给排水工程材料的基本性质.ppt

第一章给排水工程材料的基本性质 第一节材料的物理性质 一 材料的体积构成及含水状态1 材料的体积构成 1 块状材料V0 V V孔孔隙按照特征分为开口孔隙和闭口孔隙 2 散粒材料2 材料的含水状态干燥状态 气干状态 饱和面干状态 润湿状态 二 材料的密度 表观密度 体积密度与堆积密度密度是指物质单位体积的质量 1 实际密度材料在绝对密实状态下 单位体积所具有的质量 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 表观密度 式中 0 材料的表观密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g或kg V0 材料在自然状态下的体积 或称表观体积 cm3或m3 包含内部空隙在内的体积 单位体积 含材料实体及闭口空隙 材料的干重 3 体积密度 式中 0 材料的体积密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g或kg V 材料在自然状态下的体积 包含内部空隙和外部空隙在内的体积 材料在自然状态下单位体积的质量 俗称容重 4 堆积密度 式中 1 散粒材料的堆积密度 g cm3或kg m3 m 散粒材料的质量 g或kg V1 材料在自然状态下的堆积体积 cm3或m3 思考 实际密度 表观密度 体积密度和堆积密度之间的大小关系如何 计算材料的堆放空间 散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度 可用下式表示 三 材料的孔隙率和空隙率1 孔隙率和密实度孔隙率 材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率 称为材料的孔隙率 P 可用下式表示 密实度 材料的固体物质部分的体积占总体积的比例 说明材料体积内被固体物质所充填的程度 即反映了材料的致密程度 按下式计算 2 材料的空隙率与填充率空隙率 散颗材料 如砂 石子 堆积体积 V1 中 颗粒间空隙体积 开口孔隙与间隙之和 所占的百分率称为空隙率 P 填充率 散粒材料在自然堆积状态下 其中的颗粒体积占自然堆积状态下的体积的百分率 D 四 材料与水有关的性质 1 亲水性与憎水性 1 概念亲水性 材料能被水润湿的性质 如砖 混凝土等 材料产生亲水性的原因是因其与水接触时 材料与水分子之间的亲合力大于水分子之间的内聚力所致 当材料与水接触 材料与水分子之间的亲合力小于水分子之间的内聚力时 材料则表现为憎水性 憎水性材料如沥青 石油等 当材料与水接触时 在材料 水 空气三相的交界点 作沿水滴表面的切线 此切线与材料和水接触面的夹角 称为润湿角 2 润湿角材料被水湿润的情况可用润湿角 来表示 3 亲水性材料与憎水性材料 角愈小 表明材料愈易被水润湿 当 90 时 材料表面吸附水 材料能被水润湿而表现出亲水性 这种材料称亲水性材料 90 时 材料表面不吸附水 此称憎水性材料 当 0 时 表明材料完全被水润湿 2 材料的吸水性与吸湿性 式中Wm 材料的质量吸水率 mb 材料在吸水饱和状态下的质量 g mg 材料在干燥状态下的质量 g 1 吸水性材料在水中能吸收水分的性质称吸水性 材料的吸水性用吸水率表示 有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法 质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时 内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率 用下式计算 式中Wv 材料的体积吸水率 V 干燥材料在自然状态下的体积 w 水的密度 g cm3 体积吸水率 材料在吸水饱和时 其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率 材料的吸水性与其亲水性 疏水性 孔隙率大小 孔隙特征有关 花岗岩的吸水率 0 5 0 7 混凝土的吸水率 2 3 粘土砖的吸水率 8 20 木材的吸水率 可达到100 花岗岩 式中W 材料的含水率 m1 材料含水时的质量 m0 材料干燥至恒重时的质量 材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变 2 吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性 潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分 此称还湿性 材料的吸湿性用含水率表示 含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率 某立方体岩石试件 外形尺寸为50mm 50mm 50mm 测得其在绝干 自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g 325 3g 326 1g 并测得该岩石的密度为2 68g cm3 试求该岩石的体积吸水率 质量含水率 绝干表观密度 孔隙率 解 V0 5 5 5 125cm3m含 325 3gm干 325gm饱 326 1g w 1g cm3 例题1 解 因m干 482g m饱 487g V 630 452 178cm3 岩石试件经完全干燥后 其质量为482g 将放入盛有水的量筒中 经一定时间岩石吸水饱和后 量筒的水面由原来的452cm3上升至630cm3 取出岩石 擦干表面水分后称得质量为487g 试求该岩石的密度及质量吸水率 假设岩石内无封闭空隙 例题2 3 材料的耐水性 式中 kR 材料的软化系数 fb 材料在饱水状态下的抗压强度 MPa fg 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 材料长期在水作用下不破坏 强度也不显著降低的性质称为耐水性 关于耐水性不正确的 A 材料的耐水性用软化系数表示B 材料的软化系数在0 1之间波动C 软化系数大于0 85的材料称为耐水材料 D 软化系数小于0 85的材料称为耐水材料 E 软化系数越大 材料吸水饱和后强度降低越多 耐水性越差 答案 DE 例题 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 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 165MPa 求该石材的软化系数 并判断该石材可否用于水下工程 该石材的软化系数为 4 材料的抗渗性 式中ks 材料的渗透系数 cm h Q 渗透水量 cm3 d 材料的厚度 cm A 渗水面积 cm2 t 渗水时间 h H 静水压力水头 cm 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性 或称不透水性 一定厚度材料 一定水压力下 在单位时间内透过单位面积的水量材料抗渗性的好坏与材料的孔隙率和空隙特征有关系 材料的抗渗性也可用抗渗等级表示 抗渗等级是以规定的试件 在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定 以符号Pn表示 其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的MPa数 混凝土的抗渗等级划分为P4 P6 P8 P10 P12等五个等级 相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力 材料在水饱和状态下 能经受多次冻融循环作用而不破坏 也不严重降低强度的性质 称为材料的抗冻性 5 材料的抗冻性 材料的抗冻性用抗冻等级表示 抗冻等级 以规定的试件 在规定试验条件下 测得其强度降低不超过规定值 并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数 材料的抗冻等级可分为 15 25 50 100 200等 分别表示此材料可承受15次 25次 50次 100次 200次的冻融循环 如混凝土抗冻等级 15是指所能承受的最大冻融次数是15次 在 15 的温度冻结后 再在20 的水中融化 为一次冻融循环 这时强度损失率不超过25 质量损失不超过5 混凝土抗冻等级F15号中的15是指 A 承受冻融的最大次数为15次B 冻结后在15 的水中融化C 最大冻融次数后强度损失率不超过15 D 最大冻融次数后质量损失率不超过15 材料在受热时吸收热量 冷却时放出热量的能力称为材料的热容量 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 C 材料的比热 J g K 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 五 材料的热工性质 1 热容量和比热 2 导热性当材料两面存在温度差时 热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质 称为材料的导热性 导热系数 传导的热量 材料厚度 热传导面积 m2 热传导时间 h t2 t1 材料两面温度差 K 小于0 23 几种典型材料的热工性质指标 影响导热系数的因素 材料的孔隙率愈大 即空气愈多 导热系数愈小导热系数与孔隙形态特征的关系 认为有微细而封闭孔隙组成的材料 导热系数小 反之大 材料的含水率增加 导热系数也增加 3 耐燃性材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性 1 非燃烧材料在空气中受到火烧或高温高热作用不起火 不碳化 不微燃的材料称为非燃烧材料 2 难燃材料在空气中受到火烧或高温高热作用难起火 难碳化 难微燃 当火源移走后 已有的燃烧或微燃立即停止的材料称为难燃材料 3 可燃材料在空气中受到火烧或高温高热作用立即起火或微燃 且火源移走之后仍然继续燃烧的材料称为可燃材料 第二节材料的力学性质 一 材料的强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力 称为材料的强度根据外力作用形式的不同 材料的强度有抗压强度 抗拉强度 抗弯强度及抗剪强度等 均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示 材料的力学性质系指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质 材料的强度分类及受外力作用示意图 二 材料的比强度 比强度是按单位质量计算的材料强度 其值等于材料强度与其表观密度之比 三 材料的弹性与塑性 弹性 外力 变形 卸外力 变形完全恢复塑性 外力 变形 卸外力 变形不完全恢复 四 材料的脆性与韧性 脆性 材料在外力作用下至破坏前无明显塑性变形而突然破坏的性质 脆性材料抗拉能力差 但抗压强度高 如砖 混凝土 玻璃等 韧性 在冲击 振动荷载作用下 材料能承受很大变形也不致破坏的性能 如钢材 木材等 五 硬度和耐磨性 1 硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度 是抵抗其它硬物刻划 压入其表面的能力 通常用刻划法 回弹法和压入法测定材料的硬度 回弹法用于测定混凝土表面硬度 并间接推算混凝土的强度 也用于测定陶瓷 砖 砂浆 塑料 橡胶 金属等的表面硬度并间接推算其强度 2 耐磨性 G 材料的磨耗率 g cm2 m1 材料磨损前的质量 g m2 材料磨损后的质量 g A 材料试件的受磨面积 cm2 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力 材料的耐磨性用磨耗率表示 计算公式如下 第三节材料的耐久性与环境协调性 一 材料的耐久性1 概念材料的耐久性是指用于建筑物的材料 在环境的多种因素作用下不变质 不破坏 长久地保持其使用性能的性质 2 环境影响因素 1 物理作用使材料发生体积的胀缩 或导致内部裂缝的扩展 时间长久之后即会使材料逐渐破坏 2 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 3 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 4 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 二 材料的环境协调性请你结合实际谈谈材料环境协调性的重要性 第四节材料的组成 结构 构造及其对性能的影响 一 材料的组成及其对性能的影响1 概念材料的组成是指材料的化学成分或矿物组成2 化学组成构成材料的化学元素及化合物的种类与数量3 矿物组成构成材料的矿物的种类和数量 二 材料的结构及其对性能的影响1 宏观结构密实结构 多孔结构 纤维结构 层状结构 散粒结构 纹理结构2 亚微观结构3 微观结构晶体和非晶体三 材料的构造及其对性能的影响具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况 习题 一 填空题1 材料的吸湿性是指材料在 的性质 2 材料的抗冻性以材料在吸水饱和状态下所能抵抗的 来表示 3 水可以在材料表面