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1、 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60 70 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
2、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 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 GBGB T 行业标准 JGJCYBJT 地方标准 DB 企业标准 QB 1 2材料的基
3、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 un
4、itweight 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 0 松散材料的堆积体积 m3 heapeddensity 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
5、 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
6、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 2 F 2 F F L 3 F F L 3 L 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 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
7、 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
8、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
9、 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 90 亲水材料 90 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 材料孔隙含水饱和
10、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 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
11、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
12、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 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
13、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
14、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一 第二章 气硬性胶凝材料 胶凝材料 与水拌和后能将散粒或块状材料粘结成整体的材料 气硬性胶凝材料
15、只能在空气中硬化 保持或发展强度 水硬性胶凝材料 不仅能在空气中硬化 而且能更好地在水中硬化 保持和发展强度 胶凝材料的分类 胶凝材料 有机胶凝材料 无机胶凝材料 天然有机胶凝材料如 沥青 天然树脂等 合成有机胶凝材料如 各种合成树脂 气硬性胶凝材料如 石灰 石膏 水玻璃等 水硬性胶凝材料如 各种水泥 2 1石灰 lime 2 1 1石灰生产简介 生产简介 以碳酸钙为主要成分的原料900 1000c 高温煅烧得到块状生石灰 氧化钙 块状生石灰加工得产品 生石灰粉 磨细生石灰 消石灰分 加水消化干燥而成 石灰膏 加过量水消化成达一定稠度的膏体 生石灰经消化后成熟石灰 其主要成分为氢氧化钙 烧成C
16、aCO3 CaO CO2 熟化CaO H2O Ca OH 2 64 9 103J 2 1 2石灰的技术要求 各种石灰产品按现行建材行业标准分三个等级 并各有其技术标准 2 1 3石灰的特性 可塑性和保水性好生石灰水化时水化热大 体积增大硬化缓慢硬化Ca OH 2硬化时体积收缩大硬化后强度低耐水性差 脱水结晶 碳化 Ca HO 2 CO2 nH2O CaCO3 n 1 H2O 制作石灰乳涂料配制砂浆拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品 2 1 4石灰的应用 2 2石膏 gypsum 2 2 1建筑石膏生产简介 石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料 二水石膏加热时的变化 SO4 2H2O 至140 的饱和水蒸气条件下或某些盐溶液中 可溶性硬石膏 220 可溶性硬石膏 320 360 CaSO4不溶性硬石膏500 700 110 170 分类 建筑石膏高强石膏无水石膏水泥高温煅烧石膏建筑石膏生产简介 原料 天然二水石膏矿石 天然无水石膏 化工石膏等 经加热煅烧 脱水 磨细得石膏产品 加热温度和方式不同得不同类型石膏产品 建筑石膏为非封闭 加热到107 170c 得到 建筑石膏即 型半
