土木工程材料介绍.ppt

主讲 王丽院系 泰山学院建筑与机械工程系 CivilEngineeringMaterial 土木工程材料 课程引入 不同的土木工程材料在工程结构物中起着不同的作用 梁板柱材料承受各种外力 结构材料承受上部荷载及其地下水与冰冻作用 路面 跑道遭受磨损 工业建筑可能受酸 碱 盐等介质的侵蚀 如何保证结构物的使用功能 安全性和耐久性 土木工程材料应具有抵御上述各种作用的性质 材料的基本性质是掌握材料知识 正确选择与合理使用土木工程材料的基础 第一章建筑材料的基本性质 本章学习要求 了解土木工程材料的基本组成 结构和构造及其与材料基本性质的关系 掌握土木工程材料各种基本性质的概念 表示方法及有关的影响因素 1 1材料的物理性质 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度1 1 2材料的孔隙率与密实度1 1 3空隙率与填充率1 1 4材料与水有关的性质1 1 5材料的热工性质 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 材料的密度主要研究材料的体积与质量的关系 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 补充1 材料的体积组成 固体物质 闭口孔隙 开口孔隙 材料体积组成示意图 实体 固体孔隙 个体材料内部 连通孔隙 与外界连通的开口孔隙 封闭孔隙 不与外界连通的闭口孔隙空隙 堆积材料之间 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 1 水分子的占据作用建筑材料加水拌和 用水量通常超过理论上的用水量 多余的水分占据的空间即为孔隙 2 外加的发泡作用如生产加气混泥土等的各种发泡剂 可在材料中形成大量的孔隙 3 火山作用火山爆发时 喷到空中的岩浆 冷却后在岩石中形成大量的孔隙 4 烧作用 补充2 材料孔隙形成的原因 绝对密实体积v表观体积v 自然体积v0堆积体积v0 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 材料体积组成示意图 补充3 材料的体积组成计算 材料占有的空间尺寸 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 绝干状态 绝对密实 绝干状态 含闭口孔隙 自然状态 含闭口 开口孔隙 自然堆积状态 含闭口 开口孔隙 含颗粒间的空隙 V V0 m3或g cm3 g cm3 m3或g cm3 m3 判断材料性质 用量计算 体积计算 一 材料的各类密度计算方法比较 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 1 密度1 测质量 烘干 烘箱 干燥 干燥器 称量 天平 2 测体积 a 外观规则的材料 直接用游标卡尺测量尺寸求体积 如钢材 玻璃等 b 可研磨的非密实有孔隙材料 如砌块 石膏等 采用磨细后用李氏瓶测定其体积的方法 2 表观体积 直接用排水法测定其表观体积 如砂石材料 3 自然状态体积的测定 1 外形规则的材料 如砖 可直接测量体积得到 2 外形不规则的 可采用封腊排水法测定体积 二 各类密度测定办法 1 1 1材料的密度 表现密度 体积密度与堆积密度 4 砂堆积密度的测定 漏斗 容量筒 将容量筒内材料刮平 容量筒的容积即为材料堆积体积 二 各类密度测定办法 1 1 2材料的密实度与孔隙率 单块材料 1 密实度指材料体积内固体物质填充的程度 计算式如下 式中 密度 0 材料的体积密度 注意 对于绝对密实材料 因 0 故密实度D 1或100 对于大多数土木工程材料 因 0 故密实度D 1或D 100 2 孔隙率 真气孔率 指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率 计算 式中 V 材料的绝对密实体积 cm3或m3 V0 材料的自然体积 cm3或m3 0 材料的体积密度 g cm3或kg m3 密度 g cm3或kg m3 1 1 2材料的密实度与孔隙率 单块材料 注意 密实度与孔隙率的关系 D P 1 1 1 2材料的密实度与孔隙率 单块材料 3 孔隙特征a 孔种类 开口孔 闭口孔b 孔隙多少 密实度与孔隙率 反映了材料的致密程度c 孔尺寸 细孔 微孔 大孔d 连通性 连通孔 孤立孔e 分布状况 4 孔隙率 或密实度 孔隙特征在工程中的作用 a 影响材料的性质一般来说 同一种材料 孔隙率越小 连接孔隙越少 则 强度越高 吸水性越小 抗渗性和抗冻性越好 但导热性越差 b 通过改变孔隙率和孔隙特征改善材料性能 1 1 2材料的密实度与孔隙率 单块材料 1 1 3材料的空隙率与填充率 散粒状材料 1 空隙率指散粒材料在其堆积体积中 颗粒之间的空隙体积所占的比例 计算 式中 0 材料的体积密度 材料的堆积密度 空隙率大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度 空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据 1 1 3材料的空隙率与填充率 散粒状材料 小结 孔隙率与空隙率的区别 1 1 3材料的空隙率与填充率 散粒状材料 2 填充率指散粒材料在其堆积体积中 被其颗粒填充的程度 计算公式 1 1加气混凝土砌块吸水分析 工程实例分析 某施工队原使用普通烧结粘土砖 后改为多孔 容量仅700kg m3的加气混凝土砌块 在抹灰前采用同析方式往墙上浇水 发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量 但加气混凝土砌块表面看来浇水不少 但实则吸水不多 请分析原因 现象 加气混凝土砌块虽多孔 但其气孔大多数为 墨水瓶 结构 肚大口小 毛细管作用差 只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔 故吸水及导湿均缓慢 材料的吸水性不仅要看孔数量多少 还需看孔的结构 原因分析 1 1 4材料与水有关的性质 1 1 4 1亲水性与憎水性1 1 4 2吸水性与吸湿性1 1 4 3耐水性1 1 4 4抗渗性1 1 4 5抗冻性 1 1 4 1亲水性与憎水性 一 含义与原因与水接触时 材料表面能否被水润湿的性质 亲水性材料能通过毛细管作用 将水分吸入材料内部 憎水性材料能阻止水分渗入毛细管 从而降低材料的吸水作用 根本原因 材料的分子结构 比较 材料分子与水分子间的吸引力 亲合力 水分子相互之间的内聚力 1 1 4 1亲水性与憎水性 二 判断在材料 水和空气三相交点处 沿水滴表面作切线 此切线和水与材料接触面所成的夹角 称为 润湿角 润湿角 90 时 材料表现为亲水性 润湿角 90 时 材料表现为憎水性 亲水性材料 憎水性材料 扁 圆 特例 当 0 时 完全润湿 当 180 时 完全不润湿 1 1 4 1亲水性与憎水性 三 意义憎水材料具有较好的防水性 防潮性 抗渗性 常用作防潮防水材料 也可用于亲水性材料的表面处理 混凝土 砖 石 木材 钢材等属于亲水性材料 大部分有机材料属于憎水性材料 如沥青 塑料 石蜡和有机硅等 一 吸水性1 概念 指材料在水中吸收水分的性质 2 表达式 质量吸水率 体积吸水率 对多孔吸水材料 其质量吸水率往往超过100 此时用体积吸水率表示 3 影响材料吸水性的因素材料的亲 憎水性材料的孔隙率材料的孔隙特征4 吸水性大小对材料性能的影响材料受潮后导热性增大 故保温隔热材料需保持干燥状态 1 1 4 2吸水性与吸湿性 二 吸湿性1 概念 指材料在空气中吸收水气的性质 2 表达式 用含水率表示3 注意 材料在与空气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率 建筑材料在正常状态下 均处于平衡含水率状态 4 吸水性与吸湿性的相互关系一般情况下 材料的含水率小于质量吸水率 当材料在空气中吸水饱和时 其含水率等于质量吸水率 1 1 4 2吸水性与吸湿性 思考与练习 例题1 1 已知某种建筑材料试样的孔隙率为24 此试样在自然状态下的体积为40立方厘米 质量为85 50克 吸水饱和后的质量为89 77克 烘干后的质量为82 30克 试求该材料的密度 表观密度 开口孔隙率 闭口孔隙率 含水率 解 密度 干质量 密实状态下的体积 82 30 40 1 0 24 2 7克 立方厘米开口孔隙率 开口孔隙的体积 自然状态下的体积 89 77 82 3 1 40 0 187闭口孔隙率 孔隙率 开口孔隙率 0 24 0 187 0 053表观密度 干质量 表观体积 82 3 40 1 0 187 2 53含水率 水的质量 干重 85 5 82 3 82 3 0 039 思考 用什么指标来衡量材料对水的抵抗能力 耐水性抗渗性抗冻性 1 1 4 3耐水性 1 概念 指材料长期在水的作用下 保持其原有性质不变的能力 用软化系数K软表示 2 表达式 式中 f饱 材料吸水饱和状态下的抗压强度 MPa f干 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 3 判断 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 工程中将KP 0 85的材料称为耐水材料 经常位于水中或受潮严重的重要结构 K软不宜小于0 85 受潮较轻或次要结构所用材料 K软不宜小于0 70 1 1 4 4抗渗性 定义 材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质 用渗透系数或抗渗等级表示 判断 材料的渗透系数越小 抗渗性越好 影响因素 材料的孔隙率和孔隙特征 如绝对致密的材料或仅具有封闭孔隙的材料 水分难以透过 举例 抗渗等级P8混凝土 该混凝土能够抵抗的最大渗水压力为0 8MPa 1 1 4 5抗冻性 定义 材料在吸水饱和状态下 经受多次冻融循环后 强度没有明显降低 质量没有明显损失的性质 表示方法 一般用抗冻等级F表示 如F150混凝土 表示在标准试验条件下 该混凝土材料强度下降不大于25 质量损失不大于5 所能经受的冻融循环次数最多为10次 冰冻破坏的原因 材料中含有水 水在结冰时体积膨胀约9 从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂 影响因素 孔隙率 孔隙特征 吸水率及降温速度等 分析与总结 材料与水有关的性质与材料孔隙率以及孔隙特征的关系 1 1 5材料的热工性质 1 1 5 1比热容及热容量1 1 5 2导热性1 1 5 3耐燃性 1 1 5 1比热容及热容量 热容量 材料受热时吸收热量 冷却时放出热量的性质 表示方法 Q mc t1 t2 比热容c的物理意义 质量为1kg的材料 在温度每改变1K时所吸收或放出的热量 比热容c的选用 在建筑工程中 选择导热系数较小而热容量 比热容 大的材料对保持室内温度的相对稳定有很大影响 1 1 5 2导热性 定义 材料传导热量的性质 即当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力 表示方法 导热系数 值越小 材料的绝热性越好 作用 判断建筑材料的保温隔热性能 冬季材料保持热量不传递出去 夏季材料阻碍热量传入室内 几种特殊材料的导热系数 空气 0 025 水 0 60 冰 2 20 P12表1 2常用土木材料的热工性质指标 1 1 5 2导热性 思考 影响材料导热系数的主要因素有哪些 材料受潮时为什么其保温隔热性能会降低 为什么冬天修的房子其保温隔热性能较差 保温材料在施工和使用过程中为什么需要防潮防水 1 1 5 2导热性 思考题1 影响材料导热系数的主要因素有哪些 答 1 材料的化学组成和物理结构 如金属比非金属导热系数大 2 孔隙状况 孔隙率越大 导热系数越小 3 含水率 受潮后导热系数较大 4 环境的温度 温度越高 导热系数越大 思考题2 为什么保温隔热材料使用过程中一定要注意防潮防冻 答 因为空气 水和冰的导热系数依次增加 故保温材料在受潮 受冻后 导热系数可增大100倍左右 孔隙对材料性质的影响 观察与讨论 某工程顶层欲加保温层 以下两图为两种材料的剖面 见图1 2 请问选择何种材料 AB图1 2材料剖面 保温层的目的是外界温度变化对住户的影响 材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量 其中导热系数越小越好 观察两种材料的剖面 可见A材料为多孔结构 B材料为密实结构 多孔材料的导热系数较小 适于作保温层材料 讨论 1 1 5 3耐燃性 定义 材料在空气中遇火燃烧的性能称为耐燃性 非燃烧材料 砖 天然石材 混凝土 砂浆 金属材料等 难燃烧材料 石膏板 水泥石棉板等 燃烧材料 胶合板 纤维板 木材等 1 1 6材料的声学和光学性质 一 材料的声学性质1 吸声性声音是靠振动的声波来传播的 当声波到达材料表面时会产生三种现象 反射 透射 吸收 反射容易使建筑物室内产生噪音或杂音 影响室内音响效果 透射容易对相邻空间产生噪音干扰 影响室内环境的安静 吸声性是指材料吸收声波的能力 吸声性的大小用吸声系数表示 材料的吸声系数越大 吸声效果越好 1 1 6材料的声学和光学性质 2 隔声性声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现 因而隔声可分为隔绝空气声 通过空气传播的声音 和隔绝固体声 通过固体的撞击或振动传播的声音 两种 隔绝空气声 主要服从声学中的 质量定律 即材料的表观密度越大 质量越大 隔声性能越好 1 1 6材料的声学和光学性质 二 材料的光学性质当光线照射在材料表面上时 一部分被反射 一部分被吸收 一部分透过 材料对光波产生的这些效应 在建筑装饰中会带来不同的装饰效果 1 2材料的力学性质 1 2 1强度1 2 2材料的弹性和塑性1 2 3脆性与韧性1 2 4疲劳极限1 2 5硬度和耐磨性 材料的力学性质 材料在外力作用下的变形性质及抵抗外力破坏的能力 1 理论强度理论强度 指按材料结构质点引力计算的强度 一般都很高 实际强度 按材料在荷载下实际具有的强度 一般远远低于理论强度 原因是材料内部都存在很多缺陷 通常意义上的强度是指材料的实际强度 1 2 1强度 2 实际强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力 通常情况下 材料内部的应力多由外力 或荷载 作用而引起 随着外力增加 应力也随之增大 直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限 即强度极限 材料发生破坏 常用强度 根据外力作用方式的不同 材料强度有抗拉 抗压 抗剪 抗弯强度等 1 2 1强度 1 2 1强度 1 抗压 抗拉 抗剪强度 抗压 抗拉 抗剪 在工程上 通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测 将预先制作的试件放置在材料试验机上 施加外力 荷载 直至破坏 根据试件尺寸和破坏时的荷载值 计算材料的强度 式中 f 材料强度 MPaF 材料破坏时的最大荷载 NA 试件受力面积 mm2 2 抗弯 抗折 强度 单点加荷 三分点加荷 L 2 L 2 1 2 1强度 式中 f 材料的抗弯强度 MPaF 材料受弯破坏时的最大荷载 NL 两支点的间距 mmb h 试件横截面的宽及高 mm 3 强度等级对于以力学性质为主要性能指标的材料 通常按其强度值的大小划分成若干等级或标号 不同材料的强度等级有不同的划分方法 具体划分见各章 1 2 1强度 4 比强度定义 指材料强度与其表观密度之比 意义 反映材料轻质高强的指标 值越大 材料越轻质高强 1 2 1强度 5 影响强度的因素 材料的组成孔隙率增加 强度降低含水率增加 强度降低温度升高 强度降低试件尺寸大 强度降低加荷速度快 强度降低等 1 2 1强度 1 2 2材料的弹性和塑性 1 弹性定义 外力作用产生变形 外力取消能完全恢复原来形状的性质称为弹性 这种完全恢复的变形称为弹性变形 或瞬时变形 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 指标 弹性模量 1 2 2材料的弹性和塑性 2 塑性 外力作用产生变形 外力取消变形不能恢复 仍能保持变形后的形状和尺寸的性质 这种不能恢复的变形称为塑性变形 或永久变形 1 2 3脆性与韧性 1 脆性 材料受力达到一定程度时 突然发生破坏 并无明显的变形的性质 脆性材料 大部分无机非金属材料 如天然石材 烧结普通砖 陶瓷 玻璃 普通混凝土 砂浆等 另一特点 抗压强度高而抗拉 抗折强度低 2 韧性 材料在冲击或动力荷载作用下 产生一定变形不破坏 能吸收较大能量而不破坏的性能 韧性材料 低碳钢 木材 玻璃钢等 测定方法 冲击试验 1 2 4硬度和耐磨性 1 硬度 材料表面抵抗较硬物体压入或刻划的能力 特点 材料的硬度高 耐磨性强 但不易加工 测定方法 刻划法 回弹法和压入法金属材料等的硬度常用压入法测定 刻划法用于天然矿物硬度的划分 按滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 长石 石英 黄晶 刚玉 金刚石的顺序 分为10个硬度等级 工程中有时用硬度来间接推算材料的强度 如回弹法用于测定混凝土表面硬度 间接推算混凝土强度 2 耐磨性定义 材料表面抵抗磨损的能力 表示方法 磨耗率计算公式 适用范围 路面材料 式中 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 1 2 4硬度和耐磨性 1 2 5疲劳强度 材料在交变应力 荷载 的反复作用下 往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏 这种现象称为疲劳破坏 一 定义材料的耐久性 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 综合性质 不同环境中 应考虑相应的性质 如 抗渗性 抗冻性 抗蚀性 抗老化 耐热性 耐磨性等 1 3材料的耐久性与环境协调性 补充 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 二 经受的环境作用 1 3材料的耐久性与环境协调性 三 提高材料耐久性的意义1 节约建材2 延长使用寿命 减少维修费用 四 提高材料耐久性的措施1 设法减轻大气或周围介质对材料的破坏作用2 提高材料本身的密实度3 在材料表面覆盖 增设保护层来保护主体材料免受侵蚀 1 3材料的耐久性与环境协调性 1 4材料的组成和结构以及构造 1 4 1材料的组成