土木工程材料(材料基本性质)

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1、土木工程材料土木工程材料第一章第一章土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质1.1 1.1 材料的基本物理性质材料的基本物理性质（主要物理状态参数）（主要物理状态参数）1.1.1 材料的密度、表观密度和堆积密度1.1.1.1 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)。1.1.1.2

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）1.1.1.3 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 VVKVB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V0VVKVBV01.1.2 材料的孔隙和空隙1.1.

3、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

4、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1.2 材料的力学性质1.2.1 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。LLF/2F/2FFL/3FFL/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

5、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,等于材料的强度与其表观密度之比衡量材料是否轻质、高强的指标1.2.2 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

6、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。1.2.3 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

7、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。1.2.4 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1.2.5 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。1.3材料与水有关的性质亲水性与憎水性吸水性与吸湿性耐水性与抗渗性抗冻性 （概念区分、评价指

8、标及应用分析）1.3 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1.3.1 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。评价指标 应用分析土木工程材料多为亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等， 少数材料（多为有机材料）为憎水材料，如沥青、石蜡、塑料、 有机硅等。憎水性材料常被用作防水材料或亲水性材料的复面层 ，以提高其防水、防潮性能。1.3.2 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

9、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)1.3.3 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，具有可逆性。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

10、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（ Wm）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（W v）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。 W v= W m 0 评价指标吸水性质量吸水率 Wm体积吸水率 W v吸湿性含水率 W h （平衡含水率概念） 应用分析（1）材料吸水性与吸湿性大小对强度、保温隔热性、吸音 等工程应用性能的影响？（2）分析孔隙对吸水性与吸湿性大小的影响？1.3.4 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 评价指标软化系数 Kp

11、 （结构材料）（ Kp =fw/fd)Kp ：0 1（粘土KP=0，金属Kp=1）Kp0.85 为耐水材料 应用分析长期处于水中或潮湿环境中的重要结构必用KP0.85 的材料，受潮较轻或次要结构物KP不宜小于0.75。1.3.5 抗渗性定义 材料抵抗压力水渗透的性质（与耐水性区别） 评价指标 渗透系数或抗渗等级工程中常用抗渗等级Pn来评价，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），如 P4、P6、P8。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。应用分析地下建筑、水工建筑及防水材料等要求一定的抗渗性。 （1）分析抗渗性的影响因素？（孔隙的影响，材料憎水性

12、和亲水性的影响)（2）分析抗渗性对耐久性的影响？提高抗渗性措施？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。 评价指标 抗冻等级Fn 如F25、 F50、 F100、 F200等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等级。 应用分析抗冻等级的选定据结构物种类、使用条件、气候条件决定。 砖、面砖、轻混凝土等墙体材料： F15 、F25或 F35；道路、桥梁用混凝土： F50、 F100、 F200；水工混凝土： F5001.4.6 抗冻性思考（1）分

13、析抗冻性的影响因素？内因：孔隙率、孔隙特征、充水程度（水饱度）及材料 本身强度高低；外因：冻融温度、降温速度、冻融频繁程度等。（2）提高抗冻性措施有哪些？ 注：充水程度（水饱度）：KS0.91 抗冻性差， KS0.91 抗冻性较好，混凝土KS0.8 冻害才明显减少。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。评价指标 比热定义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。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。评价指标 导热系数

14、工程应用建筑物围护结构（墙体、屋盖）等有保温隔热要求的 工程尽量选用导热系数小、热容量大的材料，导热系 数也是工业窑炉及冷藏库绝热层厚度的重要数据。1.5.3 热变形性定义材料在温度变化时的尺寸变化评价指标 线膨胀系数 工程应用 需控制热变形的工程中须选用线膨胀系数小的材料 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 之一。