土木工程材料的基本性质(6).ppt

第1章 土木工程材料的基本性质,河南理工大学土木工程学院道路与桥梁工程系,主讲： 徐 平,1,2,3,材料的基本物理性质,材料的基本力学性质,材料的耐久性,目 录（contents）,2.1 材料的基本物理性质,内容： 材料的状态参数 材料的结构参数 材料与水有关的性质 材料的热工性质,一、材料的状态参数,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,（一）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,（二）材料的表观密度,1、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,（三）材料的堆积密度,1、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、 0,二、材料的结构参数,内容： 密实度 孔隙率 填充率 空隙率,（一）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,（二）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,1、连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通； 2、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,自然状态下体积示意图 1-固体；2-闭口空隙；3-开口空隙,（三）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：,（四）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：,三、材料与水有关的性质,内 容： 1、材料的亲水性与憎水性 2、材料的吸水性与吸湿性 3、材料的耐水性 4、材料的抗渗性 5、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。 如：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。 如：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： 1、材料的本性亲水性或憎水性材料 2、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： 1、材料的本性亲水性或憎水性材料 2、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K0.80； K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。,1,2,3,4,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） 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,冻融破坏的道面,冻融破坏的混凝土芯样,冻融破坏的水库坝面,冻融破坏的西直门桥,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 材料的含水情况含水、结冰使增 常见热导率参数：,2.2 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： 例：木材与钢材 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 C15C80（混凝土结构设计规范2002） 水泥按抗压和抗折强度划分为（P.0/P./P.）分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R八个强度等级 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,三、材料的脆性与韧性,1、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。 2、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,2.3 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： 抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材 耐化学腐蚀金属材料,侵 蚀 介 质, 物理介质温度、湿度、冻融、阳光、辐射 化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气 生物介质昆虫、菌类、白蚁 机械介质荷载、冲击、震动、磨损、磨耗,如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等,耐久性的特点,长期性、后期加剧作用； 多种介质同时作用； 材料劣化结构失效服务寿命降低。,海洋环境下 腐蚀严重,金岭铁矿料仓除锈阻锈防腐并喷射混凝土加固,小 结,一、名词解释：,密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、密实度、空隙率、亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、含水率、耐水性、抗冻性、抗渗性、导热性、强度、比强度、塑性、弹性、脆性、韧性、耐久性,二、判断题：,1、同一种材料，其体积密度愈大，则其密度也就愈大。（? ） 2、同一种材料，其体积密度愈大，则其孔隙率愈小。（? ） 3、将某种含孔的材料，置于不同湿度的环境中，分别测得其密度，其中以干燥条件下的密度为最小。（? ） 4、具有粗大孔隙的材料，吸水率较大；具有细微而连通孔隙的材料，吸水率较小。（? ）,5、软化系数愈大的材料，愈容易被水软化。（? ） 6、吸水率小的材料，其孔隙率一定小。（? ） 7、润湿角愈小，表明建筑材料愈不易被水润湿。（? ） 8、材料的孔隙率愈大，材料的抗冻性愈差。（? ） 9、建筑材料的抗渗等级愈高，表明其抗渗性愈强。（? ）,10、相同种类的材料，其孔隙率愈大，则其强度愈低。（? ） 11、一般来说，硬度大的建筑材料，其耐磨性较强。（? ） 12、对于需要长时间保持室内温度稳定的建筑，其墙体、屋顶等部位可以采用比热容高的材料。（? ） 13、材料受潮或受冻后，其导热性降低，导热系数增大。（? ） 14、在进行材料抗压强度试验时，大试件较小试件的试验结果值偏小；加荷速度快者较加荷速度慢者的试验结果值偏小。（?）,三、填空题：,1、材料的吸水性大小用（ )表示，吸湿性大小用( ) 表示。 2、材料的耐水性的强弱可以用( ) 表示，其值=( )，材料的耐水性愈差，该值愈( ) 。 3、同种材料，孔隙率愈( )，材料的强度愈高；当材料的孔隙率一定时，( )孔隙愈多，材料的绝热性能愈好。 4、通常，当材料的孔隙率增大时，其密度( )，体积密度( )，吸水率( )，强度( )，抗冻性( ），耐水性（ ） ，导热性（ ），耐久性（ ） 。 5、根据外力作用的形式不同，建筑材料的强度有（ ） 、（ ） 、（ ）及（ ） 等。,四、选择题：,1、当材料的润湿角为（? ）时，称为憎水性材料。 A、90 B、90 C、0 2、通常，材料的软化系数为（? ）时，可以认为是耐水材料。 A、0.85 B、 0.85 C、= 0.75,3、某种岩石的密度为，破碎成石子后表观密度为，堆积密度为0，则存在下列关系（ ）。 A、0 B、0 C、0 4、材质相同的A、B两种材料，已知0A0B，则A材料的保温效果比B材料（ ）。 A、好 B、差 C、相同 5、含水率为5%的湿砂220kg，将其干燥后的质量是（? ）kg。 A、209 B、209.52 C、210 （注：不考虑修约）,五、问答题：,1、材料的吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性的含义各是什么？各用什么指标表示？ 2、简述材料的孔隙率和孔隙特征与材料的体积密度、强度、吸水性、抗渗性、抗冻性及导热性等性质的关系。 3、材料的耐久性包括哪些内容？,4、什么是材料的强度？影响材料强度试验结果的因素有哪些？ 5、为什么新建房屋的墙体保暖性能较差，尤其是在冬季？ 6、密实度和孔隙率有什么关系？孔隙率和空隙率有何区别？,五、问答题：,1. 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？,六、计 算 题,解答：,1） Vo=10L,