土木工程材料2材料基本性质（PPT50页)

第2章材料基本性质教学要求：掌握材料的物理性质和力学性质了解材料的耐久性、装饰性等等1.材料的密度、表观密度和堆积密度1.1密度定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。可按下式计算：Vm–––密度，g/cm3；m–––材料在干燥状态下的质量，g；V–––材料在绝对密实状态下的体积，cm3。（density）一、材料的物理性质测量方法有较多孔隙的材料，采用磨细后（粒径＜0.02mm）用李氏瓶测定其体积的方法。某些致密材料，如卵石等，可用直接排液法，用这种方法测量的体积，由于无法排除内部封闭的孔隙，所以称这样测得的密度为近似密度(a)－视密度。1.2表观密度定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。计算：00Vm0–––表现密度，g/cm3或kg/m3；m–––材料的质量，g，或kg；V0–––材料在自然状态下的体积，cm3或m3。（unitweight）1.3堆积密度定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。计算：0'0Vm0–––堆积密度，kg/m3；m–––材料的质量，kg；V0–––松散材料的堆积体积，m3。（heapeddensity）V0VVKVB开口孔封闭孔闭口孔隙自然状态下的块状材料开口孔隙VmPVVm0BKVVVm0实体实体空隙开口孔隙封闭孔隙装在容器里的粒状、粉状或块状材料V0´VVKVBV000‘’Vm2.材料的孔隙率和空隙率2.1材料的孔隙(1)孔隙率:材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率%100)1(%100000VVVp材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响：一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。孔隙数量用孔隙率表征。pVVD1%100%10000(2)密实度:材料内部固体物质的实际体积占材料总体积的百分率孔隙特征主要有两方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；（2）按孔隙是否与外界连通分为与外界连通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口孔）。把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB，则孔隙体积Vｐ=Vk+VB定义开口孔孔隙率为定义闭口孔孔隙率为则孔隙率为0VVpKK0VVpBBBKppp散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。(1)空隙率:散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率%100)1(%100000'00''VVVp2.2材料的空隙(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率'000'0'1%100%100pVVD(a)亲水性材料(b)憎水性材料90亲水材料90憎水材料3.1材料的亲水性与憎水性润湿边角:在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，切线与材料和水接触面的夹角。3.材料与水有关的性质3.2材料的含水状态四种基本含水状态：干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微；气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和；湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附有一层水膜。材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态饱和水表面水材料的含水状态(a)干燥状态(b)气干状态(c)饱和面干状态(d)湿润状态(a)(b)(c)(d)3.3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。用含水率表示%100ggshmmmWWh––––含水率；％ms––––材料含水状态下的质量，g；mg––––材料干燥状态下的质量，g。材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。平衡含水率：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。材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。（2）吸水性——材料在水中吸水的性质。用吸水率表示，有质量吸水率和体积吸水率两个定义：质量吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率；体积吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率；材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干燥状态时的表观密度。%100ggbmmmmW%10010wgbvVmmW工程上，建筑材料一般采用质量吸水率，如粘土砖为8～20％。吸水性和吸湿性会使材料绝热性降低，强度和耐久性产生不同程度的下降，体积发生变化，影响材料使用。3.4耐水性定义材料长期在水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质。用软化系数表示：kR=fb/fg。公式中fb表示材料在饱水状态下的抗压强度，Mpa；fg表示材料在干燥状态下的抗压强度，MpakR在0～1之间，不同材料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金属kR=1；土木工程中将kR＞0.85的材料称为耐水材料，用于潮湿环境中的重要结构。3.5抗渗性定义材料抵抗压力水渗透的性质常用渗透系数或抗渗标号表示：渗透系数：AtHQdksks––––渗透系数，cm/h；Q––––透水量，cm³；d––––试件厚度，cm；A––––透水面积，cm²；t––––时间，h；H––––静水压力水头，cm。抗渗性用抗渗等级Pn表示，抗渗等级是以规定的试件在规定的试验条件下，所能承受的最大水压力来确定；其中的n，表示材料所能承受的最大水压力（Mpa）的10倍，例如P4、P6、P10表示材料最大能承受0.4、0.6、1.0Mpa的水压力而不渗水。材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材料的抗渗性越好。。3.6抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性质。抗冻性用抗冻等级Fn表示，抗冻等级是以规定的试件在规定的试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显剥落所能经受的冻融循环次数来确定；其中的n，表示最大冻融循环次数，例如F25、F50等。干燥箱干燥箱混凝土抗渗仪混凝土抗渗试模（左）4.1热容性定义材料在温度变化时吸收或放出热量的能力不同材料的热容性可用比热进行比较。比热：单位质量的材料升高单位温度所需热量。4与热有关的性质定义4.2导热性材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力。常用导热系数表示：材料的导热性能与孔隙特征有关，增加孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能力。Λ≤0.23的材料称为绝热材料。AtTTQ)21(）－传热时间（）－传热面积（）－材料两侧温差（）－材料厚度（）－传热量（）（－导热系数StmAKTTmJQkmW221/4.3热变形性定义材料在温度变化时的尺寸变化常用线膨胀系数表示。有保温隔热要求的工程尽量选用热容量大、导热系数小的材料。土木工程材料在使用过程中经受各种破坏因素(物理的、化学的、环境的、生物的……等等)的作用，而能保持其使用性能的性质称为土木工程材料的耐久性。环境影响因素往往是复杂多变的，它们单独或交互作用于材料形成破坏。由于各种破坏因素的复杂性和多样性，使得耐久性是一个综合性概念。5材料的耐久性材料的耐久性包括抗冻性、抗渗性、抗化学侵蚀性、抗炭化性、大气稳定性、耐磨性等。耐久性是一项综合性指标，建筑材料应有良好的耐久性。从工程技术发展角度看，由按耐久性进行工程设计取代按强度进行工程设计更具科学性和实用性。然而，要按耐久性进行工程设计，尚需对各种材料的耐久性进行更为广泛深入的研究。提高材料耐久性是土木工程材料生产及应用的重要课题之一。1.强度与等级1.1材料的强度定义材料在外力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。二、材料的力学性质LLF/2F/2FFL/3FFL/3L/3(a)压力(b)拉力(c)弯曲(d)剪切材料所受外力：各种强度的计算公式如下：抗压、抗拉、抗剪的强度AFff––––强度，Mpa；F––––破坏时最大荷载，N；A––––受力截面面积，mm2。抗弯强度223bhFLftm1）(中点集中荷载)2）2bhFLftm(三分点两相等集中荷载)ftm––––抗弯强度，Mpa；F––––弯曲破坏时最大荷载，N；L––––两支点的间距，mm；b––––试件横截面积宽度，mm；h––––试件横截面积高度，mm。材料的抗弯强度又称为抗折强度，分两种情况：第一种为1个集中荷载（两个支点），代表构件为水泥胶砂试件（40mm×40mm×160mm）的抗折强度。第二种为2个集中荷载（两个支点），代表构件为公路水泥混凝土路面的水泥混凝土试件（150mm×150mm×550mm）的抗折强度。常见土木工程材料的强度见12页。许多土木工程材料常以其强度大小划分为若干等级，俗称“标号”。材料强度受以下三个因素的影响：材料内部结构和构造(强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系)。材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等)2.材料的比强度衡量材料是否轻质、高强的指标定义单位体积质量的材料强度,等于材料的强度与其表观密度之比3.材料的弹性与塑性弹性与塑性材料在承受外力时，如撤除外力的作用后，材料的几何形状能恢复原状，材料的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复变形，而残留一部分不能消失的变形，该残留部份称为塑性变形。材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公式：σ＝Εεσ——应力；ε——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比；Ε——弹性模量；弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需要的应力，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。弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。4.脆性和韧性（1）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。具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。从应力应变图中看材料的脆性（2）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。一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的能量作为指标。5.硬度和耐磨性硬度：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测定。刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨度表示。P156.材料的徐变和应力松弛当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而缓慢增加的过程，称为徐变。当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变，由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程，称为应力松弛。徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。材料的其它性质见教材，不作为重点。作业2-1试解释以下名词：（1）密度；（2）表观密度（容重）；（3）堆积密度；（4）孔隙率；（5）空隙率；（6）吸水率；（7）含水率；（8）比强度。2-2确定建筑成品或半成品的质量在工程上用来分析设计活载、地基承载力、现浇模板荷载、预制吊装荷载等等具有重要意义，根据设计图如何确定两框架柱之间的现浇梁板的质量？根据设计图如何确定1片预制T梁的质量？2-3一块烧结普通砖的外形尺寸为240mm×115mm×53mm。吸水饱和后的重为2940g烘干至恒重为2580g。今将该砖磨细并烘干后取代50g，用李氏瓶测得其体积为18.58cm3。试求该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。2-4称河砂500g，烘干至恒重时质量为494g，求此河砂的含水率。2-5某工程共需要煤矸砖（240mm×115mm×53mm）15万匹，用载质量为5吨的汽车分五批运完，每批需要安排汽车多少辆？（1m3砖的理论匹数为684匹，砖的容重为1.8t/m3）2-6有直径20mm，长14m的钢筋一捆25根，计算其总质量为多少kg？（钢材的密度为7.85t/m3）2-7收到含水率为3.5%的河砂1t，实为干砂多少t？如果需要干砂1t，应进含水率为3.5%的含水河砂多少t？2-8某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率为1.20%。今将该石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。求此碎石的表观密度和空隙率。2-9某材料的体积吸水率为10%，密度为3.0g/cm3,烘干后的表观密度为1500kg/m3。试求该材料的质量吸水率、开口