土木工程材料讲义1土木工程材料的基本性质

第1章土木工程材料的基本性质1.1材料的物理性质(physicalproperties)1.1.1材料的密度、表观密度与堆积密度(1)密度(density)近似密度（视密度）(apparentdensity)(2)表观密度(apparentdensity)(3)堆积密度（散粒体）(bulkdensity)(forparticles)压实密度（compacteddensity）1.1.2材料的密实度与孔隙率(1)密实度(density)(2)孔隙率(porosity)1.1.3材料的填充率与空隙率（散粒体）(1)填充率(fillingratio)(2)空隙率(voidsratio,voidcontent,voidvolume)表1.1常用材料的密度、表观密度、堆积密度1.1.4材料与水有关的性质(1)材料的亲水性与憎水性亲水性（被水润湿θ≤90°）(hydrophilicnature)憎水性（润湿角θ＞90°）(hydrophobicnature)(2)材料的吸水性与吸湿性吸水性(waterabsorptivity)吸水率(waterabsorption)吸湿性(hydroscopicnature)含水率(moisturecontent)(3)材料的耐水性(抗水性)(waterresistance)软化系数(softeningcoefficient)1.1.5材料的抗冻性与抗渗性(1)抗冻性(frostresistance)水结冰时体积约增大9％，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。冻融循环(freezingandthawingcircle)抗冻等级(grade)D15(Dong)→F15(Freeze)(2)抗渗性(impermeability)渗透系数(coefficientofpermeability)抗渗等级S(Shen)→P(Permeate)1.2材料的基本力学性质1.2.1材料的强度(strength)(1)材料的抗压、抗拉及抗剪强度(2)材料的抗弯强度表1.3常用材料的强度/MPa1.2.2材料的弹性与塑性1.2.3材料的脆性与韧性1.3材料的热工、声学性质及材料的耐久性1.3.1材料的热工性质(1)材料的导热性（thermalconductivity)导热系数影响材料导热系数的主要因素①材料的表观密度②孔隙大小与构造③湿度④温度⑤热流方向(2)材料的热容量(heatcapacity)比热容(3)耐燃性（防失火）(flameresistance)建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。材料根据耐燃性可分为三大类：1)不燃烧类，如石材、混凝土、砖、石棉等；2)难燃烧类，如沥青混凝土、经防火处理的木材等；3)燃烧类，如木材、沥青等。(4)耐火性（耐高温）（耐热性）(fireresistance)材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。按耐火性高低可将材料分为以下3类：1)耐火材料，耐火度15800C，如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；2)难熔材料，耐火度13500C~15800C，如难熔粘土砖、耐火混凝土等；3)易熔材料，耐火度13500C，如普通粘土砖。1.3.2材料的声学性质(1)吸声性(soundabsorption)吸声系数(sound-absorptioncoefficient)(2)隔声性(soundinsulation)隔声与吸声不同隔声量（R）1.3.3材料的耐久性(durability)作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面：(1)物理作用,如干湿、冷热、冻融变化等；(2)化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。(3)生物作用，如虫蛀、腐朽。1.4材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响1.4.1材料的组成(1)化学组成(chemicalcomposition)(2)矿物组成(mineralcomposition)(3)相组成(phases)1.4.2材料的结构和构造(structure&constitution)(1)宏观结构(＞10-3mm的尺度,macro-structure)按孔隙特征可分为：1)致密结构2)多孔结构3)微孔结构按存在状态或构造特征分为：1)堆聚结构2)纤维结构-3)层状结构4)散粒结构(2)细观结构(亚微观结构)(10-3-10-6mm尺度,submicro-structure)金属材料的金相组织木材的木纤维混凝土内的微裂缝等(3)微观结构(10-6-10-10mm原子、分子尺度,micro-structure)1)晶体(crystal)①原子晶体(atomiccrystal)②离子晶体(ioniccrystal)③分子晶体(molecularcrystal)④金属晶体(metalcrystal)2)玻璃体(glass)3)胶体(gel)习题：(1)某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率1.2%。今将石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。求此碎石的表观密度和空隙率。(2)一块烧结普通砖的外型尺寸为24011553，吸水饱和后重为2940g，烘干至恒重为2580g。今将该砖磨细并烘干后取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。(3)某材料的体积吸水率为10%，密度为3,0g/cm3，绝干时的表观密度为1500kg/m3。试求该材料的质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？思考题(1)当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不变?(2)材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别?(3)材料的孔隙率和空隙率的含义如何?如何测定?了解它们有何意义?(4)亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?举例说明怎样改变材料的亲水性与憎水性?(5)普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为183kN，干燥状态的破坏荷载为207kN(受压面积为115mm×l20mm)，问此砖是否宜用于建筑物中常与水接触的部位?(6)塑性材料和脆性材料在外力作用下，其变形性能有何区别?(7)材料的耐久性应包括哪些内容?(8)建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各应具备哪些性质?弹性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全消失的性质。(elasticity)塑性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。(plasticity)材料的导热系数(coefficientofthermalconduction)材料的比热容(specificheatcapacity)材料的吸声系数(acousticalcoefficient)化学组成指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。如水泥化学组成：SiO220~24%CaO62~67%Fe2O32.5~6.0%AL2O34~7%MgO5%矿物组成将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。如水泥的矿物组成：3CaO.SiO237~60%2CaO.SiO215~37%3CaO.AL2O37~15%4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。建筑材料大多数是复合相。