土木工程材料第版焦宝祥绪论+第章基本性质

2017.11第0章绪论本章提要本章讨论土木工程材料的定义与分类，介绍材料与土木工程材建设的关系和发展趋势，介绍了土木工程材料的技术标准和质量控制基本方法。土木工程是建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水排水以及防护工程等，它们是由各种建筑材料建成的，用于这些工程的建筑材料总称为土木工程材料。0.1土木工程材料的分类由于土木工程中所涉及的材料品种繁多，几乎涵盖了自然界中的所有材料，性能各异，价格相差悬殊，而且用量巨大，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程的安全、适用、美观、耐久及经济都有着重要的意义。为便于掌握规律，通常从不同的角度进行分类：0.1.1按材料的化学组成分类通常分为：有机材料、无机材料和复合材料三类如表0-1所示。0.1.2按材料在工程中的主要功能分类可分为：结构材料和功能材料两类。结构材料主要指基础、柱、梁、板、墙和其它受力构件所有的建筑材料或围护材料；功能材料主要指防水材料、防火材料、装饰材料、绝热保温材料和吸声隔声材料等。0.1.3按材料使用的工程及其使用的部位分类可分为：建筑结构材料、桥梁结构材料、水工结构材料、路面结构材料建筑墙体材料等等。0.1土木工程材料的分类0.2材料与土木工程建设

0.2.1材料对工程质量的影响

0.2.2材料对土木工程造价和资源消耗的影响

0.2.3材料对土木工程技术的促进作用

0.2.4土木工程材料的发展趋势0.3土木工程材料的质量及其控制

0.3.1土木工程材料的技术标准1）国家标准：国家标准局发布的全国性指导技术文件，包括强制性标准（代号GB）和推荐性标准（代号GB/T）。另需注意强制性条文（黑体字）2）行业标准：为规范本行业产品质量而制定，也是全国性的指导技术文件，一般由各行业协会或主管部分发布，如建工行业标准（JG、JGJ）、建材行业标准（JC）、交通行业标准（JT、JTJ、JTG）等

0.3.2土木工程材料的质量控制3）地方标准：地方主管部门发布的地方性技术指导文件，仅适用于本地区（DB）1）文件检查2）抽样检验3）过程监测4）分析原因，采取措施0.4土木工程材料的学习目的和方法1）土木工程材料是土木工程、工程管理、建筑学、工程造价等土建类专业的专业基础课2）是土建类专业的主干课程，课程内容属于《XXXX本科指导性专业规范》中“专业技术相关基础知识领域的核心知识单元和知识点”和“实验领域的核心实践单元和知识技能点”本章小结本章章练练习习题题内容容：：1.1材料料的的物物理理性性质质1.2材料料的的力力学学性性质质1.3材料料的的耐耐久久性性1.4材料料的的组组成成、、结结构构对对性性质质的的影影响响案例例分分析析本章章小小结结练习习题题（（1）第1章土土木木工工程程材材料料的的基基本本性性质质1.1材料料的的物物理理性性质质1.与质质量量有有关关的的性性质质密度度、、表表观观密密度度、、堆堆积积密密度度、、2.与构构造造状状态态有有关关的的性性质质孔隙隙率率与与孔孔隙隙特特征征、、空空隙隙率率3.与水水有有关关的的性性质质亲水水性性与与憎憎水水性性、、吸吸水水性性、、吸吸湿湿性性、、耐耐水水性性、、抗抗渗渗性性、、抗抗冻冻性性4.与热热有有关关的的性性质质导热热性性、、热热容容量量（1）密密度度（（实实际际密密度度））材料料在在绝对对密密实实状状态态下单单位位体体积积的的质质量量。。单单位位g/cm3或kg/m3。公式式：：式中中ρ－密密度度（（g/cm3）m－材材料料的的质质量量（（g）V－材材料料在在绝绝对对密密实实状状态态下下的的体体积积（（cm3）绝对对密密实实状状态态下的的体体积积－－是是指指不不包包括括材材料料内内部部孔孔隙隙在在内内的的体体积积。。密度度（（实实际际密密度度））的的测测量量1）对对近近于于绝绝对对密密实实的的材材料料：：金属属、、玻玻璃璃等等量量测测几何何体体积积－－称称重重－－代代入入公公式式2）对对有有孔孔隙隙的的材材料料：：砖、、混混凝凝土土、、石石材材等等磨成成细细粉粉－－李李氏氏比比重重瓶瓶法法测测试试（2）表表观观密密度度表观观密密度度（（容容重重））－－材材料料在在自然然状状态态下单单位位体体积积的的质质量量。。单单位位g/cm3或kg/m3。公式式：：式中中ρo－表表观观密密度度（（g/cm3）m－材材料料的的质质量量（（g）Vo－材材料料在在自自然然状状态态下下的的体体积积（（cm3）自然然状状态态下下的的体体积积－是是指指包包含含材材料料内内部部孔孔隙隙在在内内的的体体积积。。材材料料内内部部孔孔隙隙含含有有水水分分时时，，其其质质量量和和体体积积均均发发生生变变化化。。注注明明含含水水情情况况表观密度的的测量1）对形状规规则的材料料：砖、混凝土土等烘干－量测测几何体积积－称重－－代入公式式2）对形状不不规则的材材料：砂、石等烘干－蜡封封－浮力天天平（3）堆积密度度（松散容容重）－散粒状材料料在自然堆积积状态下单单位体积的的质量。单单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρ/o－堆积密度度（g/cm3）m－材料的质质量（g）V/o－材料的堆堆积体积（（cm3）堆积体积－－指包含颗颗粒内部孔隙和和颗粒之间间的空隙在内的体积积。堆积密度的的测量1）容器法：：散粒材料装装入容器－－量测体积积－称净重重－代入公公式2）自然堆积积法：堆积成一定定形状－量量测几何体体积－称重重－代入公公式2.与构造状态态有关的性性质（1）孔隙率与与孔隙特征征孔隙率－指指材料体积积内，孔隙隙体积与总总体积之百百分率，以以P表示。直接接反映材料料的致密程程度。式中P－材料的孔孔隙率（%）V－材料的自自然体积（（m3）V/o－材料的绝绝对密实体体积（m3）（2）空隙率空隙率－指指散粒或粉粉状材料颗颗粒之间的的空隙体积积占其自然然堆积体积积的百分率率，以P/表示。式中P/－材料的空空隙率（%）V/o－材料的自自然堆积体体积（m3）Vo－材料的自自然（或表表观）体积积（m3）例1.1某工地所用用卵石材料料的密度为为2.65g/cm3、表观密度度为2.61g/cm3、堆积密度度为1680kg/m3，计算此石石子的孔隙隙率与空隙隙率？解:石子的孔隙隙率P为：石子的空隙隙率P/为：1）亲水性材料料：当θ≤90°°时，水分子子之间的内内聚力小于于水分子与与材料表面面分子之间间的相互吸吸引力，材材料表面可可以被水浸浸湿，如木木材等。2）憎水性材料料：当θ>90°°时，水分子子之间的内内聚力小于于水分子与与材料表面面分子之间间的相互吸吸引力，材材料表面可可以被水浸浸湿，如防防水材料等等。3.与水有关的的性质（1）亲水性与与憎水性（2）吸水性1）质量吸水水率：材料料在吸水饱饱和时，其其所吸收水水分的质量量占材料干干燥时质量量的百分率率式中Wm－材料的质质量吸水率率（％）mb－材料吸水水饱和后的的质量（g）mg－材料烘干干至恒重的的质量（g）2）体积吸水水率：材料料在吸水饱饱和时，其其所吸收水水分的体积积占干燥材材料自然体体积的百分分率式中Wv－材料的体体积吸水率率（％）Vw－材料在吸吸水饱和时时，吸入水水的体积（（cm3）V0－材料烘干干至恒重的的质量（cm3）ρw－水的密度度（g/cm3）（3）吸湿性：：材料在潮潮湿的空气气中吸收水水分的性质质称为吸湿湿性，表征征其吸湿能能力的大小小的物理量量称为含水水率式中Wh－材料的含含水率（％％）ms－材料含水水时的质量量（g）mg－材料烘干干至恒重时时的质量（（g）（4）耐水性：：材料长期期在饱和水水作用下而而不破坏，，其强度也也不显著降降低的性质质。用软化化系数表示示式中KR－材料的软软化系数（（KR＝0～1）fb－材料在饱饱和状态下下的抗压强强度（MPa）fg－材料在干干燥状态下下的抗压强强度（MPa）软化系数大大于0.8的材料，通通常可以认认为是耐水水材料例1.2某石材在气气干、绝干干、水饱和和情况下测测得的抗压压强度分别别为174、178、165MPa，求该石材材的软化系系数，并判判断该石材材可否用于于水下工程程?解:该石材的软软化系数为为:由于该石材材的软化系系数为0.93，大于0.85，故该石材材可用于水水下工程。。（5）抗渗性：：材料抵抗抗压力水渗渗透的性质质称抗渗性性（不透水水性），有有两种不同同的表示方方法1）渗透系数数或式中K－材料的的渗透系系数（cm/h）W－透过材材料试件件的水量量（cm3）t－透水时时间（h）A－透水面面积（cm2）H－净水压压力（cm）d－试件的的厚度（（cm）2）渗透等等级：材材料在标标准试验验方法下下进行透透水试验验，以规规定的试试件在透透水前所所能承受受的最大大水压力力来确定定，其等等级用P表示式中P－渗透等等级H－开始透透水前最最大水压压力（MPa）渗透等级级分为P4、P6、P8、P10、P12五个等级级，相应应所能承承受的最最大水压压力（透透水前））分别为为0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2Mpa。（6）抗冻性性：材料料在吸水水饱和的的状态下下经受多多次冻结结和融化化作用（（冻融循循环）而而不破坏坏，同时时也不显显著降低低强度的的性质，，称为抗抗冻性，，其大小小用抗冻冻等级F表示，如如混凝土土抗冻性性按其冻冻融循环环次数分分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300共9个等级。。冻融破坏坏的桥梁梁4.与热有关关的性质质（1）导热性性：材料料传导热热量的能能力称为为导热性性。其大大小用导导热系数数（λ）表示，，热阻R=1/λ。式中λ－导热系系数（W/m.K）Q－传导的的热量（（J）A－热传导导面积（（m2）a－材料的的厚度（（m）t－热传导导时间（（s）T1-T2－材料两两侧温差差（K）（2）热容量量：材料料加热时时吸收热热量，冷冷却时放放出热量量的性质质称为热热容量。。其大小小用比热热容（c）表示，，热阻R=1/λ。式中c－材料的的比热容容（J/kg.K）Q－材料吸吸收或放放出的热热量（J）m－材料的的质量（（kg）a－材料的的厚度（（m）T1-T2－材料受受热火冷冷却后的的温度差差（K）1.材料的强强度1.2材料的力力学性质质（1）强度的的定义和和种类强度的定定义：材材料在外外力（荷荷载）作作用下抵抵抗破坏坏的能力力称为强强度，分分为抗压压强度、、抗拉强强度、抗抗弯强度度和抗剪剪强度，，土木工工程材料料常根据据极限强强度的大大小，划划分为不不同的强强度等级级或标号号。抗压强度度、抗拉拉强度、、抗剪强强度用f表示。式中f－材料的的强度（（MPa）F－破坏荷荷载（N）A－受力面面积（mm2）材料的抗抗弯强度度与试件件的几何何外形及及荷载施施加的方方式有关关。对于于矩形截截面的条条形试件件，当其其两支点点间作用用一集中中荷载时时，抗弯弯强度按按下式计计算：式中ftm－材料的的抗弯强强度（Mpa）F－破坏荷荷载（N）l－试件两两支点间间的距离离（mm）b、h－分别为为试件截截面的宽宽度和高高度（mm）当在试件件支点间间的三分分点处作作用两个个相等的的集中荷荷载时，，抗弯强强度则按按下式计计算：式中各符符号意义义同上。。（2）影响材材料强度度的因素素1）试件端端部约束束情况2）试件的的尺寸和和形状3）加荷速速度4）承压面面的平整整度5）试验环环境的温温湿度（3）材料的的比强度度比强度是是按单位位质量计计算的材材料的强强度，其其值等于于材料的的强度与与其表观观密度之之比（f/ρ0），是衡衡量材料料轻质高高强的一一个主要要指标。。2.材料的弹弹性与塑塑性1）弹性－－材料在在外力的的作用下下产生变变形，当当外力取取消后，，材料变变形即可可消失并并能完全全恢复原原来形状状的性质质。弹性模量量E=σ/ε2）塑性－－材料在在外力的的作用下下产生变变形，当当外力取取消后，，仍保持持变形后后的形状状和尺寸寸，并且且不产生生裂缝的的性质。。实际的材材料并不不存在理理想的弹弹性变形形和塑性性变形。。3.材料的脆脆性与韧韧性1）脆性－－在外力力作用下下直到破破坏前无无明显的的塑性变变形而发发生突然然破坏的的性质，，具有这这种破坏坏特征的的材料称称为脆性性材料材材料。脆性材料料（如天天然岩石石、普通通混凝土土、玻璃璃、石材材、砖等等）抵抗抗冲击或或震动荷荷载的能能力较差差。2）韧性－－在冲击击、震动动荷载的的作用下下，材料料能吸收收较大能能量，产产生一定定的变形形，而不不致破坏坏的性能能称为韧韧性，又又称冲击击韧性。。如木材材、建筑筑钢材、、沥青混混凝土等等。1.3材料料的的耐耐久久性性耐久久性性是是指指材材料料在在使使用用过过程程中中抵抵抗抗各各种种自自然然因因素素及及其其它它有有害害物物质质长长期期作作用用，，能能长长久久保保持持其其原原有有性性质质的的能能力力，，是是衡衡量量材材料料在在长长期期使使用用条条件件下下的的安安全全性性能能的的一一项项综综合合指指标标。。包括括：：抗抗冻冻性性－－混