性质。 常用抗冻标号(记为Fn)表示: 以规定的

14、吸水饱和试件在标准试验条件下,经 一定次数的冻融循环后,强度降低不超过规定数值 ,也无明显损坏和剥落,则此冻融循环次数即为抗 冻标号。 材料的抗冻性与材料吸水程度、材料强度及孔隙特 征有关。含水率大、强度低、开口孔多抗冻性差。 1.5 材料的热性质 1.5.1. 热容性 定义 材料在温度变化时吸收或放出热量的 能力 不同材料的热容性可用比热进行比较。 比热:单位质量的材料升高单位温度所需热量。 定义 1.5.2 导热性 材料两侧有温差时热量由高温侧 向低温侧传递的能力。 常用导热系数表示。 材料的导热性能与孔隙特征有关,增加 孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能 力。 1.5.3 热变形性 定义

15、材料在温度变化时的尺寸变化 常用线膨胀系数表示。 有保温隔热要求的工程尽量选用热容量 大、导热系数小的材料。 1.6 材料的耐久性 土木工程材料在使用过程中经受各种破 坏因素 ( 物理的、化学的、环境的、生物的 等等 ) 的作用,而能保持其使用性能的 性质称为土木工程材料的耐久性。 环境影响因素往往是复杂多变的,它们单独 或交互作用于材料形成破坏。由于各种破坏 因素的复杂性和多样性,使得耐久性是一个 综合性概念。 材料的耐久性是一项重要技术指标。在构筑物的设计及 材料选用中,必须慎重考虑材料耐久性问题,以利节约 材料、减少维修费用,延长使用寿命。 高耐久性材料可抵抗各种破坏作用、延长构筑物使用寿 命,使之坚固稳定、经久耐用,并可降低维修费用,最 终使整体综合费用降低,利用率增高,收益增大,从而 获得显著的综合经济效益。 从工程技术发展角度看,由按耐久性进行工程设计取代 按强度进行工程设计更具科学性和实用性。然而,要按 耐久性进行工程设计,尚需对各种材料的耐久性进行更 为广泛深入的研究。 提高材料耐久性是土木工程材料生产及应用的重要课题 之

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