土木工程材料材料基本性質(zhì)

第2章材料基本性質(zhì)教學(xué)要求：掌握材料的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)了解材料的耐久性、裝飾性等等1.材料的密度、表觀密度和堆積密度1.1密度定義：材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量?？砂聪率接?jì)算：–––密度，g/cm3；m–––材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；V–––材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3。（density）一、材料的物理性質(zhì)測量方法有較多孔隙的材料，采用磨細(xì)后（粒徑＜0.02mm）用李氏瓶測定其體積的方法。某些致密材料，如卵石等，可用直接

排液法，用這種方法測量的體積，由

于無法排除內(nèi)部封閉的孔隙，所以稱

這樣測得的密度為近似密度(a)－視密度。1.2表觀密度定義：材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。計(jì)算：0–––表現(xiàn)密度，g/cm3或kg/m3；m–––材料的質(zhì)量，g，或kg；V0–––材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m3。（unitweight）1.3堆積密度定義：粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。計(jì)算：0–––堆積密度，kg/m3；m–––材料的質(zhì)量，kg；V0–––松散材料的堆積體積，m3。（heapeddensity

）V0VVKVB開口孔封閉孔閉口孔隙自然狀態(tài)下的塊狀材料開口孔隙實(shí)體實(shí)體空隙開口孔隙封閉孔隙裝在容器里的粒狀、粉狀或塊狀材料V0′VVKVBV02.材料的孔隙率和空隙率2.1材料的孔隙(1)孔隙率:材料內(nèi)部孔隙體積占材料總體積的百分率材料的孔隙從兩個(gè)方面對材料的性能產(chǎn)生影響：一是孔隙的多少（孔隙數(shù)量），二是孔隙特征。孔隙數(shù)量用孔隙率表征。(2)密實(shí)度:材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實(shí)際體積占材料總體積的百分率孔隙特征主要有兩方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、細(xì)孔和大孔；（2）按孔隙是否與外界連通分為與外界連通的開口孔和不與外界連通的封閉孔（閉口孔）。把開口孔孔體積記記為Vk，閉口孔孔體積記記為VB，則孔隙隙體積Vｐ=Vk+VB定義開口口孔孔隙隙率為定義閉口口孔孔隙隙率為則孔隙率率為散粒材料料顆粒間間的空隙隙多少用用空隙率率表示。。(1)空隙率:散粒材料料顆粒間間的空隙隙體積占占堆積體體積的百百分率2.2材料的空空隙(2)填充率:顆粒的自自然狀態(tài)態(tài)體積占占堆積體體積的百百分率(a)親水性材料(b)憎水性材料90親水材料料90憎水材料料3.1材料的親親水性與與憎水性性潤濕邊角角:在材料、、水和空空氣的三三相交叉叉點(diǎn)處沿沿水滴表表面作切切線，切切線與材材料和水水接觸面面的夾角角。3.材料與水水有關(guān)的的性質(zhì)3.2材料的含含水狀態(tài)態(tài)四種基本本含水狀狀態(tài)：干燥狀態(tài)態(tài)——材料孔隙隙中不含含或含水水極微；；氣干狀態(tài)態(tài)——材料孔隙隙中所含含水與大大氣濕度度平衡；；飽和面干干狀態(tài)——材料表面面干燥，，孔隙含含水飽和和；濕潤狀態(tài)態(tài)——材料孔隙隙含水飽飽和，表表面為水水濕潤附附有一層水水膜。材料也可可處于兩兩種基本本含水狀狀態(tài)之間間的過渡渡狀態(tài)飽和水表面水材料的含含水水狀態(tài)態(tài)(a)干燥狀態(tài)(b)氣干狀態(tài)態(tài)(c)飽和面干干狀態(tài)(d)濕潤狀態(tài)態(tài)(a)(b)(c)(d)3.3材料的吸吸濕性和和吸水性性吸濕性–––––親水材料料在潮濕濕空氣中中吸收水水分的性質(zhì)。。用含水率率表示W(wǎng)h–––––含水率；；％ms–––––材料含水水狀態(tài)下下的質(zhì)量量，g；mg–––––材料干燥燥狀態(tài)下下的質(zhì)量量，g。材料的含含水率隨隨環(huán)境溫溫度和濕濕度變化化而變化化。平衡含水水率：材料中所所含水分分與環(huán)境境溫度所所對應(yīng)的濕濕度相平平衡時(shí)的的含水率率。材料在干干燥空氣氣中放出出所含水水分的性性質(zhì)稱還還濕性。。（2）吸水性性——材料在水水中吸水水的性質(zhì)質(zhì)。用吸水率率表示，，有質(zhì)量量吸水率率和體積積吸水率率兩個(gè)定定義：質(zhì)量吸水水率——材料吸水水飽和時(shí)時(shí)，吸收收的水分分質(zhì)量占材料料干燥時(shí)時(shí)質(zhì)量的的百分率率；體積吸水水率——材料吸水水飽和時(shí)時(shí)，吸收收的水分分體積占材料料干燥時(shí)時(shí)體積的的百分率率；材料的體體積吸水水率等于于其重量量吸水率率乘上材材料干燥燥狀態(tài)時(shí)時(shí)的表觀觀密度。。工程上，，建筑材材料一般般采用質(zhì)質(zhì)量吸水水率，如如粘土磚磚為8～20％。吸水性和和吸濕性性會使材材料絕熱熱性降低低，強(qiáng)度度和耐久久性產(chǎn)生生不同程程度的下下降，體體積發(fā)生生變化，，影響材材料使用用。3.4耐水性定義材料長期期在水作作用下不不破壞、、強(qiáng)度也也不顯著著降低的的性質(zhì)。。用軟化化系數(shù)表表示：kR=fb/fg。公式中fb表示材料料在飽水水狀態(tài)下下的抗壓壓強(qiáng)度，，Mpa；fg表示材料料在干燥燥狀態(tài)下下的抗壓壓強(qiáng)度，，MpakR在0～1之間，不不同材料料的kR值相差很很大，如如粘土kR=0，而金屬屬kR=1；土木工工程中將將kR＞0.85的材料稱稱為耐水水材料，，用于潮潮濕環(huán)境境中的重重要結(jié)構(gòu)構(gòu)。3.5抗?jié)B性定義材料抵抗抗壓力力水滲透透的性質(zhì)質(zhì)常用滲透透系數(shù)或或抗?jié)B標(biāo)標(biāo)號表示示：滲透系數(shù)數(shù)：ks–––––滲透系數(shù)數(shù)，cm/h；Q–––––透水量，，cm3；d–––––試件厚度度，cm；A–––––透水面積積，cm2；t–––––時(shí)間，h；H–––––靜水壓力力水頭，，cm?？?jié)B性用用抗?jié)B等等級Pn表示，抗抗?jié)B等級級是以規(guī)規(guī)定的試試件在規(guī)規(guī)定的試試驗(yàn)條件件下，所所能承受受的最大大水壓力力來確定定；其中中的n，表示材材料所能能承受的的最大水水壓力（（Mpa）的10倍，例如如P4、P6、P10表示材料料最大能能承受0.4、0.6、1.0Mpa的水壓力力而不滲滲水。材材料的滲滲透系數(shù)數(shù)越小或或抗?jié)B標(biāo)標(biāo)號越高高表明材材料的抗抗?jié)B性越越好。。3.6抗凍性材料在飽飽水狀態(tài)態(tài)下，能能經(jīng)受多多次凍融融循環(huán)而而不破壞壞，也不不嚴(yán)重降降低強(qiáng)度度的性質(zhì)質(zhì)。抗凍性用用抗凍等等級Fn表示，抗抗凍等級級是以規(guī)規(guī)定的試試件在規(guī)規(guī)定的試試驗(yàn)條件件下，測測得其強(qiáng)強(qiáng)度降低低不超過過規(guī)定值值，并無無明顯剝剝落所能能經(jīng)受的的凍融循循環(huán)次數(shù)數(shù)來確定定；其中中的n，表示最最大凍融融循環(huán)次次數(shù)，例例如F25、F50等。干燥箱干燥箱混凝土抗抗?jié)B儀混凝土抗抗?jié)B試模模（左））4.1熱容性定義材料在溫溫度變化化時(shí)吸收收或放出出熱量的的能力不同材料料的熱容容性可用用比熱進(jìn)進(jìn)行比較較。比熱：單單位質(zhì)量量的材料料升高單單位溫度度所需熱熱量。4與熱有關(guān)關(guān)的性質(zhì)質(zhì)定義4.2導(dǎo)熱性材料兩側(cè)側(cè)有溫差差時(shí)熱量量由高溫溫側(cè)向低低溫側(cè)傳傳遞的能能力。常用導(dǎo)熱熱系數(shù)表表示：材料的導(dǎo)導(dǎo)熱性能能與孔隙隙特征有有關(guān)，增增加孤立立的、不不連通孔孔隙可降降低材料料導(dǎo)熱能能力。Λ≤0.23的材料稱稱為絕熱熱材料。。4.3熱變形性性定義材料在溫溫度變化化時(shí)的尺尺寸變化化常用線膨膨脹系數(shù)數(shù)表示。。有保溫隔隔熱要求求的工程程盡量選選用熱容容量大、、導(dǎo)熱系系數(shù)小的的材料。。土木工程程材料在在使用過過程中經(jīng)經(jīng)受各種種破壞因因素(物理的、、化學(xué)的的、環(huán)境境的、生生物的……等等)的作用，，而能保保持其使使用性能能的性質(zhì)質(zhì)稱為土木工程程材料的的耐久性性。環(huán)境影響響因素往往往是復(fù)復(fù)雜多變變的，它它們單獨(dú)獨(dú)或交互互作用于于材料形形成破壞壞。由于于各種破破壞因素素的復(fù)雜雜性和多多樣性，，使得耐耐久性是是一個(gè)綜綜合性概概念。5材料的耐耐久性材料的耐耐久性包包括抗凍凍性、抗抗?jié)B性、、抗化學(xué)學(xué)侵蝕性性、抗炭炭化性、、大氣穩(wěn)穩(wěn)定性、、耐磨性性等。耐耐久性是是一項(xiàng)綜綜合性指指標(biāo)，建建筑材料料應(yīng)有良良好的耐耐久性。。從工程技技術(shù)發(fā)展展角度看看，由按按耐久性性進(jìn)行工工程設(shè)計(jì)計(jì)取代按按強(qiáng)度進(jìn)進(jìn)行工程程設(shè)計(jì)更更具科學(xué)學(xué)性和實(shí)實(shí)用性。。然而，，要按耐耐久性進(jìn)進(jìn)行工程程設(shè)計(jì)，，尚需對對各種材材料的耐耐久性進(jìn)進(jìn)行更為為廣泛深深入的研研究。提高材料料耐久性性是土木木工程材材料生產(chǎn)產(chǎn)及應(yīng)用用的重要要課題之之一。1.強(qiáng)度與等等級1.1材料的強(qiáng)強(qiáng)度定義材料在外外力作用用下抵抗抗破壞的的能力。。根據(jù)外力力作用方方式的不不同，材材料有抗抗壓強(qiáng)度度、抗拉拉強(qiáng)度、、抗彎強(qiáng)強(qiáng)度、抗抗剪強(qiáng)度度等。二、材料料的力學(xué)學(xué)性質(zhì)LLF/2F/2FFL/3FFL/3L/3(a)壓力(b)拉力(c)彎曲(d)剪切材料所受受外力：：各種強(qiáng)度度的計(jì)算算公式如如下：抗壓、抗抗拉、抗抗剪的強(qiáng)強(qiáng)度f–––––強(qiáng)度，Mpa；F–––––破壞時(shí)最最大荷載載，N；A–––––受力截面面面積，，mm2?？箯潖?qiáng)度度1）(中點(diǎn)集中荷載)2）(三分點(diǎn)兩相等集中荷載)ftm–––––抗彎強(qiáng)度度，Mpa；F–––––彎曲破壞壞時(shí)最大大荷載，，N；L–––––兩支點(diǎn)的的間距，，mm；b–––––試件橫截截面積寬寬度，mm；h–––––試件橫截截面積高高度，mm。材料的抗彎強(qiáng)度度又稱為抗抗折強(qiáng)度度，分兩兩種情況況：第一一種為1個(gè)集中荷荷載（兩兩個(gè)支點(diǎn)點(diǎn)），代代表構(gòu)件件為水泥泥膠砂試試件（40mm×40mm×160mm）的抗折折強(qiáng)度。。第二種為為2個(gè)集中荷荷載（兩兩個(gè)支點(diǎn)點(diǎn)），代代表構(gòu)件件為公路路水泥混混凝土路路面的水水泥混凝凝土試件件（150mm×150mm×550mm）的抗折折強(qiáng)度。。常見土土木工程程材料的的強(qiáng)度見見12頁。許多土木木工程材材料常以以其強(qiáng)度度大小劃劃分為若若干等級級，俗稱稱“標(biāo)標(biāo)號””。材料強(qiáng)度度受以下下三個(gè)因因素的影影響：材料內(nèi)部部結(jié)構(gòu)和和構(gòu)造(強(qiáng)度與孔孔隙率之之間存在在近似直直線的反反比關(guān)系系)。材料所處處的環(huán)境境條件(溫度、濕濕度、含含水量等等)強(qiáng)度值的的測試條條件(試件尺寸寸、加荷荷速度等等)2.材料的比比強(qiáng)度衡量材料料是否輕輕質(zhì)、高高強(qiáng)的指指標(biāo)定義單位體積積質(zhì)量的的材料強(qiáng)強(qiáng)度,等于材料料的強(qiáng)度度與其表表觀密度度之比3.材料的彈彈性與塑塑性彈性與塑塑性材料在承承受外力力時(shí)，如如撤除外外力的作作用后，，材料的的幾何形形狀能恢恢復(fù)原狀狀，材料料的這種種性能稱稱為彈性。如果只只能部分分恢復(fù)變變形，而而殘留一一部分不不能消失失的變形形，該殘殘留部份份稱為塑性變形形。材料在彈彈性范圍圍內(nèi)，其其應(yīng)力和和應(yīng)變之之間關(guān)系系符合如如下公式式：σ＝Εεσ——應(yīng)力；ε——應(yīng)變，為為材料受受外力變變形尺寸寸增量與與原尺寸寸之比；；Ε——彈性模量量；彈性模量量是材料料剛度的的度量，，物理意意義為單單位應(yīng)變變所需要要的應(yīng)力力，反映映了材料料抵抗變變形的能能力。是是結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中的的主要參參數(shù)之一一。彈塑性材料料：材料受受力時(shí)，彈彈性變形和和塑性變形形同時(shí)發(fā)生生，外力去去除后，彈彈性變形恢恢復(fù)，塑性性變形保留留。4.脆性和韌性性（1）脆性材材料在外力力作用下，，無明顯塑塑性變形而突然破壞壞的性質(zhì)。。具有這種破破壞特征的的材料，稱稱為脆性材料。從應(yīng)力應(yīng)變變圖中看材材料的脆性性（2）韌性材材料在沖擊擊或震動(dòng)荷荷載作用下下，能吸收收較大的能能量，產(chǎn)生生一定的變變形而不破破壞的性質(zhì)質(zhì)稱為韌性或沖擊擊韌性。一般以測定定其沖擊破破壞時(shí)單位位斷面上吸吸收的能量量作為指標(biāo)標(biāo)。5.硬度和耐磨磨性硬度：材料料抵抗較硬硬物質(zhì)刻劃劃或壓入的的能力常用刻劃法法和壓入法法測定?？虅澐ǚQ莫莫氏硬度；；壓入法稱稱布氏硬度度、洛氏硬硬度和維氏氏硬度。耐磨性：材材料抵抗磨磨損的能力力，用耐磨磨度表示。。P156.材料的徐變變和應(yīng)力松松弛當(dāng)材料在恒恒定外力的的作用下，，其變形隨隨時(shí)間而緩緩慢增加的的過程，稱稱為徐變。當(dāng)材料在持持續(xù)外力作作用下，總總的變形值值保持不變變，由于徐徐變而使材材料內(nèi)應(yīng)力力隨時(shí)間而而逐漸降低低的過程，，稱為應(yīng)力力松弛。徐變和應(yīng)力力松弛是相相互關(guān)聯(lián)的的兩種現(xiàn)象象。材料的其它它性質(zhì)見教教材，不作作為重點(diǎn)。。作業(yè)2-1試解釋以下下名詞：（（1）密度；（2）表觀密度（（容重）；（3）堆積密度度；（4）孔隙率；；（5）空隙率；；（6）吸水率；；（7）含水率；（8）比強(qiáng)度。。2-2確定建筑成成品或半成成品的質(zhì)量量在工程上上用來分析析設(shè)計(jì)活載載、地基承承載力、現(xiàn)現(xiàn)澆模板荷荷載、預(yù)制制吊裝荷載載等等具有有重要意義義，根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)圖如何何確定兩框框架柱之間間的現(xiàn)澆梁梁板的質(zhì)量量？根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)圖如何何確定1片預(yù)制T梁的質(zhì)量？？2-3一塊燒結(jié)普普通磚的外外形尺寸為為240mm×115mm×53mm。吸水飽和和后的重為為2940g烘干至恒重重為2580g。今將該磚磚磨細(xì)并烘烘干后取代代50g，用李氏瓶瓶測得其體體積為18.58cm3。試求該磚磚的密度、、表觀密度度、孔隙率率、質(zhì)量吸吸水率、開開口孔隙率率及閉口孔孔隙率。2-4稱河砂500g，烘干至恒恒重時(shí)質(zhì)量量為494g，求此河砂砂的含水率率。2-5某工程共需需要煤矸磚磚（240mm×115mm×53mm）15萬匹，用載載質(zhì)量為5噸的汽車分分五批運(yùn)完完，每批需需要安排汽汽車多少輛輛？（1m3磚的理論匹匹數(shù)為684匹，磚的容容重為1.8t/m3）2-6有直徑20mm，長14m的鋼筋一捆捆25根，計(jì)算其其總質(zhì)量為為多少kg？（鋼材的的密度為7.85t/m3）2-7收到含水率率