第一章 土木工程材料的基本性質(zhì)

第一章土木工程材料的基本性質(zhì)本章主要內(nèi)容材料的物理性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)耐久性材料的組成、結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響1.1物理性質(zhì)（PhysicalProperties）1、與重量有關(guān)的性質(zhì)自然堆積狀態(tài)顆粒自然狀態(tài)致密狀態(tài)空隙孔隙材料的體積構(gòu)成開口孔隙（體積為Vk）封閉孔隙（體積為Vb）固體物質(zhì)（體積為V）自然狀態(tài)下體積V0=V+Vp（表觀體積）孔隙體積Vp=Vb+Vk

（1）密度（Density）密實(shí)材料，如金屬材料、花崗巖等材料的內(nèi)部密實(shí)而沒有孔隙絕對(duì)體積或?qū)嶓w積——干燥狀態(tài)材料實(shí)體積的求法形狀規(guī)則且致密材料可根據(jù)其尺寸計(jì)算其體積形狀不規(guī)則但致密材料——排液法非致密材料——磨成細(xì)粉后用排液法李氏比重瓶（2）表觀密度（視密度，ApparentDensity）材料的內(nèi)部有許多孔隙孔隙材料，如磚頭、混凝土、木材等V0自然狀態(tài)下體積（表觀體積）密實(shí)度D=1-P材料表觀體積的求法形狀規(guī)則的材料可根據(jù)其尺寸計(jì)算其體積形狀不規(guī)則的材料1、材料表面涂臘，然后用排液法得到其體積。2、二次排液法：先讓材料吸水飽和，表面擦干后，再用排開液體的方法進(jìn)行測定（要求材料的開口孔為毛細(xì)孔，飽水后水不易溢出）思考：怎么測定一堆有開口孔隙的石子的表觀體積？（3）堆積密度（BulkDensity）堆積材料顆粒的內(nèi)部有許多孔隙堆積材料顆粒之間存在許多空隙內(nèi)部有孔隙材料的材料破碎成顆粒堆積在一起，如石子、砂礫等空隙體積砂堆積密度的測定將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積材料的幾種含水狀態(tài)（a）完全干燥狀態(tài)(烘干狀態(tài))在100~110度溫度下烘干，達(dá)到恒重狀態(tài)；（b）氣干狀態(tài)(風(fēng)干狀態(tài))在環(huán)境中達(dá)到平衡含水率時(shí)的狀態(tài)；（c）飽和面干狀態(tài)(表干狀態(tài))顆粒表面干燥，內(nèi)部孔隙吸水飽和時(shí)的狀態(tài)；（d）濕潤狀態(tài)(潮濕狀態(tài))顆粒內(nèi)部吸水飽和，表面附有吸附水的狀態(tài)。2、與水有關(guān)的性質(zhì)親水性材料憎水性材料θθ濕潤角θ≤90°親水性θ>90°憎水性(1)親水性與憎水性（2）材料的吸水性材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性,其大小以吸水率來表示。1）質(zhì)量吸水率——材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比，并以Wm表示。mb——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量mg——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量

2）體積吸水率——指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以WV表示。式中: mb——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量；

mg——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量；

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積；

ρw——水的密度,常溫下取ρ

w=1.0g/cm3。（2）材料的吸水性

指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。用含水率Ｗh表示，式中：ms——材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量

mg——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量

當(dāng)空氣中濕度在較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時(shí)材料的含水率保持不變，其含水率稱為平衡含水率。（3）材料的吸濕性（4）材料的耐水性

指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料耐水性的指標(biāo)用軟化系數(shù)KR表示：式中：KR——材料的軟化系數(shù)；

fb——

材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度

fg

——

材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度重要KR≥0.85次要KR≥0.75（5）材料的抗?jié)B性指材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級(jí)表示。1）滲透系數(shù)

式中：K——滲透系數(shù),（cm/h）;

W——滲水量，（cm3

）；

A——滲水面積,（cm2

）；

h——材料兩側(cè)的水壓差，（cm）；

d——試件厚度（cm）；t——滲水時(shí)間（h）。

（5）材料的抗?jié)B性2）抗?jié)B等級(jí)——指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級(jí)。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透。（6）材料的抗凍性材料在水飽和狀態(tài),能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞,也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)(重量損失≯5%,強(qiáng)度降低≯25%)。抗凍性用抗凍等級(jí)Fn表示，n為材料能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。凍融破壞的原因材料中的孔隙水結(jié)冰時(shí)，體積膨脹，對(duì)材料孔壁產(chǎn)生壓力，反復(fù)多次作用下，材料產(chǎn)生裂縫，并擴(kuò)展、延伸，和連通，最后導(dǎo)致破壞。。3、與熱有關(guān)的性質(zhì)（1）導(dǎo)熱性——當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量傳遞的性質(zhì)，稱為材料的導(dǎo)熱性，用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示：式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Q——傳導(dǎo)的熱量，J；

d——材料厚度，m；

A——熱傳導(dǎo)面積，

t——熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；

（T2－T1）——材料兩面溫度差，K。物理意義：單位厚度（1m）的材料、兩面溫度差為1K時(shí)、在單位時(shí)間（1s）內(nèi)通過單位面積（1m2

）的熱量。2.熱容量——材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，其大小用比熱容C表示式中：Q——材料吸收或放出的熱量(熱容量)；C——材料的比熱容，J/（g·K）；m——材料質(zhì)量，g；T1－T2——材料受熱或冷卻前后的溫差，K。3、與熱有關(guān)的性質(zhì)物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)/[W/（m·K）]比熱容/[J/（g·K）]鍍鋅鐵皮60.40.45普通砼1.280.88普通粘土磚0.810.84松木0.17～0.352.51冰2.202.05水0.64.19靜止空氣0.0251.003.熱變形性——材料在溫度變化時(shí)的尺寸變化，常用線性膨脹系數(shù)表示：式中：α——材料的線性膨脹系數(shù)；L——材料原來的長度，mm；ΔL——材料的線性變形量，mm；T2－T1——材料在升降溫前后的溫差，K。3、與熱有關(guān)的性質(zhì)3、與熱有關(guān)的性質(zhì)（4）耐燃性：材料對(duì)火焰和高溫的抵抗能力，是決定建筑物防火、建筑結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)的重要因素。建筑材料按耐燃性可分為3類：I）非燃燒材料——在空氣中受到火燒火高溫高熱作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如鋼鐵、磚、石等。II)難燃材料——在空氣中受到火燒或高溫高熱作用時(shí)難起火、難微燃、難碳化，當(dāng)火源移走后，已有的燃燒或微燃立即停止的材料，如經(jīng)過防火處理的木材。III）可燃材料——在空氣中受到火燒火高溫高熱作用時(shí)立即起火或微燃，且火源移走后仍繼續(xù)燃燒的材料，如木材。3、與熱有關(guān)的性質(zhì)（5）

耐火性：材料在火焰或高溫的作用下保持其原有性質(zhì)的能力。通常用時(shí)間來表示，即按規(guī)定方法，從材料受到火的作用時(shí)間起，直到材料失去支持能力、完整性被破壞或失去隔火作用的時(shí)間，以h或min計(jì)。耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如鋼材是非燃燒材料，但其耐火極限僅有0.25h，故鋼材雖為重要的建筑結(jié)構(gòu)材料，但其耐火性卻較差，使用時(shí)須進(jìn)行特殊的耐火處理。4、與聲有關(guān)的性質(zhì)（1）吸聲性：指聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)稱為材料的吸聲性，用吸聲系數(shù)α(吸收聲功率與入射聲功率之比)表示。吸聲系數(shù)α越大，材料的吸聲性越好。吸聲系數(shù)與聲音的頻率和入射方向有關(guān)。通常使用的六個(gè)頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz的聲音從各個(gè)方向入射的吸收平均值，此平均值≥0.20則被稱為是吸聲材料。表觀密度

對(duì)同一種多孔材料，體積密度增大，對(duì)低頻的吸聲效果有所提高，而對(duì)高頻的吸聲效果有所降低。

厚度

材料厚度增大，可提高低頻吸聲效果，而對(duì)高頻影響不大。

孔隙特征

孔隙愈多、愈細(xì)小，吸聲效果愈好。

位置懸吊于空中的吸聲效果最好。影響多孔吸聲材料的吸聲效果的主要因素：4、與聲有關(guān)的性質(zhì)（2）隔聲性：指能阻止聲音穿透材料的性質(zhì)?？諝饴暩艚^固體聲隔絕1.2力學(xué)性質(zhì)（MechanicalProperties）應(yīng)力（stress）與應(yīng)變（strain）應(yīng)力：作用于材料單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)變：沿外力作用方向上，單位長度所發(fā)生的變形。1.2力學(xué)性質(zhì)（MechanicalProperties）1、材料的強(qiáng)度（Strength）（1）定義：在外力（荷載）的作用下抵抗破壞的能力不同材料的破壞可能出現(xiàn)兩種情況：1.應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)出現(xiàn)較大的不可恢復(fù)變形而導(dǎo)致破壞，如鋼材的屈服；2.應(yīng)力達(dá)到其極限值而出現(xiàn)斷裂，幾乎所有的脆性材料都屬于這種。（2）類型：

抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度。

（CompressiveStrength,TensileStrengthBendingStrength,ShearStrength)(a)壓力(b)拉力(c)剪切FFF式中：f——材料強(qiáng)度，MPa；

F——破壞時(shí)最大荷載，N；

A——受力截面面積，mm2。1.材料的強(qiáng)度（Strength）F/2F/2(d)彎曲LLL/3L/3L/3F式中fm:材料抗彎強(qiáng)度，MPa；F:材料破壞荷載，N；L:兩支點(diǎn)間距離，mm；b:試件截面的寬度，mm；h:試件截面高度，mm。

1.材料的強(qiáng)度（Strength）外因:1）試件端部約束情況;2）試件的形狀、尺寸;3）加荷速度;4）試件表面平整度;5）試驗(yàn)環(huán)境的溫、濕度

影響強(qiáng)度的因素:內(nèi)因：1）材料內(nèi)部質(zhì)子間結(jié)合力的強(qiáng)弱；2）孔隙率大小，孔隙分布、孔隙特征。指按單位質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，其值為材料與表觀密度之比（f/ρ0），是評(píng)價(jià)材料輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)。2.材料的比強(qiáng)度3.材料的彈性與塑性彈性當(dāng)外力撤消后能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。塑性當(dāng)外力撤消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。彈性模量

實(shí)際材料較小外力作用下，表現(xiàn)為彈性變形；受力超過限度后，表現(xiàn)為塑性變形。受力后，彈性變形與塑性變形同時(shí)產(chǎn)生為彈塑性變形。E↑則抵抗變形的能力↑εσab4.材料的脆性與韌性脆性材料在外力作用下，無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)。韌性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受較大的變形而不至于破壞的性能，稱為韌性。脆性材料陶瓷、磚、巖石等。韌性建筑鋼材、瀝青混凝土、木材等適用于承受壓力靜荷載。適用于抗沖擊、抗震要求高的結(jié)構(gòu)。徐變與應(yīng)力松弛徐變硬化后的砼在恒定外力的作用下，變形隨時(shí)間而緩慢增加。應(yīng)力松弛材料在持續(xù)外力作用下，總的變形值保持不變，由于徐變而使材料內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸降低徐變和塑性變形徐變和應(yīng)力松弛是相互關(guān)聯(lián)的兩種現(xiàn)象。5.硬度和耐磨性硬度——材料的硬度是材料表面的堅(jiān)硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定材料的硬度?？虅澐ㄓ糜谔烊坏V物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為10個(gè)硬度等級(jí)?；貜椃ㄓ糜跍y定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強(qiáng)度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強(qiáng)度。壓入法可用于金屬硬度的評(píng)定。5.硬度和耐磨性耐磨性——材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計(jì)算公式如下：式中：

G——材料的磨耗率，（g/cm2）；

m1——材料磨損前的質(zhì)量，（g）；

m2——

材料磨損后的質(zhì)量，（g）；

A——材料試件的受磨面積（cm2）。1.3耐久性（Durability）定義：材料在使用過程中經(jīng)受各種破壞因素(物理的、化學(xué)的、生物的、機(jī)械的……等等)的作用，而能保持其原有性能的能力。（1）物理作用（如干濕交替、凍融循環(huán)等）（2）化學(xué)作用（如酸雨對(duì)混凝土的破壞）（3）生物作用（如各種細(xì)菌、昆蟲對(duì)木材、混凝土、鋼材的破壞）（4）機(jī)械作用（如車輛等對(duì)道路橋梁的破壞等）使材料在使用過程中發(fā)生失效/性能下降的破壞因素1.3耐久性（Durability）耐久性是衡量材料在長期使用條件下的安全性能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，其內(nèi)容包括：抗?jié)B性、抗凍性、抗風(fēng)化性、耐蝕性、抗老化性、耐熱性、耐磨性……耐久性評(píng)價(jià)方法：1）長期觀察測試（自然環(huán)境暴露試驗(yàn)）2）加速試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)）1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響1.組成1）化學(xué)組成（chemicalcomposition）指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類和數(shù)量。如水泥化學(xué)組成：

SiO220~24%CaO62~67%Fe2O32.5~6.0%AL2O34~7%MgO<5%化學(xué)組成表示法金屬：化學(xué)元素含量；非金屬無機(jī)物：氧化物含量；有機(jī)物：化合物含量2）礦物組成（mineralcomposition）1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響礦物無機(jī)非金屬材料中具有特定的晶體結(jié)構(gòu)、特定的物理力學(xué)性能的組成結(jié)構(gòu)礦物。礦物組成指構(gòu)成材料的礦物的種類和數(shù)量。如水泥的礦物組成：

3CaO.SiO237~60%2CaO.SiO215~37%3CaO.AL2O37~15%4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%2.結(jié)構(gòu)（Sturcture）亞微觀＞10-310-3～10-610-6～10-101）宏觀結(jié)構(gòu)（Macrostructure）致密結(jié)構(gòu)鋼材、玻璃、瀝青強(qiáng)度大、吸水性小、