《土木工程材料》PPT課件

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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(zhì)各異，用途不現(xiàn)，為了研究、使用和敘述上的方便，通常根據(jù)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(xué)成分分類，通?？煞譃闊o(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料三大類。如下表：,（二）、按功能分類，可分為兩大類： 結(jié)構(gòu)材料主要指梁、板、柱、基礎(chǔ)、墻體和其他受力構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化,（一）、我

2、國(guó)現(xiàn)行的常用的標(biāo)準(zhǔn)有如下三類： 1、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)GB、推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 建材行業(yè)代號(hào)JC，交通行業(yè)代號(hào)JT，建工行業(yè)代號(hào)JG等。 3、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 地方標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)DB，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)QB。,（二）標(biāo)準(zhǔn)的表示方法 標(biāo)準(zhǔn)一般表示方法，是由標(biāo)準(zhǔn)名稱、部門代號(hào)、編號(hào)和批準(zhǔn)年份等組成。 如：國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗(yàn)方法GB228-88。 注：地方標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所制定的技術(shù)要求應(yīng)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。,1.2 材料的基本狀態(tài)參數(shù),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(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積內(nèi)的質(zhì)量。材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量

3、稱為密度。按下式計(jì)算： =m/v式中密度,g/cm3或kg/m3；m---材料的質(zhì)量，g或kg；v材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，（即材料體積內(nèi)固態(tài)物質(zhì)的實(shí)體積），cm3或m3。,材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括材料內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)本身的體積，亦稱實(shí)體積。土木工程料中除鋼材、玻璃等外，絕大多數(shù)材料均含有一定的孔隙。測(cè)定有孔隙的材料密度時(shí)，須將材料磨成細(xì)粉（粒徑小于0.20mm），經(jīng)干燥后用李氏瓶測(cè)得其實(shí)體積。材料磨得愈細(xì)，測(cè)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(jié)構(gòu)，因此相同組成及微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(shí)體積和內(nèi)部孔隙的外觀幾何形狀的體積。 測(cè)定方法：外觀形狀規(guī)則，按幾何公式計(jì)算，外觀形狀規(guī)則，用排液法。,在自然狀態(tài)下，材料內(nèi)往往含有水分，其質(zhì)量將隨含水程度而改變，故測(cè)定體積密度時(shí)應(yīng)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(zhì)量稱為堆積密度。按下式計(jì)算：0=m/ v0式中0 ---材料的

5、堆積密度，kg/m3； m---材料的質(zhì)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(nèi)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(guān)。 在土木工程中，進(jìn)行配料計(jì)算、確定材料堆放空間及運(yùn)輸量、材料用量及構(gòu)件自重等經(jīng)常用到的材料的密度、體積密度和堆積密度的數(shù)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(nèi)部孔隙體積占材料總體積百分率。以P表示，并按下式計(jì)算：P=（V-V0）/V0=1-/0 密實(shí)度是指材料內(nèi)部固體物質(zhì)實(shí)體積占材料總體積的百分率。以D表示，并按下式計(jì)算：D=

6、V/V0,孔隙率與密實(shí)度從兩個(gè)不同側(cè)面來(lái)反映材料的致密程度，即D+P=1 。建筑材料的許多工程性質(zhì)如強(qiáng)度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性、吸聲性等都與材料的致密程度有關(guān)。這些性質(zhì)除取決于孔隙率的大小外，還與孔隙的構(gòu)造特征密切相關(guān)。孔隙特征主要指孔隙的種類（開(kāi)口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實(shí)際上絕對(duì)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(jìn)入孔中來(lái)區(qū)分開(kāi)口與閉口。因此，開(kāi)口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開(kāi)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(kāi)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(duì)應(yīng)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(xué)性質(zhì),一. 強(qiáng)度與比強(qiáng)度 根據(jù)外力作用方式的不同，材料的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度（或抗折強(qiáng)度）及抗剪強(qiáng)度等，抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式如下: f=/A式中 f材料的強(qiáng)度，Mpa；材料破壞時(shí)的最大荷載，N；A材料受力截面積，mm2。,“比強(qiáng)度” 比強(qiáng)度是評(píng)價(jià)材料是否輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)。它等于材料的強(qiáng)度與體積密度之比，其數(shù)值大者，表明材料輕質(zhì)高強(qiáng)。,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(xiàn)塑性變形，而突

8、然破壞的性質(zhì)稱為脆性。具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多，可達(dá)幾倍到幾十倍。脆性材料抵抗沖擊或振動(dòng)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(chǔ)、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(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)也能產(chǎn)生一定的塑性變形而不致破壞的性質(zhì)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(jié)構(gòu)都要考慮材料的韌性。材料的韌性用沖擊試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。,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(xiàn)塑性變形的能力 ，通常，礦物的硬度采

9、用刻劃法測(cè)定其莫氏硬度，即“相對(duì)硬度”。鋼材，木材，混凝土采用鋼球壓入法測(cè)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(zhì)量，g； A受損面積，cm2。,1.4 材料與水有關(guān)的性質(zhì) 1.4.1材料的親水性與憎水性 材料與水接觸時(shí)出現(xiàn)兩種不同的現(xiàn)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(kuò)展。這種與水的親合性稱為親水性。表面與水親合能力較強(qiáng)的材料稱為親水性材料。親水性材料遇水后呈圖（a）的現(xiàn)象，其潤(rùn)濕邊角（固、氣、液三態(tài)交點(diǎn)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(dāng)材料與水接觸時(shí)不與水親合，這種性質(zhì)稱為憎水性。憎水性材料遇水呈圖（b）的現(xiàn)象，90o。,土木工程材料中，各種無(wú)機(jī)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?yàn)闃O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(duì)親水性材料進(jìn)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(zhì)稱為吸濕性。反之，在干燥空氣中會(huì)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(zhì)量之比。按下式計(jì)算： Wb=（ms-mg）/mg 式中 Wb材料的質(zhì)量吸水率，%；ms材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g 或kg ；mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g 或kg；,（2）吸水性 材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。吸水性大小用吸水率表示，吸水率常用質(zhì)量吸水率，即材料吸入水的質(zhì)量與材料干質(zhì)量之比表示，對(duì)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(zhì)量吸水率： Wm=（mb-mg）/mg 式中， Wm材料的質(zhì)量吸水率，%；mb材料吸水飽和時(shí)的質(zhì)量，g；mg材料在在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量， g ；體積吸水率： W

12、v=（mb-mg）/wv0,將上式變換可導(dǎo)出體積吸水率與質(zhì)量吸水率的關(guān)系 Wv= Wm0,材料吸水率的大小不僅取決于材料對(duì)水的親憎性還取決于材料的孔隙率及孔隙特征。密實(shí)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(kāi)口孔隙率；而那些孔隙率較大，且具有細(xì)小開(kāi)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(shù)。材料含水后，不但可使材料的質(zhì)量增加，而且會(huì)使強(qiáng)度降低，保溫性能下降，抗凍性能變差，有時(shí)還會(huì)發(fā)生明顯的體積膨脹。可見(jiàn)材料中含水對(duì)材料的性能往往是不利的。,1.4.4 耐水性材料長(zhǎng)期在水的作用下

13、不破壞，強(qiáng)度不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。一般材料含水后，將會(huì)以不同方式減弱材料的內(nèi)部結(jié)合力，使強(qiáng)度有不同程度的降低。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示： K=fb/fg式中 K材料的軟化系數(shù)；fb材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa；fg材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，Mpa。材料的軟化系數(shù)波動(dòng)在0-1之間，軟化系數(shù)越小，說(shuō)明材料吸水飽和后強(qiáng)度降低得越多，耐水性越差。,軟化系數(shù)在工程當(dāng)中的意義： （）處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)物所選用的材料其軟化系數(shù)不得小于0.85 （）受潮較輕的部位或次要結(jié)構(gòu)部位的材料軟化系數(shù)不宜小于0.75 （）軟化系數(shù)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(biāo)： 滲透系數(shù)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(zhì)稱為抗?jié)B性。,Q,抗?jié)B等級(jí)Pn,抗?jié)B等級(jí),對(duì)于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)(S)表示： S=10H1 H試件開(kāi)始滲水時(shí)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(jié)構(gòu)、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(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。,衡量指標(biāo)：抗凍性指標(biāo)用抗凍等級(jí)Fn表示，表示經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)次數(shù)后，質(zhì)量損失不超過(guò)5%，強(qiáng)度損失不超過(guò)25%。,凍融破壞原因：材料有孔且孔隙含水；水冰，體積膨脹9，結(jié)冰壓力高達(dá)100MPa，結(jié)冰壓力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料開(kāi)裂；反復(fù)多次加劇破壞，最終材料崩潰；嚴(yán)寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺(tái)、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(nèi)在的或外來(lái)因素的影響，能經(jīng)久不變質(zhì)不破壞，能保持原有性能不影響使用的性質(zhì)。這是一個(gè)綜合性指標(biāo)。,二、影響耐久性的因素 1、物理作用 2、化學(xué)作用 3、機(jī)械作用 4、生物作用,