土木工程材料第2章材料的基本性质.ppt

第二章 材料的基本性质,第一节 材料的物理性质 第二节 材料的力学性质 第三节 材料的耐久性 第四节 材料的组成、结构与构造及其与材 料性质的关系,第一节 材料的物理性质,密实材料体积 组成示意图,含孔材料体积 组成示意图 V-实体体积 V开、V闭- 开口孔隙、闭口孔隙,材料体积组成示意图,m-材料在干燥状态下的重量 mp-材料孔隙部分的重量 V- 材料实体的体积 Vp-材料孔隙的体积,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,1) 密度 ：材料在绝对密实状态下（不包含孔隙或空隙）单位体积的质量，俗称比重。 = m/V (g/cm3) 式中：m 材料在干燥状态下的质量(g)； V 材料在绝对密实状态下的体积(cm3)。 对近于绝对密实的材料V ：如金属、玻璃等，量测几何体积称重代入公式中计算。 对有孔隙的材料V ：如砖、混凝土磨成细粉（通过 0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量（排水法）。,1. 材料的密度、表观密度和堆积密度,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,2) 表观密度0 :指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量，俗称容重。 0= m / V0 (g/cm3或kg/m3) 式中：m 材料在干燥状态下的质量（g或kg）； V0 材料在自然状态下的体积（cm3或m3） 对外形规则的材料V0 ：直接用量具测其外形尺寸，按公式计算体积。 对外形不规则的材料V0 ：材料表面封蜡排液法求得。,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,表观密度0与含水状况有关，当材料含水率变化，材料的体积和质量都会发生变化。,干容重,湿容重,饱水容重,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,3) 堆积密度 0：指散粒材料或粉状材料，在堆积状态下单位体积的质量，俗称松散容重。 0 = m / V0（kg/m3）,散粒材料的堆积体积V0 ：用材料所充满的容器的标定容积来表示。 松散状态材料的堆积体积称为自然堆积体积； 捣实状态材料的堆积体积称为挤密堆积体积。,式中： m 材料在干燥状态下的质量（kg）； V0 材料的堆积体积（m3），包括材料绝对体积、内部所有孔隙体积和颗粒间的空隙体积。,4) 材料的密度、表观密度和堆积密度之间的关系,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率； 表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等； 堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。 三者之间的关系为 ：,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,1)孔隙率P ：指材料内部孔隙体积(Vp)占总体积(即自然状态下的体积V0)的百分率。,孔隙的特征 按孔隙尺寸大小，可把孔隙分为微孔、细孔和大孔三种。 按孔隙之间是否相互贯通，把孔隙分为孤立孔，或连通孔。 按孔隙与外界之间是否连通，把孔隙分为开口孔，或封闭孔。,2. 材料的孔隙率与密实度,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,孔隙率的意义 影响材料与水相关的特性 影响材料的热工性质、声学性质 与材料的强度相关 影响材料的耐久性,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,2) 密实度D：与孔隙率相对应，即材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率：,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,3.材料的空隙率与填充率 1)空隙率P：指散粒材料在堆积状态下颗粒之间的空隙体积(Vs)占其堆积体积的百分率。,空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。可用来控制混凝土骨料级配与计算含砂率。,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,2) 填充率D：与空隙率对应，即散粒材料在自然状态下体积(V0)占堆积体积的百分率。,例1-1 已知某卵石的质量为10.6g，体积为4.06cm3，用李氏瓶法，排除的水的体积为4ml，现总共有这样的卵石3360kg，堆成体积为2m3，求石子的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率和空隙率。,密 度,堆积密度,表观密度,孔隙率,空隙率,一、材料的基本状态参数 第一节 材料的物理性质,材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，分为： 能被水润湿亲水性，润湿边角900 不能被水润湿憎水性，润湿边角900,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,1. 材料的亲水性和憎水性,润湿边角： 在材料、水和空气的三相交叉点沿水滴表面做切线，此切线与材料和水接触面的夹角， 称为润湿边角。,亲水性 水分子之间的内聚力水分子与材料分子间的吸引力,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,材料的四种含水状态 (a)干燥状态：含水率接近为零。 (b)气干状态：含水率与大气湿度达到平衡。 (c)饱和面干状态：表面干燥，内部孔隙含水饱和。 (d)润湿状态：内部孔隙含水饱和，表面附有一层水膜。,2. 材料的含水状态,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,材料的吸湿作用是可逆的。,1) 吸湿性: 指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，用含水率Wh表示。,式中： ms材料吸湿状态下的质量，g； mg 材料在干燥状态下的质量，g。,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,3. 材料的吸湿性与吸水性,2）吸水性：材料在水中吸收水分的性质，用吸水率表示。 a. 质量吸水率Wm：材料饱水状态，所吸水分质量占材料干燥状态质量的百分率。 b. 体积吸水率Wv ：材料饱水状态，所吸收水分体积V水占材料干燥状态体积V0的百分率。,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,式中： mb材料吸水饱和状态下的质量，g； mg 材料在干燥状态下的质量，g。 w水的密度（常温下取1），g/cm3,封闭孔隙较多的材料，吸水率不大时通常用质量吸水率公式进行计算；对一些轻质多孔材料，如加气混凝土、木材等，由于质量吸水率往往超过100%, 故可用体积吸水率进行计算。 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,质量吸水率与体积吸水率的关系,4. 耐水性：材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质，用软化系数KR表示。,式中：fb-材料饱水状态抗压强度，MPa fg-材料干燥状态抗压强度，MPa,注意：随含水量增加，其内部结合力减弱，导致强度下降。 KR0.85，称为耐水材料,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,5. 抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质，常用渗透系数(K)或抗渗等级(P)表示。 渗透系数K的物理意义是：在一定时间t内，透过材料试件的水量Q，与试件的渗水面积A及水头差H成正比，与渗透距离(试件的厚度)d成反比，用公式表示为：,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,K的意义：抗渗系数越小，抗渗性能越好。,抗渗等级是指材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力(MPa) ，如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。,材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。细微连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口连通大孔，水最易渗入，故其抗渗性最差。 材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。材料的抗渗性与材料的耐久性有着密切的关系。,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,6. 抗冻性：指材料在饱和状态下，经受多次冻融循环而不破坏，强度也不严重降低的性质，常用抗冻等级F表示。 (1) 抗冻等级： 以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度等级不超过规定值，并无明显剥落时所能经受的最大冻融循环次数来确定，用Fn表示，n 为最大冻融循环次数如F25，F50 (2) 材料受冻融的原因：孔隙水结冰-体积膨胀-材料内部产生应力 (3) 材料的抗冻性取决于材料内部构造（孔隙率、孔隙特征及充水程度）及外界条件（冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度）,二、材料与水有关的性质 第一节 材料的物理性质,1. 导热性：材料两侧存在温差时，热量将由高温侧向低温侧传递，材料的这种传导热量的性质称为导热性，可用热导系数()来表示： 式中： Q 传导的热量，J d 材料的厚度，m T1-T2 温度差， K A 传热面积，m2 Z 传热时间，s,导热系数越小，材料的保温隔热性能越好。,三、材料的热工性质 第一节 材料的物理性质,2. 热容性：材料在温度变化时吸收和放出热量的性质，通常用热容量C和比热c来表示。 1) 热容量C是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力(用于比较同种材料的热容性)。 式中：Q材料在温度变化时吸收或放出的热量(J) m材料的质量(g) t1-t2材料受热或冷却前后的温差(K) c 材料的比热J/(g.K) 2) 比热c是指单位质量的材料升高或降低1K时所吸收或放出的热量。,热容量高的材料，能对室内温度起调节作用。,三、材料的热工性质 第一节 材料的物理性质,3. 热变形性:是指材料在温度变化时的尺寸变化。一般以线膨胀系数表示。 式中：L材料在温度变化前的长度(mm) L材料在温度变化过程中产生的线变形量(mm) t1-t2材料升降温前后的温差(K),三、材料的热工性质 第一节 材料的物理性质,4. 耐燃性：材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性。 非燃烧材料 难燃材料 可燃材料,三、材料的热工性质 第一节 材料的物理性质,5. 耐火性：指材料在长期高温作用下，保持不熔性冰冷正常工作的性能。,1. 吸声性：声能穿透材料和被材料吸收的性质，用吸声系数(%)来评定材料吸声性能的好坏。 式中：Ea+Et材料吸收和透过的声能之和 E0入射到材料表面的总声能 材料的吸声性能与声波的频率和入射方向有关。 材料的吸声特性还与其孔隙构造有关，一般孔隙率较大且具有细微而联通孔隙的材料，其吸声效果比较好； 若材料具有粗大的或封闭的孔隙，则其吸声性能较差。,四、材料的声学性质 第一节 材料的物理性质,2. 隔声性：材料隔绝声音的性质。可以用材料对声波的透射系数或材料的隔声量R来评定。,式中：Et 透过材料的声能 E0 入射到材料表面的总声能 R 材料的隔声量（dB）,四、材料的声学性质 第一节 材料的物理性质,隔绝固体声的最有效的措施是在结构上采用有弹性材料进行不连续的处理，例如在墙壁和承重梁之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料，或在楼板上加弹性地毯、木地板等。,材料的力学性质指材料在外力作用的变形和抵抗破坏的性质。 一、强度 二、材料的弹性和塑性 三、脆性和韧性 四、硬度和耐磨性,第二节 材料的力学性质,材料的强度：材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。,根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 压力,(b) 拉力,(d) 剪切,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 压力,(b) 拉力,(c) 弯曲,(d) 剪切,一、强度 第二节 材料的力学性质,混凝土路面砖抗折强度试验,混凝土路面砖抗压强度试验,各种强度的计算公式如下：,1) 抗压、抗拉、抗剪的强度,式中：f 强度， MPa； P 破坏时最大荷载，N； A 受力截面面积，mm2。,一、强度 第二节 材料的力学性质,(中点集中荷载),(三分点两相等集中荷载),式中： 抗弯强度，MPa； P 弯曲破坏时最大荷载，N； L 两支点的间距，mm； b 试件横截面积宽度，mm； h 试件横截面积高度，mm。,2) 抗弯强度,一、强度 第二节 材料的力学性质,L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,一、强度 第二节 材料的力学性质,3) 材料的比强度,按单位体积质量计算的材料强度,等于材料的强度与其表观密度之比。,衡量材料是否轻质、高强的指标,材料强度受以下三个因素的影响：,材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等),即：材料强度是在特定的条件下测定的数值,一、强度 第二节 材料的力学性质,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复到原来形状的性质称为弹性，而这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形），属可逆变形； 有一部分的变形不能恢复，这种性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形），属不可逆变形。 许多材料受力不大时，仅产生弹性变形，受力超过一定限度后，即产生塑性变形。如低碳钢。 而有些材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，如果取消外力，则弹性变形可以恢复，而其塑性变形则不能恢复，如混凝土材料。,二、材料的弹性与塑性 第二节 材料的力学性质,二、材料的弹性与塑性 第二节 材料的力学性质,指标：弹性模量,意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。,弹塑性材料的变形曲线,二、材料的弹性与塑性 第二节 材料的力学性质,根据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。 脆性：材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性。 脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度。土木工程材料中大部分无机非金属材料为脆性材料，如天然石材、陶瓷、玻璃及普通混凝土等。,三、脆性和韧性 第二节 材料的力学性质,三、脆性和韧性 第二节 材料的力学性质,韧性：材料在冲击或动荷载作用下，能吸收一定的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。 土木工程中常用的低碳钢、木材等属韧性材料，在一些承受冲击荷载或有抗震要求的结构中应考虑材料的韧性。,式中：k 材料的冲击韧性（J/mm2） Ak 试件破坏时所消耗的功（J） A 试件受力净截面积 （mm2）,1. 硬度：指材料表面抵抗硬压入或刻划的能力。 刻划法测定的硬度称莫氏硬度；压入法测定的硬度有布氏硬度、洛氏硬度。 2. 耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力，用磨损率或耐磨度N表示 式中：m0试样磨损前的质量(g) m1试样磨损后的质量(g) A试样受磨面积(cm2),四、硬度与耐磨性 第二节 材料的力学性质,1. 耐久性的定义 耐久性是指材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质。 2. 影响耐久性的环境因素 物理作用主要为温湿变化，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩，体积变化受阻时产生内应力，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏。 化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐及紫外线的侵蚀作用，使材料的组成和结构发生变化而破坏。,第三节 材料的耐久性,机械作用包括荷载的持续作用或交变作用而引起材料的疲劳、冲击、磨损或磨耗破坏。 生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。,第三节 材料的耐久性,第四节 材料的组成、结构与构造及其与材料性质的关系,一、材料的组成与性质 二、材料的结构、构造与性质,一、材料的组成与性质 第四节 材料的组成、结构与构造,1. 化学组成 金属材料的化学组成以主要元素的含量来表示； 无机非金属材料以各种氧化量来表示。 2. 矿物