02 土木工程材料的基本性质

2土木工程材料的基本性质1）质量与体积密度ρ毛体积密度ρ0堆积密度ρ0’密度单位体积材料的质量＝密度相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状态有关材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。材料在自然状态下，单位体积的质量（又称表观密度）。散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。——绝对密实状态下，m/V——自然堆聚状态下，m/V0——松散堆积状态下，m/V0’2.2材料的物理性质密度、表观密度和堆积密度测量方法密度试样—粉末；体积测量—排液法。表观密度试样—块体；体积测量—直接测、蜡封排液法。堆积密度试样—颗粒；质量测量—固定体积法排除任何孔隙后，材料的绝对密实体积自然状态下体积＝绝对密实体积＋孔隙(开口与闭口)体积堆积体积＝自然状态体积＋堆积空隙体积为什么要蜡封？材料密度排序：金属材料无机非金属材料高分子材料纤维复合材料木材泡沫材料问题？对于某一种材料来说，其密度、毛体积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？答：密度＞毛体积密度＞堆积密度为什么？答：自然状态下的体积＝绝对密实体积＋孔隙体积；堆积体积＝密实体积＋孔隙体积＋空隙体积。a)孔隙率定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率p。p=如果材料处于干燥状态：p=[1－]×100%V0-Vρ×100%ρ0V02）孔隙率（p）与密实度（D）b)密实度定义：材料体积中被固体物质充实的程度D，D=×100%=1－p材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越小、导热性越大。VV03）间隙率（p’）与填充率（D’）b)填充率定义：颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。'0'0'00'1100100pVVD％ρρ％＝a)间隙率定义：散粒材料颗粒间的空隙体积（Vs）占堆积体积的百分率。％ρρ－％＝（100)11000'0'00'0'VVVp强度与比强度弹性与塑性脆性与韧性硬度与耐磨性2.3材料的力学性质工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形(刚度)为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和刚度，选择材料材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强度与刚度(形变)1)强度与比强度强度—材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度工程设计所涉及的材料强度。强度等级—土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干“强度等级”比强度—材料强度与材料的表观密度之比抗压强度测试直接拉伸测试劈裂拉伸测试四点弯曲试验弹性极限强度：材料应力~应变曲线上的弹性区最大应力极限强度:材料应力~应变曲线上的最大应力破坏(断裂)强度:材料破坏(断裂)时的强度f影响强度的因素①材料的组成②材料的孔隙率③材料含水率④温度⑤试件尺寸⑥加荷速度⑦表面状态2)变形性能卸载后材料的变形行为：变形可完全恢复变形不可恢复或部分恢复弹性当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性；具有这种性质的材料称为弹性材料；根据其应力—应变曲线，有:线弹性和非线弹性。塑性当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性；具有这种性质的材料称为塑性材料；其应力—应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的应力与应变之比都不相同。弹性与塑性线弹性特征：应力与应变成正比；应力～应变曲线是一条直线应力与应变之比(直线斜率)是弹性模量，为常数。E非线性特征：应力～应变曲线不是直线而是曲线应力与应变之比——弹性模量不是常数刚度与弹性模量Stiffness&ModulusofElasticity刚度:材料抵抗变形能力的量度弹性模量：应力与应变之比—-曲线上的斜率刚度用弹性模量来测量E=ddE3)脆性和韧性脆性材料在外力作用下，不发生明显的变形而突然破坏的一种性能，称为脆性；特点：其应力—应变曲线下的面积很小。具有这种性质的材料称为脆性材料韧性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较大的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。特点：其应力—应变曲线下的面积较大，这个面积就是其破坏前吸收的总能量。具有这种性质的材料称为韧性材料，对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。脆性材料在受压下的破坏形式韧性材料受压下的破坏形式PPFrictionforcesbulgebulge4)硬度和耐磨性硬度——材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力。01mmMA1）亲水性与憎水性根据水与材料表面的润湿角（接触角）θ的大小，有：亲水性0≤θ≤90°时，材料表面可被水所湿润；材料表面被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲水性材料。憎水性90°＜θ≤180°时，材料表面不可被水湿润，材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性。2.4材料与水有关的性质亲水性与憎水性材料的特征：材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。吸水性材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质称为吸水性。材料的吸水性用质量吸水率和体积吸水率表示。a）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：%100ggbmmmmW式中mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。2）吸水性和吸湿性b)体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WＶ表示。体积吸水率WＶ的计算公式为：%10010WgbvVmmW式中mb—材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg—材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。V0—材料在自然状态下的体积（cm3或m3）ρw—水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3吸湿性材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。表示方法：含水率平衡含水率材料在一定温度的环境下吸湿，与环境中湿度达到平衡时的含水率。%100ggshmmmW创新思维？1、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法阻塞毛细通道，技术措施？对材料中的毛细管壁进行憎水处理材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料的亲水性或憎水性密切相关：材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水开口孔隙越多，材料吸水率越大；开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性孔壁使水自动吸入；憎水性孔壁难以使水吸入。3)耐水性定义：材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。软化系数：＞0.85为耐水材料，该值越小耐水性越差。水对材料的破坏作用gbRffKRK溶解—溶蚀作用溶胀作用削弱质点相互作用力引起金属的锈蚀作用4)抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质。抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关。大孔且连通孔将使材料的抗渗系数降低。材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能耐水性耐化学腐蚀性抗冻性5）抗冻性抗冻性—材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的能力抗冻等级—材料丧失性能前能承受的最多冻融循环次数，次数愈多，等级越高冻融破坏的原因抗冻性的影响因素水结冰时，体积膨胀9％；当材料内部孔隙饱水情况下，发生多次冻融循环，在水结冰时产生的拉力作用下，产生裂缝、扩展、延伸，和连通，导致材料破坏。材料内部的孔隙率与孔隙特征孔隙内的饱水程度材料强度与韧性环境温度变化2.5材料的热物理性能导热性热容性热变形性1）导热性当材料两面存在温度差时，热量由高温侧向低温侧传递的能力，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示。导热系数计算式如下所示：)(12ttFZQd式中λ——导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ｑ－传导的热量，Ｊｄ—材料厚度，ｍ；Ｆ——热传导面积，m2Ｚ一热传导时间，s；（t2-t1）－材料两面温度差，K在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1Ｋ时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1㎡)的热量。导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙特征、含水率有关：金属＞非金属；多孔材料＜密实材料封闭孔隙＜开口连通孔隙潮湿＞干燥2）热容性材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示：)(12ttmQC式中C---材料的比热，J/（g·K）Q--材料吸收或放出的热量(热容量)m---材料质量，g（t2-t1）--材料受热或冷却前后的温差，K3）热变形性材料在温度变化时的尺寸变化。常用线膨胀系数表示：21()LLtt式中α——线膨胀系数，1/KL——材料原来的长度，mm△L——材料的线变形量，mm（t2-t1）——材料受热或冷却前后的温差，K材料的线膨胀系数与组成和结构有关：有机材料＞金属材料＞无机非金属材料非晶体材料＞晶体材料2.6材料的耐久性材料耐久性与土木工程的服役寿命影响材料耐久性的因素1）材料的耐久性与工程服役寿命耐久性材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因素的破坏，保持其原有性能且不变质、不破坏的能力，称为耐久性。工程服役寿命因材料性能的劣化，使得工程在使用环境下服役到功能的最低要求时所经历的时间——服役寿命。材料耐久性与工程服役寿命息息相关。2）影响材料耐久性的因素材料在使用中会被破坏的原因有两方面：内因，材料自身的内部因素因：材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH)2、挥发份、杂质等；材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。外因，材料服役环境因素：物理作用：光、热、雨水、风等化学作用：酸、碱、盐、水等生物作用：细菌、昆虫等END