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文档简介
2 土木工程材料的基本性质,1)质量与体积,密度 毛体积密度0 堆积密度0,密 度,单位体积材料的质量密度 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状态有关,材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。,材料在自然状态下,单位体积的质量(又称表观密度)。,散粒材料在堆积状态下,单位体积的质量。,绝对密实状态 下,m/V 自然堆聚状态下,m/V0 松散堆积状态下,m/V0,2.2 材料的物理性质,密度、表观密度和堆积密度测量方法,密度 试样 粉末;体积测量排液法。 表观密度 试样 块体;体积测量直接测、蜡封排液法。 堆积密度 试样颗粒;质量测量固定体积法,排除任何孔隙后,材料的绝对密实体积,自然状态下体积绝对密实体积孔隙(开口与闭口)体积,堆积体积自然状态体积堆积空隙体积,为什么要蜡封?,材料密度排序: 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 纤维复合材料 木材 泡沫材料,问题 ?,对于某一种材料来说,其密度、毛体积密度和堆积密度之间的相互关系怎样? 答:密度毛体积密度堆积密度 为什么? 答: 自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积; 堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。,a) 孔隙率 定义:材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率p。 p= 如果材料处于干燥状态: p=1 100%,V0-V,100%,0,V0,2)孔隙率(p)与密实度(D),b) 密实度 定义:材料体积中被固体物质充实的程度D, D= 100% = 1p 材料的密实度越大,则强度越高、吸水率越小、导热性越大。,V,V0,3)间隙率(p)与填充率(D),b) 填充率 定义:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。,a) 间隙率 定义:散粒材料颗粒间的空隙体积(Vs)占堆积体积的百分率。,强度与比强度 弹性与塑性 脆性与韧性 硬度与耐磨性,2.3 材料的力学性质,工程结构设计以承受最大荷载(强度),而有最小的变形(刚度) 为了工程应用效率最优,应按照材料的强度和刚度,选择材料 材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强度与刚度(形变),1) 强度与比强度,强度材料抵抗荷载作用下的变形,保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度 根据荷载种类与作用方向,强度有: 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 工程设计所涉及的材料强度。 强度等级土木工程材料常根据其极限强度值的大小,人为划分的若干“强度等级” 比强度材料强度与材料的表观密度之比,抗压强度测试,直接拉伸测试,劈裂拉伸测试,四点弯曲试验,弹性极限强度:材料应力应变曲线上的弹性区最大应力 极限强度: 材料应力应变曲线上的最大应力 破坏(断裂)强度: 材料破坏(断裂)时的强度,影响强度的因素,材料的组成 材料的孔隙率 材料含水率 温度 试件尺寸 加荷速度 表面状态,2) 变形性能,卸载后材料的变形行为: 变形可完全恢复 变形不可恢复或部分恢复,弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态,材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性; 具有这种性质的材料称为弹性材料; 根据其应力应变曲线,有:线弹性和非线弹性。 塑性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态,材料仍保持变形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性; 具有这种性质的材料称为塑性材料; 其应力应变曲线是非线性的,且不连续,每一点的应力与应变之比都不相同。,弹性与塑性,线弹性特征: 应力与应变成正比; 应力应变曲线是一条直线 应力与应变之比(直线斜率)是弹性模量,为常数。,非线性特征: 应力应变曲线不是直线而是曲线 应力与应变之比弹性模量不是常数,刚度与弹性模量 Stiffness & Modulus of Elasticity,刚度: 材料抵抗变形能力的量度 弹性模量:应力与应变之比-曲线上的斜率 刚度用弹性模量来测量,E=,d,d,3) 脆性和韧性,脆性 材料在外力作用下,不发生明显的变形而突然破坏的一种性能,称为脆性; 特点:其应力应变曲线下的面积很小。 具有这种性质的材料称为脆性材料 韧性 材料在外力作用下,能吸收大量的能量,并能承受较大的变形而不至于破坏的性能,称为韧性。 特点:其应力应变曲线下的面积较大,这个面积就是其破坏前吸收的总能量。 具有这种性质的材料称为韧性材料,,对于脆性材料,极限强度与破坏强度是一致的。 对于韧性材料,极限强度高于破坏(断裂)强度。,脆性材料在受压下的破坏形式,韧性材料受压下的破坏形式,P,P,Friction forces,bulge,bulge,4) 硬度和耐磨性,硬度材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。 通常用刻划法,回弹法和压入法测定材料的硬度。 耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。,1)亲水性与憎水性,根据水与材料表面的润湿角(接触角)的大小,有: 亲水性 0 90时,材料表面可被水所湿润;材料表面被水湿润,水可被材料所吸附,材料的这种性能称为亲水性,这种材料称为亲水性材料。 憎水性 90 180时,材料表面不可被水湿润,材料称为憎水性材料,这种性能称为材料的憎水性。,2.4 材料与水有关的性质,亲水性与憎水性材料的特征:,材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构: 有机材料一般是憎水性, 无机材料都是亲水性。,水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势,不能润湿材料的表面。对工程防水有利。,水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展,并自发地润湿表面。,吸水性 材料与水接触时,其内部孔隙会吸收水分,这种性质称为吸水性。 材料的吸水性用质量吸水率和体积吸水率表示。 a)质量吸水率 质量吸水率是指材料在吸水饱和时,所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比,并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为:,式中 mb材料吸水饱和状态下的质量(或kg) mg材料在干燥状态下的质量(或kg)。,2)吸水性和吸湿性,b) 体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时,所吸水的体积占材料自然体积的百分率,并以W表示。体积吸水率W的计算公式为:,式中 mb材料吸水饱和状态下的质量(或kg) mg材料在干燥状态下的质量(或kg)。 V0材料在自然状态下的体积(cm3 或 m3) w 水的密度,(g/cm3 或 kg/m3),常温下取w =1.0 g/cm3,吸湿性 材料在潮湿空气中,会吸收水分的性质称为吸湿性。 表示方法:含水率 平衡含水率 材料在一定温度的环境下吸湿,与环境中湿度达到平衡时的含水率。,创新思维? 1、为什么房屋一楼潮湿? 2、如何解决?,1、地下水沿材料毛细管上升,然后在空气中挥发。 2、解决问题的原理与办法 阻塞毛细通道,技术措施? 对材料中的毛细管壁进行憎水处理,材料的吸水(湿)性与材料内部孔隙结构与材料的亲水性或憎水性密切相关: 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水 开口孔隙越多,材料吸水率越大; 开口连通孔径较小,因毛细管作用而容易吸水。 亲水性材料的吸水(湿)性比憎水性材料强。 亲水性孔壁使水自动吸入; 憎水性孔壁难以使水吸入。,3) 耐水性,定义:材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。 软化系数: 0.85为耐水材料,该值越小耐水性越差。 水对材料的破坏作用,溶解溶蚀作用 溶胀作用 削弱质点相互作用力 引起金属的锈蚀作用,4) 抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质。 抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关。大孔且连通孔将使材料的抗渗系数降低。 材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能,耐水性 耐化学腐蚀性 抗冻性,5)抗冻性,抗冻性材料饱水下,抵抗冻融循环破坏作用的能力 抗冻等级材料丧失性能前能承受的最多冻融循环次数,次数愈多,等级越高 冻融破坏的原因 抗冻性的影响因素,水结冰时,体积膨胀9; 当材料内部孔隙饱水情况下,发生多次冻融循环,在水结冰时产生的拉力作用下,产生裂缝、扩展、延伸,和连通,导致材料破坏。,材料内部的孔隙率与孔隙特征 孔隙内的饱水程度 材料强度与韧性 环境温度变化,2.5 材料的热物理性能,导热性 热容性 热变形性,1) 导热性 当材料两面存在温度差时,热量由高温侧向低温侧传递的能力,称为材料的导热性。 导热性用导热系数表示。导热系数计算式如下所示:,式中 导热系数,(); 传导的热量, 材料厚度,; 热传导面积,m2 一热传导时间,s; (t2-t1)材料两面温度差,K 在物理意义上,导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1)的热量。,导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙特征、含水率有关: 金属非金属; 多孔材料密实材料 封闭孔隙开口连通孔隙 潮湿干燥,2) 热容性 材料在受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。 单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示:,式中 C-材料的比热,J/(gK) Q-材料吸收或放出的热量(热容量) m-材料质量,g (t2 - t1)-材料受热或冷却前后的温差,K,3) 热变形性 材料在温度变化时的尺寸变化。 常用线膨胀系数表示:,式中 线膨胀系数,1/K L材料原来的长度,mm L材料的线变形量,mm (t2-t1)材料受热或冷却前后的温差,K,材料的线膨胀系数与组成和结构有关: 有机材料金属材料无机非金属材料 非晶体材料晶体材料,2.6 材料的耐久性,材料耐久性与土木工程的服役寿命 影响材料耐久性的因素,1)材料的耐久性与工程服役寿命,耐久性 材料在长期使用过程中,抵抗其自身及外界环境因素的破坏,保持其原有性能且不变质、不破坏的能力,称为耐久性。 工程服役寿命 因材料性能的劣化,使得
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