土建基礎(chǔ)-材料01材性

第一章

土木工程材料§1工程材料的分類和基本性質(zhì)一、土木工程材料的分類1、按化學(xué)成分分類2、按功能分類無機(jī)材料有機(jī)材料：木材、石油瀝青、塑料金屬：鋼、鐵、鋁非金屬：石、玻璃、水泥、混凝土、陶瓷金屬-非金屬復(fù)合：鋼筋混凝土有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料無機(jī)非金屬-有機(jī)復(fù)合：玻璃纖維增強(qiáng)塑料金屬-有機(jī)復(fù)合：輕質(zhì)金屬夾芯板結(jié)構(gòu)材料：用作承重;如梁、板、柱所用材料按使用功能分類功能材料：特殊功能;如防水、裝飾、保溫、吸聲等非承重材料：用作維護(hù)、分隔所用材料，二、材料的基本物理參數(shù)1、密度、體積密度、堆積密度共性——都是單位體積的質(zhì)量。個(gè)性——材料的狀態(tài)不同。密度（ρ）材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。式中：m——干燥材料的質(zhì)量，g

V——材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3所謂絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括材料內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)的實(shí)體積。體積密度（ρ0）材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。又稱容重。式中：

m——材料的質(zhì)量，g

V0——材料在包含孔隙條件下的體積，cm3所謂自然狀態(tài)下的體積，是指包括材料實(shí)體積和內(nèi)部孔隙（閉口和開口）的外觀幾何形狀的體積。堆積密度（ρ0'）粉狀或粒狀材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。式中：m——材料的質(zhì)量，g——材料堆積體積，cm3

堆積體積：含物質(zhì)顆粒固體及其閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積。密度、體積密度、堆積密度的聯(lián)系與差別由于大多數(shù)材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的體積密度總是小于其密度；密度并不能反映材料的性質(zhì)，但可以大致了解材料的品質(zhì)，并可用來計(jì)算材料的孔隙率；體積密度建立了材料自然體積與質(zhì)量之間的關(guān)系，可用來計(jì)算材料的用量、構(gòu)件自重等；堆積密度可用于確定材料堆放空間、運(yùn)輸車輛等。2、孔隙率、密實(shí)度：密實(shí)度（D）：材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度（%）孔隙率（P）：材料體積內(nèi)孔隙體積所占的比例（%）

D+P=1孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它對(duì)材料的物理、力學(xué)性質(zhì)均有影響。材料內(nèi)部孔隙的構(gòu)造，可分為連通的與封閉的兩種。連通孔隙不僅彼此貫通且與外界相通，而封閉空隙則不僅彼此不連通而且與外界隔絕。孔隙按尺寸分為極微細(xì)孔隙、細(xì)小孔隙、較粗大孔隙?？紫兜拇笮〖捌浞植?、特征對(duì)材料的性能影響較大。

3、空隙率（P’）、填充率（D’）空隙率（P’）：指散狀材料中氣體所占體積的百分比。D’+P’=1氣體處于材料顆粒之間。填充率（D’）:指散狀材料的固體所占體積的百分比。體積密度4、材料與水有關(guān)的性質(zhì)親水性、憎水性：θ<900為親水性的（磚、木、混凝土）θ>900為憎水性的（瀝青、石蠟）。θ——潤濕邊角，在氣液固三相交點(diǎn)處，沿水表切線與水固界面的夾角。當(dāng)材料與水接觸時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，有些材料能被水潤濕，有些材料則不能被水潤濕，前者稱材料具有親水性，后者稱具有憎水性。吸水性：W對(duì)某一材料為定值。材料吸水后，會(huì)產(chǎn)生體積膨脹、體積密度增加、強(qiáng)度降低、導(dǎo)熱性加大、耐久性降低。m1——材料吸水飽和后的質(zhì)量。mg——材料干燥至恒重的質(zhì)量。用吸水率表示，為飽和吸水量占干重的百分比；材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。對(duì)于細(xì)微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大；閉口孔隙水分不能進(jìn)去；開口大孔雖然水分易進(jìn)入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。各種材料的吸水率很不相同，差異很大。花崗巖的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，粘土磚的吸水率達(dá)8％～20％，而木材的吸水率可超過100％吸濕性吸濕性用含水率表示，含水量占干重的百分比；與空氣濕度有關(guān)。m0——材料含水時(shí)的質(zhì)量吸濕作用一般呈可逆性耐水性：耐水性用軟化系數(shù)Kp表示。位于水中或潮濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)材料K≮0.85~0.95fw——材料吸水飽和時(shí)的強(qiáng)度軟化系數(shù)≥0.85的材料為耐水材料。次要結(jié)構(gòu)材料K≮0.75~0.85f——材料干燥狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度。抗?jié)B性：常用滲透系數(shù)和抗?jié)B等級(jí)兩種指標(biāo)表示

。式中：Q——透水量，cm◎

K值愈大，表示材料滲透的水最愈多，即抗?jié)B性愈差?？?jié)B性是決定材料耐久性的主要指標(biāo)。

d——試件厚度，cmА——透水面積，cm2

t——透水時(shí)間，小時(shí)hH——試件兩側(cè)靜水壓力水頭，cm對(duì)一些抗?jié)B、防水材料，如油氈、瓦、水工瀝青混凝土等，其防水性用滲透系數(shù)K表示。建筑工程中大量使用的砂漿、混凝土材料的抗?jié)B性用抗?jié)B等級(jí)表示?？?jié)B等級(jí)是指材料在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法下進(jìn)行透水試驗(yàn)，以規(guī)定的試件在透水前所能承受的最大水壓力來確定。以符號(hào)“P”和材料透水前的最大水壓力的0.1MPa表示。如P4、P6、P8等分別表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水壓而不滲水。上節(jié)回顧：簡(jiǎn)述體積密度、密度、堆積密度的聯(lián)系與差別。名詞解釋：空隙率、孔隙率、吸水率、含水率孔隙對(duì)材料基本性質(zhì)的一般影響；材料含水后基本性質(zhì)的一般變化；抗?jié)B性：材料的抗?jié)B性常用滲透系數(shù)和

兩種指標(biāo)表示

。P8表示材料能承受

的水壓力而不滲水?？箖鲂圆牧显谖柡蜖顟B(tài)下，抵抗多次凍融循環(huán)而不破壞也不嚴(yán)重減低強(qiáng)度的性質(zhì)。材料的抗凍性用抗凍標(biāo)號(hào)表示。抗凍標(biāo)號(hào)是以規(guī)定的試件，在規(guī)定試驗(yàn)條件下，測(cè)得其強(qiáng)度降低不超過規(guī)定值，并無明顯損壞和剝落時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)，以此作為抗凍標(biāo)號(hào)，用符號(hào)“Fn”表示，其中n即為最大凍融循環(huán)次數(shù)。如F200、F150等。常用的兩個(gè)參數(shù)是：質(zhì)量損失率(不超過5%)，強(qiáng)度損失率(不超過25％)。材料抗凍標(biāo)號(hào)的選擇，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的種類、使用條件、氣候條件等來決定的。燒結(jié)普通磚、陶瓷面磚、輕混凝土等墻體材料，一般要求其抗凍標(biāo)號(hào)為F15或F25；用于橋梁和道路的混凝土應(yīng)為F50、F100或F200。水工混凝土要求高達(dá)F500。材料受凍融破壞主要原因：水結(jié)冰時(shí)體積增大約9％。若材料孔隙中充滿水，則結(jié)冰膨脹對(duì)孔壁產(chǎn)生很大應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，孔壁將產(chǎn)生局部開裂。隨著凍融次數(shù)的增多，材料破壞加重。所以材料的抗凍性取決于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充滿水，即遠(yuǎn)末達(dá)飽和，具有足夠的自由空間，則即使受凍也不致產(chǎn)生很大凍脹應(yīng)力。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產(chǎn)生剝落，逐漸向內(nèi)部深入發(fā)展?？箖鲂粤己玫牟牧?，對(duì)于抵抗大氣溫度變化、干濕交替等風(fēng)化作用的能力較強(qiáng)，所以抗凍性常作為考查材料耐久性的一項(xiàng)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)寒冷地區(qū)及寒冷環(huán)境(如冷庫)的建筑物時(shí)，必須要考慮材料的抗凍性。處于溫暖地區(qū)的建筑物，雖無冰凍作用，但為抵抗大氣的風(fēng)化作用，確保建筑物的耐久性，也常對(duì)材料提出—定的抗凍性要求。凍融破壞的大壩壩面使用20年的高速公路橋梁5、材料的熱性質(zhì)導(dǎo)熱性：Q——傳遞熱量，△t——材料兩側(cè)溫差D——材料厚度，A——材料面積，Z——時(shí)間，與材料的孔隙特征有關(guān)，增加孤立的不連通孔隙能降低材料的導(dǎo)熱能力。與材料的體積密度有關(guān)，體積密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)λ越大。Ｒ——熱阻，材料傳遞熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，以導(dǎo)熱系數(shù)表示，即熱容性：Q：材料溫度升高或降低1K所吸收或放出的熱量。m：材料的質(zhì)量c：比熱容，單位質(zhì)量的材料升高單位溫度所需熱量。J／(g·K)。材料的熱容性和導(dǎo)熱性對(duì)保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定有很大作用。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量是設(shè)計(jì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、屋面）進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用：λ小而c較大的保溫絕熱材料。是指材料受熱時(shí)吸收熱量和冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，用熱容量系數(shù)（比熱容）表示，即三、材料的基本力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)：包括強(qiáng)度與變形兩方面。

材料的破壞指當(dāng)外力超過材料的承受極限時(shí)，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化。1、材料的強(qiáng)度：是材料抵抗破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度等形式。

主要取決于材料的組成和結(jié)構(gòu),材料的孔隙率增加，強(qiáng)度降低。試驗(yàn)條件對(duì)測(cè)定強(qiáng)度大小的影響：試件的形狀、尺寸；加荷速度；試件表面狀況、含水狀態(tài)；環(huán)境溫度材料強(qiáng)度的影響因素：工程實(shí)例分析1現(xiàn)象：人們?cè)跍y(cè)試混凝土等材料的強(qiáng)度時(shí)可觀察到，同一試件，加荷速度過快，所測(cè)值偏高。原因分析：材料的強(qiáng)度與測(cè)試條件有關(guān)，當(dāng)加荷速度過快時(shí)，荷載的增長速度大于材料裂縫擴(kuò)展速度，測(cè)出的數(shù)值就會(huì)偏高。為此，在材料的強(qiáng)度測(cè)試中，一般都規(guī)定其加荷速度范圍。

工程實(shí)例分析2現(xiàn)象：某地發(fā)生特大洪水，洪水退去后，許多磚房倒塌（其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚）。原因分析：這些紅磚沒有燒透，磚內(nèi)開口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，為燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，導(dǎo)致房屋倒塌。２、材料的比強(qiáng)度比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)之一。值得注意的是普通混凝土的比強(qiáng)度低于鋼材、木材~。因此，土木工程中大量作為結(jié)構(gòu)用材的混凝土必須向著輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展，才更具有市場(chǎng)前景。單位體積質(zhì)量的材料強(qiáng)度=強(qiáng)度/體積密度。3.彈性與塑性

彈性變形——可逆塑性變形——不可逆

當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原狀態(tài)，材料能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。如果撤去外力或外力恢復(fù)到原狀態(tài)，材料仍保持變形后的形狀和尺寸并不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。

彈性模量：

對(duì)完全彈性材料而言，其大小為應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率，為常數(shù)；應(yīng)力應(yīng)變

彈性模量是衡量材料剛度大小的指標(biāo)，反映材料抵抗變形能力的高低。彈性模量愈大，材料愈不易變形，即材料的剛度愈好。

彈性模量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

比例系數(shù)受力

材料的彈塑性變形曲線典型材料：混凝土。彈塑性材料的變形曲線如圖

彈塑性：彈性變形+塑性變形4、脆性與韌性脆性——突然破壞韌性——受沖擊、震動(dòng)時(shí)，能吸收較大能量，有明顯塑性變形,

脆性材料的變形曲線低碳鋼的拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖沖擊韌性實(shí)驗(yàn)示意圖

脆性材料：磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等韌性材料:建筑鋼材（軟鋼）、木材等。材料的硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力

刻劃法：莫氏硬度。陶瓷

壓入法：布氏硬度。金屬

一般來說，材料硬度越大、強(qiáng)度越高、耐磨性越好

5、硬度和耐磨性：耐磨性——單位面積的磨耗值，（g/cm2）

即材料表面抵抗磨損的能力。四、材料的耐久性耐久性:材料在長期使用過程中，能保持原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)。它是一種復(fù)雜的、綜合的性質(zhì),包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環(huán)境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用。物理作用：主要有干濕交替、溫度變化、凍融循環(huán)等，這些變化會(huì)使材料體積產(chǎn)生膨脹或收縮,或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴(kuò)展，長久作用后會(huì)使