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1、土木工程材料的基本性质和结构概述 1 2 3 4 材料的基本物理性质 材料的基本力学性质 材料的耐久性 材料的组成 结构及构造与材料性质的关系 目录 contents 2 1材料的基本物理性质 内容 材料的状态参数 材料的结构参数 材料与水有关的性质 材料的热工性质 一 材料的密度 1 实际密度 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 单位g cm3或kg m3 公式 式中 实际密度 g cm3 m 材料的质量 g V 材料在绝对密实状态下的体积 cm3 绝对密实状态下的体积 是指不包括材料内部孔隙在内的体积 实际密度的测量 1 对近于绝对密实的材料 金属 玻璃等量测几何体积 称重 代入公式
2、2 对有孔隙的材料 砖 混凝土 石材等磨成细粉 李氏比重瓶法测试 二 材料的表观密度 1 表观密度 容重 材料在自然状态下单位体积的质量 单位g cm3或kg m3 公式 式中 o 表观密度 g cm3 m 材料的质量 g Vo 材料在自然状态下的体积 cm3 自然状态下的体积 是指包含材料内部孔隙在内的体积 材料内部孔隙含有水分时 其质量和体积均发生变化 注明含水情况 表观密度的测量 1 对形状规则的材料 砖 混凝土等烘干 量测几何体积 称重 代入公式2 对形状不规则的材料 砂 石等烘干 蜡封 浮力天平 三 材料的堆积密度 1 堆积密度 松散容重 散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量 单
3、位g cm3或kg m3 公式 式中 o 堆积密度 g cm3 m 材料的质量 g V o 材料的堆积体积 cm3 堆积体积 指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积 堆积密度的测量 1 容器法 散粒材料装入容器 量测体积 称净重 代入公式2 自然堆积法 堆积成 定形状 量测几何体积 称重 代入公式 常用材料的状态参数 思考 颗粒材料的密度为 表观密度 堆积容重为 0 则存在下列关系 a 0 b 0 c 0 二 材料的结构参数 内容 密实度 孔隙率 填充率 空隙率 一 密实度 密实度 指材料体积内被固体物质所充实的程度 反映材料的致密程度 公式 影响材料的 强度吸水性耐久性 二 孔隙率 孔
4、隙率 指材料体积内 孔隙体积与总体积之比 直接反映材料的致密程度 公式 孔隙率与密实度的关系 P D 1 内部孔隙 连通和封闭 1 连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通 2 封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝 材料内部孔隙示意图 自然状态下体积示意图1 固体 2 闭口空隙 3 开口空隙 三 填充率 填充率 指散粒材料在某容器的堆积体积中 被其颗粒填充的程度 反映散粒材料堆积的致密程度 公式 四 空隙率 空隙率 散粒材料在某容器的堆积体积中 颗粒之间的空隙体积占总体积的比率 公式 空隙率与填充率的关系 P D 1 例1 1某工地所用卵石材料的密度为2 65g cm3 表观密度为2 61g cm3
5、堆积密度为1680kg m3 计算此石子的孔隙率与空隙率 解 石子的孔隙率P为 石子的空隙率P 为 三 材料与水有关的性质 内容 1 材料的亲水性与憎水性2 材料的吸水性与吸湿性3 材料的耐水性4 材料的抗渗性5 材料的抗冻性 一 亲水性与憎水性 1 亲水性材料 当 90 时 水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力 材料表面可以被水浸湿 如 木材等 2 憎水性材料 当 90 时 水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力 材料表面可以被水浸湿 如 防水材料等 润湿角 润湿角示意图 二 材料的吸水性与吸湿性 1 吸水性 材料在浸水情况下吸入水分的能力 用吸水率
6、表示 公式 式中 W质 材料的质量吸水率 m湿 材料吸水饱和后的质量 g m干 材料烘干到恒重的质量 g 影响吸水率大小的因素 1 材料的本性 亲水性或憎水性材料2 材料的孔结构 孔径大小 开口与否细微且连通的孔隙 吸水率较大 吸水性对材料的影响 体积膨胀 强度降低 对围护结构材料不利 二 材料的吸水性与吸湿性 2 吸湿性 材料在空气中吸收空气中水分的性质 用含水率表示 公式 式中 W含 材料的质量含水率 m湿 材料含水时的质量 g m干 材料烘干到恒重的质量 g 影响含水率大小的因素 1 材料的本性 亲水性或憎水性材料2 环境温度 湿度 吸水性对材料的影响 体积膨胀 对木结构和木制品不利湿胀
7、干缩 木制门窗在潮湿环境下往往不易开关 三 材料的耐水性 耐水性 材料长期在饱水作用下不破坏 其强度也不显著降低的性质 用软化系数表示 公式 式中 K软 材料的软化系数 K软 0 1 f饱 材料在饱水状态下的抗压强度 MPa f干 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 材料软化系数的要求 软化系数越小 说明材料吸水饱和后的强度降低越多 其耐水性越差 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物 如地下构筑物 基础 水工结构 的材料 其K软 0 85 受潮较轻的或次要结构物的材料 其K 0 80 K软 0 80的材料 一般称为耐水的材料 1 2 3 4 例1 2某石材在气干 绝干 水饱和情况下测得的抗压强
8、度分别为174 178 165MPa 求该石材的软化系数 并判断该石材可否用于水下工程 解 该石材的软化系数为 由于该石材的软化系数为0 93 大于0 85 故该石材可用于水下工程 四 材料的抗渗性 抗渗性 材料抵抗有压介质 水 油 气 渗透的性质称抗渗性 用渗透系数K表示 依达西定律 式中 K 材料的渗透系数 ml cm2 s W 透过材料试件的水量 ml t 透水时间 s A 透水面积 cm2 H 净水压力 cm d 试件的厚度 cm 抗渗等级 渗透系数越大 材料的抗渗性越差 对于混凝土和砂浆 抗渗性常用抗渗等级 S 表示 S 10H 1 H 试件开始渗水时的水压力 MPa 影响材料抗渗性
9、的因素 孔隙率 孔隙特征 地下建筑 地铁 人防建筑 地下室 水工结构 防水材料等均要求较高的抗渗性 五 材料的抗冻性 抗冻性 材料在吸水饱和的状态下 能经受多次冻结和融化作用而不破坏 同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性 用抗冻标号D表示 冻融破坏的原因 材料有孔且孔隙含水 水 冰体积膨胀9 结冰压力高达100MPa 结冰压力超过材料的抗拉强度时 材料开裂 裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度 饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏 反复多次 进一步加剧 最终材料崩溃 严寒地区道路 桥梁 水坝 堤防 海上钻井平台 跨海大桥等均需考虑冻融破坏 冻融破坏的桥梁 冻融破坏的道面 冻融破坏的混凝土芯样
10、冻融破坏的水库坝面 冻融破坏的西直门桥 四 材料的热工性质 1 导热性 材料传导热量的能力称为导热性 其大小用热导率 表示 公式 式中 热导率 W m K 热阻R 1 Q 传导的热量 J A 热传导面积 m2 材料的厚度 m t 热传导时间 s T2 T1 材料两侧温差 K 热工性质 材料的热导率越小 绝性能越好 影响热导率的因素 材料内部的孔隙构造 密闭的空气使 降材料的含水情况 含水 结冰使 增 常见热导率参数 2 2材料的基本力学性质 内容 材料的强度 比强度 材料的弹性与塑性 材料的脆性与韧性 一 材料的强度 比强度 1 定义 强度 材料在外力 荷载 作用下抵抗破坏的能力称为强度 2
11、分类 抗压 抗拉 抗折 抗剪材料的受力形式 不同材料的承载特点是不同的 例 木材与钢材 相同种类的材料 随着其孔隙率及构造特征的不同 各种强度也有明显差异 强度等级 建筑材料常根据极限强度的大小 划分为不同的强度等级或标号 混凝土按抗压强度划分为C7 5 C60 12个 水泥按抗压和抗折强度划分为32 5 32 5R42 5 42 5R 52 5 52 5R六个等级 砂浆按抗压强度划分为M2 5 M5 M7 5 M10 M15 M20六个等级 比强度 比强度 材料的强度与其表观密度的比值 fc o 用于评价材料轻质高强几种材料的强度比较 二 材料的弹性与塑性 弹性 材料在外力的作用下产生变形
12、当外力取消后 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质 弹性模量 E 塑性 材料在外力的作用下产生变形 当外力取消后 仍保持变形后的形状和尺寸 并且不产生裂缝的性质 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形 低碳钢的 曲线 分段的弹性变形和塑性变形 混凝土的 曲线 同时进行的弹性变形和塑性变形 三 材料的脆性与韧性 1 脆性 在外力作用下 当外力达到一定限度后 材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质 脆性材料 如混凝土 玻璃 石材 抵抗冲击或震动荷载的能力很差 2 韧性 在冲击 震动荷载的作用下 材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性 如钢材 木材 纤维等 桥梁 牛腿柱 电梯井 高层建
13、筑等 2 3材料的耐久性 定义 材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏 也不易失去其原有性能的性质 包括 抗冻性 混凝土 砖 石材抗风化性 陶瓷 砖抗老化性 有机建材耐化学腐蚀 金属材料 侵蚀介质 物理介质 温度 湿度 冻融 阳光 辐射 化学介质 酸 碱 盐的溶液或气体 水 大气 生物介质 昆虫 菌类 白蚁 机械介质 荷载 冲击 震动 磨损 磨耗 如沥青的老化 木材的腐蚀 钢材的腐蚀等等 耐久性的特点 长期性 后期加剧作用 多种介质同时作用 材料劣化 结构失效 服务寿命降低 材料组成 结构及构造与材料性质的关系 组成决定材料的化学性能 结构决定材料的物理性能 构造决定材料的工程性质 一 材料的成分 组成 化学组成 构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量 矿物组成 无机非金属材料中具有特定的晶体结构 特定的物理力学性能的组成结构 相组成 材料中有相同物理化学性质的均匀部分成为相 二 材料的结构 1 晶体 雪花晶体 锡石晶体 晶体的规则外形 二 材料的结构 2 玻璃体 二 材料的结构 3 胶体 材料的构造 指具有特质性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况 三 材料的构造 孔隙率对材料物理力学化学性能影响
