《土木工程材料》第一章

土木工程材料教案第一章,黑龙江工程学院土木工程系孙凌,1、绪言,1.1概述1.2材料的基本状态参数1.3材料的力学性质1.4材料与水有关的性质,主要内容：绪论材料的基本状态参数材料与水有关的性质重点内容：材料的基本状态参数难点：材料的物理常数要求：材料的基本状态参数材料与水有关的性质对土木工程材料有概括的了解参考资料：土木工程材料陈志源道路建筑材料严家伋道路建筑材料孙凌公路工程集料试验规程,1、绪言1.1概述,一、本课程研究内容砂石材料、石灰、石膏、水玻璃、水泥、水泥混凝土、砂浆、烧结砖、沥青、沥青混合料、钢材、塑料等二、土木工程材料在工程中的作用三、土木工程材料应具备的性质四、土木工程材料的应用五、土木工程材料的标准化,R,1.2材料的基本状态参数,1.2.1材料的密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度一、密度1.定义：材料的密度是材料在绝对密实状态下单位体积的（不包括开口和闭口孔隙体积）的质量。2.公式：式中：材料的密度，；材料矿质实体的质量，；料矿质实体的体积，。因试验的条件是在空气中称量石料的质量，故。，s，则公式改写为式中：烘干石料试样的质量，；意义同前。石料密度的测定可采用比重瓶法或李氏比重瓶法,T,二、表观密度,1.定义：在规定条件下，材料单位表观体积（矿质实体体积十闭口孔隙体积）的质量，称为表观密度，亦称视密度。2.公式：式中：t石料的表观密度，；、意义同前；B石料闭口孔隙的体积，。测定方法：排水法,T,三、毛体积密度,定义：材料的毛体积密度是在规定试验条件下，烘干材料单位体积（包括孔隙在内）的质量。公式：式中：石料的毛体积密度，3石料开口孔隙体积，3，B意义同前。材料的毛体积密度测定可将石料加工为规则形状石料试件，采用精密量具测量其几何形状的方法计算其体积；对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀性松软石料，应采用封蜡法测定。,T,四、堆积密度,1.定义：散粒材料在自然堆积状态下单位体积质量。2公式自然堆积密度紧密堆积密度,1.2.2材料的孔隙和空隙,一、材料的孔隙空隙对材料的影响：（1）孔隙的多少（孔隙率）（2）孔隙的特征1.孔隙率定义：孔隙率是指材料内部孔隙体积(开口孔隙和闭口孔隙)占材料总体积的百分率。公式：,2.密实度,定义：材料内部固体物质的实体占材料总体积的百分率。公式：孔隙的特征（1）按孔隙尺寸大小，可把空袭氛围为微孔、细孔和大孔三种（2）按孔隙之间是否相互贯通，把孔隙分为孤立孔、连通孔。（3）按孔隙与外界之间是否连通，把孔隙分为开口孔、封闭孔。,二、材料的空隙,1.空隙率定义：散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率。公式：2.填充率定义：颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。公式：,R,1.4材料与水有关的性质,1.4.1材料的亲水性与憎水性湿润边角：在材料、水和空气的三向交叉点处沿水滴表面做切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为湿润边角。90时，表现为亲水性90时，表现为憎水性1.4.2材料的含水状态亲水性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,1.4.3材料的吸湿性和吸水性,一、吸湿性定义：亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质表示方法：含水率二、吸水性定义：材料在水中吸水的性质。重量吸水率提及吸水率开口细微连通孔，吸水量大。,1.4.4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。,1.4.5抗渗性1.4.6抗冻性材料在含水状态下，能经受多次动容循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。冻融循环直接冻融法是测定石料抗冻性的主要试验方法。此方法是将石料制备成直径和高均为的圆柱体或边长为的立方体试件，放人烘箱（）烘至恒重，冷却后称其质量，按吸水率试验方法让试件吸水饱和，然后取出擦去表面水分，置于冰箱（-）冻结，然后取出放人的水中融解，如此为一次冻融循环，经反复冻融至规定次数为止，将冻融后的试件再烘干至恒重，并称其质量。对于不同的工程环境气候条件，冻融循环的次数有不同的要求，分为15次、25次及25次以上。在试验过程中，每隔一定的冻融循环次数，应详细检查试件有无剥落、裂缝、分层及掉边等现象，并加以记录。对于块状石料的抗冻性，可采用经规定次数的冻融循环后的质量损失率或者耐冻系数表征。,（1）质量损失率石料冻融循环后的质量损失率：式中：fr试件冻融后的质量损失率，；试验前烘干试件的质量，；试验后烘干试件的质量，。）耐冻系数式中：试件的耐冻系数；经冻融循环后的试件饱水抗压强度，；未经冻融试验的试件饱水抗压强度，。,公路工程，一般要求石料的耐冻系数大于.；质量损失率不大于。同时，试件应无明显缺损（包括剥落、裂缝和边角损坏等情况）。桥梁工程石料，对一月份平均气温低于的地区，要进行抗冻性试验。）硫酸钠坚固性法,思考题：1.孔隙的特征与吸水率的关系。2.什么条件下要对石料进行抗冻性试验？什么是冻融循环？3.如何判定石料抗冻性是否合格？,R,主要内容：材料的力学性质集料的技术性质重点内容：石料的抗压强度、磨耗率集料的级配难点：级配及计算参数要求：掌握石料的力学性质掌握石料等级的确定掌握级配参数的计算方法参考资料：土木工程材料陈志源道路建筑材料严家伋道路建筑材料孙凌公路工程集料试验规程,1.3材料的力学性质,1.3.1强度与比强度一、强度定义：材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。抗压强度：抗拉强度：抗剪强度：抗弯强度：集中荷载：三分点加荷：,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,二、比强度定义：单位体积重量的材料强度与毛体积密度之比衡量材料是否轻质、高强。补充一：公路工程石料的力学性质）抗压强度石料的抗压强度，通常有单轴抗压强度和三轴抗压强度两种。如果不作边坡验算等，一般仅需要进行单轴抗压强度试验。公路工程石料的抗压强度，是将石料制备成边长为.的正立方体或直径与高均为.的圆柱体试件，经吸水饱和后，在规定的加载条件下单轴受压，石料试件达到极限破坏时，单位受压面积的强度。,公式：式中：石料的抗压强度，；Fmax试件极限破坏时的荷载，；试件的截面积，。石料的抗压强度值，取决于石料的组成结构，同时也取决于试验的条件（如试件几何外形、加荷速度、温度和湿度等）。石料的抗压强度值，取决于石料的组成结构，同时也取决于试验的条件（如试件几何外形、加荷速度、温度和湿度等）。,）磨耗率石料的磨耗率是指石料抵抗冲击、边缘剪力和摩擦的联合作用的性质，也是评定石料等级的依据之一，可采用洛杉矶试验法或狄法尔试验法测定。（）洛杉矶试验法洛杉矶试验法采用洛杉矶（或搁板）式磨耗试验机。是将石料试样洗净烘干，称出按我国标准规定的级配石料及钢球。磨耗机以的转速转动转。由于在旋转中石料试样受到相互摩擦、冲击等力系的综合作用，使石料试样产生磨耗和破碎。用圆孔筛或1.7方孔筛筛去试样中的石屑，将剩余试样洗净烘干，并称其质量。石料的磨耗率以经试验后石料试样的质量损失百分率来表示。公式：,（2）狄法尔试验法狄法尔试验法采用狄法尔（或双筒）式磨耗试验机。它是将石料破碎（人工或机械），并过筛选出的块石块，共约（每块质量约），计两份，分别洗净烘干，装人磨耗机的两圆筒中，磨耗机以的转速转动转，石料的磨耗率同样是以通过或7筛孔的质量损失百分率来表示，亦按上式计算。按我国标准规定，两种试验方法以洛杉矶试验法为标准方法。,桥梁工程石料的力学性质抗压强度是桥梁工程石料的主要力学指标，是确定石料标号的主要依据。桥用石料的抗压强度是将石料加工成边长为的正立方体试件，经吸水饱和后，按规定的加荷条件单轴受压，石料试件达到极限破坏时，单位受压面积的强度。此亦作为石料的标号。公式：桥用石料的力学性质以抗压强度为基准，其他力学指标（如抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度等）一般可采用与抗压强度的大约比值。石料的技术标准,补充二集料的技术性质集料包括天然砂石集料、人工轧制的集料以及工业冶金矿渣。不同粒径的集料在水泥（或沥青）混合料中所起的作用不同，因此对它们的技术要求亦不相同。为此,将集料分为粗集料和细集料两大类。不论天然的或人工轧制的，以圆孔筛计，凡粒径小于者称为细集料（包括天然砂、人工砂等），粒径大于者称为粗集料（包括碎石、砾石等）；在沥青混合料中。若以方孔筛计，凡粒径小于者称为细集料（包括天然砂、人工砂和石屑等），粒径大于.者称为粗集料（包括碎石、砾石、矿渣等）。由于产状和轧制工艺不同，它们之间的粒径界限允许有些交叉。,集料的技术性质亦主要从物理性质、力学性质和化学性质三个方面进行评价。（一）物理性质（物理常数、与水有关的性质）1.级配级配是集料各级粒径颗粒的分配情况，可通过筛析试验确定。级配参数：）分计筛余百分率：某号筛上的筛余量占试样总质量的百分率。）累计筛余百分率：某号筛的分计筛余百分率和大于某号筛的各筛分计筛余百分率的总和。）通过百分率：通过某号筛的质量占试样总质量的百分率，即与某号筛的累计筛余之差。,2.粗度粗度是评价砂粗细程度的一种指标，通常用细度模数来表示，细度模数是各号筛的累计筛余百分率之和除以的商，可按下式计算。,例从工地取回烘干砂样500g做筛析试验，列于表中，求该砂样的分计筛余、累计筛余、通过百分率及该砂样的细度模数，并对该砂样进行评定。,细度模数,T,（二力学性质,压碎性压碎性是指碎石（或卵石）抵抗压碎的性能。可通过压碎值试验，采用压碎值来相对地衡量石料在逐渐增加荷载的作用下抵抗压碎的能力，压碎值是表征粗集料力学性质的指标之一。）水泥混凝土用粗集料压碎值试验方法1020mm，3Kg，二层装入（每层颠击25次）；35min至200KN，过2.5mm筛。2）沥青混合料用粗集料压碎值试验13.216mm，3Kg，三层装入（每层插捣25次）；10min至400KN，过2.36筛。,（三）化学性质,石料根据含量的多少分为：酸性石料、中性石料和碱性石料。大量试验证明，碱性石料与沥青的粘附性较酸性石料与沥青的粘附性大，酸性石料比较坚硬。为确定集料与沥青的粘附性，通常在公路工程中采用一些简便的方法进行测定。目前我国现行的试验方法主要有：）水煮法）水浸法）亲水系数法当采用同一种沥青时，选择矿料从碱性、中性直至酸性，集料与沥青的粘附性逐渐降低。为保证沥青混合料的强度，在选择集料时应优先考虑采用碱性石料。若当地缺乏碱性石料且必须采用酸性石料时，可掺加各种抗剥剂以提高沥青与石料的粘附性。,思考题：1.如何判定集料的酸性、中性、碱性，工程应用中如何考虑？2.掌握级配参数的计算公式。作业：,主要内容：级配理论矿质混合料组成设计重点内容：泰波公式修正平衡面积法矿质混合料组成设计难点：泰波公式修正平衡面积法矿质混合料组成设计要求：利用泰波公式能够计算适宜的级配范围掌握修正平衡面积法矿质混合料组成设计参考资料：土木工程材料陈志源道路建筑材料严家伋道路建筑材料孙凌,补充3矿质混合料的组成设计,路用矿质混合料的基本要求：.最小空隙率.最大摩擦力为达到上述要求，必须对矿质混合料进行组成设计，其内容包括：）级配理论和级配范围的确定；）基本组成的设计方法。,一、矿质混合料的级配理论,（一）级配类型各种不同粒径的集料，按照一定比例搭配起来，以达到最大密实度和最大摩擦力的要求，可以采用两类级配：.连续级配.间断级配,（二）级配理论.（富勒）.uller理论富勒根据实验提出一种理想级配，认为：“级配曲线愈接近抛物线时，则其密度愈大”，因此，当级配曲线为抛物线时为最大密度曲线。当粒径等于最大粒径时，矿质混合料的通过率等于，则：,T,.（泰波）.albal理论泰波认为富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料的级配应允许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为n次幂的通式，即从泰波公式可看出，当时为抛物线，即富勒曲线。根据试验认为.之间时，矿质混合料具有较好的密实度。泰波理论可用来解决连续级配的级配范围问题，故具有很大的实用意义。,例题已知矿质混合料最大粒径为40mm，试用泰波公式计算级配范围曲线的各级粒径通过百分率。（n=0.3n=0.7）。,二、级配曲线范围的绘制我国级配曲线采用半对数坐标形式,T,三、矿质混合料的组成设计方法,天然的或人工轧制的单一集料的级配一般很难完全符合某一合适级配范围的要求，因此，必须采用几种集料按照一定比例进行搭配才能达到级配范围的要求，这就需要对矿质混合料进行配合组成设计。