土木工程材料1

1、土木工程材料教案 第一章 黑龍江工程學院 土木工程系孫凌1、緒 言1.1 概述1.2 材料的基本狀態(tài)參數(shù)1.3 材料的力學性質(zhì)1.4 材料與水有關的性質(zhì)主要內(nèi)容：緒論 材料的基本狀態(tài)參數(shù) 材料與水有關的性質(zhì)重點內(nèi)容：材料的基本狀態(tài)參數(shù)難 點：材料的物理常數(shù)要 求：材料的基本狀態(tài)參數(shù) 材料與水有關的性質(zhì) 對土木工程材料有概括的了解參考資料：土木工程材料陳志源 道路建筑材料嚴家伋 道路建筑材料孫凌 公路工程集料試驗規(guī)程 1、緒 言1.1概述一、本課程研究內(nèi)容 砂石材料、石灰、石膏、水玻璃、水泥、 水泥混凝土、砂漿、燒結磚、瀝青、瀝青混合料、 鋼材、塑料等二、土木工程材料在工程中的作用三、土木工程材

2、料應具備的性質(zhì)四、土木工程材料的應用五、土木工程材料的標準化1.2材料的基本狀態(tài)參數(shù)1.2.1材料的密度、表觀密度、毛體積密度和堆積密度一、密度 1.定義：材料的密度是材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的（不包括開口和閉口孔隙體積）的質(zhì)量。 2.公式： 式中： 材料的密度，； 材料礦質(zhì)實體的質(zhì)量，； 料礦質(zhì)實體的體積，。 因試驗的條件是在空氣中稱量石料的質(zhì)量，故。，s，則公式改寫為 式中： 烘干石料試樣的質(zhì)量，； 意義同前。 石料密度的測定可采用比重瓶法或李氏比重瓶法二、表觀密度 1.定義：在規(guī)定條件下，材料單位表觀體積（礦質(zhì)實體體積十閉口孔隙體積）的質(zhì)量，稱為表觀密度，亦稱視密度。 2.公式： 式

3、中：t石料的表觀密度，； 、意義同前； B石料閉口孔隙的體積，。測定方法：排水法三、毛體積密度定義：材料的毛體積密度是在規(guī)定試驗條件下，烘干材料單位體積（包括孔隙在內(nèi)）的質(zhì)量。公式： 式中： 石料的毛體積密度，3 石料開口孔隙體積，3 ， ，B意義同前。材料的毛體積密度測定可將石料加工為規(guī)則形狀石料試件，采用精密量具測量其幾何形狀的方法計算其體積；對于遇水崩解、溶解和干縮濕脹性松軟石料，應采用封蠟法測定。四、堆積密度1.定義： 散粒材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積質(zhì)量。2公式 自然堆積密度 緊密堆積密度1.2.2材料的孔隙和空隙一、材料的孔隙 空隙對材料的影響：（1）孔隙的多少（孔隙率） （2）孔

4、隙的特征1.孔隙率定義：孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積(開口孔隙和閉口孔隙)占材料總體積的百分率。公式： 2.密實度定義：材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實體占材料總體積的百分率。公式：孔隙的特征（1）按孔隙尺寸大小，可把空襲氛圍為微孔、細孔和大孔三種（2）按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔、連通孔。（3）按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開口孔、封閉孔。二、材料的空隙1.空隙率定義：散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率。公式：2.填充率定義：顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。公式： 1.4 材料與水有關的性質(zhì)1.4.1 材料的親水性與憎水性濕潤邊角：在材料、水和空氣的三向交叉點處沿水滴表面做

5、切線，此切線與材料和水接觸面的夾角 ，稱為濕潤邊角。 90°時，表現(xiàn)為親水性 90°時，表現(xiàn)為憎水性 1.4.2材料的含水狀態(tài)親水性材料的含水狀態(tài)Ø 干燥狀態(tài) Ø 氣干狀態(tài)Ø 飽和面干狀態(tài)Ø 潤濕狀態(tài)1.4.3 材料的吸濕性和吸水性一、吸濕性定義：親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì) 表示方法：含水率二、吸水性 定義：材料在水中吸水的性質(zhì)。重量吸水率提及吸水率開口細微連通孔，吸水量大。1.4.4耐水性定義：材料長期在水作用下不破壞、強度也不明顯下降的性質(zhì)。軟化系數(shù)： 0.85為耐水材料，該值越小耐水性越差。1.4.5抗?jié)B性1.4.6抗凍

6、性材料在含水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次動容循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)。凍融循環(huán) 直接凍融法是測定石料抗凍性的主要試驗方法。此方法是將石料制備成直徑和高均為的圓柱體或邊長為的立方體試件，放人烘箱（±）烘至恒重，冷卻后稱其質(zhì)量，按吸水率試驗方法讓試件吸水飽和，然后取出擦去表面水分，置于冰箱（-）凍結，然后取出放人±的水中融解，如此為一次凍融循環(huán)，經(jīng)反復凍融至規(guī)定次數(shù)為止，將凍融后的試件再烘干至恒重，并稱其質(zhì)量。對于不同的工程環(huán)境氣候條件，凍融循環(huán)的次數(shù)有不同的要求，分為15次、25次及25次以上。在試驗過程中，每隔一定的凍融循環(huán)次數(shù)，應詳細檢查試件有無剝落、裂縫、分層及掉

7、邊等現(xiàn)象，并加以記錄。對于塊狀石料的抗凍性，可采用經(jīng)規(guī)定次數(shù)的凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率或者耐凍系數(shù)表征。 （1）質(zhì)量損失率 石料凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率：式中：fr試件凍融后的質(zhì)量損失率，； 試驗前烘干試件的質(zhì)量，； 試驗后烘干試件的質(zhì)量，。 ）耐凍系數(shù)式中： 試件的耐凍系數(shù)； 經(jīng)凍融循環(huán)后的試件飽水抗壓強度，； 未經(jīng)凍融試驗的試件飽水抗壓強度，。公路工程，一般要求石料的耐凍系數(shù)大于.；質(zhì)量損失率不大于。同時，試件應無明顯缺損（包括剝落、裂縫和邊角損壞等情況）。橋梁工程石料，對一月份平均氣溫低于的地區(qū)，要進行抗凍性試驗。）硫酸鈉堅固性法 思考題：1.孔隙的特征與吸水率的關系。2.什么條件下要對石料

8、進行抗凍性試驗？什么是凍融循環(huán)？3.如何判定石料抗凍性是否合格？主要內(nèi)容：材料的力學性質(zhì) 集料的技術性質(zhì) 重點內(nèi)容：石料的抗壓強度、磨耗率 集料的級配難 點：級配及計算參數(shù)要 求：掌握石料的力學性質(zhì) 掌握石料等級的確定 掌握級配參數(shù)的計算方法參考資料：土木工程材料陳志源 道路建筑材料嚴家伋 道路建筑材料孫凌 公路工程集料試驗規(guī)程 1.3材料的力學性質(zhì)1.3.1強度與比強度一、強度定義：材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應力?？箟簭姸龋嚎估瓘姸龋?抗剪強度： 抗彎強度：集中荷載： 三分點加荷： 影響強度的因素：Ø 材料的組成Ø 孔隙率 增加 強度降低Ø 含水率 增

9、加 強度降低Ø 溫度 升高 強度降低Ø 試件尺寸 大 強度降低Ø 加荷速度 快 強度降低等二、比強度定義：單位體積重量的材料強度與毛體積密度之比衡量材料是否輕質(zhì)、高強。補充一：公路工程石料的力學性質(zhì) ）抗壓強度石料的抗壓強度，通常有單軸抗壓強度和三軸抗壓強度兩種。如果不作邊坡驗算等，一般僅需要進行單軸抗壓強度試驗。公路工程石料的抗壓強度，是將石料制備成邊長為±.的正立方體或直徑與高均為±.的圓柱體試件，經(jīng)吸水飽和后，在規(guī)定的加載條件下單軸受壓，石料試件達到極限破壞時，單位受壓面積的強度。公式：式中： 石料的抗壓強度，； Fmax試件極限破壞時的

10、荷載，； 試件的截面積，。石料的抗壓強度值，取決于石料的組成結構，同時也取決于試驗的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。石料的抗壓強度值，取決于石料的組成結構，同時也取決于試驗的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。 ）磨耗率 石料的磨耗率是指石料抵抗沖擊、邊緣剪力和摩擦的聯(lián)合作用的性質(zhì)，也是評定石料等級的依據(jù)之一，可采用洛杉磯試驗法或狄法爾試驗法測定。 （）洛杉磯試驗法 洛杉磯試驗法采用洛杉磯（或擱板）式磨耗試驗機。是將石料試樣洗凈烘干，稱出按我國標準規(guī)定的級配石料及鋼球。磨耗機以的轉速轉動轉。由于在旋轉中石料試樣受到相互摩擦、沖擊等力系的綜合作用，使石料試樣產(chǎn)生磨耗和

11、破碎。用圓孔篩或1.7方孔篩篩去試樣中的石屑，將剩余試樣洗凈烘干，并稱其質(zhì)量。石料的磨耗率以經(jīng)試驗后石料試樣的質(zhì)量損失百分率來表示。公式： （2）狄法爾試驗法狄法爾試驗法采用狄法爾（或雙筒）式磨耗試驗機。它是將石料破碎（人工或機械），并過篩選出的塊石±塊，共約（每塊質(zhì)量約），計兩份，分別洗凈烘干，裝人磨耗機的兩圓筒中，磨耗機以的轉速轉動轉，石料的磨耗率同樣是以通過或7篩孔的質(zhì)量損失百分率來表示，亦按上式計算。 按我國標準規(guī)定，兩種試驗方法以洛杉磯試驗法為標準方法。 橋梁工程石料的力學性質(zhì)抗壓強度是橋梁工程石料的主要力學指標，是確定石料標號的主要依據(jù)。橋用石料的抗壓強度是將石料加工成邊

12、長為的正立方體試件，經(jīng)吸水飽和后，按規(guī)定的加荷條件單軸受壓，石料試件達到極限破壞時，單位受壓面積的強度。此亦作為石料的標號。公式：橋用石料的力學性質(zhì)以抗壓強度為基準，其他力學指標（如抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度等）一般可采用與抗壓強度的大約比值。石料的技術標準補充二 集料的技術性質(zhì)集料包括天然砂石集料、人工軋制的集料以及工業(yè)冶金礦渣。不同粒徑的集料在水泥（或瀝青）混合料中所起的作用不同，因此對它們的技術要求亦不相同。為此,將集料分為粗集料和細集料兩大類。不論天然的或人工軋制的，以圓孔篩計，凡粒徑小于者稱為細集料（包括天然砂、人工砂等），粒徑大于者稱為粗集料（包括碎石、礫石等）；在瀝青混合料中。

13、若以方孔篩計，凡粒徑小于者稱為細集料（包括天然砂、人工砂和石屑等），粒徑大于.者稱為粗集料（包括碎石、礫石、礦渣等）。由于產(chǎn)狀和軋制工藝不同，它們之間的粒徑界限允許有些交叉。集料的技術性質(zhì)亦主要從物理性質(zhì)、力學性質(zhì)和化學性質(zhì)三個方面進行評價。 （一）物理性質(zhì)（物理常數(shù)、與水有關的性質(zhì)）1.級配級配是集料各級粒徑顆粒的分配情況，可通過篩析試驗確定。級配參數(shù)：）分計篩余百分率：某號篩上的篩余量占試樣總質(zhì)量的百分率。）累計篩余百分率：某號篩的分計篩余百分率和大于某號篩的各篩分計篩余百分率的總和。）通過百分率：通過某號篩的質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，即與某號篩的累計篩余之差。 2.粗度粗度是評價砂粗細程

14、度的一種指標，通常用細度模數(shù)來表示，細度模數(shù)是各號篩的累計篩余百分率之和除以的商，可按下式計算。 （二力學性質(zhì) 壓碎性壓碎性是指碎石（或卵石）抵抗壓碎的性能。可通過壓碎值試驗，采用壓碎值來相對地衡量石料在逐漸增加荷載的作用下抵抗壓碎的能力，壓碎值是表征粗集料力學性質(zhì)的指標之一。 ）水泥混凝土用粗集料壓碎值試驗方法1020mm，3Kg，二層裝入（每層顛擊25次）；35min至200KN，過2.5mm篩。2）瀝青混合料用粗集料壓碎值試驗 13.216mm，3Kg，三層裝入（每層插搗25次）；10min至400KN，過2.36篩。（三）化學性質(zhì)石料根據(jù)含量的多少分為：酸性石料、中性石料和堿性石料。大

15、量試驗證明，堿性石料與瀝青的粘附性較酸性石料與瀝青的粘附性大，酸性石料比較堅硬。為確定集料與瀝青的粘附性，通常在公路工程中采用一些簡便的方法進行測定。目前我國現(xiàn)行的試驗方法主要有：）水煮法 ）水浸法）親水系數(shù)法當采用同一種瀝青時，選擇礦料從堿性、中性直至酸性，集料與瀝青的粘附性逐漸降低。為保證瀝青混合料的強度，在選擇集料時應優(yōu)先考慮采用堿性石料。若當?shù)厝狈A性石料且必須采用酸性石料時，可摻加各種抗剝劑以提高瀝青與石料的粘附性。思考題：1.如何判定集料的酸性、中性、堿性，工程應用中如何考慮？2.掌握級配參數(shù)的計算公式。作業(yè)： 主要內(nèi)容： 級配理論 礦質(zhì)混合料組成設計 重點內(nèi)容： 泰波公式 修正平

16、衡面積法礦質(zhì)混合料組成設計難 點：泰波公式 修正平衡面積法礦質(zhì)混合料組成設計要 求：利用泰波公式能夠計算適宜的級配范圍 掌握修正平衡面積法礦質(zhì)混合料組成設計參考資料：土木工程材料陳志源 道路建筑材料嚴家伋 道路建筑材料孫凌 補充3 礦質(zhì)混合料的組成設計路用礦質(zhì)混合料的基本要求：Ø .最小空隙率Ø .最大摩擦力為達到上述要求，必須對礦質(zhì)混合料進行組成設計，其內(nèi)容包括：Ø ）級配理論和級配范圍的確定；Ø ）基本組成的設計方法。一、礦質(zhì)混合料的級配理論（一）級配類型各種不同粒徑的集料，按照一定比例搭配起來，以達到最大密實度和最大摩擦力的要求，可以采用兩類級配：

17、.連續(xù)級配.間斷級配（二）級配理論.（富勒）.uller理論富勒根據(jù)實驗提出一種理想級配，認為：“級配曲線愈接近拋物線時，則其密度愈大”，因此，當級配曲線為拋物線時為最大密度曲線。 當粒徑等于最大粒徑時，礦質(zhì)混合料的通過率等于，則： .（泰波）.albal理論 泰波認為富勒曲線是一種理想曲線，實際礦料的級配應允許有一定的波動范圍，故將富勒最大密度曲線改為n次冪的通式，即 從泰波公式可看出，當時為拋物線，即富勒曲線。根據(jù)試驗認為.之間時，礦質(zhì)混合料具有較好的密實度。泰波理論可用來解決連續(xù)級配的級配范圍問題，故具有很大的實用意義。 例題已知礦質(zhì)混合料最大粒徑為40mm，試用泰波公式計算級配范圍曲線的各級粒徑通過百分率。（n=0.3n=0.7）。二、級配曲線范圍的繪制我國級配曲線采用半對數(shù)坐標形式 三、礦質(zhì)混合料的組成設計方法天然的或人工軋制的單一集料的級配一般很難完全符合某一合適級配范圍的要求，因此，必須采用幾種集料按照一定比例進行搭配才能達到級配范圍的要求，這就需要對礦質(zhì)混合料進行配合組成設計。確定礦質(zhì)混合料配合比的方法很多，但