土木工程材料指南ppt课件

土木工程材料,定義應用於土木結構物上的材料通稱為土木工程材料，有天然的，如石料、木材、黏土等，也有人造的，如水泥、混凝土、磚、鋼筋等。土木材料中以結構材料和營建材料為主結構材料涵蓋的範圍較小，重要的如水泥與混凝土、鋼筋與結構鋼、木材、磚、石材等。營建材料的範圍更廣，在結構材料外還包含非結構性材料，如黏結劑、填縫劑、墻面飾板、固定扣件、玻璃門窗等。,學習目的明確認識材料特性正確合宜選用材料達成合理設計要求安全性經濟性適用性美觀性環保性,1,土木材料之分類,依組成特性分金屬材料陶土材料聚合(高分子)材料複合材料依用途分結構材料裝修材料,依化學成份分有機材料(C-H)無機材料金屬材料非金屬材料依生產方式天然材料人造材料,2,土木工程材料,土木營建工程上常使用之基本材料(結構性材料)包括：木材水泥及混凝土瀝青及瀝青材料結構黏土及混凝土單元鋼筋及結構鋼這些材料可使用在各種不同的土木工程結構上，例如：水壩、橋樑、道路、基礎、貯槽結構、水工結構、建築物及擋土牆等。,3,非結構性材料,營建工程上還有許多次要的建築材料，如填縫劑、黏結劑、地板及牆表面飾板、固定扣件及門窗等均屬這類材料。這些材料被稱為非結構性材料，採用上係依據品質指標及美學的考慮。,4,材料性能與量測,使用於土木工程上的材料，需要具備適合使用目的的性質和經濟條件，在服務期間能有令人滿意的功能。例如做為擋水結構物的材料，要能不透水、無裂縫、堅固且不會被水溶解。為評估材料功能特性及選用適宜的材料，必須對土木材料性質先加瞭解。,5,工程材料之選用1,選用工程應用上之材料，係以它們在服務期間能有令人滿意的功能為考量。舉例而言，應用在公路橋樑的材料應具有足夠的強度、粗糙的表面和充分的剛度；一個擋水結構須用不透水、無裂縫和堅固且不與水反應的材料來建造；道路表面應使用低沉陷、防水和容易修復的材料來建造。,6,工程材料之選用2,土木材料的性質基本上可分成物理性質、力學性質及化學性質三種，材料的性能卻需要是多面向的，除了外力作用外，它還須面對環境的影響、熱的作用，以及經濟和能源節約的永續發展問題。並非所有結構的功能需求或性質規範都是相同的，例如貯槽結構的材料選擇就與路面結構需求不同。為評估工程材料的功能特性，及幫助工程師選用符合某一特殊需求之最適用材料，吾人必須研究營建材料的性質。,7,工程材料性質,一般而言，工程材料之性質可區分為三大類：物理性質力學性質化學性質,8,金屬材料性質分類圖,9,工程材料之物理性質,物理性質係來自於物質本身或物理結構之特性。物理性質包括密度、孔隙率或孔隙、含水量、比重、滲透性和結構組成(微觀或巨觀)。紋理、顏色和形狀也均屬物理性質。,10,材料之物理性質,質量性質：比重、含水率、吸水率熱學性質：比熱、熱傳導率、熱膨脹率、軟化點、閃火點電學性質：比電阻、導電率、絕緣性聲學性質：吸音率、消音率光學性質：透射率、色彩、光澤、反射,11,比重與密度,材料重量與同體積水重的比值稱為比重（Specificgravity）。實體積（不含空隙）的比重稱為真比重，而含有空隙及水分的比重則為漲比重。比重為無名數，密度（Density）則指單位體積的重量，常用單位有g/cm3或kg/m3。密度的量測可用排水法求其體積，由重量除以體積得其密度值。,12,含水率,材料含水量與其乾燥重的比值稱為含水率（Watercontent）。完全乾燥的材料含水率為零，一般孔隙率愈大，含水率也愈大。孔隙率和含水率可用以評估材料的性能。,13,比電阻,單位面積與長度的材料上通電時之電阻稱為比電阻（Specificresistance）比電阻的倒數稱為比傳導率或電傳導率,14,吸音率,聲波（強度e）投射到壁體時，一部分於壁面被反射（e1），一部分被吸收（e2），另一部分以壁體為媒介傳入他部分（e3），剩餘的通過壁體（e4），擴散於另一面之空間。則e1/e為反射率，e4/e為透過率，a1e1/e為吸音率，可用以表示壁體的聲學性質。材料之比重愈大，其吸音率愈小。吸音率又依音的振動頻率而變，例如混凝土壁的吸音率約為0.02，而厚度2.5cm的多孔軟木板則高出許多，約為0.10.3。,15,遮音率,聲音透過率的倒數即為遮音率，令R為遮音量（減音度），以聲波強度單位分貝db（Decibel）表示之，即：材料比重愈大，遮音能力愈大。遮音量又依音的振動頻率而異，例如厚度5cm的混凝土壁約為40db，厚度1.5cm之合板只為約1025db。,16,光澤與透光率,光線投射於材料表面後，有反射、吸收及透過三種反應。反射與吸收之比值即為光澤的指標。光的投射能與透過能之比稱為透光率，受表面平滑度與厚度以及光線波長的影響。,17,材料之力學性質,應力應變：彈性、塑性、剛性材料強度：抗拉、抗壓、抗剪、抗扭表面性質：硬度、延展性破壞能量：韌性、脆性長期荷重：潛變、疲勞,18,材料之力學性質,力學性質係量測材料對外加載重或外力之抵抗能力。力學性質有些是反映材料的強度，而其他則是量測變形能力或勁度。,19,材料之力學性質(續),彈性：材料受外力而變形當外力移除後，即可恢復原形狀或原尺寸塑性：材料受外力而變形當外力移除後，依舊無法恢復原狀剛性：材料耐變形之特性；剛性高、應變小彈性模數大但與強度無直接關係,20,材料性質-材料強度,強度係量測材料每單位面積所能承受之最大載重，可為拉力、壓力、剪力、撓曲力矩、扭力或衝擊力。抗拉強度：抵抗拉應變之最大拉應力抗壓強度：抵抗壓應變之最大壓應力(約為抗拉強度34倍)抗剪強度：抵抗剪應變之最大剪應力(約為抗扭強度3/4倍)抗扭強度：抵抗被扭轉而破壞之能力、抗扭強度大，延展性與韌性高,21,載重和應力,任一物體承受拉力或壓力時稱為受力。牛頓第一定律指出，除非受到外力的作用，否則物體會一直保持靜止狀態，或等速直線運動狀態。牛頓第三定律則指出，若物體施力於另一物體時，後者會沿著相反方向施以相同的力量於前者。,22,載重和應力之自由體圖,一固體承受外力時，將產生變形及內力。作用在連續粒子間的內力或內應力，會與外力成比例關係，這種內、外力的平衡行為用以維持物體的平衡狀態。,23,應力,應力：受外力作用時，材料內部產生一平衡抵抗之內力,24,壓應力,剪應力,拉應力,彎曲應力,25,彎矩、剪力及扭力,26,矩形梁之應力軌跡,27,扭矩所產生之應力,28,應力之定義,應力是指在物體假想面單位面積上作用的力。如前所述，應力的形式與力的種類一樣多。外力作用在桿件軸線方向者，可產生軸向應力或直接應力。當軸向力為拉力時，產生的應力是拉應力；而當它是壓力時，則為壓應力。,29,剪應力之定義,剪應力是由傾向將分子顆粒滑過另一個顆粒之作用外力所產生的，它是沿著或平行橫斷面作用。拉應力或壓應力垂直於作用平面，因此與剪應力垂直。,30,彎曲應力,彎曲應力是由引起彎矩之外力所產生。由於彎矩的作用，橫斷面的一側具拉應力，而另一側則為壓應力。,31,應變,材料產生伸張或收縮，係取決於載重的型式及量測的方向。沿著單向力作用所產生的長度變化可稱為變形量，而每單位長度之變形量稱為應變。,32,材料之應變,應變：材料受外力作用時，單位長度所產生之變形量,33,應變之定義,應變是長度變化量與原長度之比值，它是一種無單位的量，有時會以公尺/公尺來表示。可用下式計算之：式中，e是長度變化量，l為原長度。應變的觀念有助於比較載重或外力作用在不同形狀和大小物體上的效應。,34,變形,先前已經指出在線性次元的改變稱為變形。但變形這個名詞也可表示物體形態的改變，且可能是由多種原因所造成的淨結果。熱變化、濕度損失和載重作用都會造成物體的變形。,35,變形,當解釋直接應力效應時，變形是被當作線性次元的改變；但是當解釋剪力效應時，變形(稱作剪力變形)是指與剪力方向平行之角度變化。剪應變是以垂直剪力方向每單位長度之剪力變形來計算，因此剪應變是元素兩邊角度的變化並以徑度來表示。,36,側向應變,物體承受軸向應力時，變形不僅發生在軸向，也會發生在垂直於軸向之側向。當一個物體在其軸向上受到拉力時，則於其軸向發生拉伸，而在其他方向會收縮；同樣地，當它在一個方向被壓縮時，則在其他方向會伸展。,37,體積變化,材料的體積變化稱為體變形，而體應變可由體積變化量對原體積的比值計算出。當矩形斷面構件承受軸向力時，可以利用軸向應變及柏松比依下式來計算體應變：其中，l、b及d係桿件之尺寸，Pr為柏松比，為軸向應變。當是一個微小的量時，e2及e3在這個導式中可被省略。,38,體應變,藉由縱向或軸向應變及卜松比，體應變或體變形就可由下列之公式來計算。,39,勁度,勁度是材料承受載重下產生變形的一種相對度量。在相同應力作用下，產生較小應變之材料，其勁度較應變大者來得大。換言之，需要較大的應力去產生某一已知應變者，其材料勁度愈大。,40,勁度(續),材料的勁度係以其彈性模數來衡量。彈性是一種材料性質，當承受外力作用時，能使材料長度，體積或形狀改變，而當載重完全移除時，則會回復原來的大小及形狀。某些材料例如鋼及橡膠，可以承受很大的應變或變形而且仍然能夠回復它們原來的形狀。,41,彈性限度,當外力移除時，材料能夠恢復原狀時所能達到的最大應力，稱之為彈性限度。一般以材料的應力應變曲線上的比例限度或降伏點作為彈性限度的近似值。,42,比例限度,應力及應變比值維持常數的條件下，材料所能達到的最大應力稱之為比例限度。可由材料在承受單向軸拉力或軸壓力時之應力應變關係求得比例限度。,43,應力應變圖,比例限度A：應力應變成正比界限彈性限度B：不留永久變形之最大應力上降伏點C：應力不變應變繼增之上初始點下降伏點C：應力不變應變繼增之下初始點標稱降伏C：應變=0.2%時之降伏應力極限強度D：最大應力與最大局部變形真實破壞F：真實應力所造成之破壞點標稱破壞F：標稱應力所造成之破壞點,真實應力：受力變形時實際單位面積之應力,44,彈性模數,受拉或受壓時之彈性模數，或楊氏模數可用下列公式計算其中，f為應力，et為應變。應力與應變呈線性關係的現象，係由羅伯虎克首先於1678年發現的，目前稱之為虎克定律。,45,正切模數與正割模數,經過原點切於應力-應變曲線之切線斜率稱為初始正切模數，當這個模數取在特定應力fs之切線斜率時，則被稱為在應力fs上之正切模數。正割模數是指連接應力-應變曲線上兩點的直線斜率。,46,剪力模數,剪應力與剪應變的比值稱為剪力模數。藉由比較剪力變形及相對應的軸應變，剪力模數Es與楊氏模數間之關連性可用下列關係式說明之：其中，Pr為柏松比。,47,極限強度,極限強度係指材料破壞前所能施加於材料之最大應力，也就是應力-應變曲線上的最高點。,48,側向應變(垂直於軸向)與軸向應變之比值稱為柏松比(係以於西元1811年定義這個比值的科學家Poisson來命名)。柏松比：橫向應變與軸向應變之比值,柏松比,橫向應變與軸向應變,49,柏松比(續),大部分營建材料的柏松比介於0.15至0.4之間。玻璃的柏松比是0.24；花崗石則為0.25；混凝土的柏松比介於0.1至0.18之間，取決於混合配比，若水泥成分增加，則柏松比也增大；水泥砂漿的柏松比約為0.16。,50,材料性質-表面性質,硬度：抵抗磨損、刮痕與刻痕等之性能非金屬磨擦其表面以條痕或著色判之金屬以鋼球或鑽石尖頭壓入深度或重錘彈回高度判之延性：材料受拉於軸向伸長變形而不折斷之性質展性：材料受輾壓成片形而不脆裂之性質硬度小、延展性佳；鉛有展性但延性不佳,51,材料性質-破壞能量,韌性：材料受外力作用開始至破壞為止所吸收之能量可耐較大之衝擊載重或突增荷重脆性：韌性小之材料性質；無法吸收超荷重所產生之能量而即產生破壞,52,材料性質-荷重效應,潛變：長期荷重作用下，載重保持不變變形仍隨時間增長而增加的現象影響因素：載重大小、溫度(高溫潛變大)、潛變速率與時間增加而漸趨緩慢,潛變曲線,53,材料性質-荷重效應,疲勞：材料受長期反覆荷重，於低於降伏強度或極限強度時即產生破壞，此一強度降低之現象稱之。,54,材料之化學性質,化學性質係指那些與化學組成及潛在反應有關的材料性質。其他值得注意的化學性質如酸性、鹼性和抗侵蝕性。,55,材料之化學性質(續),氧化作用：與氧產生化學反應腐蝕現象：金屬受周遭環境因子侵蝕劣化現象：聚合材料因化學反應而變質耐久性：材料抗風化、磨損之性質風化：雨水、海水侵蝕、凍融與熱脹冷縮化學作用：紫外線、酸鹼侵蝕及中性化生物作用：細菌及害蟲之侵蝕,56,工程材料之其他性質,除了物理、力學和化學性質，在土木工程上，有關熱、電、磁性、聽覺和光學等性質也是重要的。例如：在計算混凝土版的膨脹潛能時，必須知道混凝土的熱膨脹係數。熱性質代表材料在熱或溫度下的行為。在選擇一種材料而能提供隔音效果且作為聲音的阻隔物時，聲音傳遞性和反射性是重要的音效性質。,57,工程材料之其他性質(續),在決定材料的能量吸收能力時，光學性質如顏色、光傳遞和反射是必須考慮的。材料用於與電相關的工作時，須量測其導電性和磁性。,58,工程材料之其他性質(續),土木營建材料的選擇主要是根據其物理性質或物理特性，但大部分的材料是因其力學性質與耐久性而被選用。例如，輕質骨材中的浮石和頁岩因具有低密度的特性，故常應用於輕質混凝土樓版的製造。在地震頻繁地區，由於結構鋼具有高抗拉強度和延展性，而常取代鋼筋混凝土以做為高層建築的樑柱材料。,59,工程材料之其他性質(續),對發展某一特定工程而言，適當瞭解當地環境和限制在材料選擇的過程中是很重要的。工程設計的目標是為特定工程選擇最好的材料。為完成這個目標，必須瞭解各種可取得材料的相關性質和功能特性。,60,延性及脆性材料,工程材料一般分為兩大類：塑性或延性材料脆性材料,61,塑性,塑性是材料能保持其永久形狀或變形而不發生破壞的性質，它是彈性的反義。塑性在製模、成形和擠壓成型的過程中很重要，除此之外，塑性在預測材料破壞形式上為一重要之特性。,62,不同材料之應力應變圖,當承受拉力載重，延性材料在破壞前會發展出大的塑性變形。延性就是一種能讓材料產生形狀變化而不斷裂的性質，如鍛鐵、鋼及銅。混凝土、水泥砂漿、磚和玻璃則是在小變形或小應變時即產生破壞，屬於脆性。,63,韌性,韌性代表材料在降伏或裂縫產生後所能支持載重的能力，它使材料能夠忍受衝擊與撞擊，而韌性的增加代表產生特定的損害狀況所需的能量也更多。能量會對物體作功，也就是變形與力或平均應力的乘積。對大部分的材料而言，其韌性係以載重-變形曲線下方所作用的面積來度量。,64,脆性,脆性材料只有少許或完全沒有塑性，或在超過彈性限度後僅能出現小量的變形。脆性也代表著會產生相對平滑破壞面的破壞型式，其破壞是立即且嚴重的。一些普通的脆性材料如鑄鐵、花崗石、磚、圬工和玻璃等在發生破壞時，並未顯現任何徵兆即破碎或粉碎。,65,延性及脆性材料,承受壓力時，延性材料會擴展即增加其斷面積：而脆性材料會在某個角度或面上產生剪斷破壞。脆性材料的破壞可沿著對角平面或形成錐形。圓柱試體一般沿著對角破壞(如鑄鐵)或形成錐形或金字塔形，且上部裂開(如混凝土)。從水平面量得的破壞角(也稱剪力面或破壞面)視材料的內摩擦和黏著力而定，一般介於45度和60度之間。,66,材料的選擇,所有主要的營建材料或結構材料必須能夠滿足下列功能：承受規定的載重滿足服務與耐久性需求外觀令人滿意具有經濟性合乎環保需求,67,材料的選擇(續),使用於土木工程上的材料，最重要的需求就是能夠承受設計荷重。換言之，材料應有足夠的強度。混凝土基礎應能承載上部結構的荷重，且轉移至地下而沒有沉陷；支持木樓板的木樑應有足夠的強度將荷重轉移至支撐牆；重力壩之圬工應具有適當的抗壓強度等等。,68,材料的選擇(續),除了強度以外，所有材料還需滿足服務需求，如變形限制、耐久性、功能特性和可接受性。一般而言，服務性意味在所有時間都具有令人滿意的功能。已往功能上的表現記錄、試驗結果及已設定的工程需求等均有益於材料服務性的評估。,69,材料的選擇(續),材料應能滿足指定工作之所有功能要求。例如，當潮溼時會引起表面滑溜的材料，就是路面鋪設上最差的選擇；隨著時間會損失結合力而破碎的砂漿，不能使用於圬工牆；受潮易於腐壞或易承受白蟻侵蝕的木頭，則不可使用於外露的環境中。,70,材料的選擇(續),當在同一工程中，使用多種不同性質的材料時，材料結合效應對結構耐久