第2章土木工程材料基本性質--(專)

1、土木工程材料 Civil Engineering MaterialsCivil Engineering Materials 主講主講：孫曉敏孫曉敏 本章學習指導本章學習指導 基礎知識基礎知識 mV1固體；2閉口孔隙；3開口孔隙00mV測量幾何外形或吸水飽和材料（或材料封蠟）的排水體積。V VK KV VB BV V刮平，容量桶的容刮平，容量桶的容積即為材料堆積體積即為材料堆積體積積00mV密度名稱體積狀況體積測量密度計算絕對密度絕對密度材料實體體積V李氏密度瓶法李氏密度瓶法：磨成細粉消除內部孔隙，干粉排水體積=m/V表觀密度表觀密度宏觀外形體積（實體+閉口+開口）V0計算法或封蠟排液法計算法或

2、封蠟排液法：測量幾何外形或材料涂蠟的排水體積0=m/V0堆積密度堆積密度材料堆積體積（實體+開口+閉口+間隙）V0密度筒法密度筒法：全干材料填充滿容器，該容器純容水體積0=m/V0：1. 1.孔隙率與密實度孔隙率與密實度單塊材料單塊材料 000100%100%(1) 100%VVPV孔隙體積總體積00100%100%100%VDV實體體積總體積2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率1DP其中：其中：V V材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3cm3）; ; 材料的絕對密度（材料的絕對密度（g/cm3g/cm3）; ; V V0 0干干燥材料在自

3、然狀態(tài)下的體積（燥材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3cm3）; ; 0 0材料表觀密度（材料表觀密度（g/cm3g/cm3）。）。 （1 1）是否連通：連通孔、封閉孔）是否連通：連通孔、封閉孔（2 2）孔隙尺寸：大孔、細孔、微孔）孔隙尺寸：大孔、細孔、微孔2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率2. 2.填充率與空隙率填充率與空隙率散粒狀材料散粒狀材料 00000100%100%(1) 100%VVPV空隙體積堆積體積0000100%100%100%VDV顆粒體積堆積體積2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率 顆粒顆?？湛障断镀渲校浩渲校篤 V0

4、0材料在堆積狀態(tài)下的體積（材料在堆積狀態(tài)下的體積（cm3cm3）; ; 0 0材料的堆積密度（材料的堆積密度（g/cmg/cm3 3）; ;V V0 0干干燥材料在自然狀態(tài)下的體積（燥材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3cm3）; ; 0 0材料表觀密度（材料表觀密度（g/cm3g/cm3）。）。 孔隙率與空隙率的區(qū)別孔隙率與空隙率的區(qū)別00(1) 100%P0(1) 100%P%100%100%10011VVD堆積體積顆粒體積某工地碎石密度某工地碎石密度2.65g/cm2.65g/cm3 3，堆積密度，堆積密度1.68kg/L1.68kg/L，表觀密度，表觀密度2.61g/cm2.61g/cm3

5、3，求該碎石的孔隙率和空隙率。，求該碎石的孔隙率和空隙率。001.68(1) 100%(1) 100%35.63%2.61P02.61(1) 100%(1) 100%1.51%2.65P031820(1) 100%0.3(1) 100%2600/Pkg m2 2、某材料的表觀密度為、某材料的表觀密度為1820kg/m3,1820kg/m3,孔隙率為孔隙率為3030，試求該材，試求該材料的密度料的密度 。 。 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 2.1.3材料與水有關的性質材料與水有關的性質材料性質材料性質材料表面材料表面原因原因親水性親水性可浸潤憎水性憎水性不可浸潤

6、2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 mv 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 100%mmmWm干濕干0m00w1100%=vwmmVWWVV干濕wm濕材料在吸水飽和狀態(tài)下的質量（材料在吸水飽和狀態(tài)下的質量（g g）; ;m干材料在干燥狀態(tài)下的質量（材料在干燥狀態(tài)下的質量（g g）; ;Vw水的體積（水的體積（cm3cm3）; ; 0 0表觀密度（表觀密度（g/cm3g/cm3）。）。V0干燥材料在自然狀態(tài)下的體積（干燥材料在自然狀態(tài)下的體積（cmcm3 3）; ; w w水的密度（水的密度（g/cm3g/cm3）。）。 2.1.3 2.1.

7、3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 鋼鐵、玻璃鋼鐵、玻璃0花花崗崗巖巖w含水后，材料強度降低，含水后，材料強度降低，保溫性能下降，抗凍性保溫性能下降，抗凍性能變差。能變差。 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 100%mmWm干含含干m含含材料濕質量，材料濕質量，gm干干材料干質量，材料干質量，g 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 1.1.3 1.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 fKf飽軟干f飽飽材料飽水狀態(tài)抗壓強度，材料飽水狀態(tài)抗壓強度，MPaf干干材料干燥狀態(tài)抗壓強度，材料干燥狀態(tài)抗壓強度，MPa 軟化系數(shù)表明材料浸

8、水后強度保持的程度。軟化系數(shù)表明材料浸水后強度保持的程度。 K K軟越大，表明軟越大，表明浸水后強度浸水后強度保持的程度越高保持的程度越高，耐水性越好。，耐水性越好。隨含水量增加，減弱其內部結合力，導致強度隨含水量增加，減弱其內部結合力，導致強度下降。下降。K K軟軟=0=01 1， K K軟軟0.850.85，稱為耐水材料，稱為耐水材料，用于水工、海工等。在設計長期處于水，用于水工、海工等。在設計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結構時，需選用中或潮濕環(huán)境中的重要結構時，需選用K K軟軟0.850.85的材料，對于受潮較輕或次要的材料，對于受潮較輕或次要結構物材料，結構物材料，K K軟值不小于軟

9、值不小于0.750.75。 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 答案：答案：DE 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 1650.930.85178bRgfKf 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 SSHQdQKAtKdAtH滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，cm/hcm/h； 透水量，透水量，cmcm3 3；dd試件厚度，試件厚度，cmcm; AA滲水面積，滲水面積，cmcm2 2; tt滲水時間，滲水時間，h h; HH水頭高度（水壓），水頭高度（水壓），cmcm;

10、2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 對于地下建筑及水工構筑物，經(jīng)常受到水的作用，所以要求有對于地下建筑及水工構筑物，經(jīng)常受到水的作用，所以要求有較好的抗?jié)B性；對于防水材料，則要求更高的抗?jié)B性。較好的抗?jié)B性；對于防水材料，則要求更高的抗?jié)B性。材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時強度也不顯著降低的性質。同時強度也不顯著降低的性質。 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 材料在吸水后，如果在負溫下受凍，水在毛細材料在吸水后，如果在負溫下受凍，水在毛細孔內結冰，膨脹孔內結冰，膨脹9 9

11、；產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料；產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內應力，隨著凍融循環(huán)的反復，造成材料出的內應力，隨著凍融循環(huán)的反復，造成材料出現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，導致凍融破壞現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，導致凍融破壞 凍融風化凍融風化冰劈作用冰劈作用道路翻漿道路翻漿凍融破壞的水庫壩面凍融破壞的水庫壩面 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 2.1.3 2.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 u表示方法：表示方法：抗凍等級抗凍等級指能經(jīng)受凍融循環(huán)的最大次數(shù)，次數(shù)愈多，等級越高。記為F50、F100、F200、F300 如F25表示材料能抵抗凍融循環(huán)25次?？箖鲂允窃u價材料耐久性的一項重

12、要指標。在設計寒冷地區(qū)或冷地區(qū)或寒冷環(huán)境（冷庫）建筑物時，必須考慮防凍性。寒冷環(huán)境（冷庫）建筑物時，必須考慮防凍性。u影響因素影響因素材料的強度材料的強度強度越高則其抗凍性越好。強度越高則其抗凍性越好。材料的密實度材料的密實度( (孔隙率孔隙率) )孔隙率越小則其抗凍性越好。孔隙率越小則其抗凍性越好。 材料的孔隙特征材料的孔隙特征開口孔隙越多則其抗凍性越差。開口孔隙越多則其抗凍性越差。材料的吸水量大小材料的吸水量大小吸水量越大則其抗凍性越差。吸水量越大則其抗凍性越差。材料的耐水性材料的耐水性耐水性越好則其抗凍性也越好耐水性越好則其抗凍性也越好。 建筑節(jié)能建筑節(jié)能保溫材料保溫材料熱工性質熱工性質

13、導熱性導熱性熱容量熱容量當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質，稱為材料的導熱性。傳導至另一面的性質，稱為材料的導熱性。 ， 式中：式中： 導熱系數(shù)，（導熱系數(shù)，（）；）； 傳導的熱量，傳導的熱量， 材料厚度，；材料厚度，； A 熱傳導面積，熱傳導面積， m2； t 熱傳導時間，熱傳導時間，h （T1-T2）材料兩面溫度差，材料兩面溫度差，K 12()At TTQd12()QdAt TT越小越小, ,絕熱性能越好絕熱性能越好； 2 .熱阻u定義：熱量通過材料層時所受到的阻力。定義：熱量通過材料層時所受到的阻力。R=/-材料

14、層的厚度材料層的厚度m；導熱系數(shù)導熱系數(shù)u 意義： R R 與與是評價材料絕熱性能的主要指標。反映材料保溫隔熱能是評價材料絕熱性能的主要指標。反映材料保溫隔熱能力。力。 對于多層平壁的總熱阻對于多層平壁的總熱阻= = 單層材料熱阻；單層材料熱阻； 在相同溫差條件下，熱阻越大，通過材料層的熱量越少。在相同溫差條件下，熱阻越大，通過材料層的熱量越少。 21cQm TT（） 建筑物圍護結構采用比熱容大的建筑物圍護結構采用比熱容大的材料，氣溫變化較大時，能較好材料，氣溫變化較大時，能較好的保持室內溫度。的保持室內溫度。4.4.耐熱性耐熱性: :材料在熱環(huán)境中抵抗熱破壞的能力。材料在熱環(huán)境中抵抗熱破壞的

15、能力。 常用材料的最高使用溫度來表征常用材料的最高使用溫度來表征。 5.5.耐火性耐火性:材料在長期高溫作用下，保持其結構不被破壞、性能不明顯下降的性質，用耐火度表示。 耐火材料：耐火度耐火材料：耐火度15801580 難熔材料：耐火度在難熔材料：耐火度在1350158013501580 易熔材料：耐火度易熔材料：耐火度135013506. .溫度變形性溫度變形性：材料在溫度升高或降低時其體積的變化。材料在溫度升高或降低時其體積的變化。變化表現(xiàn)在單向尺寸時，用線膨脹系數(shù)表示變化表現(xiàn)在單向尺寸時，用線膨脹系數(shù)表示。21()LL TT線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)，1 1K K；L L 材料的線膨脹或收縮

16、量，材料的線膨脹或收縮量，mmmm；L L 材料原來的長度，材料原來的長度，mmmmT2-T1 T2-T1 材料升溫或降溫前后的溫度差，材料升溫或降溫前后的溫度差，K K。線膨脹系數(shù)越大，材料的溫度變形性越大。與材料的組成和結線膨脹系數(shù)越大，材料的溫度變形性越大。與材料的組成和結構有關。在大面積或大體積混凝土結構中，常設置伸縮縫防止構有關。在大面積或大體積混凝土結構中，常設置伸縮縫防止材料溫度變形引起裂縫。材料溫度變形引起裂縫。材料對火焰和高溫的抵抗能力。材料對火焰和高溫的抵抗能力。 觀觀察與討論與討論討論討論AB討論討論加氣混凝土砌塊吸水分析加氣混凝土砌塊吸水分析 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析工

17、程實實例分析原因分析原因分析基礎知識基礎知識 FfA 223bhFLf 2bhFLf u在高層建筑及大跨度結構工程中，要求材料不僅要有較高的在高層建筑及大跨度結構工程中，要求材料不僅要有較高的強度，而且要減輕自重，有較高的比強度。強度，而且要減輕自重，有較高的比強度。現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析 工程實實例分析原因分析原因分析 E彈性彈性塑性塑性彈塑性彈塑性oaA荷載荷載變形變形BboA荷載荷載變形變形oba荷載荷載變形變形觀察與討論觀察與討論討論討論討論討論 材料內部存在不穩(wěn)定的化學組分；材料內部存在不穩(wěn)定的化學組分；材料內部存在一些缺陷，如孔隙、裂縫等。材料內部存在一些缺陷，如孔隙、裂縫等。物

18、理作用：溫度、濕度、凍融、機械力物理作用：溫度、濕度、凍融、機械力化學作用：酸、堿、鹽溶液或氣體、陽光化學作用：酸、堿、鹽溶液或氣體、陽光生物作用：細菌、昆蟲、白蟻生物作用：細菌、昆蟲、白蟻長期性，后期加?。婚L期性，后期加劇；多種介質同時作用；多種介質同時作用；材料劣化材料劣化結構失效結構失效服務壽命降低。服務壽命降低。設法減輕介質對材料的破壞作用；設法減輕介質對材料的破壞作用；提高材料本身對外界的抵抗能力，如提高密實度；提高材料本身對外界的抵抗能力，如提高密實度；或適當改變成分，進行防水和憎水處理；或適當改變成分，進行防水和憎水處理；在材料表面設置保護層。在材料表面設置保護層?；A知識基礎知

19、識 v定義：定義：化學組成是指構成材料的化學元素及化合化學組成是指構成材料的化學元素及化合物的種類及數(shù)量。物的種類及數(shù)量。v表示方法：表示方法：q-金屬材料以各化學元素含量表示金屬材料以各化學元素含量表示 q-無機非金屬材料以各氧化物含量表示無機非金屬材料以各氧化物含量表示 q-有機材料以絡化合物的含量表示有機材料以絡化合物的含量表示v意義意義:化學組成是決定材料化學性質、物理性質、化學組成是決定材料化學性質、物理性質、力學性質的主要因素之一力學性質的主要因素之一 化化學學組組成成 v定義：定義：q礦物礦物是無機非金屬材料中具有特定的晶體結構、特是無機非金屬材料中具有特定的晶體結構、特定物理力

20、學性能的組織結構。定物理力學性能的組織結構。q礦物組成礦物組成是指構成材料的礦物的種類和數(shù)量。是指構成材料的礦物的種類和數(shù)量。 v意義意義:也是決定無機非金屬材料化學性質、物理性也是決定無機非金屬材料化學性質、物理性 質、力學性質和耐久性的重要因素之一。質、力學性質和耐久性的重要因素之一。v舉例舉例: 如硅酸鹽水泥的主要礦物組成為鋁酸鈣、硅酸鈣、如硅酸鹽水泥的主要礦物組成為鋁酸鈣、硅酸鈣、 鐵鋁酸鈣，決定了水泥容易水化為堿性凝膠體，且具鐵鋁酸鈣，決定了水泥容易水化為堿性凝膠體，且具 有凝結功能。有凝結功能。礦礦物物組組成成 v定義：定義：材料中結構相近、性質相同的均勻部分稱為材料中結構相近、性

21、質相同的均勻部分稱為相。相。v例如，自然界中的物質可以分為氣、固、液三大相。例如，自然界中的物質可以分為氣、固、液三大相。v同一種材料可以由多相的相組成。同一種材料可以由多相的相組成。v兩相或兩相以上的物質組成的材料稱為復合材料。兩相或兩相以上的物質組成的材料稱為復合材料。p 混凝土可認為由集料顆粒（集料相）分散在水泥混凝土可認為由集料顆粒（集料相）分散在水泥漿體（基相）中組成的兩相復合材料；漿體（基相）中組成的兩相復合材料；p 鋼筋混凝土又可認為是鋼筋和混凝土兩相的復合鋼筋混凝土又可認為是鋼筋和混凝土兩相的復合材料。材料。p 配比及構造形式不同，材料性質變化可能很大。配比及構造形式不同，材料

22、性質變化可能很大。相相組組成成 是指用是指用肉眼或放大鏡肉眼或放大鏡就能夠觀察到的粗大組織。就能夠觀察到的粗大組織。 尺寸在尺寸在10-3m以上，孔隙特征以上，孔隙特征多為致密結構、多孔結構。多為致密結構、多孔結構。致密結構致密結構多孔結構多孔結構材料內部基本無孔隙，結構密實；吸水率低、抗?jié)B性好、材料內部基本無孔隙，結構密實；吸水率低、抗?jié)B性好、抗凍性好、強度較高。如抗凍性好、強度較高。如鋼材、天然石材、玻璃、瀝青鋼材、天然石材、玻璃、瀝青。材料內部基本具有大致呈均勻分布的、獨立的或部分相通的孔隙。質輕、材料內部基本具有大致呈均勻分布的、獨立的或部分相通的孔隙。質輕、吸水率高，抗?jié)B性和抗凍性差

23、，但保溫、隔熱、吸聲性好。吸水率高，抗?jié)B性和抗凍性差，但保溫、隔熱、吸聲性好。如加氣混凝土、如加氣混凝土、石膏制品、泡沫塑料、多孔磚石膏制品、泡沫塑料、多孔磚。纖維結纖維結構構層狀結層狀結構構散粒結散粒結構構聚集結聚集結構構由天然或人工同纖維物質構成的結構；纖維之間孔隙較多；平行由天然或人工同纖維物質構成的結構；纖維之間孔隙較多；平行纖維方向的強度較高，有較好的保溫隔熱和吸聲性能。如木材、纖維方向的強度較高，有較好的保溫隔熱和吸聲性能。如木材、竹、礦棉、鋼纖維、玻璃纖維。竹、礦棉、鋼纖維、玻璃纖維。由天然或人工黏結等方法將材料疊合成層狀的結構。顯著的提由天然或人工黏結等方法將材料疊合成層狀的結構。顯著的提高了材料的強度、硬度、絕熱或裝飾等性能，擴大適用范圍。高了材料的強度、硬度、絕熱或裝飾等性能，擴大適用范圍。如紙面石膏板、膠合板、蜂窩板、泡沫壓型鋼板復合墻等如紙面石膏板