土木工程材料(第2版)焦宝祥绪论+第1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”本章小结本章练习题内容：•1.1材料的物理性质•1.2材料的力学性质•1.3材料的耐久性•1.4材料的组成、结构对性质的影响•案例分析•本章小结•练习题（1）第1章土木工程材料的基本性质1.1材料的物理性质•1.与质量有关的性质•密度、表观密度、堆积密度、•2.与构造状态有关的性质•孔隙率与孔隙特征、空隙率•3.与水有关的性质•亲水性与憎水性、吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性•4.与热有关的性质•导热性、热容量•（1）密度（实际密度）材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρ－密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）绝对密实状态下的体积－是指不包括材料内部孔隙在内的体积。Vm密度（实际密度）的测量1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等量测几何体积－称重－代入公式2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材等磨成细粉－李氏比重瓶法测试•（2）表观密度表观密度（容重）－材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρo－表观密度（g/cm3）m－材料的质量（g）Vo－材料在自然状态下的体积（cm3）自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况ooVm表观密度的测量1）对形状规则的材料：砖、混凝土等烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：砂、石等烘干－蜡封－浮力天平（3）堆积密度（松散容重）－散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρ/o－堆积密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V/o－材料的堆积体积（cm3）堆积体积－指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。ooVm堆积密度的测量1）容器法：散粒材料装入容器－量测体积－称净重－代入公式2）自然堆积法：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式2.与构造状态有关的性质（1）孔隙率与孔隙特征孔隙率－指材料体积内，孔隙体积与总体积之百分率，以P表示。直接反映材料的致密程度。式中P－材料的孔隙率（%）V－材料的自然体积（m3）V/o－材料的绝对密实体积（m3）%100)1(%100oooVVVP（2）空隙率空隙率－指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率，以P/表示。式中P/－材料的空隙率（%）V/o－材料的自然堆积体积（m3）Vo－材料的自然（或表观）体积（m3）%100)1(1/////oooooooVVVVVP例1.1某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解:石子的孔隙率P为：石子的空隙率P/为：%63.3561.268.11110000000VVVVVP1）亲水性材料：当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿，如木材等。2）憎水性材料：当θ90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿，如防水材料等。3.与水有关的性质（1）亲水性与憎水性（2）吸水性1）质量吸水率：材料在吸水饱和时，其所吸收水分的质量占材料干燥时质量的百分率式中Wm－材料的质量吸水率（％）mb－材料吸水饱和后的质量（g）mg－材料烘干至恒重的质量（g）％－＝100ggbmmmmW2）体积吸水率：材料在吸水饱和时，其所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率式中Wv－材料的体积吸水率（％）Vw－材料在吸水饱和时，吸入水的体积（cm3）V0－材料烘干至恒重的质量（cm3）ρw－水的密度（g/cm3）％－＝1001%1000010vWWVmmVVW（3）吸湿性：材料在潮湿的空气中吸收水分的性质称为吸湿性，表征其吸湿能力的大小的物理量称为含水率式中Wh－材料的含水率（％）ms－材料含水时的质量（g）mg－材料烘干至恒重时的质量（g）％－＝100shggmmmW（4）耐水性：材料长期在饱和水作用下而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示式中KR－材料的软化系数（KR＝0～1）fb－材料在饱和状态下的抗压强度（MPa）fg－材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）软化系数大于0.8的材料，通常可以认为是耐水材料gbRffK＝例1.2某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程?解:该石材的软化系数为:93.0178165gbRffK由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。（5）抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质称抗渗性（不透水性），有两种不同的表示方法1）渗透系数或式中K－材料的渗透系数（cm/h）W－透过材料试件的水量（cm3）t－透水时间（h）A－透水面积（cm2）H－净水压力（cm）d－试件的厚度（cm）AtHWdK＝tdhAKW＝2）渗透等级：材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定，其等级用P表示式中P－渗透等级H－开始透水前最大水压力（MPa）渗透等级分为P4、P6、P8、P10、P12五个等级，相应所能承受的最大水压力（透水前）分别为0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2Mpa。110HP＝（6）抗冻性：材料在吸水饱和的状态下经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不显著降低强度的性质，称为抗冻性，其大小用抗冻等级F表示，如混凝土抗冻性按其冻融循环次数分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300共9个等级。冻融破坏的桥梁4.与热有关的性质（1）导热性：材料传导热量的能力称为导热性。其大小用导热系数（λ）表示，热阻R=1/λ。式中λ－导热系数（W/m.K）Q－传导的热量（J）A－热传导面积（m2）a－材料的厚度（m）t－热传导时间（s）T1-T2－材料两侧温差（K）)(a21TTAtQ（2）热容量：材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容量。其大小用比热容（c）表示，热阻R=1/λ。式中c－材料的比热容（J/kg.K）Q－材料吸收或放出的热量（J）m－材料的质量（kg）a－材料的厚度（m）T1-T2－材料受热火冷却后的温度差（K）)(mc21TTQ1.材料的强度1.2材料的力学性质（1）强度的定义和种类强度的定义：材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度，分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度，土木工程材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度用f表示。式中f－材料的强度（MPa）F－破坏荷载（N）A－受力面积（mm2）AFf材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的方式有关。对于矩形截面的条形试件，当其两支点间作用一集中荷载时，抗弯强度按下式计算：式中ftm－材料的抗弯强度（Mpa）F－破坏荷载（N）l－试件两支点间的距离（mm）b、h－分别为试件截面的宽度和高度（mm）当在试件支点间的三分点处作用两个相等的集中荷载时，抗弯强度则按下式计算：式中各符号意义同上。2tm23bhFlf2tmbhFlf•（2）影响材料强度的因素1）试件端部约束情况2）试件的尺寸和形状3）加荷速度4）承压面的平整度5）试验环境的温湿度•（3）材料的比强度比强度是按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料的强度与其表观密度之比（f/ρ0），是衡量材料轻质高强的一个主要指标。2.材料的弹性与塑性1）弹性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。弹性模量E=σ/ε2）塑性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。3.材料的脆性与韧性1）脆性－在外力作用下直到破坏前无明显的塑性变形而发生突然破坏的性质，具有这种破坏特征的材料称为脆性材料材料。脆性材料（如天然岩石、普通混凝土、玻璃、石材、砖等）抵抗冲击或震动荷载的能力较差。2）韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料能吸收较大能量，产生一定的变形，而不致破坏的性能称为韧性，又称冲击韧性。如木材、建筑钢材、沥青混凝土等。1.3材料的耐久性•耐久性是指材料在使用过程中抵抗各种自然因素及其它有害物质长期作用，能长久保持其原有性质的能力，是衡量材料在长期使用条件下的安全性能的一项综合指标。•包括：抗冻性－混凝土、砖、石材抗风化性－陶瓷、砖抗老化性－有机建材耐化学腐蚀－金属材料1.4材料的组成、结构对性质的影响•（1）化学组成及其对材料性能的影响•（2）矿物组成及其对材料性能的影响1.材料的组成及其对材料性能的影响2.材料的结构及其对材料性能的影响•（1）宏观结构•1）致密结构、2）多孔结构、3）纤维结构、4）层状结构、5）散粒结构•（2）亚微观结构•（3）微观结构•1）晶体结构、2）玻璃体、3）胶体案例分析案例分析本章小结本章练习题本章练习题