土木工程材料的基本性质(5).ppt

内容： 材料的基本物理性质 材料的基本力学性质 材料的耐久性,第一章 土木工程材料的基本性质,1.1 材料的基本物理性质,内容： 材料与孔隙有关的性质 材料与水有关的性质 材料的热工性质,（一）材料的体积 1.绝对密实体积 2.表观体积 3.堆积体积,一、材料与孔隙有关的性质,内容： 材料的实际密度（密度） 材料的表观密度 材料的堆积密度,用途： 计算材料的用量， 构件的自重， 配料计算 确定材料的堆积空间等,（二）材料的密度,1、实际密度（密度）材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 实际密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V材料在绝对密实状态下的体积（cm3） 绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙在内的体积。,实际密度的测量,1）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测 几何体积称重代入公式 2）对有孔隙的材料： 砖、混凝土、石材等 磨成细粉 李氏比重瓶法测试 P285-286,2、表观密度（容重）材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 o表观密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） Vo材料在自然状态下的体积（cm3） 自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况,表观密度的测量,1）对形状规则的材料： 砖、混凝土等 烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料： 砂、石等 烘干蜡封浮力天平,3、堆积密度（松散容重）散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 /o堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V/o材料的堆积体积（cm3） 堆积体积指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。,堆积密度的测量,1）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 2）自然堆积法： 堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式,常用材料的状态参数,思考： *颗粒材料的密度为，表观密度，堆积容重为 0，则存在下列关系( )。 a、 0 b、 0 c、 0,（三）材料的结构参数,内容： 密实度 孔隙率 填充率 空隙率,1、密实度,密实度指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。 公式 影响材料的：强度 吸水性 耐久性,2、孔隙率,孔隙率指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。 直接反映材料的致密程度。 公式 孔隙率与密实度的关系 P+D=1,内部孔隙:连通和封闭,连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通； 封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝。,材料内部孔隙示意图,按孔径尺寸分为：,极微细孔隙（凝胶孔）：20nm 细小孔隙（毛细孔）:20nm50m 粗大孔隙（大孔、气孔）:50 m 200 m,3、填充率,填充率指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。 反映散粒材料堆积的致密程度。 公式,4、空隙率,空隙率散粒材料在某容器的堆积体积中， 颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。 公式 空隙率与填充率的关系 P/+D/=1,例1-1 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？ 解:石子的孔隙率P为： 石子的空隙率P/为：,二、材料与水有关的性质,内容： 材料的亲水性与憎水性 材料的吸水性与吸湿性 材料的耐水性 材料的抗渗性 材料的抗冻性,（一）亲水性与憎水性,1.亲水性材料：当90时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。 木材等 2.憎水性材料：当90时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。 防水材料等,润湿角,润湿角示意图,（二）材料的吸水性与吸湿性,1.吸水性材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。 公式 式中 W质材料的质量吸水率（） m湿材料吸水饱和后的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g）,影响吸水率大小的因素： 材料的本性亲水性或憎水性材料 材料的孔结构孔径大小、开口与否 细微且连通的孔隙-吸水率较大 吸水性对材料的影响： 体积膨胀、强度降低 对围护结构材料不利,（二）材料的吸水性与吸湿性,2、吸湿性材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。 公式 式中 W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g）,影响含水率大小的因素： 材料的本性亲水性或憎水性材料 环境温度、湿度 吸水性对材料的影响： 体积膨胀对木结构和木制品不利 湿胀干缩 (木制门窗在潮湿环境下往往不易开关）,（三）材料的耐水性,耐水性材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。 公式 式中K软材料的软化系数（K软01） f饱材料在饱水状态下的抗压强度（MPa） f干材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）,材料软化系数的要求,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软 0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K0.75； K软0.85的材料，一般称为耐水的材料。,例1-2 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程? 解:该石材的软化系数为:,由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。,（四）材料的抗渗性,抗渗性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。 依达西定律 式中K材料的渗透系数（ml/cm2.s） W透过材料试件的水量（ml） t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm） d试件的厚度（cm）,抗 渗 等 级,渗透系数越大，材料的抗渗性越差。 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示： S=10H1 H试件开始渗水时的水压力（MPa） 分为:P4、P6、P8、P10、P12五个等级 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。,（五）材料的抗冻性,抗冻性 材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。 用抗冻标号D表示。,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水，水冰体积膨胀9，结冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂，裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏，反复多次进一步加剧最终材料崩溃。 严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏,冻融破坏的桥梁,海上钻井平台,冻融破坏的道面,冻融破坏的混凝土芯样,四、材料的热工性质,1、导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（）表示。 公式 式中 热导率（W/m.K） 热阻 R=1/ Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） 材料的厚度（m） t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K）,热工性质,材料的热导率越小，绝热性能越好。 影响热导率的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使降低 材料的含水情况含水、结冰使增大 常见热导率参数： 泡沫塑料 0.035 水 0.58 大理石 3.5 冰 2.2 钢材 58 空气 0.023 混凝土 1.51 松木 1.170.35,1.2 材料的基本力学性质,内容： 材料的强度、比强度 材料的弹性与塑性 材料的脆性与韧性,一、材料的强度、比强度,1.定义： 强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为 强度。 2.分类:,()抗压 ()抗拉 ()抗折 ()抗剪 材料的受力形式,不同材料的承载特点是不同的： 相同种类的材料，随着其孔隙率及构造特征的不同，各种强度也有明显差异。,强 度 等 级,建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。 混凝土按抗压强度划分为 C7.5C60（12个） 水泥按抗压和抗折强度划分为32.5、32.5R 42.5、42.5R、52.5、52.5R 六个等级 砂浆按抗压强度划分为M2.5、 M5 、M7.5 M10、 M15 、M20六个等级,比 强 度,比强度材料的强度与其表观密度的比值（fc/o）。用于评价材料轻质高强 几种材料的强度比较,二、材料的弹性与塑性,弹性材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 弹性模量 E=/ 塑性材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。,低碳钢的曲线,分段的弹性变形和塑性变形,混凝土的曲线,同时进行的弹性变形和塑性变形,三、材料的脆性与韧性,脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。 韧性在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等,1.3 材料的耐久性,定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。 包括：抗冻性