土木工程材料课件――基本性质.ppt

第1章土木工程材料基本性质 一、材料与质量有关的性质材料的体积构成体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。 材料内部体积构成闭口孔隙（体积为Vb）开口孔隙(体积为Vk)材料内部固体物质体积（V）材料单位总体积V0=V+VP（VP为材料孔隙总体积）（VP=Vb+Vk） 干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以Ｖ表示。一般将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得到其体积。实际工程中所使用的钢材、玻璃等材料一般情况下认为是绝对密实状态。绝对密实体积一、材料与质量有关的性质 材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙）。一般以V0表示。形状规则的材料可根据其尺寸计算其自然体积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后用排开液体的方法得到其自然体积。材料的自然体积一、材料与质量有关的性质 材料的堆积体积定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。特征：松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。一般以V1表示。一、材料与质量有关的性质 几种密度的比较比较项目密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实自然状态堆积状态材料体积VV0V1计算公式ρ=m/Vρ0=m/V0ρ1=m/V1应用判断材料性质用量计算、体积计算一、材料与质量有关的性质 吸水率强度耐久性表观密度孔隙率二、材料的孔隙率和空隙率孔隙对材料性能的影响 材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。二、材料的孔隙率和空隙率 孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式 三、材料与水有关的性质1、材料的亲水性与憎水性与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。 （ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料θθ三、材料与水有关的性质 材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。三、材料与水有关的性质 2、材料的吸水性材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（1）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以Wm表示。三、材料与水有关的性质 （2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。三、材料与水有关的性质（3）影响材料吸水性的因素材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔隙特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。 3、材料的吸湿性材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示三、材料与水有关的性质当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。 吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率三、材料与水有关的性质 4、材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：式中：KR——材料的软化系数；fb——材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。三、材料与水有关的性质 软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。三、材料与水有关的性质 软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。三、材料与水有关的性质 5、抗冻性（1）抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。（2）材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力增大，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。三、材料与水有关的性质 （3）抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。（4）材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。三、材料与水有关的性质 影响抗冻性的因素1、密实度（孔隙率）密实度越高则其抗冻性越好。2、孔隙特征开口孔隙越多则其抗冻性越差。3、材料的强度强度越高则其抗冻性越好。4、材料的耐水性耐水性越好则其抗冻性也越好。5、材料的吸水量大小吸水量越大则其抗冻性越差。三、材料与水有关的性质 6、材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数K:式中：K——渗透系数（cm/h）;Q——渗水量（cm3）;A——渗水面积(cm2)；H——材料两侧的水压差（cm）d——试件厚度（cm）；t——渗水时间（h）。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。三、材料与水有关的性质 （2）抗渗等级材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。三、材料与水有关的性质 （3）影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。三、材料与水有关的性质 四、材料的热工性质1、导热性当材料两面存在温度差时，热量通过建筑材料传递的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示：式中：λ——导热系数，W/（m·K）；Q——传导的热量，J；a——材料厚度，m；Z——热传导时间，h；（t2－t1）——材料两面温度差，K；A——材料传热面积，m² 导热系数的物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1m2）的热量。导热系数越小表明材料越不易导热，通常将导热系数λ≤0.23的材料称为绝热材料。四、材料的热工性质 建筑工程中常用的保温珍珠岩板四、材料的热工性质 石膏板因其具有良好的保温隔热、吸音阻燃等功能在建筑中广泛使用 2、热容量和比热材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。用热容量系数或比热表示。比热的计算式如下所示：式中：C——材料的比热，J/（g·K）；Q——材料吸收或放出的热量(J)；m——材料质量，g；（t2－t1）——材料受热或冷却前后的温差，K。四、材料的热工性质 3、热阻和传热系数热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为：式中：R——材料层热阻，（m2·K）/W；d——材料层厚度，m；λ——材料的导热系数，W/（m·K）。四、材料的热工性质 热阻的倒数称为材料层（墙体或其它围结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1Ｋ时，在单位时间内通过单位面积的热量。四、材料的热工性质 4、材料的温度变形性材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。用线膨胀系数α表示。ΔL=（t2－t1）·α·L式中：ΔL——线膨胀或线收缩量，mm或cm；（t2－t1）——材料前后的温度差，K；α——材料在常温下的平均线膨胀系数，1/KL——材料原来的长度，mm或m。四、材料的热工性质 材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。如钢筋和混凝土的结合。四、材料的热工性质 1、材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。五、材料的力学性质 （1）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。2.弹性和塑性弹性材料的σ-ε曲线图εσ123σ1ε1ε2ε3五、材料的力学性质 （2）塑性材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形(或永久变形)。ba变形荷载0Aab—弹性变形ob—塑性变形五、材料的力学性质 大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。3.脆性和韧性材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。荷载A变形五、材料的力学性质 （1）硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。4.硬度和耐磨性五、材料的力学性质 刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。五、材料的力学性质 （2）耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中：G——材料的磨耗率，（g/cm2）；m1——材料磨损前的质量，（g）；m2——材料磨损后的质量，（g）；A——材料试件的受磨面积，（cm2）。五、材料的力学性质 六、材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。 物理作用有干湿变化、温度变化及冻融变化等。化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。六、材料的耐久性与环境协调性 环境协调性——对资源和能源消耗少，对环境污染小，循环再生利用率高。目前，提倡“绿色建材”六、材料的耐久性与环境协调性 1、材料的组成对性质的影响化学组成——化学元素及化合物的种类与数量。矿物组成——天然的，人工烧制的。相——组织均匀的物质。七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响 2、材料的结构对性质的影响（1）宏观结构（2）亚微观结构包括纳米微观结构（3）微观结构晶体——按一定的规则在空间呈有规律的排列。非晶体——不定形。原因：熔融物质急冷，来不及成晶而成。如玻璃体(粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰)，化学潜能大，一定条件下发生化学反应。七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响 3、材料的构造对性能的影响——具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。与结构的区别：构造更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、层理、纹理、疵病等。七、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响