第一章-材料的基本性质..ppt

2020/6/13,土木工程材料,主讲：肖夏杰,Tel:138039083970375-3397012,E-mail:xiajiexQQ：384846720,第一章建筑材料基本性质,1.1、材料的物理性质1.2、材料的基本力学性质1.3、材料的耐久性预备知识1：,2020/6/13,*材料的体积体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。,自然状态下材料体积的构成：固体体积+孔隙体积空隙体积=开口孔隙体积+闭口孔隙体积,2020/6/13,材料的体积=固体体积+开口孔隙体积+闭口空隙体积（V0）(V)(Vk)（Vb）,2020/6/13,1.1、材料的物理性质,1.1.1与质量有关的性质1.1.2与水有关的性质1.1.3与热有关的性质,2020/6/13,1.1材料的物理性质,1密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量用表示。按下式计算：,1.1.1与质量有关的性质,式中：材料的密度，单位：g/cm3；m干燥状态下的质量，单位g;V干燥材料在绝对密实状态下的体积,单位：cm3,2020/6/13,实验测量：大多数有孔隙的材料，在测定材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定其体积。材料磨得越细，测得的密度数值就越精确。,*材料的绝对密实体积是指不包括材料孔隙在内的体积。钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。,2020/6/13,预备知识2：材料体积组成示意图状态1,2020/6/13,状态二（堆积状态）装在容器里的粒状、粉状或块状材料(V0/),2020/6/13,V0,2020/6/13,2.视密度：视密度是指材料在自然状态下不含开口孔隙时，单位体积的质量。,式中：堆积材料的视密度，单位：g/cm3或kg/cm3；m堆积材料干燥状态下的质量，单位g或kg;V堆积材料含闭口孔不含开口孔的体积,单位：cm3或m3（视体积）,2020/6/13,3.表观密度（体积密度、体密度）材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度，用表示。按下式计算：,材料在自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙的体积。（表观体积）m堆积材料干燥状态下的质量，单位g或kg;,2020/6/13,当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积（可以忽略）均有所变化，故测定表观密度时，须注明其含水情况。按照含水状态分为：干表观密度、气干表观密度和饱和表观密度。,2020/6/13,预备知识3：孔隙的分类按尺寸大小：微细孔隙（D0.01mm)细小孔隙（0.01mmD1mm)粗大孔隙（D1mm)孔隙的构造：开口孔隙闭口孔隙,2020/6/13,4.堆积密度散粒或粉状材料，如砂、石子、水泥等，在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度，用表示。按下式计算：,堆积体积=颗粒体积+空隙体积,2020/6/13,m堆积材料干燥状态下的质量，单位g或kg;由于散粒材料堆积的紧密程度不同，堆积密度可分为疏松堆积密度、振实堆积密度和紧密堆积密度。,2020/6/13,5.密实度与孔隙率,密实度：定义材料体积中固体物质充实的程度。公式密实度反映材料的密实程度，D越大，材料越密实，含有孔隙的材料，密实度均小于1。,2020/6/13,孔隙率定义在材料自然体积内孔隙体积所占的比例，称为材料的孔隙率，用表示。按下式计算：,V,2020/6/13,孔隙率=开口孔隙率+闭口孔隙率,开口孔隙率Pk=,闭口孔隙率Pb=,2020/6/13,6.填充率与空隙率,空隙率:散粒材料在某种堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率与填充率的关系：P+D=1空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂量的依据。,填充率：某堆积体中，被散粒材料的颗粒所填充的程度,2020/6/13,【应用实例】为了提高某沥青混凝土路面的高温稳定性，要求所选碎石的空隙率不小于35%。已知碎石的密度为2.65g/cm3,表观密度为2610kg/m3，堆积密度为1680kg/m3。试问该碎石的空隙率是否满足要求？其孔隙率又该如何计算呢？解：空隙率：P，=（1-）100%=（1-)100%=35.6%35%该碎石的空隙率满足要求。=2610kg/m3=2.61g/cm3孔隙率：P=（1-）100%=（1-）100%=1.5%该碎石的孔隙率为1.5%。,2020/6/13,2020/6/13,作业：P171,复习1.1.1与质量有关的性质P8例题1-1自学1.1.2与水有关的性质,2020/6/13,1.1.2与水有关的性质1.1.3与热有关的性质1.1.2与水有关的性质预备知识：润湿角：当材料与水在空气中接触时，将出现如1-3图所示的两种情况。在材料、空气、水三相的交点处，沿水滴表面作切线，切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角，用表示。,第二讲,2020/6/13,图13材料润湿示意图（）亲水性材料；（）憎水性材料,1.材料的亲水性与憎水性,2020/6/13,越小，表明材料越易被水润湿。一般认为，当90o时，如图1-3（a）所示，材料表面吸附水分，能被水润湿，材料表现出亲水性；当90o时，如图1-3（b）所示，材料表面不易吸附水分，不能被水润湿，材料表现出憎水性。亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。建筑材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料为憎水性材料，如沥青、石蜡等。建筑工程中憎水性材料常被用作防水材料，或作为亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。,2020/6/13,（a）亲水性材料（b）憎水性材料,2020/6/13,2吸水性：材料浸入水中吸收水的能力称为材料的吸水性，常用质量吸水率表示。（1）质量吸水率,m干材料干燥状态下的质量m湿材料吸水饱和状态下的质量,2020/6/13,（2）体积吸水率：指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占自然状态体积的百分率。,式中Wv材料的体积吸水率，%；m干材料在干燥状态下的质量，g；m湿材料在吸水饱和状态下的质量，g；W水的密度，在常温下取1g/cm3。,2020/6/13,吸水饱和状态时，吸入水的体积等于材料内开口孔隙的体积。因此体积吸水率等于开口孔隙率。质量吸水率与体积吸水率的关系为：工程中常用质量吸水率表示材料的吸水性。同一材料的吸水率基本是一固定值。,2020/6/13,例：烧结普通砖的尺寸为240mm115mm53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和质量为2984g。求该砖的密度、干表观密度、吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。,2020/6/13,开口孔隙率=体积吸水率,闭口孔隙率,2020/6/13,3.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性常用含水率来表示。即,式中W含材料的含水率，%；m含材料在含水状态下的质量，g；m干材料在干燥状态下的质量，g；平衡含水率：材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡时的含水率，称为平衡含水率。,2020/6/13,(1)耐水性材料长期在水作用下不破坏，且其强度也不显著降低的性质称为耐水性，材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算：式中k软材料的软化系数；f饱材料在饱和水状态下的抗压强度，MPa；f干材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。软化系数的大小反映材料在浸水饱和后强度降低的程度。耐水性材料要求软化系数0.850.9,2020/6/13,【例】普通粘土砖进行抗压试验，浸水饱和后的抗压强度为13.3MPa，干燥状态下的抗压强度为15.0MPa,问此砖能否用于受潮严重的重要结构？,因此该砖可用于受潮严重的重要结构。,2020/6/13,1).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。2).对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85；(2)抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为材料的抗渗性（不透水性）。抗渗性是指材料抵抗水、油等液体压力渗透的性质。,2020/6/13,地下建筑及水工建筑物，因常受到压力水的作用，所以要求材料具有一定的抗渗性。对于防水材料则要求具有更高的抗渗性。材料的抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关，封闭孔隙且孔隙率小的材料抗渗性好，连通孔隙且孔隙率的材料抗渗性差。,2020/6/13,抗渗等级PN抗渗等级指材料在标准试验方法下进行透水试验，以试件在透水前所能承受的最大水压力（0.1MPa）来确定的。如P6、P8表示材料能承受0.6、0.8Pa的水压而不渗水。,影响抗渗性的主要因素（1）亲水性（2）孔隙率（3）孔隙特征,2020/6/13,5抗冻性材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗冻融循环作用的能力。,2020/6/13,抗冻等级(FN)将材料吸水饱和后，按规定方法进行-20+20度冻融循环试验，以质量损失不超过5、强度下降不超过25时，所能经受的最大冻融循环次数来确定。用符号“F”和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100,2020/6/13,影响材料抗冻性的因素（1）孔隙率、孔隙特征（2）材料的强度、韧性（3）材料的软化系数（4）冻结条件：冻结温度、冻结速度、冻融循环作用的频繁程度,2020/6/13,1.某轻质板材，其密度为2.80g/cm3，干燥状态时表观密度为800kg/m3，测得其体积吸水率为66.4%，试计算该板的（1）质量吸水率（Wm）（2）闭口孔隙率（Pb）,2020/6/13,（1）质量吸水率Wm为：（2）材料的孔隙率P为：材料的体积吸水率即为材料的开口孔隙率，因此闭口孔隙率为：Pb=P-Pk=71.4%-66.4%=5%,2020/6/13,1.1.3与热有关的性质,1导热性,定义材料传导热量的性质。表示方法导热系数：为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1h)内通过单位面积(1)的热量。计算公式,材料的导热系数(W/(mK)。Q传导的热量(J)。d材料的厚度(m)。A材料传热的面积(m2)。z传热时间(s)。t1t2材料两侧的温度差(K)。材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。,2020/6/13,影响导热系数的因素无机材料的导热系数大于有机材料晶体的导热系数大于无定形体的导热系数材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小；材料的含水率增加,导热系数也增加大多数材料的导热系数随温度和湿度升高而增加,2020/6/13,2热容量,定义材料在温度升高时吸收热量、温度降低时放出热量的性质。表示方法比热C：单位质量的材料在温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量。计算公式,Q材料的热容量(J)。C材料的比热容，J/(gK)。m材料的质量(g)。t1t2材料受热或冷却前后的温差(K)。,2020/6/13,几种材料的比热和导热系数及线膨胀系数,2020/6/13,1.2.1强度1定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。*力的形式：(1)压力；抗压强度(2)拉力；抗压强度(3)剪切；抗压强度(4)弯曲；抗压强度,1.2材料的力学性质,2020/6/13,材料受力示意图,(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲,2020/6/13,2材料的抗拉、抗压和抗剪强度,2020/6/13,计算公式抗压强度抗弯强度,式中:fmax材料的抗弯强度,MPa;F材料受弯时的破坏荷载,N;L试件受弯时两支点的间距,mm;b、h材料截面宽度、高度,mm。,式中:f抗拉、抗压、抗剪强度,MPaF材料受拉、压、剪破坏时的荷载,N;A材料的受力面积,mm2。,2020/6/13,例：对蒸压灰砂砖试样进行抗压和抗折试验，试件尺寸如图1-4所示。测得最大破坏荷载为207kN,最大抗折荷载为3040N,试求该砖的抗压强度和抗折强度分别为多少？,2020/6/13,影响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,2020/6/13,3材料的强度等级,按强度值的高低划分为若干等级，即材料的强度等级。脆性材料按抗压强度划分：如岩石、砖和混凝土等。钢材按抗拉屈服强度划分。,2020/6/13,石材按极限抗压强度分9个等级：MU10MU100；烧结普通砖按抗压强度分5个等级：MU10MU30；普通混凝土按抗压强度分12个等级：C7.5C60；碳素结构钢按抗拉屈服强度分5个牌号：Q195Q275。,2020/6/13,1弹性和朔性弹性：材料在外力作用下产生变形，若除去外力后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。用弹性模量E表示，E越大，材料的刚度越大，材料在外力作用下抵抗变形的能力就越大。朔性：材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。不能恢复的变形称为塑性变形。,2.4.2弹性与朔性,2020/6/13,弹性变形的大小与外力成正比，比例系数称为材料的弹性模量。为常数，其值为应力与应变之比，即,式中材料所受的应力（MPa）；在应力在作用下的应变,弹性模量E是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。值愈大，材料愈不易变形，材料的刚度愈好。,2020/6/13,当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力把分布内力在一点的集度称为应力,2020/6/13,2塑性及塑性变形材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形。塑性阶段，应力与应变不成正比。,2020/6/13,3弹塑性材料的变形特征,2020/6/13,1脆性与韧性定义脆性：材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。韧性：材料受力时，发生较大变形而不断裂的性质称为韧性。,2.4.3脆性与韧性,2脆性材料特性：抗压强度大于抗拉强度；破坏时应变小；承受冲击和震动能力差；宜做承压构件，如砖、石材、混凝土等,2020/6/13,3韧性材料的特征材料在冲击或震动荷载作用下能承受较大变形不致破坏的性质。韧性材料的变形能力大，且抗拉强度几乎与抗压强度相等。如低碳钢、低合金钢等属于韧性材料。,2020/6/13,定义材料抵抗外物压入的性质称为硬度。硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。莫氏硬度（HM）：采用刻划法，并与十个硬度标准比较，确定硬度。材料抵抗外物磨损的性质称为耐磨性。,2.4.4硬度与耐磨性,2020/6/13,定义材料在使用过程中抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去原有性能的性质称作耐久性。影响因素物理作用、化学作用、生物作用、机械作用,1.3材料的耐久性,物理作用：温度变化、干湿变化、冻融循环作用化学作用：酸、碱、盐等溶液的侵蚀机械作用：持续荷载生物作用：菌类、昆虫,2020/6/13,措施1.设法减轻大气或其他介质对材料的破坏作用，如降低温度、排除侵蚀性介质等。2.提高材料本身的密实度，改变材料的孔隙构造。如混凝土在施工中加强浇筑和振捣可提高混凝土的密实度。3.适当改变成分，提高材料的大气稳定性。如在沥青中加入SBS改性剂可提高沥青的大气稳定性，延缓沥青的老化。4.在材料表面设置保护层，如抹灰、做饰面、刷涂料等。,2020/6/13,提高耐久性的意义耐久性良好的建筑材料，才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等均有十分重要的意义。,2020/6/13,作业：P17实训练习32.本章小结自学第二章了解工程中常用的石灰的生产和成分掌握石灰的特性和