1、土木工程材料-教材资料

土木工程材料（建筑材料）绪论一、土木工程材料的作用工程实例一：实例一.dwg从上述的实例中，我们可以看出建筑材料在基本建设中的重要性。在实际情况中对建筑材料的重视应当加强，而不只是考虑如何用的问题。在实际工程中往往出现问题的首先是建筑材料的因素。二、土木工程材料的分类按材料来源：天然材料人造材料按使用功能：结构材料功能材料胶凝材料及其制品烧土制品天然石材非金属材料有色金属黑色金属金属材料无机材料合成高分子材料天然高分子材料有机材料无机材料基复合材料有机材料基复合材料复合材料组成材料的物质和化学成分建筑材料的分类三、土木工程材料的发展发展趋向：1.构件的尺寸将日益增大，各种大型板材将广泛采用；2.构件材料的重量将大为减少，轻骨料混凝土、加气混凝土、轻质填充隔墙以及铝合金型材等将从现有水平提高到更加完善的新阶段而被广泛地应用；3.建筑材料的强度将进一步提高；4.单一材料的制品将逐渐由两种或两种以上的材料复合材料所取代；5.特殊功能的材料的质量将大为提高，并将陆续出现具有多种功能的材料。高效、轻质、高强、环保四、土木工程材料的选择和使用国际标准（ISO）美国材料试验学会标准（ASTM）日本工业标准（JIS）德国工业标准（DIN）英国标准（BS）外国技术标准国家标准(GB)建设部行业标准(JGJ)中国工程建设标准化协会标准(CECS)建材行业标准(JC)行业标准地方标准(DB)企业标准(QB)中国技术标准技术标准第一章土木材料的基本性质一、材料的组成、结构及构造§1.1.1材料的组成材料的组成决定材料物理力学性质的主要因素之一，而且，当材料与外界自然环境以及各种物质相接触时，它们之间必然要按照化学变换规律发生作用。无机非金属材料的化学成分常用各氧化物的含量来反映。化学组成金属材料则常以化学元素的含量来表示合成高分子材料常以其链节表示材料组成无机非金属材料，通常用矿物成分表示物相组成金属材料，通常用金相组织来表示§1.1.2材料的结构和构造一、宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上表1-1材料的宏观结构和构造及特征宏观结构结构特征常用的土木工程材料按孔隙特征致密结构微孔结构多孔结构无宏观尺度的孔隙主要具有微细孔隙具有较多粗大孔隙钢铁、玻璃、塑料等石膏制品、烧土制品加气混凝土、泡沫玻璃等按构造特征纤维结构层状结构散粒结构聚集结构主要有纤维状材料构成由多层材料叠合构成由松散颗粒状材料构成由骨料和胶结材料构成木材、玻璃钢、岩棉复合墙板、胶合板砂石材料、膨胀蛭石各种混凝土、砂浆、陶瓷二、介观结构(亚微观结构)需掌握以下几点：1.显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-3～10-7m2.纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。其尺度范围在10-7～10-9m。三、微观结构（一）晶体结构定义：晶体是内部质点（原子、分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，具有一定的几何形状和物理性质。特点：晶体的性质还与各质点之间相互作用的情况有关。质点间的距离越近，其键价越高，其强度也越大，如要拆开这种结构，所需的能量也越大。无机非金属材料中的晶体，通常不是单一的结合键，而是既存在共价键又存在离子键。（二）玻璃体定义：玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。特点：玻璃体结构的材料没有固定的熔点和几何形状，且各向同性，其化学稳定性差，易与其他物质发生化学反应。（三）胶体胶体是一些细小分散粒子（直径1~100μm）分散在介质中的结构。由于胶体的质点很微小，其表面积很大，于是表面能很大，吸附能力很强。胶体由于脱水作用或质点的凝聚而产生凝胶。凝胶体具有固体的性质。在长期应力作用下，又具有粘性液体的流动性质。它是由于固体微粒由极薄的吸附膜所包围，这种膜越厚则流动性越大，膜越薄，则刚性越大。混凝土的徐变就是由于水泥胶体所产生的。§1.2材料的物理性质一、密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度（一）基本概念1.闭口孔隙、开口孔隙（二）密度1.定义：密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。2.公式：式中：ρ——密度，g/cm3m——干燥材料的质量，gV——材料在绝对密实状态下的体积，cm33.测试方法将材料磨细，干燥后用李氏瓶测定体积，材料磨得越细越好，测得的体积越接近真实体积。4.相对密度：材料的密度与4℃纯水密度之比称为相对密度，也称为比重。Vm（三）表观密度1.定义：材料在包含闭口孔隙条件下单位体积的质量。2.公式：式中：ρ’——表观密度，g/cm3m——材料的质量，gV/——材料在包含闭口孔隙条件下的体积，cm33.测试方法将采用排液置换法测量体积；''Vm（四）毛体积密度1.定义：毛体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量。2.公式：式中：ρ0——毛体积密度，g/cm3m——材料的质量，gV0——材料在自然状态下的体积，cm33.测试方法对于规则形状材料的体积，可用量具测得；对于不规则形状材料的体积，可采用排液法或封蜡排液法或用体积仪测得。00Vm（五）堆积密度1.定义：堆积密度是指散粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。2.公式：式中：——堆积密度，g/cm3m——材料的质量，g——材料堆积体积，cm3'0'0Vm'0'0V二、密实度与孔隙率（一）密实度1.定义：材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度，称为材料的密实度D。2.公式：3.密实度D反映材料的密实程度，D越大，材料越密实，含有孔隙的材料，密实度均小于1。%1000VVD（二）孔隙率1.定义：孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率。分为总孔隙率（简称孔隙率）、开口孔隙率和闭口孔隙率。2.孔隙率公式：3.开口孔隙率材料内部开口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的开口孔隙率。由于水可进入开口孔隙，工程中常将材料在吸水饱和状态下所吸水的体积，视为开口孔隙的体积（Vk），开口孔隙率（Pk）按下式计算：%100)1(%100)1(00VVP4.闭口孔隙率材料内部闭口孔隙的体积（Vb）占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的闭口孔隙率。闭口孔隙率（Pb）按下式计算：%100)1(%100'00VVPKKKbbPPVVP%1000三、填充率、空隙率和间隙率（一）填充率定义：散粒材料在堆积状态下颗粒填充的体积占堆积体积的百分率，称为材料的填充率。公式：%1000'0'00'VVD（二）空隙率定义：散粒材料在堆积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，称为材料的空隙率。公式：%100)1(1''0'0''VVP（三）间隙率定义：散粒材料在堆积状态下颗粒间间隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的间隙率。公式：间隙率大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。%100)1(10'0'00'0VVP§1.3材料的力学性质§1.3.1强度强度：材料抵抗外力破坏的能力根据外力施加方式可以分为：静力强度和动力强度根据外力引起内应力可以分为：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度计算公式：AFfmax公式推导材料按强度等级划分：1.普通水泥按抗压强度和抗折强度分为32.5，42.5，52.5，62.5等四个强度等级2.普通混凝土按抗压强度分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75和C80等14个强度等级3.钢筋按机械性能（屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等）划分在实际工程中，我们必须按照有关规范来选择材料的强度等级。§1.3.2变形性能一、弹性变形与塑性变形1.定义弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，能够完全恢复原来形状的性能。塑性：材料在外力作用下产生显著变形，但不断裂破坏，外力取消后，仍保持变形后的形状的性质。在土木工程材料中，几乎没有完全的弹性材料或塑性材料。我们在选择材料时候，可以利用材料在弹性和塑性阶段的特性，使材料的特性发挥到最大二、徐变1.定义徐变：材料在恒定外力作用下，随时间缓慢增长的不可恢复的变形称为徐变变形。混凝土的徐变：在荷载长期作用下，混凝土的变形将随着时间的增加而增加。§1.3.3脆性及韧性1.定义及特点脆性：材料在外力作用下，在破坏前无明显的塑性变形而突然破坏的性质。脆性的特点：塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大（5～50倍）韧性：指材料在外力的作用下，能够吸收较大的能量，韧性特点：韧性同时产生一定的变形而不致破坏的性能。材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度与抗压强度接近。（在建筑工程中，我们尽量不选择脆性的材料，因为材料在破坏前无明显的塑性变形而破坏，即没有明显的征兆。破坏比较突然。）§1.3.4硬度与耐磨性一、硬度定义:硬度是材料抵抗其他物体刻划或压人其表面的能力。测量方法：刻划法、回弹法和压入法二、耐磨性定义:耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。测量方法：材料的耐磨性用磨损率或磨耗率§1.4材料与水有关的性质§1.4.1材料的亲水性与憎水性基本概念：润湿角θ（沿水滴表面的切线与水和固体接触面所形成的夹角）润湿角θ≤90。时，材料表现为亲水性；润湿角＞90。时，材料表现为憎水性。§1.4.2材料的吸水性与吸湿性一、吸水性定义：材料在水中吸收水分的能力。常用吸水率表示。质量吸水率体积吸水率%100221mmmW%1000210VmmW二、吸湿性定义：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。%100220mmmWh三、耐水性定义：材料长期在水的作用下保持原有性质（不发生破坏，强度也不显著降低）的能力称为材料的耐水性。结构材料的耐水性用软化系数来表示：用于长期处于水中或潮湿环境中的重要结构的材料，软化系数应大于0.85；用于受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数应大于0.75。dwPffK四、抗渗性定义：抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。抗渗性可用渗透系数表示。渗透系数K越小,材料的抗渗性越好。材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示。抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表示，如P2，P4，P6，P8等，分别表示可抵抗0.2MPa，0.4MPa，0.6MPa，0.8MPa的水压力而不渗透。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）第8.4.3条对抗渗等级的定义：防水砼抗渗等级应根据地下水的最大水头与防渗砼厚度的比值，按现行《地下工程防水技术规范》选用，但不得小于0.6MPa。在《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）中对抗渗等级的规定见下表：工程埋置深度设计抗渗等级10S610~20S820~30S1030~40S12五、抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。材料的抗冻性用抗冻等级表示§1.5材料的热物理性质§1.5.1导热性1.定义：材料传导热量的能力称为导热性。2.导热系数：导热系数（λ）是表征材料导热能力的热物理参数，在物理意义上，导热系数为单位厚度的材料，两面温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。导热系数越小，则材料的绝热保温性越好。§1.5.2比热和热容量1.定义：单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热容。比热容与材料质量的乘积称为材料的热容量，它表示材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量。§1.5.3热阻与传热系数§1.5.4导温系数§1.6材料的耐久性1.定义：材料在使用过程中，抵抗各种内在或外部破坏因素的作用，保持其原有性能，不变质、不破坏的性质§1.7材料的安全性指材料在生产和使用过程中是否对人类或环境造成危害的性能，土木工程材料的安全性可划分成灾害安全性、卫生安全性和环境安全性。第二章无机胶凝材料§2.1气硬性胶凝材料§2