土木工程材料的基本性質(zhì)

內(nèi)容◎材料的基本物理性質(zhì)◎材料的基本力學(xué)性質(zhì)◎材料的耐久性◎材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造與材料性質(zhì)的關(guān)系第2章土木工程材料的基本性質(zhì)2.1材料的基本物理性質(zhì)內(nèi)容：☆材料的狀態(tài)參數(shù)☆材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)☆材料與水有關(guān)的性質(zhì)☆材料的熱工性質(zhì)一、材料的狀態(tài)參數(shù)內(nèi)容：材料的實(shí)際密度（密度）材料的表觀密度材料的堆積密度用途：計(jì)算材料的用量，構(gòu)件的自重，配料計(jì)算確定材料的堆積空間等（一）材料的密度1、實(shí)際密度（密度）－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。公式：

式中：ρ－實(shí)際密度（g/cm3）m－材料的質(zhì)量（g）V－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（cm3）絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積－是指不包括材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。實(shí)際密度的測(cè)量1）對(duì)近于絕對(duì)密實(shí)的材料：金屬、玻璃等量測(cè)幾何體積→稱重→代入公式2）對(duì)有孔隙的材料：磚、混凝土、石材等磨成細(xì)粉→李氏比重瓶法測(cè)試P285-286（二）材料的表觀密度1、表觀密度（容重）－材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。公式：

式中：ρo－表觀密度（g/cm3）m－材料的質(zhì)量（g）Vo－材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）自然狀態(tài)下的體積－是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。材料內(nèi)部孔隙含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況。表觀密度的測(cè)量1）對(duì)形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土等烘干→量測(cè)幾何體積→稱重→代入公式2）對(duì)形狀不規(guī)則的材料：砂、石等烘干→蠟封→浮力天平（三）材料的堆積密度1、堆積密度（松散容重）－散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。公式：

式中：ρ/o－堆積密度（g/cm3）m－材料的質(zhì)量（g）V/o－材料的堆積體積（cm3）堆積體積－指包含顆粒內(nèi)部孔隙和顆粒之間的空隙在內(nèi)的體積。堆積密度的測(cè)量1）容器法：散粒材料裝入容器→量測(cè)體積→稱凈重→代入公式2）自然堆積法：堆積成→定形狀→量測(cè)幾何體積→稱重→代入公式常用材料的狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)教材P9－表1-1思考：※

顆粒材料的密度為ρ，表觀密度ρ′，堆積容重為ρ0′，則存在下列關(guān)系()。

a、ρ>ρ0′>ρ′b、ρ′>ρ>ρ0′c、ρ>ρ′>ρ0′

二、材料的結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)容：◎密實(shí)度◎孔隙率◎填充率◎空隙率（一）密實(shí)度度密實(shí)度－指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所所充實(shí)的程度。反映映材料的致密密程度。公式:影響材料的：：強(qiáng)強(qiáng)度吸水性耐久性（二）孔隙率率孔隙率－指材料體積內(nèi)，孔隙體積與與總體積之比。直接反映材料料的致密程度度。公式:孔隙率與密實(shí)實(shí)度的關(guān)系:P+D=1內(nèi)部孔隙:連連通和封閉1、連通孔隙不僅彼此連通通而且與外界界連通；2、封閉孔隙不僅彼此封閉閉而且與外界界隔絕。材料內(nèi)部孔隙示意圖自然狀態(tài)下體積示意圖1-固體；2-閉口空隙；3-開(kāi)口空隙（三）填充率率填充率－指散粒材料在某容器的堆堆積體積中，被其顆粒粒填充的程度度。反映散粒材料料堆積的致密密程度。公式：（四）空隙率率空隙率－散粒材料在某容器的堆堆積體積中，，顆粒之間的空隙隙體積占總體體積的比率。。公式：空隙率與填充充率的關(guān)系：：P/+D/=1例1-1某工地所用卵卵石材料的密密度為2.65g/cm3、表觀密度為為2.61g/cm3、堆積密度為為1680kg/m3，計(jì)算此石子的的孔隙率與空隙率？？解:石子的孔隙率率P為：石子的空隙率率P/為：三、材料與水水有關(guān)的性質(zhì)質(zhì)內(nèi)容容：1、材料的親親水性與憎水水性2、材料的吸吸水性與吸濕濕性3、材料的耐耐水性4、材料的抗抗?jié)B性5、材料的抗抗凍性（一）親水性性與憎水性1、親水性材材料：當(dāng)θ≤90°°時(shí)，水分子子之間的內(nèi)聚聚力小于水分分子與材料表面分子之間間的相互吸引引力，材料表表面可以被水水浸濕。如：木材等等。2、憎水性材料料：當(dāng)θ>90°時(shí)，水水分子之間間的內(nèi)聚力力小于水分分子與材料料表面分子之之間的相互互吸引力，，材料表面面可以被水水浸濕。如：防水材材料等。潤(rùn)濕角θ潤(rùn)濕角示意圖θ（二）材料料的吸水性性與吸濕性性1、吸水性性－材料在浸水水情況下吸吸入水分的的能力，用用吸水率表示示。公式：式中：W質(zhì)－材料料的質(zhì)量吸吸水率（％％）m濕－材料料吸水飽和和后的質(zhì)量量（g）m干－材料料烘干到恒恒重的質(zhì)量量（g）◎影響吸水率率大小的因因素：1、材料的本性性－親水性性或憎水性性材料2、材料的的孔結(jié)構(gòu)－－孔徑大小小、開(kāi)口與與否細(xì)微且連通通的孔隙---吸水水率較大◎吸水性對(duì)材材料的影響響：體積膨脹、、強(qiáng)度降低低，對(duì)圍護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)材料料不利（二）材料料的吸水性性與吸濕性性2、吸濕性性－材料在空空氣中吸收收空氣中水水分的性質(zhì)質(zhì)，用含水率表表示。公式：式中：W含－材料的質(zhì)質(zhì)量含水率率（％）m濕－材料含水水時(shí)的質(zhì)量量（g）m干－材料烘干干到恒重的的質(zhì)量（g）◎影響含含水率大小小的因素：：1、材料的的本性－親親水性或憎憎水性材料料2、環(huán)境溫溫度、濕度度◎吸水性性對(duì)材料的的影響：體積膨脹－－對(duì)木結(jié)構(gòu)構(gòu)和木制品品不利濕脹干縮木制門窗在在潮濕環(huán)境境下往往不不易開(kāi)關(guān)（三）材料料的耐水性性耐水性－材料長(zhǎng)期期在飽水作作用下不破破壞，其強(qiáng)強(qiáng)度也不顯著降低的的性質(zhì)，用用軟化系數(shù)數(shù)表示。公式：式中：K軟－材料的軟軟化系數(shù)（（K軟＝0～1））f飽－材料在飽飽水狀態(tài)下下的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度（MPa）f干－材料在干干燥狀態(tài)下下的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度（MPa）材料軟化系系數(shù)的要求求軟化系數(shù)越越小，說(shuō)明明材料吸水水飽和后的的強(qiáng)度降低低越多，其耐耐水性越差差；對(duì)經(jīng)常處于于水中或受受潮嚴(yán)重的的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)物（如地下構(gòu)筑物、、基礎(chǔ)、水水工結(jié)構(gòu)））的材料，其其K軟≥0.85；受潮較輕的的或次要結(jié)結(jié)構(gòu)物的材材料，其K≥0.80；K軟≥0.80的材料，，一般稱為為耐水的材材料。1234例1-2某石材在氣氣干、絕干干、水飽和和情況下測(cè)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度分別別為174、178、165MPa，求該石石材的軟化系數(shù)數(shù)，并判斷斷該石材可可否用于水水下工程?解:該石材的軟軟化系數(shù)為為:由于該石材材的軟化系系數(shù)為0.93，大大于0.85，故該該石材可用用于水下工工程。（四）材料料的抗?jié)B性性抗?jié)B性－材料抵抗抗有壓介質(zhì)質(zhì)（水、油油、氣）滲滲透的性質(zhì)稱抗?jié)B性性。用滲透透系數(shù)K表表示。依達(dá)西定律律：式中：K－材料的的滲透系數(shù)數(shù)（ml/cm2.s）W－透過(guò)材材料試件的的水量（ml）t－透水時(shí)時(shí)間（s））A－透水面面積（cm2）H－凈水壓壓力（cm）d－試件的的厚度（cm）抗?jié)B等等級(jí)◎滲透系數(shù)越越大，材料料的抗?jié)B性性越差；◎?qū)τ诨炷镣梁蜕皾{，，抗?jié)B性常常用抗?jié)B等等級(jí)(S)表示：S=10H－1；H－試件開(kāi)開(kāi)始滲水時(shí)時(shí)的水壓力力（MPa）◎影響材料抗抗?jié)B性的因因素：孔隙隙率、孔隙隙特征；◎地下建筑（（地鐵、人人防建筑、、地下室））、水工結(jié)結(jié)構(gòu)、防水材材料等均要要求較高的的抗?jié)B性。。（五）材料料的抗凍性性抗凍性：材料在吸水水飽和的狀狀態(tài)下，能能經(jīng)受多次次凍結(jié)和融融化作用而而不破壞，，同時(shí)也不不嚴(yán)重降低低強(qiáng)度的性性質(zhì)稱為抗抗凍性。用抗凍標(biāo)號(hào)號(hào)D表示。凍融破壞的的原因材料有孔且且孔隙含水水，水→冰冰體積膨脹脹9％，結(jié)結(jié)冰壓力高達(dá)達(dá)100MPa，結(jié)結(jié)冰壓力超超過(guò)材料的的抗拉強(qiáng)度度時(shí)，材料開(kāi)開(kāi)裂，裂縫縫的增加也也進(jìn)一步增增加了材料料的飽水程度，飽飽水程度的的增加進(jìn)一一步加劇了了凍融破壞壞，反復(fù)多次→進(jìn)進(jìn)一步加劇劇→最終材材料崩潰。。嚴(yán)寒地區(qū)道路、橋梁梁、水壩、、堤防、海海上鉆井平平臺(tái)、跨海海大橋等均需考慮慮凍融破壞壞。凍融破壞的的橋梁凍融破壞的道面凍融破壞的混凝土芯樣凍融破壞的的水庫(kù)壩面面凍融破壞的西直門橋四、材料的的熱工性質(zhì)質(zhì)1、導(dǎo)熱性性－材料傳導(dǎo)導(dǎo)熱量的能能力稱為導(dǎo)導(dǎo)熱性。其其大小用熱導(dǎo)率率（λ）表表示。公式：式中：λ－熱導(dǎo)率率（W/m.K）熱熱阻R=1/λQ－傳導(dǎo)的的熱量（J）A－熱傳導(dǎo)導(dǎo)面積（m2）δ－材料的的厚度（m）t－熱傳導(dǎo)導(dǎo)時(shí)間（s）(T2-T1)－材料兩兩側(cè)溫差（（K）熱工性質(zhì)◎材料的的熱導(dǎo)率越越小，絕性性能越好。?！蛴绊憻釤釋?dǎo)率的因因素：材料內(nèi)部的的孔隙構(gòu)造造－密閉的的空氣使λλ降材料的含水水情況－含含水、結(jié)冰冰使λ增◎常見(jiàn)熱熱導(dǎo)率參數(shù)數(shù)：材料λ材料λ泡沫塑料0.035水0.58大理石3.5冰2.2鋼材58空氣0.023混凝土1.51松木1.17～0.352.2材材料的基基本力學(xué)性性質(zhì)內(nèi)容：：◎材料的強(qiáng)度度、比強(qiáng)度度◎材料的彈性性與塑性◎材料的脆性性與韌性一、材料料的強(qiáng)度度、比強(qiáng)強(qiáng)度1、定義義：強(qiáng)度－材料在外外力（荷荷載）作作用下抵抵抗破壞壞的能力力稱為強(qiáng)強(qiáng)度。2、分類類:(ａ)抗壓(ｂ)抗拉(ｃ)抗折(ｄ)抗剪材料的受力形式◎不同材料料的承載載特點(diǎn)是是不同的的：例：木材材與鋼材材◎相同種類類的材料料，隨著著其孔隙隙率及構(gòu)構(gòu)造特征的不不同，各各種強(qiáng)度度也有明明顯差異異。強(qiáng)度等等級(jí)級(jí)◎建筑材料料常根據(jù)據(jù)極限強(qiáng)強(qiáng)度的大大小，劃劃分為不不同的強(qiáng)強(qiáng)度等級(jí)級(jí)或標(biāo)號(hào)號(hào)?！蚧炷涟窗纯箟簭?qiáng)強(qiáng)度劃分分為C7.5～C60（12個(gè)個(gè)）◎水泥按抗抗壓和抗抗折強(qiáng)度度劃分為為32.5、32.5R42.5、、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)等級(jí)級(jí)◎砂漿按抗抗壓強(qiáng)度度劃分為為M2.5、M5、、M7.5、M10、、M15、、M20六個(gè)等級(jí)級(jí)比強(qiáng)度度比強(qiáng)度－－材料的強(qiáng)強(qiáng)度與其其表觀密密度的比比值（fc/ρo）。用于評(píng)價(jià)價(jià)材料輕輕質(zhì)高強(qiáng)強(qiáng)幾種材料料的強(qiáng)度度比較：：材料表觀密度(kg/m3)強(qiáng)度f(wàn)c(MPa)比強(qiáng)度（fc/ρo）低碳鋼78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025二、材料料的彈性性與塑性性◎彈性性－材料在在外力的的作用下下產(chǎn)生變變形，當(dāng)當(dāng)外力取取消后，，材料變變形即可可消失并并能完全全恢復(fù)原原來(lái)形狀狀的性質(zhì)質(zhì)。彈性模量量：E=σ/ε◎塑性性－材料在在外力的的作用下下產(chǎn)生變變形，當(dāng)當(dāng)外力取取消后，，仍保持持變形后后的形狀狀和尺寸寸，并且且不產(chǎn)生生裂縫的的性質(zhì)。。實(shí)際的材材料并不不存在理理想的彈彈性變形形和塑性性變形。。低碳鋼的的σ～εε曲線分段的彈彈性變形形和塑性性變形混凝土的的σ～εε曲線同時(shí)進(jìn)行行的彈性性變形和和塑性變變形三、材料料的脆性性與韌性性1、脆性性－在外力力作用下下，當(dāng)外外力達(dá)到到一定限限度后，，材料突然破破壞而又又無(wú)明顯顯的塑性性變形的的性質(zhì)。?！畲嘈圆牧狭希ㄈ缁旎炷?、、玻璃、、石材））抵抗沖沖擊或震動(dòng)荷荷載的能能力很差差。2、韌性性－在沖擊擊、震動(dòng)動(dòng)荷載的的作用下下，材料料承受很很大的變形也也不致破破壞的性性能稱為為韌性。。如鋼材材、木材、纖纖維等。。橋梁、牛牛腿柱、、電梯井井、高層層建筑等等2.3材材料的的耐久性性定義：材料在使使用過(guò)程程中能抵抵抗周圍圍各種介介質(zhì)的的侵蝕而不破破壞，也也不易失失去其原原有性能能的性質(zhì)質(zhì)。包括：抗凍性－－混凝土土、磚、、石材抗風(fēng)化性性－陶瓷瓷、磚抗老化性性－有機(jī)機(jī)建材耐化學(xué)腐腐蝕－金金屬材料料侵蝕介介質(zhì)質(zhì)◎物理介質(zhì)質(zhì)－溫度度、濕度度、凍融融、陽(yáng)光光、輻射射◎化學(xué)介質(zhì)質(zhì)－酸、、堿、鹽鹽的溶液液或氣體體、水、、大氣◎生物介質(zhì)質(zhì)－昆蟲(chóng)蟲(chóng)、菌類類、白蟻◎機(jī)械介質(zhì)質(zhì)－荷載載、沖擊擊、震動(dòng)動(dòng)、磨損損、磨耗耗如瀝青的的老化、、木材的的腐蝕、、鋼材的的腐蝕等等等耐久性的的特點(diǎn)◎長(zhǎng)期性性、后期期加劇作作用；◎多種介介質(zhì)同時(shí)時(shí)作用；；◎材料劣劣化－結(jié)結(jié)構(gòu)失效效