《土木工程材料(第3版)》教學(xué)課件第1章-緒論-土木工程材料的基本性質(zhì)

土木工程材料土木工程材料緒言第一章土木工程材料的基本性質(zhì)第二章無(wú)機(jī)氣硬性膠凝材料第三章水泥第四章建筑砂漿第五章混凝土第六章砌筑材料和屋面材料第七章鋼材第八章合成高分子材料第九章瀝青材料第十章木材第十一章其他工程材料第十二章土木工程材料試驗(yàn)緒言1.土木工程材料的發(fā)展

2.土木工程材料的分類3.土木工程材料的標(biāo)準(zhǔn)化

1.土木工程材料的發(fā)展

土木工程材料指土木工程中使用的各種材料及制品，它是構(gòu)成建筑物的最基本元素，是一切土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。土木工程材料是隨著人類社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)水平的提高而逐步發(fā)展起來(lái)的。人類最早穴居巢處，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人類進(jìn)入能制造簡(jiǎn)單工具的石器、鐵器時(shí)代，才開始挖土、鑿石為洞、伐木搭竹為棚，利用天然材料建造非常簡(jiǎn)陋的房屋等最原始的土木工程。到了人類能夠用粘土燒制磚、瓦，用巖石燒制石灰、石膏之后，土木工程材料才由天然材料進(jìn)入人工生產(chǎn)階段，為較大規(guī)模建造土木工程創(chuàng)造了基本條件。

18世紀(jì)至19世紀(jì)，資本主義興起，促進(jìn)了工商業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，原有的土木工程材料已不能與此相適應(yīng)，在其他科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，土木工程材料進(jìn)入到一個(gè)新的發(fā)展階段，鋼材、水泥、混凝土及其他材料相繼問(wèn)世，為現(xiàn)代土木工程材料奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)后，由于社會(huì)生產(chǎn)力突飛猛進(jìn)，以及材料科學(xué)與工程學(xué)的形成和發(fā)展，土木工程材料不僅性能和質(zhì)量不斷改善，而且品種不斷增加，以有機(jī)材料為主的化學(xué)建材異軍突起，一些具有特殊功能的新型土木工程材料也應(yīng)運(yùn)而生。2.土木工程材料的分類（1）按材料的化學(xué)成分劃分根據(jù)材料組成物質(zhì)的種類及化學(xué)成分，可分為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料及有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料三大類（2）按材料來(lái)源劃分根據(jù)材料的來(lái)源，可分為天然材料及人造材料。（3）按材料使用部位劃分根據(jù)材料的使用部位，可分為承重材料、墻體材料、屋面材料等。（4）按材料功能劃分根據(jù)材料的功能，可分為兩大類：結(jié)構(gòu)材料——主要用作承重的材料，如梁、板、柱所用材料。功能材料——主要是利用材料的某些特殊功能，如用于裝飾、防水抗?jié)B、絕熱、保溫、吸聲、耐熱防火、耐磨、耐腐蝕、防爆、防腐蝕等的材料。3.土木工程材料的標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO；美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM；德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN；英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS；法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NF；日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS。國(guó)外產(chǎn)品在中國(guó)境內(nèi)使用時(shí)，如無(wú)特別許可，必須符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?！吨腥A人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)法》將我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四級(jí)。（1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)（GB）、推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）。（2）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JC），建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JG），冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB），交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JT）。（3）地方標(biāo)準(zhǔn)地方標(biāo)準(zhǔn)是地方主管部門發(fā)布的地方性標(biāo)準(zhǔn)（DB）。（4）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則僅適用于本企業(yè)（QB）。凡沒(méi)有制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，均應(yīng)制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第一章土木工程材料的基本性質(zhì)1.1材料的基本物理性質(zhì)1.2材料的力學(xué)性質(zhì)1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.4材料的熱性質(zhì)1.5材料的耐久性1.6材料與環(huán)境1.1材料的基本物理性質(zhì)一、材料的密度、表觀密度和堆積密度1.密度－－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。ρ－密度，g/cm3m－材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，gV－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3

絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積是不包含孔隙在內(nèi)的體積。密實(shí)材料的體積為絕對(duì)密實(shí)體積，如鋼材、玻璃等。一般的土木工程材料內(nèi)部均含有孔隙，在測(cè)定有孔隙的材料密度時(shí)，應(yīng)將材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶測(cè)定其絕對(duì)密實(shí)體積。ρ=mV1.1材料的基本物理性質(zhì)2.表觀密度（視密度）－－材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。

測(cè)定材料表觀密度時(shí)，外形規(guī)則材料可通過(guò)直接度量外形尺寸，按幾何公式計(jì)算體積；對(duì)于外形不規(guī)則的不吸水材料，可直接用排水法測(cè)定材料的體積，對(duì)于吸水材料，用封蠟法測(cè)定材料的體積。

1.1材料的基本物理性質(zhì)

1.1材料的基本物理性質(zhì)二、材料的孔隙率與密實(shí)度

1.孔隙分類按孔隙的大小分為：細(xì)微孔隙、細(xì)小孔隙、較粗大孔隙、粗大孔隙。按孔隙的形狀分為：閉口孔隙（封閉孔隙）、球狀孔隙、片狀孔隙、管狀孔隙、帶尖角孔隙。按常壓水能否進(jìn)入分為：開口孔隙（連通孔隙）、閉口孔隙（封閉孔隙）。連通孔隙封閉孔隙片狀孔隙尖角孔隙球狀孔隙固體物質(zhì)1.1材料的基本物理性質(zhì)2.孔隙的來(lái)源與產(chǎn)生原因a.天然形成：木材內(nèi)部的孔隙是木材生長(zhǎng)需要而產(chǎn)生的，巖石中的孔隙是造巖運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。b.人為形成：泡沫塑料、加氣混凝土。c.制造缺陷：玻璃中的氣泡、鋼材中的裂紋。d.生產(chǎn)工藝和組成要求產(chǎn)生：混凝土、砂漿、石膏等凝結(jié)硬化后由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的孔隙。3.孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響a.孔隙含量高，則材料的體積密度、堆積密度、強(qiáng)度越小，保溫性、隔聲性、吸水性越強(qiáng)。b.孔隙形狀、大小對(duì)材料的性質(zhì)也有很大影響。球狀孔隙對(duì)強(qiáng)度的影響小于片狀、尖角孔隙，開口孔隙對(duì)材料的吸水性的影響大于閉口孔隙，對(duì)保溫性的影響較小。1.1材料的基本物理性質(zhì)三、孔隙率與密實(shí)度1.孔隙率（P）－－材料在自然狀態(tài)下，孔隙體積占材料總體積的百分率。2.密實(shí)度（D）－－材料（自然狀態(tài)）內(nèi)固體物質(zhì)的實(shí)體積占材料總體積的百分率。Vρ0D＝－×100％＝－×100％＝(1－P)

V0ρ

密實(shí)度D值反映了材料的密實(shí)程度，鋼材、玻璃的密實(shí)度D=1。VPV0-VP＝－＝×100％＝(1－D)

V0V0

P+D=1

開口孔隙率PK

材料內(nèi)開口孔隙體積占總體積的百分率。

PK＝VK/V0

閉口孔隙率PB

材料內(nèi)閉口孔隙體積占總體積的百分率。PB＝VB/V0

VP=VK+VB

P=PK+PB1.1材料的基本物理性質(zhì)3.空隙率（P’）－－散粒或粉狀材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間空隙體積（VS）占材料堆積體積（V’0）的百分率。VSV’0-V0ρ’0P’＝－＝＝（1－）×100％

V’0V’0ρ0

填充率－－散粒材料在堆積狀態(tài)下，顆粒體積占材料堆積體積的百分率。V0ρ’0D’＝──＝──×100％

V’0ρ0

＝1－P’D’+P’=1V0’V0VsVVpVKVB1.2材料的力學(xué)性質(zhì)一、強(qiáng)度和比強(qiáng)度1.強(qiáng)度：材料在外力作用下不破壞時(shí)能承受的最大應(yīng)力。2.材料的理論強(qiáng)度：f=Eυd√f-材料的理論強(qiáng)度E-材料的彈性模量u-材料的表面能d-材料原子間距由于材料內(nèi)部的缺陷，材料的理論強(qiáng)度為實(shí)際強(qiáng)度的100-1000倍。3.材料的實(shí)際強(qiáng)度（強(qiáng)度）：抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度：f=－PF抗彎強(qiáng)度：f=3PL2bh2LbhPPPPPPP1.2材料的力學(xué)性質(zhì)常用材料的強(qiáng)度值（MPa）材料抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度比強(qiáng)度（抗壓）花崗巖100-2505-810-140.070普通粘土磚7.5-30-1.8-4.00.006普通混凝土7.5-601-4-0.017普通低碳鋼200-400200-400-0.054松木（順紋）30-5080-12060-1000.2004.材料的比強(qiáng)度：材料強(qiáng)度與表觀密度的比值，是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的主要指標(biāo)。1.2材料的力學(xué)性質(zhì)二、彈性和塑性1.彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料的這種變形稱為彈性變形。應(yīng)變和應(yīng)力成正比，其比值稱為材料的彈性模量E（MPa）。E=σ/ε2.塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，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。材料的這種不可恢復(fù)的變形稱為塑性變形。材料在恒定外力作用下，產(chǎn)生隨著時(shí)間而緩慢增長(zhǎng)的不可恢復(fù)的變形稱為徐變變形，簡(jiǎn)稱徐變。徐變屬于塑性變形。多數(shù)材料在受力時(shí)，彈性變形和塑性變形會(huì)同時(shí)發(fā)生，外力取消后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留，這種材料稱之為彈塑性材料。1.2材料的力學(xué)性質(zhì)材料在恒定外力作用下，產(chǎn)生隨著時(shí)間而緩慢增長(zhǎng)的不可恢復(fù)的變形稱為徐變變形，簡(jiǎn)稱徐變。徐變屬于塑性變形。多數(shù)材料在受力時(shí)，彈性變形和塑性變形會(huì)同時(shí)發(fā)生，外力取消后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留，這種材料稱之為彈塑性材料。（a）彈性變形曲線（b）塑性變形曲線（c）彈塑性變形曲線1.2材料的力學(xué)性質(zhì)三、脆性和韌性1.脆性：材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)一定限度后，無(wú)明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)，其變形曲線如下圖。2.韌性（沖擊韌性）：材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不突然破壞的性質(zhì)。用材料受荷達(dá)到破壞時(shí)所吸收的能量表示。αk＝AkAαk－材料的沖擊韌性，J/mm2；AK－試件破壞時(shí)所消耗的功，J；A－試件受力凈截面積，mm2。1.2材料的力學(xué)性質(zhì)四、硬度和耐磨性1.硬度：材料表面抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的能力。測(cè)定方法有：莫氏、洛氏、維氏、布氏法。2.耐磨性：材料抵抗磨損的能力。用耐磨率表示：M=m0－m1AM－耐磨率，g/cm2；m0－磨前質(zhì)量，g；m1－磨后質(zhì)量，g；A－試樣受磨面積，cm2。1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)一、材料的親水性與憎水性

θ固液氣憎水性θ固液氣親水性1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)二、材料的含水狀態(tài)親水性材料的含水狀態(tài)可分為4種基本狀態(tài)：1.干燥狀態(tài)——材料的孔隙中不含水或含水極微；2.氣干狀態(tài)——材料的孔隙中所含水與大氣濕度相平衡；3.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；4.潤(rùn)濕狀態(tài)——材料不僅孔隙中含水飽和，而且表面上為水潤(rùn)濕附有一層水膜。材料還可以處于以上兩種基本狀態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)中。（a）干燥（b）氣干（c）飽和面干（d）濕潤(rùn)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)三、材料的吸水性與吸濕性1.吸水性：材料在水中吸收水分的性質(zhì)。a、質(zhì)量吸水率：材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的質(zhì)量占材料干燥時(shí)質(zhì)量的百分比。Wm=mb－mgmg×100％mb

－材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g或kg；mg－材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g或kg。b、體積吸水率：材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的體積占材料干燥狀態(tài)下的體積的百分比。ρw－水的密度；V0－材料干燥狀態(tài)下的體積，cm3或m3。Wv=mb－mgV0××100％ρw11.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì),用含水率表示。

Wh=ms-mgmg×100％ms－材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，kg或g。平衡含水率：材料中的水分與空氣溫、濕度相平衡時(shí)的含水率叫做平衡含水率。3.影響材料吸水率的因素：a.材料的性質(zhì)（親水或憎水）b.材料的孔隙率和孔隙構(gòu)造4.含水對(duì)材料性質(zhì)的影響：a.材料質(zhì)量增加b.材料的強(qiáng)度下降c.材料的保溫性能降低d.材料的耐久性下降（易產(chǎn)生凍害、易被腐蝕）1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)四、耐水性材料長(zhǎng)期在水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)材料的耐水性用軟化系數(shù)KR表示fbfgKR＝fb－

材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa；fg－材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。KR≥0.85時(shí)為耐水材料。一般結(jié)構(gòu)，材料的軟化系數(shù)KR≥0.75；重要結(jié)構(gòu)，材料的軟化系數(shù)KR＞0.85。五、抗?jié)B性材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性用滲透系數(shù)K表示，一般用抗?jié)B標(biāo)號(hào)P表示。如P2、P4、P10分別表示可抵抗0.2、0.4、1.0MPa壓力水不滲漏。1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)六、抗凍性材料在含水狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞、強(qiáng)度不顯著下降，且質(zhì)量也不顯著減少的性質(zhì)。材料的抗凍性用抗凍等級(jí)F表示。如F25、F50、F100……表示材料經(jīng)25、50、100次凍融循環(huán)后仍能滿足質(zhì)量損失≯5％，強(qiáng)度下降≯25％的要求。影響材料抗凍性的因素：1.材料的孔隙構(gòu)造和孔隙率（開口孔隙率）。2.孔隙的吸水程度（飽和度：≤91％破壞程度低）。3.材料自身的強(qiáng)度。4.凍結(jié)條件。1.4材料的熱性質(zhì)一、導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由高溫側(cè)傳遞到低溫側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)，稱為導(dǎo)熱性，常用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。計(jì)算公式為：

式中λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·K）；

Q——傳導(dǎo)熱量，J；

a——材料的厚度，m；

A——材料傳熱面積，m2；

Z——傳熱時(shí)間，s；

t1-t2——材料兩側(cè)溫度差（t1>t2），K。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，表示其越不易導(dǎo)熱，絕熱性能越好。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。

二、熱阻材料層厚度δ與導(dǎo)熱系數(shù)λ的比值，稱為熱阻，R=δ/λ(m2·K/W)三、熱容量和比熱容熱容量是指材料受熱時(shí)吸收熱量或冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，可用下式表示：四、熱變形性材料的熱變形性，是指材料在溫度變化時(shí)的尺寸變化，除了個(gè)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)來(lái)表示，可用下式表示：

式中α——材料的線膨脹系數(shù)，1/K；L——材料原來(lái)的長(zhǎng)度，mm；

?L——材料的線變形量，mm；t2－t1——材料在升、降溫前后的溫度差，K；土木建筑工程中總體上要求材料的熱變形性不要太大。

m——材料的質(zhì)量，kgC——材料的比熱容，kJ/(kg·K