土木工程材料2材料基本性質

第2章資料根本性質教學要求：掌握資料的物理性質和力學性質了解資料的耐久性、裝飾性等等1.資料的密度、表觀密度和堆積密度1.1密度定義：資料在絕對密實形狀下，單位體積的質量。可按下式計算：–––密度，g/cm3；m–––資料在枯燥形狀下的質量，g；V–––資料在絕對密實形狀下的體積，cm3?！瞕ensity〕一、資料的物理性質丈量方法有較多孔隙的資料，采用磨細后〔粒徑＜0.02mm〕用李氏瓶測定其體積的方法。某些致密資料，如卵石等，可用直接

排液法，用這種方法丈量的體積，由

于無法排除內部封鎖的孔隙，所以稱

這樣測得的密度為近似密度(a)－視密度。1.2表觀密度定義：資料在自然形狀下，單位體積的質量。計算：0–––表現密度，g/cm3或kg/m3；m–––資料的質量，g，或kg；V0–––資料在自然形狀下的體積，cm3或m3?！瞮nitweight〕1.3堆積密度定義：粉狀或粒狀資料，在堆積形狀下，單位體積的質量。計算：0–––堆積密度，kg/m3；m–––資料的質量，kg；V0–––松散資料的堆積體積，m3?！瞙eapeddensity〕V0VVKVB開口孔封鎖孔閉口孔隙自然形狀下的塊狀資料開口孔隙實體實體空隙開口孔隙封鎖孔隙裝在容器里的粒狀、粉狀或塊狀資料V0′VVKVBV02.資料的孔隙率和空隙率2.1資料的孔隙(1)孔隙率:資料內部孔隙體積占資料總體積的百分率資料的孔隙從兩個方面對資料的性能產生影響：一是孔隙的多少〔孔隙數量〕，二是孔隙特征?？紫稊盗坑每紫堵时碚?。(2)密實度:資料內部固體物質的實踐體積占資料總體積的百分率孔隙特征主要有兩方面：〔1〕按孔隙尺寸大小分微孔、細孔和大孔；〔2〕按孔隙能否與外界連通分為與外界連通的開口孔和不與外界連通的封鎖孔〔閉口孔〕。把開口孔體積記為Vk，閉口孔體積記為VB，那么孔隙體積Vｐ=Vk+VB定義開口孔孔隙率為定義閉口孔孔隙率為那么孔隙率為散粒資料顆粒間的空隙多少用空隙率表示。(1)空隙率:散粒資料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率2.2資料的空隙(2)填充率:顆粒的自然形狀體積占堆積體積的百分率

(a)親水性資料

(b)憎水性資料90親水資料90憎水資料3.1資料的親水性與憎水性潤濕邊角:在資料、水和空氣的三相交叉點處沿水滴外表作切線，切線與資料和水接觸面的夾角。3.資料與水有關的性質3.2資料的含水形狀四種根本含水形狀：枯燥形狀——資料孔隙中不含或含水極微；氣干形狀——資料孔隙中所含水與大氣濕度平衡；飽和面干形狀——資料外表枯燥，孔隙含水飽和；潮濕形狀——資料孔隙含水飽和，外表為水潮濕附有一層水膜。資料也可處于兩種根本含水形狀之間的過渡形狀飽和水外表水材料的含水狀態(tài)(a)枯燥形狀(b)氣干形狀(c)飽和面干形狀(d)潮濕形狀(a)(b)(c)(d)3.3資料的吸濕性和吸水性吸濕性––––親水資料在潮濕空氣中吸收水分的性質。用含水率表示Wh––––含水率；％ms––––資料含水形狀下的質量，g；mg––––資料枯燥形狀下的質量，g。資料的含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而變化。平衡含水率：資料中所含水分與環(huán)境溫度所對應的濕度相平衡時的含水率。資料在枯燥空氣中放出所含水分的性質稱還濕性?！?〕吸水性——資料在水中吸水的性質。用吸水率表示，有質量吸水率和體積吸水率兩個定義：質量吸水率——資料吸水飽和時，吸收的水分質量占資料枯燥時質量的百分率；體積吸水率——資料吸水飽和時，吸收的水分體積占資料枯燥時體積的百分率；資料的體積吸水率等于其分量吸水率乘上資料枯燥形狀時的表觀密度。工程上，建筑資料普通采用質量吸水率，如粘土磚為8～20％。吸水性和吸濕性會使資料絕熱性降低，強度和耐久性產生不同程度的下降，體積發(fā)生變化，影響資料運用。3.4耐水性定義資料長期在水作用下不破壞、強度也不顯著降低的性質。用軟化系數表示：kR=fb/fg。公式中fb表示資料在飽水形狀下的抗壓強度，Mpa；fg表示資料在枯燥形狀下的抗壓強度，MpakR在0～1之間，不同資料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金屬kR=1；土木工程中將kR＞0.85的資料稱為耐水資料，用于潮濕環(huán)境中的重要構造。3.5抗?jié)B性定義資料抵抗壓力水浸透的性質常用浸透系數或抗?jié)B標號表示：浸透系數：ks––––浸透系數，cm/h；Q––––透水量，cm3；d––––試件厚度，cm；A––––透水面積，cm2；t––––時間，h；H––––靜水壓力水頭，cm?？?jié)B性用抗?jié)B等級Pn表示，抗?jié)B等級是以規(guī)定的試件在規(guī)定的實驗條件下，所能接受的最大水壓力來確定；其中的n，表示資料所能接受的最大水壓力〔Mpa〕的10倍，例如P4、P6、P10表示資料最大能接受0.4、0.6、1.0Mpa的水壓力而不滲水。資料的浸透系數越小或抗?jié)B標號越高闡明資料的抗?jié)B性越好。。3.6抗凍性資料在飽水形狀下，能經受多次凍融循環(huán)而不破壞，也不嚴重降低強度的性質。抗凍性用抗凍等級Fn表示，抗凍等級是以規(guī)定的試件在規(guī)定的實驗條件下，測得其強度降低不超越規(guī)定值，并無明顯剝落所能經受的凍融循環(huán)次數來確定；其中的n，表示最大凍融循環(huán)次數，例如F25、F50等?？菰锵淇菰锵浠炷量?jié)B儀混凝土抗?jié)B試模〔左〕4.1熱容性定義資料在溫度變化時吸收或放出熱量的才干不同資料的熱容性可用比熱進展比較。比熱：單位質量的資料升高單位溫度所需熱量。4與熱有關的性質定義4.2導熱性資料兩側有溫差時熱量由高溫側向低溫側傳送的才干。常用導熱系數表示：資料的導熱性能與孔隙特征有關，添加孤立的、不連通孔隙可降低資料導熱才干。Λ≤0.23的資料稱為絕熱資料。4.3熱變形性定義資料在溫度變化時的尺寸變化常用線膨脹系數表示。有保溫隔熱要求的工程盡量選用熱容量大、導熱系數小的資料。土木工程資料在運用過程中經受各種破壞要素(物理的、化學的、環(huán)境的、生物的……等等)的作用，而能堅持其運用性能的性質稱為土木工程資料的耐久性。環(huán)境影響要素往往是復雜多變的，它們單獨或交互作用于資料構成破壞。由于各種破壞要素的復雜性和多樣性，使得耐久性是一個綜合性概念。5資料的耐久性資料的耐久性包括抗凍性、抗?jié)B性、抗化學侵蝕性、抗炭化性、大氣穩(wěn)定性、耐磨性等。耐久性是一項綜合性目的，建筑資料應有良好的耐久性。從工程技術開展角度看，由按耐久性進展工程設計取代按強度進展工程設計更具科學性和適用性。然而，要按耐久性進展工程設計，尚需對各種資料的耐久性進展更為廣泛深化的研討。提高資料耐久性是土木工程資料消費及運用的重要課題之一。1.強度與等級1.1資料的強度定義資料在外力作用下抵抗破壞的才干。根據外力作用方式的不同，資料有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。二、資料的力學性質

LL

F/2F/2

F

F

L/3

F

FL/3L/3(a)壓力(b)拉力(c)彎曲(d)剪切資料所受外力：各種強度的計算公式如下：抗壓、抗拉、抗剪的強度f––––強度，Mpa；F––––破壞時最大荷載，N；A––––受力截面面積，mm2?？箯潖姸?〕(中點集中荷載)2〕(三分點兩相等集中荷載)ftm––––抗彎強度，Mpa；F––––彎曲破壞時最大荷載，N；L––––兩支點的間距，mm；b––––試件橫截面積寬度，mm；h––––試件橫截面積高度，mm。資料的抗彎強度又稱為抗折強度，分兩種情況：第一種為1個集中荷載〔兩個支點〕，代表構件為水泥膠砂試件〔40mm×40mm×160mm〕的抗折強度。第二種為2個集中荷載〔兩個支點〕，代表構件為公路水泥混凝土路面的水泥混凝土試件〔150mm×150mm×550mm〕的抗折強度。常見土木工程資料的強度見12頁。許多土木工程資料常以其強度大小劃分為假設干等級，俗稱“標號〞。資料強度受以下三個要素的影響：資料內部構造和構造(強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關系)。資料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等)強度值的測試條件(試件尺寸、加荷速度等)2.資料的比強度衡量資料能否輕質、高強的目的定義單位體積質量的資料強度,等于資料的強度與其表觀密度之比3.資料的彈性與塑性彈性與塑性資料在接受外力時，如撤除外力的作用后，資料的幾何外形能恢復原狀，資料的這種性能稱為彈性。假設只能部分恢復變形，而殘留一部分不能消逝的變形，該殘留部份稱為塑性變形。資料在彈性范圍內，其應力和應變之間關系符合如下公式：σ＝Εεσ——應力；ε——應變，為資料受外力變形尺寸增量與原尺寸之比；Ε——彈性模量；彈性模量是資料剛度的度量，物理意義為單位應變所需求的應力，反映了資料抵抗變形的才干。是構造設計中的主要參數之一。彈塑性資料：資料受力時，彈性變形和塑性變形同時發(fā)生，外力去除后，彈性變形恢復，塑性變形保管。4.脆性和韌性〔1〕脆性資料在外力作用下，無明顯塑性變形而忽然破壞的性質。具有這種破壞特征的資料，稱為脆性資料。從應力應變圖中看資料的脆性

〔2〕韌性資料在沖擊或震動荷載作用下，能吸收較大的能量，產生一定的變形而不破壞的性質稱為韌性或沖擊韌性。普通以測定其沖擊破壞時單位斷面上吸收的能量作為目的。5.硬度和耐磨性硬度：資料抵抗較硬物質刻劃或壓入的才干常用刻劃法和壓入法測定?？虅澐ǚQ莫氏硬度；壓入法稱布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。耐磨性：資料抵抗磨損的才干，用耐磨度表示。P156.資料的徐變和應力松弛當資料在恒定外力的作用下，其變形隨時間而緩慢添加的過程，稱為徐變。當資料在繼續(xù)外力作用下，總的變形值堅持不變，由于徐變而使資料內應力隨時間而逐漸降低的過程，稱為應力松弛。徐變和應力松弛是相互關聯的兩種景象。資料的其它性質見教材，不作為重點。作業(yè)2-1試解釋以下名詞：〔1〕密度；〔2〕表觀密度〔容重〕；〔3〕堆積密度；〔4〕孔隙率；〔5〕空隙率；〔6〕吸水率；〔7〕含水率；〔8〕比強度。2-2確定建筑廢品或半廢品的質量在工程上用來分析設計活載、地基承載力、現澆模板荷載、預制吊裝荷載等等具有重要意義，根據設計圖如何確定兩框架柱之間的現澆梁板的質量？根據設計圖如何確定1片預制T梁的質量？2-3一塊燒結普通磚的外形尺寸為240mm×115mm×53mm。吸水飽和后的重為2940g烘干至恒重為2580g。今將該磚磨細并烘干后取代50g，用李氏瓶測得其體積為18.58cm3。試求該磚的密度、表觀密度、孔隙率、質量吸水率、開口孔隙率及閉口孔隙率。2-4稱河砂500g，烘干至恒重時質量為494g，求此河砂的含水率。2-5某工程共需求煤矸磚〔240mm×115mm×53mm〕15萬匹，用載質量為5噸的汽車分五批運完，每批需求安排汽車多少輛？〔1m3磚的實際匹數為684匹，磚的容重為1.8t/m3〕2-6有直徑20mm，長14m的鋼筋一捆25根，計算其總質量為多少kg？〔鋼材的密度為7.85t/m3〕2-7收到含水率為3.5%的河砂1t，實為干砂多少t？假設需求干砂1t，應進含水率為3.5%的含水河砂多少t？2-8某石灰?guī)r的密度為2.62g/cm3，孔隙率為1.20%。今將該石灰?guī)r破碎成碎石，碎石的堆積密度為1580kg/m3。求此碎石的表觀密度和空隙率。2-9某資料的體積吸水率為10%，密度為3.0g/cm3,烘干后的表觀密度為1500kg/m3。試求該資料的質量吸水率、開口孔隙率