土木工程材料的性质.ppt

1、1,1.2 材料的力学性质 1.2.1 强度、强度等级比强度 材料的强度：是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。强度分为抗压强度(a)；抗拉强度(b)；抗弯强度(c)；抗剪强度(d)。 材料的抗拉、抗压、抗剪强度，可用下式计算：f=P/A 式中 f抗拉(或抗压或抗剪)强度，MPa；P材料破坏时的最大荷载，N； A 受力面面积，mm2,2,材料所受外力示意图,3,ff抗弯(折)强度，MPa； P试件破坏时的最大荷载，N； L二支点之间距离，mm； b、h试件截面的宽度和高度，mm。 另一种是在试件二支点的三分点处作用两个相等的集中荷载，计算公式如下： ff=PL/bh2,4,5,6,2.

2、材料的强度等级 3.材料的比强度,7,1.2.2 材料的弹性与塑性 1.弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。这种可恢复的变形称弹性变形(如图)。 2.塑性：若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形(如图,8,材料的弹性、塑性变形曲线,9,材料在弹性范围内，其应力与应变之间的关系符合如下的虎克定律： E 式中 应力，MPa； 应变 E弹性模量，MPa。 弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结构设计中的主要参数之一。,10,11,荷载,变形,b,a,弹塑性变形,12,土木工

3、程中有不少材料称为弹塑性材料，它们在受力时，弹性变形和塑性变形会同时发生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留(见图)。,13,1.2.3脆性和韧性 脆性：材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，它的变形曲线如图17所示。,荷载,变形,14,韧性或冲击韧性：材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧性或冲击韧性。 它可用材料受荷载达到破坏时所吸收的能量来表示，由下式计算： ak=Ak/A 式中 aK材料的冲击韧性，Jmm2； AK试件破坏时所消耗的功，J； A试件受力净截面积，mm2。,15,134

4、硬度和耐磨性 硬度是材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。常用刻划法和压入法。 刻划法：常用于测定天然矿物的硬度，即按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石的硬度递增顺序分为10级，通过它们对材料的划痕来确定所测材料的硬度，称为莫氏硬度,16,压入法：是以一定的压力将一定规格的钢球或金刚石制成的尖端压入试样表面，根据压痕的面积或深度来测定其硬度。常用的压入法有布氏法、洛氏法和维氏法，相应的硬度称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 耐磨性是材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示，可按下式计算： M=(mo-m1)/A,17,式中 M耐磨率，gcm m0磨前重量，g； m1磨后重量

5、，g； A 试样受磨面积，cm2。 14 材料与水有关的性质,18,141 材料的亲水性与憎水性 当固体材料与水接触时，由于水分与材料表面之间的相互作用不同，会产生如图18(a)和(b)所示的两种情况。图中在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角。一般认为，当 90o时，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；当 90o时，,19,材料润湿示意图,20,憎水性材料：材料不能被水润湿而表现出憎水性，这种材料称为憎水性材料。 润湿边角越小，材料亲水性越强，越易被水润湿，当 0时，表示该材料完全被水润湿。 大多数土木工程材料，如砖、木、

6、混凝土等均属于亲水性材料；沥青、石蜡等则属于憎水性材料。,21,142 材料的含水状态 亲水性材料的含水状态可分为四种基本状态，如图19所示： 干燥状态材料的孔隙中不含水或含水极微； 气干状态材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡； 饱和面干状态材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和； 湿润状态材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。,22,材料的含水状态,23,143 材料的吸湿性和吸水性 (1)吸湿性 亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性。反之，在干燥空气中会放出所含水分，为还湿性。 材料的吸湿性用含水率表示，按下式计算： Wh=(ms-mg)/mg Wh-材料含水率，

7、； ms-材料吸湿状态下的重量，g；,24,mg-材料干燥状态下的重量，g。 材料的含水率随环境的温度和湿度变化发生相应的变化，材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。材料的开口微孔越多，吸湿性越强。 (2)吸水性 两个定义： 重量吸水率材料吸水饱和时，吸收的水分重量占材料干燥时重量的百分率，计算式如下：,25,Wm =(mb-mg)/mg 100% Wm -材料的重量吸水率,% ms-材料吸湿状态下的重量， mg-材料在干燥状态下的重量，g。 体积吸水率材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率，计算式如下：,26,Wv =(mb-mg)/vo 1

8、00% w水在常温下的密度(w lgcm3)； Vo 干燥材料在自然状态下的体积，cm3。 重量吸水率和体积吸水率两者存在以下关系： Wv=Wm o(118),27,中 o 材料干燥状态时的表观密度(简称干表观密度)，gcm3。 1.4.4 耐水性 材料的耐水性，是指材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。耐水性用软化系数表示： KR=fb/fg KR材料的软化系数；,28,fb材料在饱和吸水状态下的抗压强MPa； fg材料在干燥状态下的抗压强度MPa。 材料的KR在01之间，工程中将KR0.85的材料，称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，所用材料必须保证KR0.85

9、，用于受潮较轻或次要结构的材料，其值也不宜小于075。 1.4.5 抗渗性,29,材料的抗渗性，是指其抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级表示。 抗渗等级(记为P)，是以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力(MPa)来确定。 材料的渗透系数越小或抗渗等级越高，表明材料的抗渗性越好。,30,1.4.6 抗冻性 抗冻性：是指材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。 材料的抗冻性常用抗冻等级(记为F)表示。抗冻等级是以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数

10、即为抗冻等级。,31,材料受冻融破坏的原因，是材料孔隙内所含水结冰时体积膨胀(约增大9)，对孔壁造成的压力使孔壁破裂所致。,32,1.5 材料的热性质 材料的热性质主要包括热容性、导热性和热变形性。 151 热容性 同种材料的热容性差别，常用热容量比较。热容量，是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力， C =Q/(t1-t2) C热容量，JK；,33,不同材料的热容性，可用比热作比较。比热是指单位质量的材料升高单位温度时所需热量，公式如下c =Q/(t1-t2)m 式中 c材料的比热，J(kgK)； m材料的质量，kg。 152 导热性 = Qd/(t1-t2)AZ 导热系数，W(mK)；

11、Q 传导热量，J；,34,d 材料厚度，m； A 材料传热面积，m2； t1-t2材料两侧温差，K； Z传热时间，s。 材料的导热性与孔隙特征有关，增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力。 153 热变形性 材料的热变形性，是指材料在温度变化时的尺寸变化，除个别的如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。材料的热变形性常用线膨胀系数表示，,35,=L/L(t2-t1) 式中线膨胀系数，1K； L材料原来的长度，mm； L材料的线变形量，mm； t2-t1材料在升、降温前后的温度差，K。 16 材料的耐久性 材料的耐久性，是指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下，能长久地保持其性能的性质。,36,土木工程材料在使用中将受到环境的各种影响，除了前述的外界物理、力学作用外，还会发生某些化学变化。例如：钢筋会锈蚀，水