土木工程材料2材料基本性質(zhì)

第2章資料根本性質(zhì)教學(xué)要求：掌握資料的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)了解資料的耐久性、裝飾性等等1.資料的密度、表觀密度和堆積密度1.1密度定義：資料在絕對(duì)密實(shí)形狀下，單位體積的質(zhì)量?？砂聪率接?jì)算：–––密度，g/cm3；m–––資料在枯燥形狀下的質(zhì)量，g；V–––資料在絕對(duì)密實(shí)形狀下的體積，cm3。〔density〕一、資料的物理性質(zhì)丈量方法有較多孔隙的資料，采用磨細(xì)后〔粒徑＜0.02mm〕用李氏瓶測(cè)定其體積的方法。某些致密資料，如卵石等，可用直接

排液法，用這種方法丈量的體積，由

于無(wú)法排除內(nèi)部封鎖的孔隙，所以稱

這樣測(cè)得的密度為近似密度(a)－視密度。1.2表觀密度定義：資料在自然形狀下，單位體積的質(zhì)量。計(jì)算：0–––表現(xiàn)密度，g/cm3或kg/m3；m–––資料的質(zhì)量，g，或kg；V0–––資料在自然形狀下的體積，cm3或m3?！瞮nitweight〕1.3堆積密度定義：粉狀或粒狀資料，在堆積形狀下，單位體積的質(zhì)量。計(jì)算：0–––堆積密度，kg/m3；m–––資料的質(zhì)量，kg；V0–––松散資料的堆積體積，m3?！瞙eapeddensity〕V0VVKVB開(kāi)口孔封鎖孔閉口孔隙自然形狀下的塊狀資料開(kāi)口孔隙實(shí)體實(shí)體空隙開(kāi)口孔隙封鎖孔隙裝在容器里的粒狀、粉狀或塊狀資料V0′VVKVBV02.資料的孔隙率和空隙率2.1資料的孔隙(1)孔隙率:資料內(nèi)部孔隙體積占資料總體積的百分率資料的孔隙從兩個(gè)方面對(duì)資料的性能產(chǎn)生影響：一是孔隙的多少〔孔隙數(shù)量〕，二是孔隙特征?？紫稊?shù)量用孔隙率表征。(2)密實(shí)度:資料內(nèi)部固體物質(zhì)的實(shí)踐體積占資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〕按孔隙能否與外界連通分為與外界連通的開(kāi)口孔和不與外界連通的封鎖孔〔閉口孔〕。把開(kāi)口孔體積記為Vk，閉口孔體積記為VB，那么孔隙體積Vｐ=Vk+VB定義開(kāi)口孔孔隙率為定義閉口孔孔隙率為那么孔隙率為散粒資料顆粒間的空隙多少用空隙率表示。(1)空隙率:散粒資料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率2.2資料的空隙(2)填充率:顆粒的自然形狀體積占堆積體積的百分率

(a)親水性資料

(b)憎水性資料90親水資料90憎水資料3.1資料的親水性與憎水性潤(rùn)濕邊角:在資料、水和空氣的三相交叉點(diǎn)處沿水滴外表作切線，切線與資料和水接觸面的夾角。3.資料與水有關(guān)的性質(zhì)3.2資料的含水形狀四種根本含水形狀：枯燥形狀——資料孔隙中不含或含水極微；氣干形狀——資料孔隙中所含水與大氣濕度平衡；飽和面干形狀——資料外表枯燥，孔隙含水飽和；潮濕形狀——資料孔隙含水飽和，外表為水潮濕附有一層水膜。資料也可處于兩種根本含水形狀之間的過(guò)渡形狀飽和水外表水材料的含水狀態(tài)(a)枯燥形狀(b)氣干形狀(c)飽和面干形狀(d)潮濕形狀(a)(b)(c)(d)3.3資料的吸濕性和吸水性吸濕性––––親水資料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。用含水率表示W(wǎng)h––––含水率；％ms––––資料含水形狀下的質(zhì)量，g；mg––––資料枯燥形狀下的質(zhì)量，g。資料的含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而變化。平衡含水率：資料中所含水分與環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的濕度相平衡時(shí)的含水率。資料在枯燥空氣中放出所含水分的性質(zhì)稱還濕性?！?〕吸水性——資料在水中吸水的性質(zhì)。用吸水率表示，有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩個(gè)定義：質(zhì)量吸水率——資料吸水飽和時(shí)，吸收的水分質(zhì)量占資料枯燥時(shí)質(zhì)量的百分率；體積吸水率——資料吸水飽和時(shí)，吸收的水分體積占資料枯燥時(shí)體積的百分率；資料的體積吸水率等于其分量吸水率乘上資料枯燥形狀時(shí)的表觀密度。工程上，建筑資料普通采用質(zhì)量吸水率，如粘土磚為8～20％。吸水性和吸濕性會(huì)使資料絕熱性降低，強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不同程度的下降，體積發(fā)生變化，影響資料運(yùn)用。3.4耐水性定義資料長(zhǎng)期在水作用下不破壞、強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(shù)表示：kR=fb/fg。公式中fb表示資料在飽水形狀下的抗壓強(qiáng)度，Mpa；fg表示資料在枯燥形狀下的抗壓強(qiáng)度，MpakR在0～1之間，不同資料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金屬kR=1；土木工程中將kR＞0.85的資料稱為耐水資料，用于潮濕環(huán)境中的重要構(gòu)造。3.5抗?jié)B性定義資料抵抗壓力水浸透的性質(zhì)常用浸透系數(shù)或抗?jié)B標(biāo)號(hào)表示：浸透系數(shù)：ks––––浸透系數(shù)，cm/h；Q––––透水量，cm3；d––––試件厚度，cm；A––––透水面積，cm2；t––––時(shí)間，h；H––––靜水壓力水頭，cm?？?jié)B性用抗?jié)B等級(jí)Pn表示，抗?jié)B等級(jí)是以規(guī)定的試件在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，所能接受的最大水壓力來(lái)確定；其中的n，表示資料所能接受的最大水壓力〔Mpa〕的10倍，例如P4、P6、P10表示資料最大能接受0.4、0.6、1.0Mpa的水壓力而不滲水。資料的浸透系數(shù)越小或抗?jié)B標(biāo)號(hào)越高闡明資料的抗?jié)B性越好。。3.6抗凍性資料在飽水形狀下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)?？箖鲂杂每箖龅燃?jí)Fn表示，抗凍等級(jí)是以規(guī)定的試件在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得其強(qiáng)度降低不超越規(guī)定值，并無(wú)明顯剝落所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定；其中的n，表示最大凍融循環(huán)次數(shù)，例如F25、F50等?？菰锵淇菰锵浠炷量?jié)B儀混凝土抗?jié)B試?！沧蟆?.1熱容性定義資料在溫度變化時(shí)吸收或放出熱量的才干不同資料的熱容性可用比熱進(jìn)展比較。比熱：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的資料升高單位溫度所需熱量。4與熱有關(guān)的性質(zhì)定義4.2導(dǎo)熱性資料兩側(cè)有溫差時(shí)熱量由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳送的才干。常用導(dǎo)熱系數(shù)表示：資料的導(dǎo)熱性能與孔隙特征有關(guān)，添加孤立的、不連通孔隙可降低資料導(dǎo)熱才干。Λ≤0.23的資料稱為絕熱資料。4.3熱變形性定義資料在溫度變化時(shí)的尺寸變化常用線膨脹系數(shù)表示。有保溫隔熱要求的工程盡量選用熱容量大、導(dǎo)熱系數(shù)小的資料。土木工程資料在運(yùn)用過(guò)程中經(jīng)受各種破壞要素(物理的、化學(xué)的、環(huán)境的、生物的……等等)的作用，而能堅(jiān)持其運(yùn)用性能的性質(zhì)稱為土木工程資料的耐久性。環(huán)境影響要素往往是復(fù)雜多變的，它們單獨(dú)或交互作用于資料構(gòu)成破壞。由于各種破壞要素的復(fù)雜性和多樣性，使得耐久性是一個(gè)綜合性概念。5資料的耐久性資料的耐久性包括抗凍性、抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性、抗炭化性、大氣穩(wěn)定性、耐磨性等。耐久性是一項(xiàng)綜合性目的，建筑資料應(yīng)有良好的耐久性。從工程技術(shù)開(kāi)展角度看，由按耐久性進(jìn)展工程設(shè)計(jì)取代按強(qiáng)度進(jìn)展工程設(shè)計(jì)更具科學(xué)性和適用性。然而，要按耐久性進(jìn)展工程設(shè)計(jì)，尚需對(duì)各種資料的耐久性進(jìn)展更為廣泛深化的研討。提高資料耐久性是土木工程資料消費(fèi)及運(yùn)用的重要課題之一。1.強(qiáng)度與等級(jí)1.1資料的強(qiáng)度定義資料在外力作用下抵抗破壞的才干。根據(jù)外力作用方式的不同，資料有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。二、資料的力學(xué)性質(zhì)

LL

F/2F/2

F

F

L/3

F

FL/3L/3(a)壓力(b)拉力(c)彎曲(d)剪切資料所受外力：各種強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：抗壓、抗拉、抗剪的強(qiáng)度f(wàn)––––強(qiáng)度，Mpa；F––––破壞時(shí)最大荷載，N；A––––受力截面面積，mm2?？箯潖?qiáng)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，Mpa；F––––彎曲破壞時(shí)最大荷載，N；L––––兩支點(diǎn)的間距，mm；b––––試件橫截面積寬度，mm；h––––試件橫截面積高度，mm。資料的抗彎強(qiáng)度又稱為抗折強(qiáng)度，分兩種情況：第一種為1個(gè)集中荷載〔兩個(gè)支點(diǎn)〕，代表構(gòu)件為水泥膠砂試件〔40mm×40mm×160mm〕的抗折強(qiáng)度。第二種為2個(gè)集中荷載〔兩個(gè)支點(diǎn)〕，代表構(gòu)件為公路水泥混凝土路面的水泥混凝土試件〔150mm×150mm×550mm〕的抗折強(qiáng)度。常見(jiàn)土木工程資料的強(qiáng)度見(jiàn)12頁(yè)。許多土木工程資料常以其強(qiáng)度大小劃分為假設(shè)干等級(jí)，俗稱“標(biāo)號(hào)〞。資料強(qiáng)度受以下三個(gè)要素的影響：資料內(nèi)部構(gòu)造和構(gòu)造(強(qiáng)度與孔隙率之間存在近似直線的反比關(guān)系)。資料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等)強(qiáng)度值的測(cè)試條件(試件尺寸、加荷速度等)2.資料的比強(qiáng)度衡量資料能否輕質(zhì)、高強(qiáng)的目的定義單位體積質(zhì)量的資料強(qiáng)度,等于資料的強(qiáng)度與其表觀密度之比3.資料的彈性與塑性彈性與塑性資料在接受外力時(shí)，如撤除外力的作用后，資料的幾何外形能恢復(fù)原狀，資料的這種性能稱為彈性。假設(shè)只能部分恢復(fù)變形，而殘留一部分不能消逝的變形，該殘留部份稱為塑性變形。資料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系符合如下公式：σ＝Εεσ——應(yīng)力；ε——應(yīng)變，為資料受外力變形尺寸增量與原尺寸之比；Ε——彈性模量；彈性模量是資料剛度的度量，物理意義為單位應(yīng)變所需求的應(yīng)力，反映了資料抵抗變形的才干。是構(gòu)造設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一。彈塑性資料：資料受力時(shí)，彈性變形和塑性變形同時(shí)發(fā)生，外力去除后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保管。4.脆性和韌性〔1〕脆性資料在外力作用下，無(wú)明顯塑性變形而忽然破壞的性質(zhì)。具有這種破壞特征的資料，稱為脆性資料。從應(yīng)力應(yīng)變圖中看資料的脆性

〔2〕韌性資料在沖擊或震動(dòng)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。普通以測(cè)定其沖擊破壞時(shí)單位斷面上吸收的能量作為目的。5.硬度和耐磨性硬度：資料抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的才干常用刻劃法和壓入法測(cè)定?？虅澐ǚQ莫氏硬度；壓入法稱布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。耐磨性：資料抵抗磨損的才干，用耐磨度表示。P156.資料的徐變和應(yīng)力松弛當(dāng)資料在恒定外力的作用下，其變形隨時(shí)間而緩慢添加的過(guò)程，稱為徐變。當(dāng)資料在繼續(xù)外力作用下，總的變形值堅(jiān)持不變，由于徐變而使資料內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸降低的過(guò)程，稱為應(yīng)力松弛。徐變和應(yīng)力松弛是相互關(guān)聯(lián)的兩種景象。資料的其它性質(zhì)見(jiàn)教材，不作為重點(diǎn)。作業(yè)2-1試解釋以下名詞：〔1〕密度；〔2〕表觀密度〔容重〕；〔3〕堆積密度；〔4〕孔隙率；〔5〕空隙率；〔6〕吸水率；〔7〕含水率；〔8〕比強(qiáng)度。2-2確定建筑廢品或半廢品的質(zhì)量在工程上用來(lái)分析設(shè)計(jì)活載、地基承載力、現(xiàn)澆模板荷載、預(yù)制吊裝荷載等等具有重要意義，根據(jù)設(shè)計(jì)圖如何確定兩框架柱之間的現(xiàn)澆梁板的質(zhì)量？根據(jù)設(shè)計(jì)圖如何確定1片預(yù)制T梁的質(zhì)量？2-3一塊燒結(jié)普通磚的外形尺寸為240mm×115mm×53mm。吸水飽和后的重為2940g烘干至恒重為2580g。今將該磚磨細(xì)并烘干后取代50g，用李氏瓶測(cè)得其體積為18.58cm3。試求該磚的密度、表觀密度、孔隙率、質(zhì)量吸水率、開(kāi)口孔隙率及閉口孔隙率。2-4稱河砂500g，烘干至恒重時(shí)質(zhì)量為494g，求此河砂的含水率。2-5某工程共需求煤矸磚〔240mm×115mm×53mm〕15萬(wàn)匹，用載質(zhì)量為5噸的汽車分五批運(yùn)完，每批需求安排汽車多少輛？〔1m3磚的實(shí)際匹數(shù)為684匹，磚的容重為1.8t/m3〕2-6有直徑20mm，長(zhǎng)14m的鋼筋一捆25根，計(jì)算其總質(zhì)量為多少kg？〔鋼材的密度為7.85t/m3〕2-7收到含水率為3.5%的河砂1t，實(shí)為干砂多少t？假設(shè)需求干砂1t，應(yīng)進(jìn)含水率為3.5%的含水河砂多少t？2-8某石灰?guī)r的密度為2.62g/cm3，孔隙率為1.20%。今將該石灰?guī)r破碎成碎石，碎石的堆積密度為1580kg/m3。求此碎石的表觀密度和空隙率。2-9某資料的體積吸水率為10%，密度為3.0g/cm3,烘干后的表觀密度為1500kg/m3。試求該資料的質(zhì)量吸水率、開(kāi)口孔隙率