土木工程材料第一章

目录1绪论3气硬性胶凝材料4水硬性胶凝材料-水泥5混凝土6建筑砂浆6烧结砖2建筑钢材8合成树脂9沥青材料10木材11其它工程材料12土木工程材料试验1.绪言1.2材料的基本状态参数1.5材料的热性质1.3材料的力学性质1.6材料的耐久性1.4材料与水有关的性质1.1概述1.1概述土木工程材料是土木工程的物质基础材料科学与工程简介土木工程材料的发展历程及前沿土木工程材料的分类土木工程材料的标准化学习目的与意义学习内容一、土木工程材料是土木工程的物质基础茅草房土坯房秦砖汉瓦画像砖、瓦当金字塔及狮身人面像古罗马斗兽场故宫(“玉砌朱栏”)汉白玉:纯白色的大理石三峡工程预计混凝土浇筑约2800万m3“鸟巢”总用钢量11万吨“水立方”世界最大的膜结构工程四氟乙烯聚合物ETFE玻璃幕墙玻璃改变世界新型干粉砂浆自流平砂浆瓷砖粘结砂浆无收缩灌浆你想拥有吗？再装修一下呢陶瓷的魅力石拱桥赵州桥“天下第一桥”小桥•流水•人家西湖断桥枫桥洛阳桥我国第一座跨海大石桥，被誉为“海内第一桥”高速公路水泥混凝土和沥青混合料悬索式双塔结构沙特阿拉伯跨海大桥北京四元桥中国目前最大城市立交桥材料：用于结构、机器、器件等产品的具有某些性能的物质。是冶金、机械、化工、建筑、信息、能源、航天航空等工业的支撑，是社会发展与技术进步的物质基础和技术先导。土木工程材料：应用于土木工程中使用的各种材料和制品。材料科学与工程是属于工学门类的一级学科。以数学、力学以及物理、化学等自然科学学科为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合，多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学。二、材料科学与工程简介按材料的化学成分分类：按功能分类：结构材料功能材料土木工程材料三、土木工程材料的分类主要作为承重的材料，如梁、板、柱所用材料。主要利用材料的某些特殊功能，如用于防水、装饰、保温等的材料。石、土、木；秦砖汉瓦；波特兰水泥的发明（1824年）及随后混凝土的问世；炼钢技术（19世纪中叶）及钢材的应用；人工合成高分子材料（20世纪初）及化学建材；预应力混凝土；特殊功能材料；机敏材料、智能材料。自感知、自调节、自修复材料；材料取旧利废。环境友好型材料、绿色建材；轻质、高强、耐久、复合。计算材料学。四、土木工程材料发展历程及前沿五、土木工程材料的标准化技术标准的代号推荐性标准（T）。如GB/T、JC/T、JG/T。国家标准（GB）国际标准（ISO）美国材料试验学会标准（ASTM）日本工业标准（JIS）德国工业标准（DIN）英国标准（BS）法国标准（NF）建筑工程国家标准（GBJ）国家级专业标准（ZB）建设部行业标准（JGJ）建筑工程行业标准（JG）建材标准（JC）冶金部标准（YB）中国工程建设标准化协会标准（CECS）化工部标准（HG）地方标准（DB）企业标准（QB）《土木工程材料》：专业技术基础课理解土木工程；设计；施工、监理、检测；新材料、新产品研制开发。材料费用一般占建筑工程总造价的50-70。六、学习目的与意义1.绪言1.2材料的基本状态参数1.5材料的热性质1.3材料的力学性质1.6材料的耐久性1.4材料与水有关的性质1.1概述1.2材料的基本状态参数材料的密度、表观密度和堆积密度材料的孔隙和空隙一、材料的密度、表观密度和堆积密度1、密度（ρ）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）1、密度（ρ）所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体体积。如何测？测量方法有较多孔隙的材料，采用磨细后用李氏瓶测定其体积的方法。李氏密度瓶1、密度（ρ）一般要求细粉的粒径至少小于0.20mm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)。测量方法1、密度（ρ）2、表观密度（ρ0）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，或称表观体积，cm3或m3（unitweight）一、材料的密度、表观密度和堆积密度表观体积:包括孔隙在内的体积。即固体体积＋孔隙体积。如何测？不规则：排液、蜡封一般测定表观密度时，以干燥状态为准，而对含水状态下测得的表观密度，须注明含水情况。2、表观密度（ρ0）规则：量尺寸计算3、堆积密度（ρ0/）定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。计算：00‘Vm0–––堆积密度，kg/m3；m–––材料的质量，kg；V0–––材料的自然堆积体积，m3。（heapeddensity）一、材料的密度、表观密度和堆积密度3、堆积密度（ρ0/）堆积体积:固体体积＋孔隙体积＋颗粒间空隙。一般针对粉状或粒状材料。如何测？自然堆积：堆积方式是松散的；紧密堆积：堆积方式是捣实的。散粒材料填充容器的体积。常用土木工程材料的密度、表观密度及堆积密度材料密度ρ/g·cm-3表观密度ρ0/kg·m-3堆积密度ρ/0/kg·m-3石灰岩2.601800~2600—花岗岩2.802500~2900—碎石（石灰岩）2.60—1400~1700砂2.60—1450~1650普通粘土砖2.501600~1800—空心粘土砖2.501000~1400—水泥3.20—1200~1300普通混凝土—2100~2600—轻集料混凝土—800~1900—木材1.55400~800—钢材7.857850—泡沫塑料—20~50—密度的应用干粉砂浆生产线二、材料的孔隙和空隙1、材料的孔隙(1)孔隙率:材料内部孔隙体积（VP)占材料总体积(V0）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%1000VVD或%1000D1PD即密实度+孔隙率=1•例：某种普通粘土砖ρ0=1500kg/m3，ρ=2.5g/cm3。那么其密实度？孔隙率？D=ρ0÷ρ×100%=1500÷2500×100%=60%p=1-D=40%孔隙率反映孔隙多少或致密程度孔隙增多强度降低导热性能降低透气性，透水性，吸水性变大抗冻性一般提高。体积密度减小1、材料的孔隙材料的孔隙特征主要有三方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；（2）按空隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔和互相贯通的连通孔；（3）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）。1、材料的孔隙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。（3）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(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2.（散粒）材料的空隙散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。%100)1(%1000/0/00/0/0/VVVVVPS(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2.（散粒）材料的空隙与空隙率相对应的是填充率1PD或填充率+空隙率=1例1：烧结普通砖的尺寸为240mm×115mm×53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和后质量为2984g。试求该砖的表观密度、密度、开口孔隙率及闭口孔隙率。V=Vo-V孔=921.6cm3解：Vo=24×11.5×5.3=1462.8cm3ρo=m/Vo=2487/1462.8=1.7g/cm3P=V孔/Vo×100%=37%故V孔=P×Vo=541.236cm3ρ=m/V=2487/921.6=2.7g/cm3PB=P-PK=37%-34%=3%VK=（m含水-m)/ρ水=（2984-2487）/1=497cm3PK=VK/Vo×100%=497/1462.8×100%=34%•例2：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：%51.165.261.21110000VVVVVP石子的空隙率P，为：%63.3561.268.11110000000VVVVVP例3：有一个1.0升的容器，平装满碎石后，碎石重1.5Kg。为测其碎石的表观密度，将所有碎石倒入一个8.55升的量器中，向量器中加满水后称重为9.3Kg，试求碎石的堆积密度、表观密度及堆积的空隙率。1.绪言1.2材料的基本状态参数1.5材料的热性质1.3材料的力学性质1.6材料的耐久性1.4材料与水有关的性质1.1概述1.3材料的力学性质强度与比强度弹性与塑性硬度与耐磨性脆性与韧性材料的强度：外力作用下不破坏时能承受的最大应力。按外力作用方式：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。压力拉力弯曲剪力一、强度与比强度各种强度的计算公式如下：抗压、抗拉、抗剪的强度APff––––强度，Mpa；P––––破坏时最大荷载，N；A––––受力截面面积，mm2。一、强度与比强度抗弯强度223bhPLff1）(中点集中荷载)2）2bhPLff(三分点两相等集中荷载)ff––––抗弯强度，Mpa；P––––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。常用土木工程材料的强度（N/mm2或MPa）材料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗岩100～2505～810～14普通粘土砖10～30—2.6～5.0混凝土10～1001～83.0～10.0松木（顺纹）30～5080～12060～100建筑钢材240～1500240～1500—材料强度的影响因素：材料组成、孔隙率、含水率、尺寸、加载速度、表面状况。材料的比强度定义：单位体积重量的材料强度，等于材料的强度与其表观密度之比。一、强度与比强度衡量材料轻质高强性能的主要指标。钢材、木材和混凝土的强度比较材料表观密度/kg·m-3抗拉强度/MPa比强度低碳钢78004200.053松木50035（顺纹）0.070普通混凝土2400300.012材料的比强度一、强度与比强度二、材料的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，这种可恢复的变形称为弹性变形；若撤除外力，材料仍保持变形后的形态和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形。1.弹性：弹性变形：可完全恢复的变形材料的弹性变形曲线外力作用→变形外力除去→变形保持塑性变形：不能恢复的变形材料的塑性变形曲线二、弹性与塑性外力作用→变形外力除去→变形完全恢复2.塑性：σ—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；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＝Εε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。真实材料中，完全的弹性材料或完全的塑性材料不存在。3.弹塑性变形：材料的弹塑性变形曲线外力作用→变形；卸载后→弹性变形恢复，塑性变形保留。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。1.脆性：外力达到一定限度→材料突然破坏（无明显塑性变形）脆性材料的变