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1、土木工程材料,绪论,一. 土木工程材料的定义及分类,1.定义,土木工程材料是土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。,2.分类,（1）根据材料来源分：天然材料和人造材料,（2）根据使用部位分：承重、屋面、墙体和地面材料等,（3）根据其功能分：结构材料和功能材料,（4）根据组成物质的种类及化学成分分：,二土木工程材料在建设工程中的地位和作用,(1) 土木工程的物质基础,(2)土木工程质量的保证,(3)影响土木工程的造价,(4)促进土木工程技术的进步和发展,材料决定建筑结构形式和施工方式。新的建筑材料的出现，往往会促进结构设计及施工技术的革新和发展，使一些无法实现的构想变成现实。,材料费用占工程
2、总造价的5070%。要降低工程造价必须优化选择和正确使用材料，充分利用材料的各种性能，提高材料的利用率。,三土木工程材料的发展概况,发展经历：从无到有，从天然材料到人工材料，从手工业生产到工业化生产。,未来建筑材料的发展趋势：,大力发展功能型材料，提供更多更好的绿色化和智能化建筑材料是目前发展的趋势。,首先，建立节约型的生产体系，做到节能、节土、节水和节约矿产资源等。,其次，建立有效的环境保护与监控管理体系，大力发展无污染、环境友好型的绿色建筑材料产品，充分利用再生资源及工农业废料；,再次，积极采用高科技成果推进建筑材料工业的现代化。,四土木工程材料的检验与技术标准,土木工程材料的技术标准包括
3、产品规格、分类、技术要求、检验方法、验收规则、标志、运输和储存注意事项等方面内容。,1.标准化的意义,为了保证材料的质量，保证现代化生产和科学管理，或者是作为设计应用和研究时的依据。,(3)地方标准DB,(4)企业标准QB,(2)行业(或部)标准,2.土木工程材料标准的类别,我国现行的土木工程材料标准的类别,(1)国家标准,强制性标准(代号GB)和推荐性标准(代号GBT),3.标准的表示方法,标准的一般表示方法是由标准名称、标准代号、标准编号和颁布年份等组成。,其他现行标准,法国标准NF,国际标准ISO,德国DIN标准,美国材料试验协会标准ASTM,日本工业标准JIS,英国标准BS,通用硅酸盐
4、水泥 GB175-2007,五本课程的内容、学习目的和基本要求,1.学习目的,2.主要内容,除介绍了建筑材料的一些基本性质外，主要讲述了建筑工程中常用的气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、建筑砂浆、墙体材料和屋面材料、土木工程用钢材和铝合金、木材、高分子建筑材料、沥青材料。,获得有关土木工程材料科学的基础理论和基本技能，为后续课程提供建筑材料的基础知识；为将要从事土木工程建设工作的技术人员合理选择和正确使用材料奠定基础。,3.基本要求,（1）掌握常用建筑材料的组成、基本性能及技术要求，理解材料组成及结构对材料性质的影响，能够根据工程实际条件合理地选择和使用各种建筑材料；,（2）注意外界条件对材料性能
5、的影响；,（3）在学习中要避免死记硬背，要注意理解，运用对比方法来学习；既要学习材料的共性，更要掌握材料的特性。,（4）了解各种材料的原料、生产等方面的知识；,（5）掌握常用建筑材料贮藏和运输时的注意事项。,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是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。,材料所处的环境和部位不同，所起的作用也各不相同，为此要求材料必须具备不同的性质。,土木工程材料的基本性质一般包括物理性质、力学性质、化学性质和耐久性等。,第一节 材料的物理性质,一.与质量状态有关的物理性质,1密度(),密度(真密度)是材料在绝对密实状态下，单
6、位体积的质量。,式中密度(g/cm3)或(kg/m3)；m材料在干燥状态下的质量(g)或(kg)；V材料在绝对密实状态下的体积(cm3)或(m3)。,绝对密实状态下的体积是指不含有任何孔隙的体积。,测量时，材料必须在干燥状态下。含孔材料磨成细粉，干燥至恒重后，用李氏瓶测定其体积，然后按上式计算得到密度值。钢材、玻璃等少数材料可直接采用上式计算获得。,2表观密度(),表观密度(又称视密度、近似密度)是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。,式中表观密度(gcm3)或(kgm3)；V材料在自然状态下不含开口孔隙时的体积(cm3)或(m3)；Vb材料内部闭口孔隙的体积(cm3)或(m3)。
7、,测定材料的表观密度时，材料必须绝对干燥。,3容积密度(0， (gcm3)或(kgm3),式中V0材料在自然状态下的宏观外形体积 ，Vk材料内部开口孔隙的体积，单位均为(cm3)或(m3)。,容积密度(又称体积密度，俗称容重)是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。,测量容积密度时，材料的质量可以是在任意含水状态下，但应注明其含水情况，未特别标明时，常指气干状态下的容积密度。在材料对比试验时，则在绝干状态下进行。,对于形状不规则的材料，可采用蜡封排水法测定其体积。,粉状材料在绝干状态下的容积密度与密度值近似相等。,4堆积密度,堆积密度是指散粒材料或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量
8、。,式中 堆积密度 (gcm3)或(kgm3)； 堆积体积 (cm3)或(m3)；Vv材料内部开口孔隙的体积(cm3)或(m3)。,材料的堆积体积指在自然、松散状态下，按一定方法装入一定容器的容积，包括颗粒体积和颗粒之间空隙的体积。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。,注意对比几种密度的异同点,二.与构造状态有关的物理性质,1孔隙率与密实度,1.1 孔隙率,孔隙率是指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率，即,材料内部孔隙构造上的特征，如大小、形状、分布、连通等统称为孔隙特征。在一般工程应用上，材料的孔隙特征通常是指孔隙的连通性。,开口孔隙(简称开孔)是指材料内部孔隙不仅彼此互相贯通，并且与外界
9、相通。开口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸声性，并降低材料的抗冻性。,闭口孔隙(简称闭孔)是指材料内部孔隙彼此不连通，而且与外界隔绝。闭口孔隙能提高材料的保温隔热性能和耐久性。,材料的孔隙率也可分为开口孔隙率Pk和闭口孔隙率Pb，即,1.2 密实度D,密实度即材料体积内被固体物质充实的程度。,2空隙率和填充率,2.1 空隙率P,空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。,填充率即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,2.2 填充率D,三.材料与水有关的性质,1.亲水性与憎水性,材料与水接触时，水可以在材料表面铺展开，能被水润湿的性质称为亲水性。,（1）定义,亲水性材
10、料：钢材、混凝土、木材等 憎水性材料：石蜡、聚氯乙烯管材、沥青基防水材料,材料与水接触时，水不可以在材料表面铺展开，不能被水润湿的性质称为憎水性。,（2）润湿角,液滴在固体表面上不完全展开时，在气液固三相汇合点，固液界面的水平线SL与气液界面的切线GL之间的夹角，称为润湿角 。,当润湿角 90时，这种材料称为亲水性材料；当润湿角 90时，这种材料称为憎水性材料。,(a)亲水性材料,(b)憎水性材料,2吸水性与吸湿性,2.1 吸水性,(1)质量吸水率Wm,指材料吸水饱和时，所吸水量占材料绝干质量的百分率。,(2)体积吸水率WV,指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占绝干材料自然体积的百分率。,w为水
11、的密度。常温下取w=l(gcm3),质量吸水率与体积吸水率的关系为：,材料的吸水率与孔隙率和孔隙构造有很大关系：,材料具有微细而连通的孔隙，则吸水率就较大；,材料具有封闭孔隙或具有较粗大开口的孔隙，则吸水率就较小；,2.1 吸湿性,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性常以含水率W含（变值）表示：,与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。,四.材料与热有关的性质,1.导热性,材料传导热量的性质称为导热性，常用导热系数表示材料的导热能力的大小。匀质材料的导热系数的计算公式为：,式中为材料的导热系数(W(mK)；Q为传热量(J)；为材料厚度(m)；A为传热面积(m2)；t为传热
12、时间(s) 。,通常将0.23 W(mK)的材料称为绝热材料。,常用绝热材料有：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等,2.热阻,材料层厚度与导热系数的比值，称为热阻R=/，单位为m2KW，它表明热量通过材料层时所受到的阻力。,在多层平壁导热条件下，平壁的总热阻等于各单层材料的热阻之和。,影响导热系数或热阻的主要因素有：,（1）材料的组成,（2）孔隙率和孔隙结构,（3）含水状况,（4）温度（除金属材料外）,3.热容量,材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量，它等于比热c与材料质量m的乘积。,比热是指单位质量材料在温度升高或降低1K时所吸收的或放出的热量，即,式中c为材料的比热(J(gK)；
13、Q为材料吸收或放出的热量(J)； m为材料的质量(g)；（T1-T2）为材料受热或冷却前后的温差(K)。,建筑设计时应选用导热系数较小而热容量较大的材料。,五.材料与声有关的性质,1.吸声性,材料能吸收声音的性质称为吸声性，用吸声系数表示。,通常规定以125 Hz，250 Hz，500 Hz，1000 Hz，2000 Hz，4000 Hz等6个特定频率，从不同方向入射，测得的平均吸声系数，表示材料的吸声特性。,吸声系数越大，表示材料吸声效果越好，一般将0.20的材料称为吸声材料。,具有细微而连通的孔隙且孔隙率较大的材料，其吸声效果较好；若具有粗大的或封闭的孔隙，则吸声效果较差。,2.隔声性,材
14、料隔绝声音的性质，称为隔声性。,对于隔空气声，主要取决于其单位面积的质量，质量越大，则隔声效果越好，因此应选择密实，沉重的材料作为隔声材料，如粘土砖、钢板、钢筋混凝土等。,对于隔固体声，最有效的措施是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和墙板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料或在楼板上加弹性地毯、木地板等柔软材料。,第二节 材料的基本力学性质,一强度和比强度,1.强度,1.1 强度的定义和分类,材料的强度通常以材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力值来表示，亦称极限强度。,根据外力的作用方式，材料强度有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度。,1.2 影响材料强度的因
15、素,（1）材料的组成,组成不同的材料，强度差别很大，因为不同材料的内部质点的排列方式、质点间距及结合强度有很大不同。,表l一2 常用结构材料的强度 （单位MPa）,（2）材料的结构，包括孔隙率、孔隙结构、内部质点结合方式、晶粒尺寸等。,（3）材料的含水状态，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。,（4）外部因素，如温度、测试条件和方法等。,1.3强度等级,在工程使用上，结构材料常根据强度值的大小划分为若干强度等级，具体划分方法视材料而异。,2. 比强度衡量材料轻质高强的重要指标,比强度是按单位体积的质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其容积密度之比，即用f/0表示。,二弹性与塑性,1. 弹性,
16、材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变形能完全消失的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。,某些材料的弹性变形大小与外力成正比，其比例系数在一定范围内为常数，称为材料的弹性模量E。,式中为材料所承受的应力（MPa），为材料的应变。,弹性模量值越大，材料抵抗变形的能力越强，其刚度也越好。,2. 塑性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，材料仍保留一部分残余变形，且不产生裂缝的性质称为塑性。这部分残余变形称为塑性变形。,有的材料在受力一开始，弹性变形和塑性变形便同时发生，外力除去后，弹性变形完全消失，而塑性变形则残留下来，这类材料称为弹塑性材料，如混凝土材料,有的材料在受力不大时，仅产生弹性变形，当外力超过一定数值后，便出现塑性变形，如建筑钢材。,三脆性与韧性,外力作用于材料并达到一定限度后，材料无明显塑性变形而发生突然破坏的性质称为脆性。,
