土木工程材料第2章材料的基本性質(zhì).ppt

第二章 材料的基本性質(zhì),第一節(jié) 材料的物理性質(zhì) 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 第三節(jié) 材料的耐久性 第四節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造及其與材 料性質(zhì)的關(guān)系,第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),密實(shí)材料體積 組成示意圖,含孔材料體積 組成示意圖 V-實(shí)體體積 V開(kāi)、V閉- 開(kāi)口孔隙、閉口孔隙,材料體積組成示意圖,m-材料在干燥狀態(tài)下的重量 mp-材料孔隙部分的重量 V- 材料實(shí)體的體積 Vp-材料孔隙的體積,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),1) 密度 ：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下（不包含孔隙或空隙）單位體積的質(zhì)量，俗稱比重。 = m/V (g/cm3) 式中：m 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g)； V 材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積(cm3)。 對(duì)近于絕對(duì)密實(shí)的材料V ：如金屬、玻璃等，量測(cè)幾何體積稱重代入公式中計(jì)算。 對(duì)有孔隙的材料V ：如磚、混凝土磨成細(xì)粉（通過(guò) 0.2mm或900孔/cm2方孔篩），用李氏密度瓶測(cè)量（排水法）。,1. 材料的密度、表觀密度和堆積密度,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),2) 表觀密度0 :指材料在自然狀態(tài)下（包含孔隙）單位體積的質(zhì)量，俗稱容重。 0= m / V0 (g/cm3或kg/m3) 式中：m 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）； V0 材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3或m3） 對(duì)外形規(guī)則的材料V0 ：直接用量具測(cè)其外形尺寸，按公式計(jì)算體積。 對(duì)外形不規(guī)則的材料V0 ：材料表面封蠟排液法求得。,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),表觀密度0與含水狀況有關(guān)，當(dāng)材料含水率變化，材料的體積和質(zhì)量都會(huì)發(fā)生變化。,干容重,濕容重,飽水容重,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),3) 堆積密度 0：指散粒材料或粉狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，俗稱松散容重。 0 = m / V0（kg/m3）,散粒材料的堆積體積V0 ：用材料所充滿的容器的標(biāo)定容積來(lái)表示。 松散狀態(tài)材料的堆積體積稱為自然堆積體積； 搗實(shí)狀態(tài)材料的堆積體積稱為擠密堆積體積。,式中： m 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（kg）； V0 材料的堆積體積（m3），包括材料絕對(duì)體積、內(nèi)部所有孔隙體積和顆粒間的空隙體積。,4) 材料的密度、表觀密度和堆積密度之間的關(guān)系,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),密度并不能反映材料的性質(zhì)，但可以大致了解材料的品質(zhì)，并可用來(lái)計(jì)算材料的孔隙率； 表觀密度建立了材料自然體積與質(zhì)量之間的關(guān)系，可用來(lái)計(jì)算材料的用量、構(gòu)件自重等； 堆積密度可用于確定材料堆放空間、運(yùn)輸車輛等。 三者之間的關(guān)系為 ：,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),1)孔隙率P ：指材料內(nèi)部孔隙體積(Vp)占總體積(即自然狀態(tài)下的體積V0)的百分率。,孔隙的特征 按孔隙尺寸大小，可把孔隙分為微孔、細(xì)孔和大孔三種。 按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔，或連通孔。 按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開(kāi)口孔，或封閉孔。,2. 材料的孔隙率與密實(shí)度,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),孔隙率的意義 影響材料與水相關(guān)的特性 影響材料的熱工性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì) 與材料的強(qiáng)度相關(guān) 影響材料的耐久性,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),2) 密實(shí)度D：與孔隙率相對(duì)應(yīng)，即材料內(nèi)部固體物質(zhì)的實(shí)體積占材料總體積的百分率：,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),3.材料的空隙率與填充率 1)空隙率P：指散粒材料在堆積狀態(tài)下顆粒之間的空隙體積(Vs)占其堆積體積的百分率。,空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭取？捎脕?lái)控制混凝土骨料級(jí)配與計(jì)算含砂率。,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),2) 填充率D：與空隙率對(duì)應(yīng)，即散粒材料在自然狀態(tài)下體積(V0)占堆積體積的百分率。,例1-1 已知某卵石的質(zhì)量為10.6g，體積為4.06cm3，用李氏瓶法，排除的水的體積為4ml，現(xiàn)總共有這樣的卵石3360kg，堆成體積為2m3，求石子的密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率和空隙率。,密 度,堆積密度,表觀密度,孔隙率,空隙率,一、材料的基本狀態(tài)參數(shù) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),材料在空氣中與水接觸時(shí)，根據(jù)其是否能被水潤(rùn)濕，分為： 能被水潤(rùn)濕親水性，潤(rùn)濕邊角900 不能被水潤(rùn)濕憎水性，潤(rùn)濕邊角900,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),1. 材料的親水性和憎水性,潤(rùn)濕邊角： 在材料、水和空氣的三相交叉點(diǎn)沿水滴表面做切線，此切線與材料和水接觸面的夾角， 稱為潤(rùn)濕邊角。,親水性 水分子之間的內(nèi)聚力水分子與材料分子間的吸引力,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),材料的四種含水狀態(tài) (a)干燥狀態(tài)：含水率接近為零。 (b)氣干狀態(tài)：含水率與大氣濕度達(dá)到平衡。 (c)飽和面干狀態(tài)：表面干燥，內(nèi)部孔隙含水飽和。 (d)潤(rùn)濕狀態(tài)：內(nèi)部孔隙含水飽和，表面附有一層水膜。,2. 材料的含水狀態(tài),二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),材料的吸濕作用是可逆的。,1) 吸濕性: 指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，用含水率Wh表示。,式中： ms材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g； mg 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),3. 材料的吸濕性與吸水性,2）吸水性：材料在水中吸收水分的性質(zhì)，用吸水率表示。 a. 質(zhì)量吸水率Wm：材料飽水狀態(tài)，所吸水分質(zhì)量占材料干燥狀態(tài)質(zhì)量的百分率。 b. 體積吸水率Wv ：材料飽水狀態(tài)，所吸收水分體積V水占材料干燥狀態(tài)體積V0的百分率。,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),式中： mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g； mg 材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。 w水的密度（常溫下取1），g/cm3,封閉孔隙較多的材料，吸水率不大時(shí)通常用質(zhì)量吸水率公式進(jìn)行計(jì)算；對(duì)一些輕質(zhì)多孔材料，如加氣混凝土、木材等，由于質(zhì)量吸水率往往超過(guò)100%, 故可用體積吸水率進(jìn)行計(jì)算。 材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。對(duì)于細(xì)微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進(jìn)去，而開(kāi)口大孔雖然水分易進(jìn)入，但不能存留，只能潤(rùn)濕孔壁，所以吸水率仍然較小。,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系,4. 耐水性：材料長(zhǎng)期在水作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)KR表示。,式中：fb-材料飽水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa fg-材料干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa,注意：隨含水量增加，其內(nèi)部結(jié)合力減弱，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。 KR0.85，稱為耐水材料,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),5. 抗?jié)B性：材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)，常用滲透系數(shù)(K)或抗?jié)B等級(jí)(P)表示。 滲透系數(shù)K的物理意義是：在一定時(shí)間t內(nèi)，透過(guò)材料試件的水量Q，與試件的滲水面積A及水頭差H成正比，與滲透距離(試件的厚度)d成反比，用公式表示為：,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),K的意義：抗?jié)B系數(shù)越小，抗?jié)B性能越好。,抗?jié)B等級(jí)是指材料在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下所能承受的最大水壓力(MPa) ，如P4、P6、P8等分別表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水壓而不滲水。,材料的抗?jié)B性與其孔隙率和孔隙特征有關(guān)。細(xì)微連通的孔隙水易滲入，故這種孔隙愈多，材料的抗?jié)B性愈差。閉口孔水不能滲入，因此閉口孔隙率大的材料，其抗?jié)B性仍然良好。開(kāi)口連通大孔，水最易滲入，故其抗?jié)B性最差。 材料的抗?jié)B性還與材料的憎水性和親水性有關(guān)，憎水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。材料的抗?jié)B性與材料的耐久性有著密切的關(guān)系。,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),6. 抗凍性：指材料在飽和狀態(tài)下，經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，強(qiáng)度也不嚴(yán)重降低的性質(zhì)，常用抗凍等級(jí)F表示。 (1) 抗凍等級(jí)： 以規(guī)定的試件，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，測(cè)得其強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)規(guī)定值，并無(wú)明顯剝落時(shí)所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定，用Fn表示，n 為最大凍融循環(huán)次數(shù)如F25，F(xiàn)50 (2) 材料受凍融的原因：孔隙水結(jié)冰-體積膨脹-材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力 (3) 材料的抗凍性取決于材料內(nèi)部構(gòu)造（孔隙率、孔隙特征及充水程度）及外界條件（凍融溫度、結(jié)冰速度、凍融頻繁程度）,二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),1. 導(dǎo)熱性：材料兩側(cè)存在溫差時(shí)，熱量將由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳遞，材料的這種傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，可用熱導(dǎo)系數(shù)()來(lái)表示： 式中： Q 傳導(dǎo)的熱量，J d 材料的厚度，m T1-T2 溫度差， K A 傳熱面積，m2 Z 傳熱時(shí)間，s,導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的保溫隔熱性能越好。,三、材料的熱工性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),2. 熱容性：材料在溫度變化時(shí)吸收和放出熱量的性質(zhì)，通常用熱容量C和比熱c來(lái)表示。 1) 熱容量C是指材料在溫度變化時(shí)吸收和放出熱量的能力(用于比較同種材料的熱容性)。 式中：Q材料在溫度變化時(shí)吸收或放出的熱量(J) m材料的質(zhì)量(g) t1-t2材料受熱或冷卻前后的溫差(K) c 材料的比熱J/(g.K) 2) 比熱c是指單位質(zhì)量的材料升高或降低1K時(shí)所吸收或放出的熱量。,熱容量高的材料，能對(duì)室內(nèi)溫度起調(diào)節(jié)作用。,三、材料的熱工性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),3. 熱變形性:是指材料在溫度變化時(shí)的尺寸變化。一般以線膨脹系數(shù)表示。 式中：L材料在溫度變化前的長(zhǎng)度(mm) L材料在溫度變化過(guò)程中產(chǎn)生的線變形量(mm) t1-t2材料升降溫前后的溫差(K),三、材料的熱工性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),4. 耐燃性：材料對(duì)火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性。 非燃燒材料 難燃材料 可燃材料,三、材料的熱工性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),5. 耐火性：指材料在長(zhǎng)期高溫作用下，保持不熔性冰冷正常工作的性能。,1. 吸聲性：聲能穿透材料和被材料吸收的性質(zhì)，用吸聲系數(shù)(%)來(lái)評(píng)定材料吸聲性能的好壞。 式中：Ea+Et材料吸收和透過(guò)的聲能之和 E0入射到材料表面的總聲能 材料的吸聲性能與聲波的頻率和入射方向有關(guān)。 材料的吸聲特性還與其孔隙構(gòu)造有關(guān)，一般孔隙率較大且具有細(xì)微而聯(lián)通孔隙的材料，其吸聲效果比較好； 若材料具有粗大的或封閉的孔隙，則其吸聲性能較差。,四、材料的聲學(xué)性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),2. 隔聲性：材料隔絕聲音的性質(zhì)。可以用材料對(duì)聲波的透射系數(shù)或材料的隔聲量R來(lái)評(píng)定。,式中：Et 透過(guò)材料的聲能 E0 入射到材料表面的總聲能 R 材料的隔聲量（dB）,四、材料的聲學(xué)性質(zhì) 第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),隔絕固體聲的最有效的措施是在結(jié)構(gòu)上采用有彈性材料進(jìn)行不連續(xù)的處理，例如在墻壁和承重梁之間加彈性襯墊，如毛氈、軟木、橡皮等材料，或在樓板上加彈性地毯、木地板等。,材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在外力作用的變形和抵抗破壞的性質(zhì)。 一、強(qiáng)度 二、材料的彈性和塑性 三、脆性和韌性 四、硬度和耐磨性,第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),材料的強(qiáng)度：材料在外力作用下不破壞時(shí)能承受的最大應(yīng)力。,根據(jù)外力作用方式的不同，材料有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 壓力,(b) 拉力,(d) 剪切,L,L,F/2,F/2,F,L/3,F,F,L/3,L/3,(a) 壓力,(b) 拉力,(c) 彎曲,(d) 剪切,一、強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn),混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),各種強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：,1) 抗壓、抗拉、抗剪的強(qiáng)度,式中：f 強(qiáng)度， MPa； P 破壞時(shí)最大荷載，N； A 受力截面面積，mm2。,一、強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),(中點(diǎn)集中荷載),(三分點(diǎn)兩相等集中荷載),式中： 抗彎強(qiáng)度，MPa； P 彎曲破壞時(shí)最大荷載，N； L 兩支點(diǎn)的間距，mm； b 試件橫截面積寬度，mm； h 試件橫截面積高度，mm。,2) 抗彎強(qiáng)度,一、強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,L,L,F/2,F/2,L/3,L/3,L/3,一、強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),3) 材料的比強(qiáng)度,按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度,等于材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比。,衡量材料是否輕質(zhì)、高強(qiáng)的指標(biāo),材料強(qiáng)度受以下三個(gè)因素的影響：,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 強(qiáng)度值的測(cè)試條件(試件尺寸、加荷速度等) 材料所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、含水量等),即：材料強(qiáng)度是在特定的條件下測(cè)定的數(shù)值,一、強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，能夠完全恢復(fù)到原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性，而這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)變形），屬可逆變形； 有一部分的變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為塑性，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形），屬不可逆變形。 許多材料受力不大時(shí)，僅產(chǎn)生彈性變形，受力超過(guò)一定限度后，即產(chǎn)生塑性變形。如低碳鋼。 而有些材料在受力時(shí)彈性變形和塑性變形同時(shí)產(chǎn)生，如果取消外力，則彈性變形可以恢復(fù)，而其塑性變形則不能恢復(fù)，如混凝土材料。,二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),指標(biāo)：彈性模量,意義：E表示材料抵抗變形的指標(biāo)，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強(qiáng)。,彈塑性材料的變形曲線,二、材料的彈性與塑性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),根據(jù)破壞形式的不同，材料可分為脆性材料和韌性材料。 脆性：材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)到一定值時(shí)，材料突然破壞，而無(wú)明顯的塑性變形的性質(zhì)稱為脆性。 脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。土木工程材料中大部分無(wú)機(jī)非金屬材料為脆性材料，如天然石材、陶瓷、玻璃及普通混凝土等。,三、脆性和韌性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),三、脆性和韌性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),韌性：材料在沖擊或動(dòng)荷載作用下，能吸收一定的能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)。 土木工程中常用的低碳鋼、木材等屬韌性材料，在一些承受沖擊荷載或有抗震要求的結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮材料的韌性。,式中：k 材料的沖擊韌性（J/mm2） Ak 試件破壞時(shí)所消耗的功（J） A 試件受力凈截面積 （mm2）,1. 硬度：指材料表面抵抗硬壓入或刻劃的能力。 刻劃法測(cè)定的硬度稱莫氏硬度；壓入法測(cè)定的硬度有布氏硬度、洛氏硬度。 2. 耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力，用磨損率或耐磨度N表示 式中：m0試樣磨損前的質(zhì)量(g) m1試樣磨損后的質(zhì)量(g) A試樣受磨面積(cm2),四、硬度與耐磨性 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),1. 耐久性的定義 耐久性是指材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)。 2. 影響耐久性的環(huán)境因素 物理作用主要為溫濕變化，這些變化會(huì)使材料體積產(chǎn)生膨脹或收縮，體積變化受阻時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴(kuò)展，長(zhǎng)久作用后會(huì)使材料產(chǎn)生破壞。 化學(xué)作用主要是指材料受到酸、堿、鹽及紫外線的侵蝕作用，使材料的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而破壞。,第三節(jié) 材料的耐久性,機(jī)械作用包括荷載的持續(xù)作用或交變作用而引起材料的疲勞、沖擊、磨損或磨耗破壞。 生物作用主要是指材料受到蟲(chóng)蛀或菌類的腐朽作用而產(chǎn)生的破壞。,第三節(jié) 材料的耐久性,第四節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造及其與材料性質(zhì)的關(guān)系,一、材料的組成與性質(zhì) 二、材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與性質(zhì),一、材料的組成與性質(zhì) 第四節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,1. 化學(xué)組成 金屬材料的化學(xué)組成以主要元素的含量來(lái)表示； 無(wú)機(jī)非金屬材料以各種氧化量來(lái)表示。 2. 礦物