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1、土木工程材料,,緒 論,1.1 概述 一、土木工程材料的分類 土木工程材料的種類繁多，性質各異，用途不現，為了研究、使用和敘述上的方便，通常根據材料的組成、功能和用途分別加以分類。 （一）、土木工程材料按材料的的化學成分分類，通?？煞譃闊o機材料、有機材料和復合材料三大類。如下表：,（二）、按功能分類，可分為兩大類： 結構材料主要指梁、板、柱、基礎、墻體和其他受力構件所用的土木工程材料。最常用的有鋼材、混凝土、磚、砌塊、墻板、樓板、屋面板和石材等。 。 功能材料主要有防水材料、防火材料、裝飾材料、保溫材料、吸聲（隔聲）材料、采光材料、防腐材料等等。,二、土木工程材料的標準化,（一）、我
2、國現行的常用的標準有如下三類： 1、國家標準 國家強制性標準代號GB、推薦性標準GB/T 2、行業(yè)標準 建材行業(yè)代號JC，交通行業(yè)代號JT，建工行業(yè)代號JG等。 3、地方標準和企業(yè)標準 地方標準代號DB，企業(yè)標準代號QB。,（二）標準的表示方法 標準一般表示方法，是由標準名稱、部門代號、編號和批準年份等組成。 如：國家強制性標準金屬拉伸試驗方法GB228-88。 注：地方標準或企業(yè)標準所制定的技術要求應高于國家標準。,1.2 材料的基本狀態(tài)參數,1.2.1、材料的密度、表觀密度和堆積密度 1 .2.1.1 密度 密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積內的質量。材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質量
3、稱為密度。按下式計算： =m/v式中密度,g/cm3或kg/m3；m---材料的質量，g或kg；v材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，（即材料體積內固態(tài)物質的實體積），cm3或m3。,材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，是指不包括材料內部孔隙的固體物質本身的體積，亦稱實體積。土木工程料中除鋼材、玻璃等外，絕大多數材料均含有一定的孔隙。測定有孔隙的材料密度時，須將材料磨成細粉（粒徑小于0.20mm），經干燥后用李氏瓶測得其實體積。材料磨得愈細，測得的密度值愈精確。材料密度的大小取決于材料的組成及微觀結構，因此相同組成及微觀結構的材料其密度為一定值。,1.2.1.2 表觀密度 材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質量稱為
4、表觀密度。公式表示如下： 0=m/v0式中 0---體積密度，g/cm3或kg/m3；m---自然狀態(tài)下材料的質量，g或kg；v0材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m3。 所謂自然狀態(tài)下的體積，是指包括材料實體積和內部孔隙的外觀幾何形狀的體積。 測定方法：外觀形狀規(guī)則，按幾何公式計算，外觀形狀規(guī)則，用排液法。,在自然狀態(tài)下，材料內往往含有水分，其質量將隨含水程度而改變，故測定體積密度時應注明其含水程度。一般指的是材料在氣干狀態(tài)下的體積密度，干燥材料的表觀密度稱為干表觀密度。,1.2.1.3 堆積密度 散粒狀材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質量稱為堆積密度。按下式計算：0=m/ v0式中0 ---材料的
5、堆積密度，kg/m3； m---材料的質量，kg； v0材料的堆積體積，m3。 材料在堆積狀態(tài)下，其堆積體積不但包括所有顆粒內的孔隙，而且還包括顆粒間的空隙。其值大小不但取決于材料顆粒的體積密度，而且還與堆積的疏密程度有關。 在土木工程中，進行配料計算、確定材料堆放空間及運輸量、材料用量及構件自重等經常用到的材料的密度、體積密度和堆積密度的數值。,1.2. 2 材料的孔隙和空隙 1.2.2.1 材料的孔隙孔隙率孔隙率是指材料內部孔隙體積占材料總體積百分率。以P表示，并按下式計算：P=（V-V0）/V0=1-/0 密實度是指材料內部固體物質實體積占材料總體積的百分率。以D表示，并按下式計算：D=
6、V/V0,孔隙率與密實度從兩個不同側面來反映材料的致密程度，即D+P=1 。建筑材料的許多工程性質如強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性、吸聲性等都與材料的致密程度有關。這些性質除取決于孔隙率的大小外，還與孔隙的構造特征密切相關?？紫短卣髦饕缚紫兜姆N類（開口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實際上絕對的閉口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常溫、常壓下水能否進入孔中來區(qū)分開口與閉口。因此，開口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開口孔體積Vk）與材料體積之比。閉口孔隙率（PB）便是總孔率P與開口孔隙率Pk之差。,1.2.2.1 材料的空隙 空隙率：散粒材料顆粒間的空隙體積
7、占堆積體積的百分率。 與空隙率相對應的是填充率，即顆粒的自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。 公式：略,1.3 材料的力學性質,一. 強度與比強度 根據外力作用方式的不同，材料的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度（或抗折強度）及抗剪強度等，抗壓、抗拉、抗剪強度的計算公式如下: f=/A式中 f材料的強度，Mpa；材料破壞時的最大荷載，N；A材料受力截面積，mm2。,“比強度” 比強度是評價材料是否輕質高強的指標。它等于材料的強度與體積密度之比，其數值大者，表明材料輕質高強。,二、彈性與塑性（略）,三 、脆性與韌性 脆性 材料在外力作用下，直至斷裂前只發(fā)生很小的彈性變形，不出現塑性變形，而突
8、然破壞的性質稱為脆性。具有這種性質的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強度比抗拉強度大得多，可達幾倍到幾十倍。脆性材料抵抗沖擊或振動荷載的能力差，故常用于承受靜壓力作用的工程部位如基礎、墻體、柱子、墩座等。屬于此類的材料如石材、磚、混凝土、鑄鐵等。 韌性 材料在沖擊、振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時也能產生一定的塑性變形而不致破壞的性質稱為韌性（或沖擊韌性）。建筑鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。用作路面、橋梁、吊車梁以及有抗震要求的結構都要考慮材料的韌性。材料的韌性用沖擊試驗來檢驗。,四、硬度和耐磨性 硬度是材料抵抗其他物體刻劃，壓入其表面出現塑性變形的能力 ，通常，礦物的硬度采
9、用刻劃法測定其莫氏硬度，即“相對硬度”。鋼材，木材，混凝土采用鋼球壓入法測定其布氏硬度（HB）。 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力，通常用磨損率K表示，即 M=m0-m1/A 其中 m0，m1表示磨損前后的質量，g； A受損面積，cm2。,1.4 材料與水有關的性質 1.4.1材料的親水性與憎水性 材料與水接觸時出現兩種不同的現象，如圖所示，這是由于水與固體表面之間的作用情況不同。若材料遇水后其表面能降低，則水在材料表面易于擴展。這種與水的親合性稱為親水性。表面與水親合能力較強的材料稱為親水性材料。親水性材料遇水后呈圖（a）的現象，其潤濕邊角（固、氣、液三態(tài)交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接
10、觸面所成的夾角）90o。與此相反，當材料與水接觸時不與水親合，這種性質稱為憎水性。憎水性材料遇水呈圖（b）的現象，90o。,土木工程材料中，各種無機膠凝混凝土、石料、磚瓦等均為親水性材料，它們?yōu)闃O性分子所組成，與極性分子水之間有良好的親合性。瀝青、油漆、塑料等為憎水性材料，這是因為極性分子的水與這些非極性分子組成的材料互相排斥的緣故。憎水性材料常用作為防潮、防水及防腐材料，也可以對親水性材料進行表面處理，用以降低吸水性。,1.4.2 材料的含水狀態(tài) 1.4.3 材料的吸濕性和吸水性 （1）吸濕性 親水性 材料在潮濕空氣中吸收水分的性質稱為吸濕性。反之，在干燥空氣中會放出所含水分，為還濕性。材料
11、的吸濕性用含水率表示，即吸入水與干燥材料的質量之比。按下式計算： Wb=（ms-mg）/mg 式中 Wb材料的質量吸水率，%；ms材料吸濕狀態(tài)下的質量，g 或kg ；mg材料在干燥狀態(tài)下的質量，g 或kg；,（2）吸水性 材料在水中能吸收水分的性質稱為吸水性。吸水性大小用吸水率表示，吸水率常用質量吸水率，即材料吸入水的質量與材料干質量之比表示，對于高度多孔的材料的吸水率常用體積吸水率表示，即材料吸入水的體積與材料自然狀態(tài)下體積之比。 質量吸水率： Wm=（mb-mg）/mg 式中， Wm材料的質量吸水率，%；mb材料吸水飽和時的質量，g；mg材料在在干燥狀態(tài)下的質量， g ；體積吸水率： W
12、v=（mb-mg）/wv0,將上式變換可導出體積吸水率與質量吸水率的關系 Wv= Wm0,材料吸水率的大小不僅取決于材料對水的親憎性還取決于材料的孔隙率及孔隙特征。密實材料及具有閉口孔的材料是不吸水的；具有粗大孔的材料因其水分不易存留，其吸水率也常小于其開口孔隙率；而那些孔隙率較大，且具有細小開口連通孔的親水性材料往往具有較大的吸水能力。材料在水中吸水飽和后，吸入水的體積與孔隙體積之比稱為飽和系數。材料含水后，不但可使材料的質量增加，而且會使強度降低，保溫性能下降，抗凍性能變差，有時還會發(fā)生明顯的體積膨脹?？梢姴牧现泻畬Σ牧系男阅芡遣焕?。,1.4.4 耐水性材料長期在水的作用下
13、不破壞，強度不顯著降低的性質稱為耐水性。一般材料含水后，將會以不同方式減弱材料的內部結合力，使強度有不同程度的降低。材料的耐水性用軟化系數表示： K=fb/fg式中 K材料的軟化系數；fb材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度，MPa；fg材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度，Mpa。材料的軟化系數波動在0-1之間，軟化系數越小，說明材料吸水飽和后強度降低得越多，耐水性越差。,軟化系數在工程當中的意義： （）處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結構物所選用的材料其軟化系數不得小于0.85 （）受潮較輕的部位或次要結構部位的材料軟化系數不宜小于0.75 （）軟化系數大于0.85的材料，稱耐水性材料 （）干燥環(huán)境下使用的材料
14、可不考慮耐水性。,衡量指標： 滲透系數k，單位cm/h k越大，材料的抗?jié)B性越差。,1.4.5 材料的抗?jié)B性,定義：材料抵抗壓力水滲透的性質稱為抗?jié)B性。,Q,抗?jié)B等級Pn,抗?jié)B等級,對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(S)表示： S=10H1 H試件開始滲水時的水壓力（MPa）,影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征,地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結構、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。,1.4.6 材料的抗凍性,定義：材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質。,衡量指標：抗凍性指標用抗凍等級Fn表示，表示經過n次凍融循環(huán)次數后，質量損失不超過5%，強度損失不超過25%。,凍融破壞原因：材料有孔且孔隙含水；水冰，體積膨脹9，結冰壓力高達100MPa，結冰壓力超過材料的抗拉強度時，材料開裂；反復多次加劇破壞，最終材料崩潰；嚴寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺、跨海大橋等均需考慮凍融破壞。,1.6 材料的耐久性,一、概念 材料的耐久性是指材料在使用期間，受到各種內在的或外來因素的影響，能經久不變質不破壞，能保持原有性能不影響使用的性質。這是一個綜合性指標。,二、影響耐久性的因素 1、物理作用 2、化學作用 3、機械作用 4、生物作用,
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