土木工程材料最全总复习资料

绪论土木工程材料指土木工程结构物中使用的各种材料及制品。土木工程材料是土木工程的物质基础。0．1土木工程材料在土木工程中的地位1）必须具备足够的强度，能安全地承受设计荷载；2）材料自身的质量以轻为宜，以减小下部结构和地基的负荷；3）具有与使用环境相适应的耐久性，以减小维修费用；4）一定的装饰性；5）相应的功能性，如隔热、防水，隔声等。土木工程材料费用一般要占土木工程总造价的50%左右，有的高达70%。0．2土木工程材料的分类1）按化学成分可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。2）按使用功能分为承重和非承重材料、保温和隔热材料、吸声和隔声材料、防水材料、装饰材料等。3）按用途分为结构材料、墙体材料、屋面材料、地面材料、饰面材料，以及其它用途的材料等。0．3土木工程材料的发展趋势1）研制高性能材料。2）充分利用地方材料。3）节约能源。4）提高经济效益。0．4土木工程材料的标准化我国标准分为四级：国家标准（GB）部标准（JC、JG）地方标准（DB）企业标准（QB）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等。第一章土木工程材料的基本性质1.1材料的组成与结构1.1.1材料的组成材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材料物理、力学性质的重要因素。1）化学组成化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。2）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。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。例如水泥熟料的矿物组成为：3CaO.SiO237~60%、2CaO.SiO215~37%、3CaO.AL2O37~15%、4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%，若其中硅酸三钙（3CaO.SiO2）含量高，则水泥硬化速度较快，强度较高。3）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。建筑材料大多数是多相固体。1.1.2材料的结构1）宏观结构建筑材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。按其孔隙特征可分为：致密结构、多孔结构、微孔结构。按存在状态或构造特征分为：堆聚结构、纤维结构、层状结构、散粒结构。2）细观结构细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。如对天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织；对钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体。3）微观结构微观结构是指原子分子层次的结构。可用电子显微镜或X射线来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在10-6~10-10m。在微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度1）密度（俗称比重）密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中ρ——密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V——材料在绝对密实状态下的体积，m3。在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其密实体积。在测量某些致密材料（如卵石等）的密度时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，材料中部分与外部不连通的封闭孔隙无法排除，这时所求得的密度称为近似密度（ρa）2）表观密度（俗称容重）表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量，按下式计算：式中ρ0——表观密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积m3。表观密度一般是指材料在气干状态（长期在空气中干燥）下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。3）堆积密度（俗称松散容重）堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量，按下式计算：式中ρ’0——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量kg；V’0——材料的堆积体积m3。1.2.2材料的密实度与孔隙率1）密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，按下式计算：或2）孔隙率孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。用下式表示：即D+P=1或密实度+孔隙率=1材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。孔隙按尺寸大小又分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗孔隙。孔隙的大小及其分布对材料的性能影响较大。1.2.3材料的填充率与空隙率1）填充率填充率是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗填充的程度，按下式计算：或2）空隙率空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例，用下式表示：空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。1.2.4材料的亲水性和憎水性润湿是水被材料表面吸附的过程。当水与材料在空气中接触时，将出现1-1（a）或（b）的情况，在材料、水和空气的交界处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角（润湿边角）愈小，浸润性愈好。1.如果润湿边角θ为零，则表示该材料完全被水所浸润；2.当润湿边角θ≤90°时，如图1-2（a）所示，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材料；3.当＞90°时。如图1-2（b）所示，水分子之间的内聚力大于水分了与材料分子间的吸引力，则材料表面不会被浸润，此种材料称为憎水性材料。这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。1.2.5材料的吸水性与吸湿性1）吸水性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。质量吸水率计算公式如下：式中Wm——材料的质量吸水率(%)；mb——材料在吸水饱和状态下和质量(kg)；mg——材料在干燥状态下的质量(kg)。体积吸水率计算公式如下：式中Wv——材料的体积吸水率(%)；V0——干燥材料在自然状态下的体积(m3)；ρw——水的密度（kg/m3），在常温下取ρw=1000kg/m3。质量吸水率与体积吸水率存在下列关系：Wv=Wm·ρ0/1000材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大，闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大。2）吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。式中Wh——材料的含水率（%）；ms——材料在吸湿状态下的质量（kg）；mg——材料在干燥状态下的质量（kg）。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热材料，在潮湿空气中能吸收很多水分。这是由于这类材料的内表面积大，吸附水的能力强所致。材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自身质量增大，绝热性降低，强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响使用。不过利用材料的吸湿可起降湿作用，常用于保持环境的干燥。1.2.6材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：式中KR——材料的软化系数；fb——材料在饱水状态下的抗压强度(MPa)；fg——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。KR值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈大，即耐水性愈差。材料的软化系数KR在0~1之间。不同材料的KR值相差较大，如粘土KR=0，而金属KR=1，工程中将KR＞0.85的材料，称为耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR＞0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。1.2.7材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示：式中Ks——材料的渗透(cm/h)；Q——渗透水量(cm3)；d——渗透的厚度(cm)；A——渗水面积(cm2)；t——渗水时间(h)；H——静水压力水头(cm)。KS值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8Mpa的水压而不渗水。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下建筑、压力管道、容器等结构时，均需要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。1.2.8材料的抗冻性材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等，材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致(水结冰时体积增大约9%)。材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强。所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。1.2.9材料导热性能当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性用导热系数来表示。导热系数计算公式表示为：式中λ——材料的导热系数（W/(m·K)）；Q——传导的热量（J）；a——材料的厚度（m）；Z——传热时间（s）；（t1-t2）——材料两侧温度差（K）。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。工程中通常把λ0.23W/(m·K)的材料称为绝热材料。为降低建筑物的使用能耗，保证建筑物室内气候宜人，要求建筑物有良好的绝热性。材料的导热系数大小与其组成与结构、孔隙率、孔隙特征、温度、湿度、热流方向有关。1.3材料的基本力学性质1.3.1材料的强度材料的抗压、抗拉及抗剪强度的计算公式如下：式中f——材料强度，MPa；Fmax——破坏时最大荷载，N；A——受力截面积，mm2。矩形截面试件中点加载抗弯强度用下式计算：三分点加载抗弯强度要用下式计算：式中fm——抗弯强度，MPa；Fmax——弯曲破坏时最大荷载，N；L——两支点的间距，mm；b、h——试件横截面的宽及高，mm。一般孔隙率越大的材料强度越低，其强度与孔隙率具有近似直线的比例关系。砖、石材、混凝土和铸铁等材料的抗压强度较高，而其抗拉及抗弯强度很低。木材则须纹抗拉强度高于抗压强度。钢材的抗拉、抗压强度都很高。因此，砖、石材、混凝土等多用在房屋的墙和基础。钢材则适用于承受各种外力的构件。大部分建筑材料是根据其强度的大小，将材料划分为若干不同的等级（标号）。将建筑材料划分若干等级，对掌握材料性质，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量都是非常重要的。1.3.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。单纯的弹性材料是没有的。建筑钢材在受力不大的情况下，表现为弹性变形，但受力超过一定限度后，则表现为塑性变形。混凝土在受力后，弹性变形及塑性变形同时产生。1.3.3脆性与韧性当外力达到一定限度后。材料突然破坏，而破坏时并无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都属于脆性材料。在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性（冲击韧性）。建筑钢材（软钢）、木材等属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑到材料的韧性。1.4材料的耐久性耐久性是材料在长期使用过程中抵抗其自身及环境因素长期破坏作用，保持其原有性能而不变质、不破坏的能力。侵蚀破坏作用类型包括