第1章：土木工程材料的基本性质

内容：•材料的基本物理性质•材料的基本力学性质•材料的耐久性第一章土木工程材料的基本性质1.1材料的基本物理性质内容：•材料与孔隙有关的性质•材料与水有关的性质•材料的热工性质（一）材料的体积1.绝对密实体积2.表观体积3.堆积体积一、材料与孔隙有关的性质内容：•材料的实际密度（密度）•材料的表观密度•材料的堆积密度用途：•计算材料的用量，•构件的自重，•配料计算•确定材料的堆积空间等（二）材料的密度1、实际密度（密度）－材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρ－实际密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）绝对密实状态下的体积－是指不包括材料内部孔隙在内的体积。Vm实际密度的测量1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等量测几何体积－称重－代入公式2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材等磨成细粉－李氏比重瓶法测试P285-2862、表观密度（容重）－材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρo－表观密度（g/cm3）m－材料的质量（g）Vo－材料在自然状态下的体积（cm3）自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况ooVm表观密度的测量1）对形状规则的材料：砖、混凝土等烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：砂、石等烘干－蜡封－浮力天平3、堆积密度（松散容重）－散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρ/o－堆积密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V/o－材料的堆积体积（cm3）堆积体积－指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。ooVm//堆积密度的测量1）容器法：散粒材料装入容器－量测体积－称净重－代入公式2）自然堆积法：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式常用材料的状态参数思考：*颗粒材料的密度为ρ，表观密度ρ′，堆积容重为ρ0′，则存在下列关系()。a、ρρ0′ρ′b、ρ′ρρ0′c、ρρ′ρ0′（三）材料的结构参数内容：•密实度•孔隙率•填充率•空隙率1、密实度密实度－指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。公式影响材料的：强度吸水性耐久性%100ooVVD2、孔隙率孔隙率－指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。公式孔隙率与密实度的关系P+D=1%100)1(1ooooVVVVVP内部孔隙:连通和封闭1.连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通；2.封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝。材料内部孔隙示意图按孔径尺寸分为：•极微细孔隙（凝胶孔）：20nm•细小孔隙（毛细孔）:20nm~50μm•粗大孔隙（大孔、气孔）:50μm~200μm3、填充率填充率－指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。反映散粒材料堆积的致密程度。公式%100///ooVVDoo4、空隙率空隙率－散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。公式空隙率与填充率的关系P/+D/=1%100)1(1/////oooooooVVVVVP例1-1某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解:石子的孔隙率P为：石子的空隙率P/为：%63.3561.268.11110000000VVVVVP二、材料与水有关的性质内容：1.材料的亲水性与憎水性2.材料的吸水性与吸湿性3.材料的耐水性4.材料的抗渗性5.材料的抗冻性（一）亲水性与憎水性1.亲水性材料：当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。木材等2.憎水性材料：当θ90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面不可以被水浸湿。防水材料等图1-7　液滴在平滑表面上的接触角SVSLLVθ(a)固体蒸汽液体蒸汽液体固体固体液体蒸汽(b)(c)润湿角θ润湿角示意图（二）材料的吸水性与吸湿性1.吸水性－材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。公式式中W质－材料的质量吸水率（％）m湿－材料吸水饱和后的质量（g）m干－材料烘干到恒重的质量（g）％－＝干干湿质100mmmW影响吸水率大小的因素：1.材料的本性－亲水性或憎水性材料2.材料的孔结构－孔径大小、开口与否细微且连通的孔隙---------吸水率较大吸水性对材料的影响：体积膨胀、强度降低对围护结构材料不利（二）材料的吸水性与吸湿性2、吸湿性－材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。公式式中W含－材料的质量含水率（％）m湿－材料含水时的质量（g）m干－材料烘干到恒重的质量（g）％－＝干干含含100mmmW影响含水率大小的因素：•材料的本性－亲水性或憎水性材料•环境温度、湿度吸水性对材料的影响：体积膨胀－对木结构和木制品不利湿胀干缩(木制门窗在潮湿环境下往往不易开关）（三）材料的耐水性耐水性－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数k软表示。公式式中K软－材料的软化系数（K软＝0～1）f饱－材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）f干－材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）干饱软＝ffK材料软化系数的要求软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软≥0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其K≥0.75；K软≥0.85的材料，一般称为耐水的材料。例1-2某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程?解:该石材的软化系数为:93.0178165gbRffK由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。（四）材料的抗渗性抗渗性－材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。依达西定律式中K－材料的渗透系数（ml/cm2.s）W－透过材料试件的水量（ml）t－透水时间（s）A－透水面积（cm2）H－净水压力（cm）d－试件的厚度（cm）AtHWdK＝抗渗等级•渗透系数越大，材料的抗渗性越差。•对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：S=10H－1H－试件开始渗水时的水压力（MPa）分为:P4、P6、P8、P10、P12五个等级•影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征•地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。（五）材料的抗冻性抗冻性－材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。用抗冻标号D表示。冻融破坏的原因•材料有孔且孔隙含水，水→冰体积膨胀9％，结冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂，裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏，反复多次－进一步加剧－最终材料崩溃。严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏冻融破坏的桥梁海上钻井平台冻融破坏的道面冻融破坏的混凝土芯样四、材料的热工性质1、导热性－材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（λ）表示。公式式中λ－热导率（W/m.K）热阻R=1/λQ－传导的热量（J）A－热传导面积（m2）δ－材料的厚度（m）t－热传导时间（s）(T2-T1)－材料两侧温差（K）)(12TTAtQ热工性质•材料的热导率越小，绝热性能越好。•影响热导率的因素：材料内部的孔隙构造－密闭的空气使λ降低材料的含水情况－含水、结冰使λ增大•常见热导率参数：泡沫塑料λ＝0.035水λ＝0.58大理石λ＝3.5冰λ＝2.2钢材λ＝58空气λ＝0.023混凝土λ＝1.51松木λ＝1.17～0.351.2材料的基本力学性质内容：材料的强度、比强度材料的弹性与塑性材料的脆性与韧性一、材料的强度、比强度1.定义：强度－材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。2.分类:(ａ)抗压(ｂ)抗拉(ｃ)抗折(ｄ)抗剪材料的受力形式•不同材料的承载特点是不同的：•相同种类的材料，随着其孔隙率及构造特征的不同，各种强度也有明显差异。强度等级•建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。•混凝土按抗压强度划分为C15～C80（14个）•水泥按抗压和抗折强度划分为•32.5、32.5R42.5、42.5R、52.5、52.5R或42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级•砂浆按抗压强度划分为M2.5、M5、M7.5M10、M15、M20六个等级比强度比强度－材料的强度与其表观密度的比值（fc/ρo）。用于评价材料轻质高强几种材料的强度比较材料表观密度(kg/m3)强度fc(MPa)比强度（fc/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025二、材料的弹性与塑性•弹性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。弹性模量E=σ/ε•塑性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。•实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。低碳钢的σ～ε曲线=P/AL/L=bpsABCD低碳钢受拉时应力-应变曲线0分段的弹性变形和塑性变形混凝土的σ～ε曲线同时进行的弹性变形和塑性变形三、材料的脆性与韧性1.脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。2.韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等1.3材料的耐久性•定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。•包括：抗冻性－混凝土、砖、石材抗风化性－陶瓷、砖抗老化性－有机建材耐化学腐蚀－金属材料侵蚀介质•物理介质－温度、湿度、冻融、阳光、辐射•化学介质－酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气•生物介质－昆虫、菌类、白蚁•机械介质－荷载、冲击、震动、磨损、磨耗如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等耐久性的特点•长期性、后期加剧作用；•多种介质同时作用；•材料劣化－结构失效－服务寿命降低西直门桥冻融破坏的水库坝面冻融破坏的桥梁