嘉義大學(xué)課件

1、第一章 緒論土木與水資源工程學(xué)系劉玉雯1第1頁，共55頁。第一章 緒論1-1 材料類型1-2 土木工程材料1-3 材料性質(zhì)與量測1-4 試驗(yàn)與規(guī)範(fàn)1-5 品質(zhì)控制國立嘉義大學(xué) 劉玉雯2第2頁，共55頁。第一章 緒論土木工程國計民生相關(guān)建設(shè)工事建築、道路、橋樑、隧道、水壩、管路營造工程所使用的材料是工程品質(zhì)關(guān)鍵所在進(jìn)行工程施工時更需隨時取樣檢驗(yàn)，研判材料所需的各項(xiàng)性質(zhì)天然素材如石料、金屬、石油、土壤、水etc.材料科技發(fā)展 奈米材料國立嘉義大學(xué) 劉玉雯3第3頁，共55頁。1-1 材料類型一、金屬材料二、飛金屬材料三、結(jié)晶材料四、非結(jié)晶材料五、彈性材料六、脆性材料七、延姓材料八、複合材料九、圬工材

2、料十、半導(dǎo)體十一、絕緣材料十二、聚合物十三、塑膠材料國立嘉義大學(xué) 劉玉雯4第4頁，共55頁。1-1 材料類型金屬材料：(導(dǎo)電體)90%為銅、鑄鐵鐵金屬：鋼材(碳合金)含少量硫、錳、矽(鋼、生鐵、熟鐵)非鐵金屬：約70種：鋁、銅、鋅、鉛、錳非金屬材料：(不良導(dǎo)體)土石、水泥、木材、塑膠、瀝青國立嘉義大學(xué) 劉玉雯5第5頁，共55頁。1-1材料類型結(jié)晶材料原子排列呈現(xiàn)重複性形式石英、水晶、鑽石、石墨非結(jié)晶材料原子排列為隨機(jī)或不含結(jié)晶結(jié)構(gòu)(硬、脆)煤、玻璃彈性材料受力變型後可恢復(fù)者彈簧、橡膠國立嘉義大學(xué) 劉玉雯6第6頁，共55頁。1-1 材料類型脆性材料變形能力小、延性很差玻璃、鑄鐵、巖石延性材料變形

3、能力大，破壞變形發(fā)生於彈性限度後金、銅、鋼 複合材料多種材料混合而成混凝土、鑽泥板、R.C、S.R.C、三夾板國立嘉義大學(xué) 劉玉雯7第7頁，共55頁。1-1 材料類型圬工材料為構(gòu)造物之一部分石塊、磚、砂漿、黏土磚、混凝土磚半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性差，介於金屬和絕緣體之間應(yīng)用於電子零件、電晶體、太陽能電池絕緣材料聲、熱、電etc.有絕 緣性能的材料國立嘉義大學(xué) 劉玉雯8第8頁，共55頁。1-1 材料類型聚合物材料(polymer)由一個或多個單元結(jié)合而成的鏈狀結(jié)構(gòu)橡膠、塑膠、聚乙烯塑膠材料以有機(jī)質(zhì)為基材的材料熱塑性塑膠、熱固性塑膠國立嘉義大學(xué) 劉玉雯9第9頁，共55頁。1-2 土木工程材料應(yīng)用於土木構(gòu)造

4、物上的材料通稱為土木工程材料天然 ：石料、木材、黏土etc.人造的：水泥、混凝土、磚、鋼筋etc.土木材料大都是固態(tài)，分三大類：陶土，如砂、石灰石金屬，如鋼筋、鋼骨有機(jī)材料，如木、瀝青、橡膠國立嘉義大學(xué) 劉玉雯10第10頁，共55頁。1-2 土木工程材料依用途、生產(chǎn)、化學(xué)組成分類： 依用途：構(gòu)造物之主體材料，如石材、混凝土、鋼筋副材料：黏結(jié)劑、填縫劑 依產(chǎn)源：天然材料：木材、石料人造材料：水泥、磚國立嘉義大學(xué) 劉玉雯11第11頁，共55頁。1-3 材料性能與量測土木工程上的材料需適合目的性質(zhì)經(jīng)濟(jì)條件例：檔水構(gòu)造物要不透水無裂縫堅(jiān)固不溶解國立嘉義大學(xué) 劉玉雯12第12頁，共55頁。1-3 材料性

5、能與量測土木材料基本上分成：物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)材料的性能是多面性的：力的作用環(huán)境影響熱的作用化學(xué)性質(zhì)經(jīng)濟(jì)能源節(jié)約的永續(xù) 發(fā)展國立嘉義大學(xué) 劉玉雯13第13頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)比重、密度密度(D)=重量(W)/體積(V) 單位：g/cm3,kg/m3比重(r)=D/Dw Dw水的密度c.p. 真比重 漲比重(含孔隙及水分)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯14第14頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)含水率含水率=含水量/乾燥重比電阻單位面積 通電時的電阻：比電阻()單位長度比傳導(dǎo)率比電阻=1(電傳導(dǎo)率)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯15第15頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)吸音律聲波(e)能量 e1:反射

6、 e2:吸收 e3:傳入 e4:透過 反射率=e1/e透過率=e4/e 吸音率=1-(e1/e) 可表示壁體的聲為性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯16第16頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)材料比重愈大，吸音率越小。吸音率又依音的震動頻率而異ex: 混凝土壁0.02 木板(厚2.5cm)0.10.3遮音率聲音透過率的倒數(shù)=遮音率 反射率遮音率=國立嘉義大學(xué) 劉玉雯17第17頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)R=遮音量(減音量)以聲波強(qiáng)度單位分貝db(Decibel)表示 R=10(e/e4) or R=10e/e4材料比重愈大，遮音能力愈好。遮音量又依 音的振動頻率而異。 ex: concrete (

7、5cm厚)40db (1.5cm厚)1025db國立嘉義大學(xué) 劉玉雯18第18頁，共55頁。1-3-1 物理性質(zhì)光譜與透光率光的投射與材料 1.反射 2.吸收 3.透光 三種反應(yīng)光譜的指標(biāo)=反射/吸收透光率=透過能/光的投影能受表面 平滑度 厚度 的影響 光線波長國立嘉義大學(xué) 劉玉雯19第19頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)一、載重與應(yīng)力二、變形與應(yīng)變?nèi)?、彈性及塑性四、?yīng)力-應(yīng)變曲線五、彈性係數(shù)及柏松比六、強(qiáng)度七、彎矩、剪力及扭 力八、剛性、韌性、脆性、延性、展性九、硬度國立嘉義大學(xué) 劉玉雯20第20頁，共55頁。1-3-2力學(xué)性質(zhì)載重與應(yīng)力應(yīng)力()=載重(P)/面積(A) 單位:Mpa(N

8、/mm2);kgf/cm2;psi變形與應(yīng)變應(yīng)變()=變形(L)/原長度(L)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯21第21頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)彈性及塑性彈性(elasticity) ：材料受力變形後，除去外 力，可恢復(fù)的性質(zhì)塑性(plasiticity)：材料受力變形後，除去 外力，不能恢復(fù)的性質(zhì)彈性限度：外力移除後，材料能夠恢復(fù)至原 狀所能達(dá)到的最大應(yīng)力。 比例限度降伏點(diǎn)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯22第22頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線國立嘉義大學(xué) 劉玉雯23第23頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯24第24頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)彈性係數(shù)及柏松比比

9、例限度下：彈性模數(shù)：楊氏模數(shù) 國立嘉義大學(xué) 劉玉雯25第25頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)在一般作用應(yīng)力以內(nèi)，關(guān)係不定的材料國立嘉義大學(xué) 劉玉雯26第26頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)彈性模數(shù)有幾種表示法：國立嘉義大學(xué) 劉玉雯27第27頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)柏松比：(poissons ratio)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯28第28頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度(strength)強(qiáng)度：指物體對於外力的抵抗能力，是結(jié) 構(gòu)未破壞or未超過彈性範(fàn)圍內(nèi)。一 般以應(yīng)力單位表示之強(qiáng)度依作用力方式：國立嘉義大學(xué) 劉玉雯29第29頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)依外力作用速度分： 國

10、立嘉義大學(xué) 劉玉雯30第30頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)矩矩、剪力、扭力彎曲應(yīng)力：對長形物體(梁)施加彎曲作用 力時(彎矩)會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力 扭矩剪應(yīng)力國立嘉義大學(xué) 劉玉雯31第31頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯32第32頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯33第33頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯34第34頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)剛性、韌性、脆性、延性、展性剛性(Rigidity)：材料受力產(chǎn)生變形大小的性質(zhì)指標(biāo)變形小者剛性大變形大者剛性小E(彈性模數(shù))是一種指標(biāo)韌性(Toughness)：材料承受荷重作用到破壞的

11、能量，以吸收能表示之韌性大高應(yīng)力or大變形的能力國立嘉義大學(xué) 劉玉雯35第35頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)脆性(Brittleness)：受力產(chǎn)生小變形就能破壞的性質(zhì)脆性延性差延性(Ductility)：材料受到扭力時，能大幅伸長後才斷裂的性質(zhì)展性(Malleability)：能碾成薄片的性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯36第36頁，共55頁。1-3-2 力學(xué)性質(zhì)硬度(Handness)：對搔刻、切斷、磨損抵抗性非金屬：用一定硬度物體摩擦其表面，由刻痕or顏色比較判定其硬度金屬：用鋼球or鑽石尖頭壓入，由其深度判定硬度ex：Brinell、Rockell 、Viclens 混凝土反彈錘，由垂擊後

12、彈回高度求硬度，再推求concrete強(qiáng)度。(Schmit Hammer)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯37第37頁，共55頁。1-4 試驗(yàn)與規(guī)範(fàn)1-4-1 材料試驗(yàn)的定義1-4-2 材料試驗(yàn)的分類1-4-3 規(guī)範(fàn)之應(yīng)用國立嘉義大學(xué) 劉玉雯38第38頁，共55頁。1-4-1 材料試驗(yàn)的定義歸納如下：證明材料的力學(xué)理論做為工程依據(jù)(結(jié)果的Data)抽樣試驗(yàn)，評估合乎規(guī)範(fàn)？改進(jìn)材料特性，規(guī)範(fàn)的訂定國立嘉義大學(xué) 劉玉雯39第39頁，共55頁。1-4-1 材料試驗(yàn)的定義為了減少人為誤差達(dá)到品質(zhì)管制的目的必須依照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法在相同條件下測定材料性質(zhì)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯40第40頁，共55頁。1-4-1 材料試驗(yàn)

13、的定義規(guī)範(fàn)乃是規(guī)定使用材料所需具備的各種事項(xiàng)，主要事項(xiàng)如下：工程材料的生產(chǎn)方法構(gòu)建的形狀、大小、維修規(guī)定化學(xué)組成、物理性質(zhì)規(guī)定取樣、試驗(yàn)、檢驗(yàn)等方法國立嘉義大學(xué) 劉玉雯41第41頁，共55頁。世界各國的規(guī)範(fàn)組織CNS(Chinese National Standards)國家標(biāo)準(zhǔn)(經(jīng)濟(jì)部中央標(biāo)準(zhǔn)局)ASTM(American Society for Testing and Materials)美國材料試驗(yàn)協(xié)會ACI(American Concrete Institute)美國混凝土學(xué)會PCA(Portland Cement Association)美國卜特蘭水泥協(xié)會國立嘉義大學(xué) 劉玉雯42第4

14、2頁，共55頁。世界各國的規(guī)範(fàn)組織AASHTO(American Association if State Highway and Transportation Officials)美國公路及交通官員協(xié)會AISC(美國鋼構(gòu)學(xué)會)AISI(美國鋼構(gòu)協(xié)會)BIA(美國磚塊協(xié)會)JIS(Japanese Industry Standards)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯43第43頁，共55頁。世界各國的規(guī)範(fàn)組織BS(British Standards)英國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))ANSI(美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會)國立嘉義大學(xué) 劉玉雯44第44頁，共55頁。1-4-2 材料試驗(yàn)的分類標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)依照規(guī)

15、範(fàn)進(jìn)行的試驗(yàn)研究試驗(yàn)改良材料性質(zhì)提昇解析能力需對實(shí)驗(yàn)原理與方法進(jìn)行國立嘉義大學(xué) 劉玉雯45第45頁，共55頁。1-4-2 材料試驗(yàn)的分類材料試驗(yàn)分三大類機(jī)械試驗(yàn)-,強(qiáng)度,力學(xué)性質(zhì)顯微或光檢驗(yàn)-補(bǔ)目之不足化學(xué)試驗(yàn)-分析材料的組成國立嘉義大學(xué) 劉玉雯46第46頁，共55頁。1-4-3 規(guī)範(fàn)之應(yīng)用ASTM(1898)最常被參考引用材料和試驗(yàn)的規(guī)範(fàn) 材料規(guī)範(fàn)：定義，材料的行程，施作建議 試驗(yàn)規(guī)範(fàn)：說明試驗(yàn)程序的執(zhí)行和描述本書參用的規(guī)範(fàn)主要為CNS ASTM國立嘉義大學(xué) 劉玉雯47第47頁，共55頁。1-4-3 規(guī)範(fàn)之應(yīng)用綜覽施工材料的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，便於設(shè)計與構(gòu)築安全且耐久的構(gòu)造物例：SW級的黏

16、土磚單元（ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn) C62）須符合規(guī)範(fàn)要求的一些物理性質(zhì)，如最小抗壓強(qiáng)度要求 國立嘉義大學(xué) 劉玉雯48第48頁，共55頁。1-5 品質(zhì)控制1-5-1 品質(zhì)之差異1-5-2 品質(zhì)保證國立嘉義大學(xué) 劉玉雯49第49頁，共55頁。1-5-1 品質(zhì)之差異天然材料：木材、石材使用天然原料製造的人造材料 ex：水泥、混凝土、鋼筋等品質(zhì)可能有相當(dāng)大的差異，主要原因?yàn)椋?原料品質(zhì)之變化 製造中所發(fā)生的偏差 試驗(yàn)時的誤差國立嘉義大學(xué) 劉玉雯50第50頁，共55頁。1-5-1 品質(zhì)之差異若要(強(qiáng)度)變動情形，可用常態(tài)分布圖(高斯分佈)若曲線之高度大，下面寬度小變動小若曲線之高度低，下面寬度大變動大國立嘉義大學(xué) 劉玉雯51第51頁，共