土建工程基础第一章工程材料2008

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1、第1章 工程材料n1.1 工程材料的分类与基本性质n1.2 水泥n1.3 混凝土n1.4 建筑砂浆n1.5 砌体材料n1.6 建筑钢材n1.7 防水材料1.1.1 工程材料的分类1.按化学组成分类2.按使用功能分类1.1.2 工程材料的物理性质 开口孔隙：与外界相连通的孔隙；闭口孔隙：与外界隔绝的孔隙。极细孔隙：孔径D1.0mm。1. 密度 式中： 材料的密度，g/cm3；材料的质量（干燥至恒重），g；材料在绝对密实状态下的体积，cm3。(一) 密度、表观密度、体积密度和堆积密度在测定有孔隙材料（如砖、石等）的密度时，应把材料磨成细 粉，干燥后，用李氏密度瓶测定其绝对密实体积。 2. 表观密度

2、（视密度） 式中： 材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； 材料在干燥状态下的质量；材料在包含闭口孔隙条件下的体积，m3或cm3。材料在包含闭口孔隙条件下的体积是采用排液置换法或水中称 重法测量。 材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口孔隙体积3. 体积密度（容重） 式中： 材料的体积密度，kg/m3或g/cm3； 材料的质量，按有关标准规定，该质量是指自然状态下的气干质量，即将试件置于通风良好的室内存放7 d后测得的质量， kg或g； 材料在自然状态下的体积，包括材料实体及内部孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）体积， m3或cm3。对于不规则形状材料的体积，可采用封蜡排液法测得。4. 堆积密度 式

3、中： 材料的堆积密度，kg/m3；材料的质量，kg；材料的堆积体积，m3。材料的堆积体积包括材料绝对体积、材料内部所有孔隙体积和颗粒 间的空隙体积。 表1-1 常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度材料密度 （g/cm3)体积积密度（ kg/m3)堆积积密度 （kg/m3) 碎石 砂 普通砖砖 空心砖砖 水泥 普通混凝土 木材 钢钢材2.60 2.60 2.50 2.50 3.10 1.55 7.85 1600 1800 1000 1400 2100 2600 400 800 78501400 1700 1450 1650 1200 1300 (二) 材料的孔隙率和密实度1.孔隙率材料的孔隙率

4、是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积 的百分率。 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。2.密实度1.空隙率材料空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空 隙体积占堆积体积的百分率。填充率是指散粒状材料在自然堆积状态下，其中的颗粒体积 占自然堆积状态下的体积的百分率。 (三) 材料的空隙率和填充率2.填充率例：某容量筒质量为3.4 kg，容积为10L。容量筒装满 绝对干燥石子后的总质量为18.4 kg。若向筒内注入水 ，待石子吸水饱和后，再注满此筒，共注入水 4.27 kg 。将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为 15.2kg。求该石子的表观密度、体积密度、堆积密度和

5、 填充率。(四) 材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性亲水性材料：水泥、砂、石材、砖、木材等；憎水性材料：沥青、油漆、塑料、防水油膏等。亲水性是指材料与水接触后能被水湿润并将水吸入内部的性质 ；憎水性是指材料与水接触后能将水排斥在外的性质 。2材料的吸水性与吸湿性（1）吸水性1）质量吸水率 质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干 燥材料质量的百分数 。式中： 质量吸水率，；材料在干燥状态下的质量，g；材料在吸水饱和状态下的质量，g。2）体积吸水率 体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材 料体积的百分数 。式中： 体积吸水率，；干操材料体积，cm3；水的密度， g/cm

6、3 。（2）吸湿性吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。 含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。 式中： 材料的含水率，；材料在干燥状态下的质量，g；材料含水状态下的质量，g。材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。 当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。 3耐水性软化系数的范围波动在01之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度 也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。式中： 材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；材料在干燥状态下的抗压强度，M

7、Pa。4抗渗性抗渗性指材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透 系数或抗渗等级来表示。 式中： 渗透系数，cm/h；透水量，cm3；试件厚度，cm；透水面积，cm2；时间，h；H水头高度，cm。渗透系数的物理意义是：单位时间内，在一定的水压作用下， 单位厚度的材料，单位截面积上的透水量。渗透系数越小的材料表 示其抗渗性越好。抗渗等级是指在规定试验条件下，材料渗透时所能承受的最大 水压力。如混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，有P2、P4、 P6、 P8 、 P10、 P12等几个等级。5抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化 作用（冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质

8、。 材料的抗冻性用抗冻等级来表示。如混凝土的抗冻等级以符号 F表示，F100表示所能承受的最大冻融循环次数不少于100次，试 件的相对动弹性模量下降至60或质量损失不超过5。现象：某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为表现密度为700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样的方式往墙上浇水 ，发现原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块 虽表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。工程实例加气混凝土砌块吸水分析(五) 材料的热工性质1.材料的热容量材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力 。 材料的热容量用比热容来表示。材料比热容的物理意义是：单位重量的材料，在温

9、度每改变 1K时所吸收或放出的热量。式中： 材料的热容量，kJ；材料的重量，kg；材料受热或冷却前后的温度差，K；材料的比热容，kJ/（kgK）。2材料的导热性当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传 递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材 料的导热性可用导热系数来表示。式中： 材料的导热系数，W/（mK）；传导的热量，J；材料的厚度，m；材料传热的面积，m2；传热时间，s；材料两侧温度差，K。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K 时，在1s时间内通过1m2面积的热量。 材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导 热系数差别很大，

10、工程中通常把 0.23 W/（mK）的材料称 为绝热材料。 材料的导热系数和热容量是建筑物围护结构（墙体、屋盖 ）进行热工计算要用到的重要参数，设计时应选用导热系数 较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的 稳定性。 表1-2 常用土木工程材料的热工性质指标材料名称导热导热 系数W/（mK ）比热热容J/（gK） 钢钢材 普通混凝土 水泥砂浆浆 粘土空心 砖砖 松木 泡沫塑料58 1.51 0.93 0.64 0.170.35 0.030.48 0.84 0.84 0.92 2.72 1.30加气混凝土砌块与几种墙体材料导热系数比较材料种类类容重kg/m3导热导热 系数W/（mK

11、） 加气混凝土砌块块 烧结实烧结实 心砖砖 烧结烧结 多孔砖砖 蒸压压灰砂砖砖 钢钢筋混凝土400700 1600 1200 1400 23000.120.18 0.81 0.43 0.440.64 1.751.1.3 工程材料的力学性质(一) 强度 强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受 的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、 抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。 表13 常用材料强度(MPa)材料抗压压强度抗拉强度抗弯强度花岗岗岩100250581014普通粘土砖砖5201.64.0普通混凝土56019松木(顺纹顺纹 )30508012060100建筑钢钢

12、材24015002401500材料 表观观密度（ kg/m3） 抗压压强度（ MPa） 比强度低碳钢钢 7800415 0.053 松木 50034.3（顺纹顺纹 ） 0.069 普通混凝土 240029.4 0.012 表1-4 钢材、木材和混凝土的强度比较比强度，指材料强度与其体积密度之比。它是评价材料是否轻 质高强的指标。材料比强度越大，越轻质高强。 (二) 弹性和塑性弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全 恢复原来形状的性质。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。式中： 材料所受的应力， MPa；材料在应力 作用下产生的应变，无量纲。塑性指在外力作用下材料产生变形，外力取消

13、后，仍保持变形 后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形。(三) 脆性和韧性脆性指材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质 。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度比其抗拉强度往往要高很多倍。它对承受 振动作用和抵抗冲击荷载是不利的。砖、石材、陶瓷、玻璃、铸铁 等都属于脆性材料。韧性指在冲击或振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量， 同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。低碳钢、木材等属于韧 性材料。(四) 硬度和耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表 示，即材料受磨损后单位受磨面积损失的材料质量。材料的耐磨性 与材料的组成结构及强度、硬度

14、有关。硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料 等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所 受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度 大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。1.1.4 工程材料的耐久性材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各 种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。n物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等n化学作用：酸、碱、盐等n生物作用：细菌、微生物等作业1.名词解释 平衡含水率 耐水性 比强度 弹性 2.简答题

15、材料的密度、表观密度、体积密度及堆积密度有何区别？ 3.计算题 某材料密度为2.60g/cm3，干燥表观密度为1600 kg/m3，现将质量 为954g的该材料浸入水中，待吸水饱和后取出称得质量为1086g。 试求该材料的孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。1.2.1 水泥的分类1. 按矿物组成分可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和铁铝 酸盐类水泥等。 2. 按用途分通用水泥：用于一般土木建筑工程的水泥，包括硅酸盐水泥、 普通水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水 泥以及复合硅酸盐水泥。专用水泥：专门用途的水泥，如油井水泥、低热水泥、道路水 泥等。特性水泥：某种性能比较突出的水泥，如快硬水泥、白色水泥 、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥等 。1.2.2 硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣、适量 石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称 的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型：不掺加混合材料的称I 型硅酸盐水泥，代号PI；在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质 量 5的石灰石或料化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水泥， 代号P。 (一)硅酸盐水泥的生产与基本组成1. 硅酸盐水泥的生产 硅酸盐水泥的生产过程分为制备生料、煅烧熟料、粉磨水泥三个 主要阶段，该生产工艺过程可概括为“两磨一烧”，如图1