第一章材料基本性質(zhì)

第一章材料基本性質(zhì)第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日本章重點及難點

材料的組成結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)對材料的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、耐久性等的影響第一章土木工程材料的基本性質(zhì)思考題？1.為什么要研究材料的基本性質(zhì)（物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、耐久性）？2.建筑物對不同部位的材料性能要求一樣嗎？第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一章土木工程材料的基本性質(zhì)材料的性質(zhì)分四個方面：⑴物理性質(zhì)：與質(zhì)量有關(guān)的基本物理參數(shù)與水有關(guān)的若干性質(zhì)與熱有關(guān)的若干性質(zhì)與聲音有關(guān)的性質(zhì)

⑵力學(xué)性質(zhì)：材料在應(yīng)力作用下有關(guān)抵抗破壞和變形的能力，包括強度、比強度、彈性塑性、韌性及脆性。⑶化學(xué)性質(zhì)：材料發(fā)生化學(xué)變化的能力及抵抗化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定性。⑷耐久性：

材料在使用過程中能長久保持其原有性質(zhì)的能力

第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.1材料的物理性質(zhì)

★與質(zhì)量有關(guān)的基本物理參數(shù)★與水有關(guān)的若干性質(zhì)與熱有關(guān)的若干性質(zhì)與聲音有關(guān)的性質(zhì)

第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日一、與質(zhì)量有關(guān)的基本物理參數(shù)（重點掌握：概念、參數(shù)測定方法及計算以及參數(shù)變化對材性的影響）

密度ρ表觀密度ρ’(又稱視密度）體積密度ρ0

（俗稱容重)堆積密度ρ0’孔隙率P密實度D空隙率P’間隙率P0’

填充率D’

1.1材料的物理性質(zhì)

第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日材料組成結(jié)構(gòu)示意圖第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日思考題1.上面幾種密度有何區(qū)別？如何測定？材料含水對四者有何影響？2.測知各種材料的幾種密度有何用途？3.材料的孔隙、空隙、間隙的區(qū)分，孔隙率與空隙率、間隙率的區(qū)別？4.材料的密實度和填充率有何區(qū)別？密實度和孔隙率有何關(guān)系？填充率和間隙率有何關(guān)系？5.材料密度、體積密度、孔隙率之間有何關(guān)系？6.材料的堆積密度和間隙率有何關(guān)系？7.材料內(nèi)部孔隙對材性的影響應(yīng)從哪兩方面分析？

1.1材料的物理性質(zhì)

第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日從兩方面分析孔隙對材料性質(zhì)的影響

材料的內(nèi)部孔隙示意

大孔

尺寸大小

細孔

微孔②

孔隙

孤立孔三大是否相互貫通特征

連通孔

開口孔與外界是否連通閉口孔①孔的多少（孔隙率）

第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日常用材料密度與表觀密度值材料密度體積密度堆積密度（g/cm3)(kg/m3)(kg/m3)鋼材7.857850-花崗巖2.6-2.92500-2800-石灰?guī)r2.61800-2600-普通砼2.72000-2600-砂2.6-1450-1650水泥3.1-1200-1300粘土空心磚2.51000-1400-木材1.55400-800-1.1材料的物理性質(zhì)

第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)親水性與憎水性吸水性與吸濕性

耐水性與抗?jié)B性抗凍性（概念區(qū)分、評價指標(biāo)及應(yīng)用分析）1.1材料的物理性質(zhì)

第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.親水性與憎水性【概念區(qū)分】親水性：潤濕角θ≤90℃憎水性：潤濕角θ≥90℃【應(yīng)用分析】

土木工程材料多為親水性材料，如混凝土、鋼材、磚石等，少數(shù)材料（多為有機材料）為憎水材料，如瀝青、石蠟、塑料、有機硅等。憎水性材料常被用作防水材料或親水性材料的復(fù)面層，以提高其防水、防潮性能。1.1材料的物理性質(zhì)

第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日2.吸水性與吸濕性【概念區(qū)分】吸水性：在水中吸水的能力吸濕性：在潮濕空氣中吸水性質(zhì)，具可逆性?！驹u價指標(biāo)】

吸水性——質(zhì)量吸水率Wm體積吸水率Wv=Wm?ρ0

吸濕性——含水率Wh

（平衡含水率概念）

【應(yīng)用分析】

（1）材料吸水性與吸濕性大小對強度、保溫隔熱性、吸音等工程應(yīng)用性能的影響？（2）分析孔隙對吸水性與吸濕性大小的影響？1.1材料的物理性質(zhì)

第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日3.耐水性【概念】材料長期在水作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)?！驹u價指標(biāo)】

軟化系數(shù)Kp（結(jié)構(gòu)材料）（Kp=fw/fd)

Kp：0~1（粘土KP=0，金屬Kp=1）

Kp＞0.85為耐水材料

【應(yīng)用分析】

長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)必用KP＞0.85的材料，受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物KP不宜小于0.75。1.1材料的物理性質(zhì)

第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日4.抗?jié)B性【概念】材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。（與耐水性區(qū)別）【評價指標(biāo)】

工程中常用抗?jié)B等級Pn來評價

(以規(guī)定的試件、標(biāo)準(zhǔn)實驗方法測定所能承受的最大水壓力，如P4、P6、P8)【應(yīng)用分析】地下建筑、水工建筑及防水材料等要求一定的抗?jié)B性。（1）分析抗?jié)B性的影響因素？（孔隙的影響，材料憎水性和親水性的影響)（2）分析抗?jié)B性對耐久性的影響？提高抗?jié)B性措施？1.1材料的物理性質(zhì)

第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日5.抗凍性【概念】材料在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用不破壞，也不嚴(yán)重降低強度的性質(zhì)?！驹u價指標(biāo)】抗凍等級Fn

如F25、F50、F100、F200等【應(yīng)用分析】

抗凍等級的選定據(jù)結(jié)構(gòu)物種類、使用條件、氣候條件決定。

磚、面磚、輕混凝土等墻體材料：F15、F25或F35；

道路、橋梁用混凝土：F50、F100、F200；

水工混凝土：F5001.1材料的物理性質(zhì)

第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日5.抗凍性【思考】（1）分析抗凍性的影響因素？（內(nèi)因：孔隙率、孔隙特征、充水程度（水飽度）及材料本身強度高低；外因：凍融溫度、降溫速度、凍融頻繁程度等）（2）提高抗凍性措施有哪些？

注：充水程度（水飽度）：KS>0.91抗凍性差，KS<0.91抗凍性較好，砼KS<0.8凍害才明顯減少。

1.1材料的物理性質(zhì)

第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日三、材料與熱有關(guān)的性質(zhì)工程應(yīng)用：建筑物圍護結(jié)構(gòu)（墻體、屋蓋）選用導(dǎo)熱系數(shù)小、熱容量大的材料，導(dǎo)熱系數(shù)也是工業(yè)窯爐及冷藏庫絕熱層厚度的重要數(shù)據(jù)。導(dǎo)熱性(導(dǎo)熱系數(shù)）、熱容量、比熱等1.1材料的物理性質(zhì)

第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)強度、比強度、彈性、塑性、徐變、韌性及脆性、硬度、耐磨性等（概念、影響因素及工程應(yīng)用）第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)(ａ)抗壓(ｂ)抗拉(ｃ)抗折(ｄ)抗剪

圖1-4材料的受力形式第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)一、強度：包括：拉、壓、剪、彎、扭等靜力強度，以及抗疲勞、抗沖擊等動力強度。

比強度：材料單位體積重量的強度（強度/體積密度），評價材料是否輕質(zhì)高強的指標(biāo)。玻璃鋼：0.225；低碳鋼：0.054；鋁合金：0.160；砼：0.056

影響測試強度的因素：

材料組成、孔隙率、含水率、試件尺寸大小、加荷速度、表面狀況、環(huán)境溫濕度等。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)二、變形性能1.彈性變形與塑性變形（概念）（土木工程用材料多為彈塑性材料）彈性模量E：材料剛度的度量，反映材料抵抗變形的能力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中變形驗算的主要參數(shù)之一。低碳鋼：21砼：1.45~3.60花崗巖200~600（104MPa）

2.徐變（概念）（屬塑性變形）分析徐變對結(jié)構(gòu)的影響？第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日【分析與討論】（a）彈性變形曲線（b）塑性變形曲線彈性變形與塑性變形的區(qū)別第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)三、脆性與韌性（概念）脆性材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，不能承受振動和沖擊荷載，也不宜用于受拉部位，只適用于承壓構(gòu)件。大多無機非金屬材料為脆性材料，如：天然巖石、陶瓷、玻璃、普通混凝土、燒結(jié)普通磚等；受沖擊或振動荷載下的結(jié)構(gòu)，如：吊車梁、橋梁、路面等，應(yīng)選用韌性材料，常用的如低碳鋼、有色金屬等，不應(yīng)用脆性材料?！痉治雠c討論】對比分析韌性材料與脆性材料的差異及工程應(yīng)用。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)四、硬度與耐磨性（概念）測定硬度的方法：刻劃法、回彈法和壓入法。材料的硬度越大，強度越高，耐磨性越好。根據(jù)硬度可間接推算強度，如回彈法測混凝土構(gòu)件表面硬度來估算混凝土的抗壓強度。第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.3

材料的耐久性耐久性概念