土木工程材料1-基本性质

第1章内容：材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性1.1材料的基本物理性质内容：•材料的状态参数•材料的结构参数•材料与水有关的性质•材料的热工性质一、材料的状态参数1、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）实际密度的测量: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。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、石材磨成细粉－李氏比重瓶法测试密度测量仪器密度演示实验2、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或kg/m3）m－材料的质量（g或kg）Vo－材料在自然状态下的体积（cm3或m3）表观密度的测量: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1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：烘干－蜡封－浮力天平实验演示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或kg/m3）m－材料的质量（g或kg）V/o－材料的堆积体积（cm3或m3）堆积密度的测量:堆积体积－是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。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•砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积常用材料的状态参数见教材P9－表1－1材料的状态参数的体积对比4、密实度－指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。公式:影响材料的：强度；吸水性耐久性；导热性5、孔隙率－指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。公式:孔隙率与密实度的关系:P+D=1孔结构－孔隙率＋孔径尺寸＋开口形状影响材料的:强度、吸水性、耐久性、导热性材料内部孔隙示意图封闭孔连通孔孔隙对材料性能的影响孔隙率与强度的关系见右图：随着孔隙率减小，表观密度提高，吸水率降低，强度和耐久性提高。吸水率强度耐久性表观密度孔隙率6、填充率－指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。反映散粒材料堆积的致密程度。公式:%100///ooVVD007、空隙率－散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。公式:空隙率与填充率的关系P/+D/=1二、材料与水有关的性质1、亲水性与憎水性亲水性材料θ≤90°憎水性材料θ＞90°材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角θ表示。润湿角θ润湿角示意图演示实验2、吸水性－材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。公式:式中W质－材料的质量吸水率（％）m湿－材料吸水饱和后的质量（g）m干－材料烘干到恒重的质量（g）％－＝干干湿质100mmmW影响吸水率大小的因素：•材料的本性－亲水性或憎水性材料•材料的孔结构－孔径大小、开口与否、孔隙率大小等吸水性对材料的影响：•导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利•强度降低、体积膨胀3、吸湿性－材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。公式:式中W含－材料的质量含水率（％）m湿－材料含水时的质量（g）m干－材料烘干到恒重的质量（g）％－＝干干含含100mmmW影响含水率大小的因素：•材料的本性－亲水性或憎水性材料•环境温度、湿度－气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高吸水性对材料的影响：•导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利•体积膨胀－对木结构和木制品不利4、耐水性－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。公式:式中K软－材料的软化系数（K软＝0～1）f饱－材料在饱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）材料软化系数的要求•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。•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；•受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软≥0.85；•K软≥0.85的材料，一般称为耐水的材料。5、抗渗性－材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。依达西定律:式中K－材料的渗透系数（ml/cm2.s）W－透过材料试件的水量（ml）t－透水时间（s）A－透水面积（cm2）H－净水压力（cm）d－试件的厚度（cm）抗渗实验抗渗等级•对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(Pn)表示：•地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。•渗透系数越大，材料的抗渗性越差。•影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征如P2,P4,P6,P8等，分别表示可抵抗0.2MPa,0.4MPa,0.6MPa,0.8MPa的水压力不渗透6、抗冻性－材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。用抗冻标号Fn表示。即：F10;F15;F25;F50;F100;F150;F200;F250;F300数值为抵抗冻融循环次数。对孔壁产生的压力可达100MPa冻融破坏的原因•材料有孔且孔隙含水•水→冰体积膨胀9％，结冰压力高达100MPa•结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂•裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度•饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏•反复多次－进一步加剧－最终材料崩溃•严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏冻融破坏的桥梁海上钻井平台大贝尔特海峡工程（Denmark丹麦）HighwayBridgeinServiceof20Years使用20年的高速公路桥梁四、材料的热工性质1、导热性－材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（λ）表示。公式:式中λ－热导率（W/m.K）热阻R=1/λQ－传导的热量（J）A－热传导面积（m2）δ－材料的厚度（m）t－热传导时间（s）(T2-T1)－材料两侧温差（K）•材料的热导率越小，绝热性能越好。•影响热导率的因素：材料内部的孔隙构造－密闭的空气使λ降低材料的含水情况－含水、结冰使λ增大•常见热导率参数：•泡沫塑料λ＝0.035水λ＝0.58•大理石λ＝3.5冰λ＝2.2•钢材λ＝58空气λ＝0.023•混凝土λ＝1.51松木λ＝1.17～0.352、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。大小用比热容（比热）表示公式Q=Cm(T2－T1)式中Q－材料吸收或放出的热量（J）C－材料的比热(J/g.K)m－材料的质量（g）(T2－T1)－材料受热或冷却前后的温差（K)比热的建筑物理意义•材料的比热对保持建筑物内部温度稳定有很大关系，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不匀时，缓和室内温度的波动。•常见材料的比热（单位J/g.K）•钢材c=0.48空气c=1.00•木材c=2.72水c=4.18材料的热工要求•保温－防止室内热量的散失•隔热－防止外部热量的进入－统称为绝热•为构筑舒适的室内空间，对材料要求热阻（R＝1/λ）要大，即热导率要小,比热要大1.2材料的基本力学性质主要内容：•材料的强度、比强度•材料的弹性与塑性•材料的脆性与韧性•材料的硬度与耐磨性一、材料的强度、比强度•强度－材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。•依受力形式有：抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度等•不同材料的承载特点是不同的：混凝土、石材、砖－抗压强度高钢材、各类纤维－抗拉强度高强度分类及公式演示强度等级•建筑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。•如混凝土按抗压强度划分为C7.5～C80水泥按抗压和抗拉强度划分为32.5#~62.5#砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级•热轧钢筋按屈服强度划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级比强度•比强度－材料的强度与其表观密度的比值（fc/ρo）。用于评价材料轻质高强•几种材料的强度比较材料表观密度ρ0(kg/m3)强度fc(MPa)比强度（fc/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025二、材料的弹性与塑性•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/ε•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。ba变形荷载0Aab—弹性变形弹塑性材料的变形曲线ob—塑性变形低碳钢的应力应变(σ～ε)曲线低碳钢拉伸实验演示混凝土的σ～ε曲线三、材料的脆性与韧性1.脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。2.韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等。四、材料的硬度与耐磨性1、硬度•硬度－是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。•莫氏硬度（10级）1－滑石2－石膏3－方解石4－萤石5－磷石灰6－正长石7－石英8－黄玉9－刚玉10－金刚石•肖氏硬度布氏硬度（HB）刻划法压入法2、耐磨性•耐磨性－材料表面抵抗磨损的能力。常用磨损率（B）表示。公式:式中m1、m2－试件被磨损前后的质量（g）A－试件受磨损的面积（cm2）•道路、地面、踏步、水库泄洪道等。AmmB211.3材料的耐久性•定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。•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－金属材料耐久性主要：渗透性抗冻性抗腐蚀性抗碳化性抗侵蚀性碱骨料反应碱骨料反应抗腐蚀性抗侵蚀性抗碳化性抗冻性抗渗性耐久性侵蚀介质•物理介质－温度、湿度、冻融、阳光、辐射。•化学介质－酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气。•生物介质－昆虫、菌类、白蚁。•机械介质－荷载、冲击、震动、磨损、磨耗。如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等。耐久性的特点•长期性、后期加剧作用；•多种介质同时作用；•材料劣化－结构失效－服务寿命降低。原北京西直门桥冻融破坏的水库坝面冻融破坏的桥梁本章作业教材：P15页1.3和1.6题