土木工程材料的性質(zhì)

土木工程材料的性質(zhì)第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料所受外力示意圖第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日ff——抗彎(折)強度，MPa；

P——試件破壞時的最大荷載，N；

L——二支點之間距離，mm；

b、h——試件截面的寬度和高度，mm。另一種是在試件二支點的三分點處作用兩個相等的集中荷載，計算公式如下：ff=PL/bh2第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.材料的強度等級3.材料的比強度第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.2.2材料的彈性與塑性1.彈性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)，稱為彈性。這種可恢復(fù)的變形稱彈性變形(如圖)。2.塑性：若去除外力，材料仍保持變形后的形狀和尺寸，且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)，稱為塑性，此種不可恢復(fù)的變形稱為塑性變形(如圖第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料的彈性、塑性變形曲線第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系符合如下的虎克定律：

σ＝Eε式中σ——應(yīng)力，MPa；

ε——應(yīng)變

E——彈性模量，MPa。彈性模量是材料剛度的度量，反映了材料抵抗變形的能力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要參數(shù)之一。第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日荷載變形ba彈塑性變形第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日土木工程中有不少材料稱為彈塑性材料，它們在受力時，彈性變形和塑性變形會同時發(fā)生，外力去除后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留(見圖)。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日脆性和韌性脆性：材料在外力作用下，無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)，稱為脆性。具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料，它的變形曲線如圖1．7所示。

荷載變形第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日韌性或沖擊韌性：材料在沖擊或震動荷載作用下，能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)，稱為韌性或沖擊韌性。它可用材料受荷載達(dá)到破壞時所吸收的能量來表示，由下式計算：

ak=Ak/A式中aK——材料的沖擊韌性，J／mm2；

AK——試件破壞時所消耗的功，J；

A——試件受力凈截面積，mm2。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日1．3．4硬度和耐磨性硬度是材料抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的能力。常用刻劃法和壓入法。刻劃法：常用于測定天然礦物的硬度，即按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石的硬度遞增順序分為10級，通過它們對材料的劃痕來確定所測材料的硬度，稱為莫氏硬度第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日壓入法：是以一定的壓力將一定規(guī)格的鋼球或金剛石制成的尖端壓入試樣表面，根據(jù)壓痕的面積或深度來測定其硬度。常用的壓入法有布氏法、洛氏法和維氏法，相應(yīng)的硬度稱為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。耐磨性是材料抵抗磨損的能力，用耐磨率表示，可按下式計算：M=(mo-m1)/A第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日式中M——耐磨率，g／cm’m0——磨前重量，g；

m1——磨后重量，g；

A——試樣受磨面積，cm2。1．4材料與水有關(guān)的性質(zhì)第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日1．4．1材料的親水性與憎水性當(dāng)固體材料與水接觸時，由于水分與材料表面之間的相互作用不同，會產(chǎn)生如圖1．8(a)和(b)所示的兩種情況。圖中在材料、水和空氣的三相交叉點處沿水滴表面作切線，此切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕邊角。一般認(rèn)為，當(dāng)θ≤90o時，材料能被水潤濕而表現(xiàn)出親水性，這種材料稱為親水性材料；當(dāng)θ>90o時，第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料潤濕示意圖第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日憎水性材料：材料不能被水潤濕而表現(xiàn)出憎水性，這種材料稱為憎水性材料。

潤濕邊角越小，材料親水性越強，越易被水潤濕，當(dāng)θ

＝0時，表示該材料完全被水潤濕。大多數(shù)土木工程材料，如磚、木、混凝土等均屬于親水性材料；瀝青、石蠟等則屬于憎水性材料。第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日1．4．2材料的含水狀態(tài)親水性材料的含水狀態(tài)可分為四種基本狀態(tài)，如圖1．9所示：干燥狀態(tài)——材料的孔隙中不含水或含水極微；氣干狀態(tài)——材料的孔隙中所含水與大氣濕度相平衡；飽和面干狀態(tài)——材料表面干燥，而孔隙中充滿水達(dá)到飽和；濕潤狀態(tài)——材料不僅孔隙中含水飽和，而且表面上為水潤濕附有一層水膜。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料的含水狀態(tài)第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日

1．4．3材料的吸濕性和吸水性

(1)吸濕性親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，稱為吸濕性。反之，在干燥空氣中會放出所含水分，為還濕性。材料的吸濕性用含水率表示，按下式計算：Wh=(ms-mg)/mgWh--材料含水率，％；ms--材料吸濕狀態(tài)下的重量，g；第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日

mg--材料干燥狀態(tài)下的重量，g。材料的含水率隨環(huán)境的溫度和濕度變化發(fā)生相應(yīng)的變化，材料中所含水分與環(huán)境溫度所對應(yīng)的濕度相平衡時的含水率，稱為平衡含水率。材料的開口微孔越多，吸濕性越強。

(2)吸水性兩個定義：重量吸水率——材料吸水飽和時，吸收的水分重量占材料干燥時重量的百分率，計算式如下：第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日Wm=(mb-mg)/mg×100%Wm-材料的重量吸水率,%ms--材料吸濕狀態(tài)下的重量，mg--材料在干燥狀態(tài)下的重量，g。體積吸水率——材料吸水飽和時，所吸水分體積占材料干燥狀態(tài)時體積的百分率，計算式如下：第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日Wv=(mb-mg)/vo×100%ρw——水在常溫下的密度(ρw

＝lg／cm3)；

Vo——干燥材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3。重量吸水率和體積吸水率兩者存在以下關(guān)系：

Wv=Wm·ρo(1．18)第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日中ρo——材料干燥狀態(tài)時的表觀密度(簡稱干表觀密度)，g／cm3。1.4.4耐水性材料的耐水性，是指材料長期在水作用下不破壞、強度也不明顯下降的性質(zhì)。耐水性用軟化系數(shù)表示：KR=fb/fgKR——材料的軟化系數(shù)；第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日

fb—材料在飽和吸水狀態(tài)下的抗壓強MPa；

fg——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度MPa。材料的KR在0～1之間，工程中將KR>0.85的材料，稱為耐水材料。長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)，所用材料必須保證KR>0.85

，用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)的材料，其值也不宜小于0．75。

1.4.5抗?jié)B性第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日

材料的抗?jié)B性，是指其抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性常用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級表示。

抗?jié)B等級(記為P)，是以規(guī)定的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下所能承受的最大水壓力(MPa)來確定。材料的滲透系數(shù)越小或抗?jié)B等級越高，表明材料的抗?jié)B性越好。第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.4.6抗凍性抗凍性：是指材料在含水狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的抗凍性常用抗凍等級(記為F)表示?？箖龅燃壥且砸?guī)定的吸水飽和試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，經(jīng)一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，強度降低不超過規(guī)定數(shù)值，也無明顯損壞和剝落，則此凍融循環(huán)次數(shù)即為抗凍等級。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日材料受凍融破壞的原因，是材料孔隙內(nèi)所含水結(jié)冰時體積膨脹(約增大9％)，對孔壁造成的壓力使孔壁破裂所致。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.5材料的熱性質(zhì)材料的熱性質(zhì)主要包括熱容性、導(dǎo)熱性和熱變形性。1．5．1熱容性同種材料的熱容性差別，常用熱容量比較。熱容量，是指材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力，C=Q/(t1-t2)C——熱容量，J／K；第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日不同材料的熱容性，可用比熱作比較。比熱是指單位質(zhì)量的材料升高單位溫度時所需熱量，公式如下c=Q/(t1-t2)m式中c——材料的比熱，J／(kg·K)；

m——材料的質(zhì)量，kg。

1．5．2導(dǎo)熱性

λ=Qd/(t1-t2)AZ

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·K)；·Q——傳導(dǎo)熱量，J；第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日

d——材料厚度，m；

A——材料傳熱面積，m2；

t1-t2——材料兩側(cè)溫差，K；

Z——傳熱時間，s。材料的導(dǎo)熱性與孔隙特征有關(guān)，增加孤立的不連通孔隙能降低材料的導(dǎo)熱能力。

1．5．3熱變形性材料的熱變形性，是指材料在溫度變化時的尺寸變化，除個別的如水結(jié)冰之外，一般材料均符合熱脹冷縮這一自然規(guī)律。材料的熱變形性常用線膨脹系數(shù)表示，第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日

α=ΔL/L(t2-t1)式中α——線膨脹系數(shù)，1／K；

L——材料原來的長度，mm；

ΔL——材料的線變形量，mm；t2-t1——材料在升、降溫前后的溫度差，K。1．6材料的耐久性材料的耐久性，是指用于構(gòu)筑物的材料在環(huán)境的各種因素影響下，能長久地保持其性能的性質(zhì)。第三十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日土木工程材料在使用中將受到環(huán)境的各種影響，除了前述的外界物理、力