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1、工程材料学工程材料学 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。 。 (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： (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
2、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
3、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。 （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
4、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； V0 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
5、 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
6、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 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：
7、 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 ”。 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
8、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
9、。 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 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、、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，
