土木工程材料的基本性质2.ppt

第一章,土木工程材料的基本性质,第一章 土木工程材料的 基本性质,第一节 材料科学的基本理论 第二节 材料的基本物理性质 第三节 材料的基本力学性质 第四节 材料的耐久性,1.1 材料的物理性质(physical properties) 1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度 (1)密度(density) 近似密度（视密度）(apparent density) (2)表观密度(apparent density) (3)堆积密度（散粒体）(bulk density)(for particles) 压实密度（compacted density）,第二节 材料的基本物理性质,第二节 材料的基本物理性质,一、材料的密度、表观密度与堆积密度,(一）、密度:,1、概念：,密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,2、计算公式：,式中：m材料在绝干状态下的质量(g) V材料在绝对密实状态下的体积（cm3） 材料的密度（精确到0.01g/cm3）,材料在自然状态下的体积,V材料的固相体积，也就是材料在绝对密实状态下的体积。 Va材料的近似体积 Va=V+VK V0材料在自然状态下的体积。 V0= V+VK+VB,（二）、表观密度（俗称容重）,1、概念:,指材料在自然状态下，单位体积的质量。,2、计算公式：,式中：m材料在绝干状态下的质量(g、kg) V0材料在自然状态下的体积（cm3、m3） o材料的表观密度（精确到0.01g/cm3、 10kg/m3）,（三）、堆积密度（松散容重）,1、概念：,指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。,2、计算公式：,式中：m材料在绝干状态下的质量(kg) （可为含水状态） V0材料的堆积体积（m3） o材料的堆积密度（精确到10kg/m3） V0= V +VB+VK+VJ,材料在堆积状态下的体积,V材料的固相体积，也就是材料在绝对密实状态下的体积。 V0材料在自然状态下的体积。 V0= V+VK+VB V0-材料在堆积状态下的体积。 V0 = V+VK+VB+VJ = VO+VJ,几种密度的特点： 相同点：指单位体积质量。（质量/体积） 区别：测试方法不同，获得体积大小不同 体积的测试方法： 绝对密实体积 -李氏比重瓶法(粉末) 表观体积（实体闭口开口） -规则试件：计算法； 不规则试件：涂蜡排水法 堆积体积(实体闭口开口间隙)-容积升法,二、材料的密实度与孔隙率,材料的密实度与孔隙率主要是针对块状材料而言的。,（一）、密实度,1、概念：,指材料体积内被固体物质填充（或充实）的程度。,2、计算公式：,（二）、孔隙率,1、概念：,指材料体积内，孔隙体积所占的比例。,2、计算公式：,三、材料的填充率与空隙率,材料的填充率与空隙率主要是针对散粒状材料而言的,（一）、填充率,1、概念：,指散粒状材料在其堆积体积中，被其颗粒填充的程度。,2、计算公式：,（二）、空隙率,1、概念：,指散粒状材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。,2、计算公式：,四、材料与水有关的性质,（一）、材料的亲水性与憎水性,2、憎水性与憎水性材料：,材料与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性，具有亲水性能的材料称为亲水性材料。,1、亲水性与亲水性材料：,材料与水接触时，材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性，具有亲水性能的材料称为憎水性材料。,3、亲水、憎水的界定依据：,润湿角,亲水性材料：润湿角90 水分子间内聚力水分子与材料分子间吸引力,憎水性材料：润湿角90 水分子间内聚力水分子与材料分子间吸引力,（二）材料的吸水性与吸湿性,1、吸水性,A、概念：,材料在水中能吸收水分的性质为材料的吸水性。,B：表征参数：,质量吸水率：材料饱水状态,所吸水分质量占干质量的百分率 体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积百分率,材料的吸水性主要取决于材料本身的亲水性，同时 与孔隙率大小及孔隙特征有关。,2、吸湿性,A、概念：,B：表征参数：,材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质称为材料的吸湿性。,含水率,C：含水率的计算公式,式中：m材料在干燥状态下的质量（g） m1材料在含水状态下的质量（g） W材料的含水率（%）,（三）材料的耐水性：,A、概念：,B：表征参数：,材料长期在水作用下，保持其原有性质（结构不破坏、强度也不显著降低）的能力。,软化系数k软,C：软化系数的计算公式：,D、耐水性与k软大小间的关系：,k软愈大，耐水性愈好。,E、k软的应用：,选择经常受水作用结构物用材料时，k软较 重要。 10经常位于水中或受潮严重的重要结构物用 材料的k软0.85，一般要求k软的大小在0.850.90 之间。 20受潮较轻或次要结构物用材料的k软0.70， 一般要求k软的大小在0.700.85之间。,（四）材料的抗渗性,1、概念:,2、表征参数:,材料抵抗压力水渗透的性质，称为材料的抗渗性。,渗透系数 抗渗等级,材料的渗透系数通过下式计算 :,K-渗透系数 ,cm/h； Q-渗水量，cm3； cm A-渗水面积，cm2； H-材料两侧的水压差，cm； d-试件厚度，cm； t-渗水时间， h。,在这里同学们要注意抗渗等级、渗透系数大小与材 料抗渗性能之间的关系。,材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试 验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水 压力。 材料抗渗等级： P4、P6、P8、P10、P15、 P20、P25、P30。 材料能承受的渗透水压力： 0.4MPa、0.6MPa、 0.8MPa、1.0MPa、 1.5MPa。,第三节 材料的基本力学性质,一、材料的强度：,（一）强度的概念:,材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力 称为强度。,在这里要注意强度与应力的区别,（二）材料强度的分类：,根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压 强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等.,()抗压 ()抗拉 ()抗折 ()抗剪 图 材料的受力形式,(三) 常见强度计算公式： 1、 抗压、抗拉、抗剪强度计算公式：,2、抗弯强度计算公式： A、单点集中加荷：,B、三分点加荷：,（四）材料的比强度：,1、 比强度的概念：,比强度是指按单位体积质量计算的材料强度， 即材料的强度与其表观密度之比（f /0）。,2、 比强度的意义：,反映材料轻质高强的指标。 值越大，材料的轻质高强越好。,常见土木工程材料的比强度,二、弹性与塑性,（一）弹性与弹性变形：,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能 完全恢复到原始形状的性质称为弹性。而材料发生 的这种变形称为弹性变形。,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。,（二）塑性与塑性变形,材料在外力作用下产生变形，但不破坏，在外力取消后，不能自动恢复原来形状的性质称为塑性。材料发生的这种不能恢复的变形称为塑性变形（又称为永久变形）。,注意,1、不破坏,2、不能自动恢复原来形状,（三）弹塑性变形：,实际上，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料。其变形曲线如右图，图中ab段为可恢复变形，Ob段为不可恢复变形。,三、脆性与韧性,（一）脆性与脆性材料,在外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时 并无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 具有脆性的材料称为脆性材料。 脆性材料的特点是材料在外力作用下，达到破坏荷 载时的变形值是很小的。它抵抗冲击荷载或震动作用的 能力很差，其抗压强度比抗拉强度高很多。 象工程中常见的砼、砖、石材、玻璃、陶瓷、铸铁 等属于这一类。,（二）韧性与韧性材料：,在冲击、震动荷载作用下，材料能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性。 具有韧性的材料称为韧性材料。 象工程中用到的钢材、木材等属于韧性材料。 在工程中用做承受冲击荷载和有震动要求的结构都要考虑材料的韧性。象用做路面、桥梁、吊车梁等结构物的材料。,采用冲击试验测定。,第四节 材料的耐久性,一、材料耐久性的概念：,材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内 在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其 使用性能的性质。,二、材料在使用环境中受到的各种作用,物理作用,主要有干湿变化、温度变化及冻融变化等。,化学作用,包括大气、环境水以及使用条件下酸、 碱、盐等液体或 有害气体对材料的侵蚀 作用。,机械作用,包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳， 冲击、磨损、磨耗等。,生物作用,包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀 而破坏。,三、耐久性为综合性质:(常见指标),(抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐热性、耐磨性等) 不同环境中，应考虑相应的性质。,第1章 土木工程材料的基本性质,习题： (1)某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率1.2%。今将石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。求此碎石的表观密度和空隙率。 (2)一块烧结普通砖的外型尺寸为240115 53，吸水饱和后重为2940g，烘干至恒重为2580g。今将该砖磨细并烘干后取50g ,用李氏瓶测得其体积为18.58cm3。试求该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。 (3)某材料的体积吸水率为10%，密度为3,0g/cm3，绝干时的表观密度为1500kg/m3。试求该材料的质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？,第1章 土木工程材料的基本性质,思考题 (1)当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不变? (2)材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别? (3)材料的孔隙率和空隙率的含义如何?如何测定?了解它们有何意义? (4)亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?举例说明怎样改