土木工程材料的基本性質(zhì)ppt課件

1、2 2 土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì) 1質(zhì)量與體積 密度 毛體積密度0 堆積密度0 密 度l 單位體積材料的質(zhì)量密度l 相同質(zhì)量的材料的體積與物相和質(zhì)點的堆積狀態(tài)有關(guān) 材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量又稱表觀密度）。散粒材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。絕對密實狀態(tài) 下，m/V自然堆聚狀態(tài)下，m/V0松散堆積狀態(tài)下，m/V02.2 材料的物理性質(zhì)密度、表觀密度和堆積密度測量方法v密度v 試樣 粉末；體積測量排液法。v表觀密度v 試樣 塊體；體積測量直接測、蠟封排液法。v堆積密度v 試樣顆粒；質(zhì)量測量固定體積法排除任何孔隙后，材料的絕對密實

2、體積自然狀態(tài)下體積絕對密實體積孔隙(開口與閉口)體積堆積體積自然狀態(tài)體積堆積空隙體積為什么要蠟封？材料密度排序：金屬材料無機(jī)非金屬材料 高分子材料纖維復(fù)合材料木材泡沫材料問題問題 ？l對于某一種材料來說，其密度、毛體積密度對于某一種材料來說，其密度、毛體積密度和堆積密度之間的相互關(guān)系怎樣？和堆積密度之間的相互關(guān)系怎樣？ l 答：密度毛體積密度堆積密度答：密度毛體積密度堆積密度l為什么？為什么？l 答：答：l自然狀態(tài)下的體積絕對密實體積孔隙體自然狀態(tài)下的體積絕對密實體積孔隙體積；積；l堆積體積密實體積孔隙體積空隙體積。堆積體積密實體積孔隙體積空隙體積。a) 孔隙率 定義：材料中的孔隙體積與總體積

3、的百分比稱為孔隙率p。 p= 如果材料處于干燥狀態(tài)： p=1 100% V0-V100%0V02孔隙率孔隙率p與密實度與密實度D）b) 密實度 定義：材料體積中被固體物質(zhì)充實的程度D， D= 100% = 1p 材料的密實度越大，則強(qiáng)度越高、吸水率越小、導(dǎo)熱性越大。VV03間隙率間隙率p）與填充率）與填充率D） b) 填充率填充率 定義：顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。定義：顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。 00001100100pVVDva) 間隙率 v 定義：散粒材料顆粒間的空隙體積Vs占堆積體積的百分率。v v （100)110000000VVVpv強(qiáng)度與比強(qiáng)度v彈性與塑性v

4、脆性與韌性v硬度與耐磨性2.3 材料的力學(xué)性質(zhì)v工程結(jié)構(gòu)設(shè)計以承受最大荷載(強(qiáng)度)，而有最小的變形(剛度)v為了工程應(yīng)用效率最優(yōu)，應(yīng)按照材料的強(qiáng)度和剛度，選擇材料v材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在荷載(外力)作用下的強(qiáng)度與剛度(形變)1) 強(qiáng)度與比強(qiáng)度v強(qiáng)度材料抵抗荷載作用下的變形，保持原有形狀(不發(fā)生形變)或抵抗破壞的性能量度v根據(jù)荷載種類與作用方向，強(qiáng)度有：v抗壓強(qiáng)度v抗拉強(qiáng)度v抗彎強(qiáng)度v抗剪強(qiáng)度v工程設(shè)計所涉及的材料強(qiáng)度。v強(qiáng)度等級土木工程材料常根據(jù)其極限強(qiáng)度值的大小，人為劃分的若干“強(qiáng)度等級”v比強(qiáng)度材料強(qiáng)度與材料的表觀密度之比抗壓強(qiáng)度測試直接拉伸測試劈裂拉伸測試四點彎曲試驗彈性極限強(qiáng)度：材料應(yīng)

5、力應(yīng)變曲線上的彈性區(qū)最大應(yīng)力極限強(qiáng)度: 材料應(yīng)力應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)力破壞(斷裂)強(qiáng)度: 材料破壞(斷裂)時的強(qiáng)度f影響強(qiáng)度的因素 材料的組成 材料的孔隙率 材料含水率 溫度 試件尺寸 加荷速度 表面狀態(tài) 2) 變形性能 卸載后材料的變形行為：變形可完全恢復(fù)變形不可恢復(fù)或部分恢復(fù)v彈性 v當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料能夠完全恢復(fù)原來變形的性質(zhì)稱為彈性；v具有這種性質(zhì)的材料稱為彈性材料；v根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變曲線，有:線彈性和非線彈性。v塑性 v當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料仍保持變形后形狀和尺寸、并不發(fā)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性；v具有這種性質(zhì)的材料稱為塑性材料；v其應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的

6、，且不連續(xù)，每一點的應(yīng)力與應(yīng)變之比都不相同。彈性與塑性 線彈性特征：應(yīng)力與應(yīng)變成正比；應(yīng)力應(yīng)變曲線是一條直線應(yīng)力與應(yīng)變之比(直線斜率)是彈性模量，為常數(shù)。E非線性特征：應(yīng)力應(yīng)變曲線不是直線而是曲線 應(yīng)力與應(yīng)變之比彈性模量不是常數(shù)剛度與彈性模量Stiffness & Modulus of Elasticityv剛度: 材料抵抗變形能力的量度v彈性模量：應(yīng)力與應(yīng)變之比-曲線上的斜率v剛度用彈性模量來測量E=ddE3) 脆性和韌性v脆性v材料在外力作用下，不發(fā)生明顯的變形而突然破壞的一種性能，稱為脆性；v特點：其應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很小。v具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料v韌性v材料在外力作用

7、下，能吸收大量的能量，并能承受較大的變形而不至于破壞的性能，稱為韌性。v特點：其應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積較大，這個面積就是其破壞前吸收的總能量。v具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料，v對于脆性材料，極限強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度是一致的。v對于韌性材料，極限強(qiáng)度高于破壞斷裂強(qiáng)度。脆性材料在受壓下的破壞形式脆性材料在受壓下的破壞形式韌性材料受壓下的破壞形式韌性材料受壓下的破壞形式PPFriction forcesbulgebulge4) 硬度和耐磨性 v硬度材料抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的能力。v通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定材料的硬度。 v耐磨性材料表面抵抗磨損的能力。01mmMA1親水性與憎水性 根據(jù)水與材料表面

8、的潤濕角接觸角根據(jù)水與材料表面的潤濕角接觸角的的大小，有：大小，有：親水性親水性 0 90時，材料表面可被水所濕潤；材時，材料表面可被水所濕潤；材料表面被水濕潤，水可被材料所吸附，材料的料表面被水濕潤，水可被材料所吸附，材料的這種性能稱為親水性，這種材料稱為親水性材這種性能稱為親水性，這種材料稱為親水性材料。料。憎水性憎水性 90 180時，材料表面不可被水濕時，材料表面不可被水濕潤，材料稱為憎水性材料，這種性能稱為材料潤，材料稱為憎水性材料，這種性能稱為材料的憎水性。的憎水性。2.4 材料與水有關(guān)的性質(zhì) 親水性與憎水性材料的特征： 材料的親水性與憎水性主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)：有機(jī)材料一般

9、是憎水性，無機(jī)材料都是親水性。 水在憎水性材料的表面有自動收縮成珠的趨勢，不能潤濕材料的表面。對工程防水有利。 水在親水性材料的表面是自動散開和鋪展，并自發(fā)地潤濕表面。v吸水性v材料與水接觸時，其內(nèi)部孔隙會吸收水分，這種性質(zhì)稱為吸水性。v材料的吸水性用質(zhì)量吸水率和體積吸水率表示。va質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比，并以m 表示。質(zhì)量吸水率m 的計算公式為：%100ggbmmmmW2吸水性和吸濕性b) 體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以W表示。體積吸水率W的計算公式為： %10010WgbvVmmW

10、v吸濕性v材料在潮濕空氣中，會吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。v表示方法：含水率v平衡含水率 材料在一定溫度的環(huán)境下吸濕，與環(huán)境中濕度達(dá)到平衡時的含水率。%100ggshmmmW創(chuàng)新思維？1、為什么房屋一樓潮濕？2、如何解決？1、地下水沿材料毛細(xì)管上升，然后在空氣中揮發(fā)。2、解決問題的原理與辦法阻塞毛細(xì)通道，技術(shù)措施？對材料中的毛細(xì)管壁進(jìn)行憎水處理 材料的吸水濕性與材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)與材料的親水性或憎水性密切相關(guān)： 材料通過其內(nèi)部開口、連通的孔隙吸收外部環(huán)境的水開口孔隙越多，材料吸水率越大；開口連通孔徑較小，因毛細(xì)管作用而容易吸水。 親水性材料的吸水濕性比憎水性材料強(qiáng)。親水性孔壁使水自動吸入；憎水性孔

11、壁難以使水吸入。3) 耐水性v定義：材料長期在水作用下不破壞、強(qiáng)度也不明顯定義：材料長期在水作用下不破壞、強(qiáng)度也不明顯下降的性質(zhì)。下降的性質(zhì)。v軟化系數(shù)：軟化系數(shù)：v 0.85為耐水材料，該值越小耐水性越差。為耐水材料，該值越小耐水性越差。v水對材料的破壞作用水對材料的破壞作用gbRffKRK溶解溶蝕作用溶脹作用削弱質(zhì)點相互作用力引起金屬的銹蝕作用4) 抗?jié)B性抗?jié)B性 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)?？?jié)B性與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。大孔且連通抗?jié)B性與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。大孔且連通孔將使材料的抗?jié)B系數(shù)降低?？讓⑹共牧系目?jié)B系數(shù)降低。材料抗?jié)B性影響材料的其它耐久性性能材料抗?jié)B性影

12、響材料的其它耐久性性能耐水性耐化學(xué)腐蝕性抗凍性5抗凍性v抗凍性材料飽水下，抵抗凍融循環(huán)破壞作用的能力v抗凍等級材料喪失性能前能承受的最多凍融循環(huán)次數(shù)，次數(shù)愈多，等級越高v凍融破壞的原因v抗凍性的影響因素v 水結(jié)冰時，體積膨脹9；當(dāng)材料內(nèi)部孔隙飽水情況下，發(fā)生多次凍融循環(huán)，在水結(jié)冰時產(chǎn)生的拉力作用下，產(chǎn)生裂縫、擴(kuò)展、延伸，和連通，導(dǎo)致材料破壞。材料內(nèi)部的孔隙率與孔隙特征孔隙內(nèi)的飽水程度材料強(qiáng)度與韌性環(huán)境溫度變化2.5 材料的熱物理性能 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 熱容性熱容性 熱變形性熱變形性1 1） 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩面存在溫度差時，熱量由高溫側(cè)向低當(dāng)材料兩面存在溫度差時，熱量由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳遞的能力，

13、稱為材料的導(dǎo)熱性。溫側(cè)傳遞的能力，稱為材料的導(dǎo)熱性。 導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)表示。導(dǎo)熱系數(shù)計算式表示。導(dǎo)熱系數(shù)計算式如下所示：如下所示：)(12ttFZQd導(dǎo)熱系數(shù)與組成、結(jié)構(gòu)和孔隙率、孔隙特征、含水率有關(guān)：金屬非金屬；多孔材料密實材料封閉孔隙開口連通孔隙濕潤枯燥2 2） 熱容性熱容性材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。單位質(zhì)量材料溫度升高或降低單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1 1所吸所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計算式如下所示：熱。比熱的計算式如下所示：)(12ttmQC3 3） 熱變形性熱變形性材料在溫度變化時的尺寸變化。材料在溫度變化時的尺寸變化。 常用線膨脹系數(shù)表示：常用線膨脹系數(shù)表示：21()LL tt材料的線膨脹系數(shù)與組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)：有機(jī)材料金屬材料無機(jī)非金屬材料非晶體材料晶體材料2.6 材料的耐久性v材料耐久性與土木工程的服役壽命v影響材料耐久性的因素1材料的耐久性與工程服役壽命 v耐久性v 材料在長期使用過程中，抵抗其自身及外界環(huán)境因素的破壞，保持其原有性能且不變質(zhì)、不破壞的能力，稱為耐