第1章-土木工程材料基本性质--清华版土木工程材料(CDP)

清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（第一章土木工程材料基本性质）主讲人：陈德鹏安徽工业大学本科生课程清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS教学目标※掌握：材料各种基本性质的概念、指标及计算。※熟悉：主要技术性质的物理意义、影响因素及对其它性质的影响。※了解：材料的各性质在工程实践中的意义。教学重点※材料的物理性质※材料得出力学性质※材料的耐久性能本章主要教学内容与要求清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土木工程材料的基本性质概述材料的基本物理性质材料的力学性质材料的耐久性材料的组成、结构与构造清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土木工程的功能要求的材料性能承受荷载长期可靠性防水、隔热隔声、防火采光、绝缘不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具备哪些性能土木工程材料如何满足性能要求？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS原料生产工艺组成结构构造技术要求应用外界环境条件检验验收运输储存形成了决定了(内因)决定了提出了要求依据提出了影响外因材料的基本性能要求材料的组成与结构材料具有的一般性质性质清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的体积开口孔封闭孔颗粒间空隙颗粒内孔隙绝对密实体积（V）※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。※一般将材料磨成规定细度的粉末，用排液法得到其体积。表观体积（V0）※整体材料（包括内部孔隙）的外观体积。※外形规则直接度量，不规则排液法堆积体积（V’）※颗粒状材料堆积状态下的总体外观体积※既包括开口孔隙，也包括颗粒间空隙；用材料占有容器容积大小测量清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的体积开口孔封闭孔颗粒间空隙颗粒内孔隙材料的密实体积仅取决于其微观或细观结构，而与宏观结构无关；材料的表观体积则与其宏观组成结构有关；堆积体积不仅与材料内部的微观结构、细观结构、宏观结构有关，而且还与其颗粒间相互填充与接触的程度有关。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的密度、表观密度与堆积密度名称定义表达式单位备注密度表观密度堆积密度'00vmvmvom0材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。材料在自然状态下，单位体积的质量。材料在堆积状态下，单位体积的质量。g/cm3㎏/m3㎏/m3或g/cm3与质量有关的性质体积密度：※材料质量/(固体体积+开口孔体积+闭口孔体积)，蜡封排液法测量视密度：※材料质量/(固体体积+闭口孔体积)，排液法测量清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS000100%)100%VVPV＝(1-材料的孔隙率与空隙率材料中所含孔隙的多少常以孔隙率表示，它是指材料所含孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率。孔隙率（P）密实度（D）材料体积内，被固体物质所充实的程度。与孔隙率概念对应，显然P+D=100100%100%VDV＝材料孔隙示意图材料许多性质都与孔隙率有关，如强度、热工、声学性质、吸水性、吸湿性、抗冻性及抗渗性等。材料中孔隙的种类、孔径大小、孔的分布状态也是影响其性质的重要因素，通常称之为孔特征。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的孔隙率与空隙率空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率。空隙率（P’）填充率（D’）材料体填充率是指散粒材料在其堆积体积中，被其颗粒填充的程度。显然P’+D’=1空隙率反映了堆积材料中颗粒间空隙的多少，它对于研究堆积材料的结构稳定性、填充程度及颗粒间相互接触连接的状态具有实际意义。材料空隙率示意图%1001%10000/VVVP%100%10000/VVD清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的孔隙率与空隙率工程实践表明，堆积材料的空隙率较小时，说明其颗粒间相互填充的程度较高或接触连接的状态较好，其堆积体的结构稳定性也较好。通常采用压实或振实的方法促使堆积材料形成更为稳定的状态，工程实际中常以压实度作为评定堆积材料结构稳定性的指标之一。压实度（Ky）压实度是指颗粒堆积材料被压实的程度。并以经压实后材料实际堆积干密度ρ‘与在标准条件下经充分压实所得的最大干密度之比值表示。m%100myK清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性：与水接触时能被水润湿憎水性：与水接触时不能被水润湿亲水性材料与水分子之间的分子亲和力大于水本身分子间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的亲和力小水本身的分子间的内聚力。润湿角：水与材料接触时，在材料、水和空气三相交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角θ；其值愈小，材料浸润性越好，越易被水润湿。当材料的润湿角θ≤90°时，为亲水性材料；当润湿角θ＞90°时，为憎水性材料清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。%100mmmWbm影响吸水性的因素：材料的孔隙率；材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。质量吸水率体积吸水率……吸水性%10000VVmmVmmWWbWb清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS100%m-mmWsh定义：材料在空气中，吸收潮湿空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；材料的孔隙率；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；周围空气的温度和湿度影响吸湿性的因素：平衡含水率吸水率和含水率有何区别与联系？吸湿性吸附解吸RH↓、T↑RH↑、T↓清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的耐水性定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：gbRffK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。软化系数KR0.85的材料称做耐水性材料，可用于经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料；受潮较轻的或次要结构物的材料，其KR≥0.75；青砖房屋和红砖房屋被水泡后哪种容易倒塌，为什么？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS衡量指标：①渗透系数Ks，单位cm/hKs越大，材料的抗渗性越差。材料的抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的能力。QAdH②对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级Pn表示。混凝土的抗渗等级以每组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力计算，其计算式为：Pn=10H－1H－六个试件中三个渗水时的水压力，MPa。AtHQdKs影响材料抗渗性的因素有哪些？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料的孔隙率越大，其抗冻性是否越差？材料的抗冻性定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%（动弹性模量下降≤40%，快冻法）。冻融破坏的原因及过程：※孔隙及孔隙水※孔隙水结冰→材料开裂→饱水程度增加→开裂加剧→材料冻融破坏清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS为什么新建房屋的保温性能较差？材料与热有关的性质材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（λ）表示。12QdATTt12(T-T)AQdtAt2t1Q式中λ－导热系数（W/m.K）Q－传导的热量（J）A－热传导面积（m2）d－材料的厚度（m）t－热传导时间（s）(T2-T1)－材料两侧温差（K）绝热材料：λ0.23W/(m·K)导热性清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS导热系数比热容导温系数线膨胀系数21ttmQcΔL=(t2－t1)·α·Lc性能定义公式影响因素热传导性热量从温度较高的一面传导到温度较低的一面，这种性质称为热传导性，用导热系数来表示λ=Q·D/Z·A·⊿t材料的组成、密度和孔隙特征比热容单位质量材料，在温度升降1K时所吸收或放出的热量。材料的组成结构热容某块材料在温度升降1K时所吸收或放出的热量。C=cm材料的比热容与质量线膨胀系数材料由于温度上升或下降1C时，所引起的线长度与它在0C时的线长度之比。材料的组成结构材料的热工性质12QdATTt材料的导热系数、热容量是建筑物围护结构（墙体、屋盖）热工计算的重要参数，设计计算时应选用热容量较大而导热系数较小的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料与热有关的性质耐燃性：建筑物着火时，材料能经受高温与火的作用而不破坏，强度也不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。※不燃烧类。遇火或遇高温不易起火，不燃烧，且不碳化的材料；有普通石材、混凝土、砖、金属等各种无机类材料。※难燃烧类。遇火或遇高温不易燃烧、不碳化，只有火源持续存在时才能继续燃烧，火焰熄灭燃烧即停止的材料；有沥青混凝土、经防火处理的木材、某些塑料等有机—无机复合材料。※燃烧类。遇火或遇高温容易引燃而着火，火源移去后仍能继续燃烧的材料；有木材、沥青、油漆、合成高分子粘结剂等有机材料。耐火性：材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性质称为材料的耐火性。※耐火材料耐火度不低于1580℃的材料，如硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等耐火砖。※难熔材料耐火度为1350℃～1580℃的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。※易熔材料耐火度低于1350℃，如普通粘土砖等。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS材料与声有关的性质当声波遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的声能转化为热能而被吸收。吸声性和吸声系数※材料吸收声音的性质称为吸声性，以吸声系数α表示：01EE式中：α——吸声系数；E1——被材料吸收的声能；E0——入射到材料表面的总声能。※吸声材料：吸声系数（六个频率的平均）0.2的材料隔声性和隔声量※材料隔绝声音的性质称为隔声性，以隔声量R表示：20lg10EER式中：R——隔声量，分贝（dB）;E2——透过材料的声能；※隔声材料材质：密实无孔隙、有较大重量；吸声材料多孔。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS强度与比强度弹性与塑性脆性与韧性硬度与耐磨性材料的力学性质MechanicalPropertiesofmaterials力学性质是指材料抵抗外力的能力及其在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下所表现的强度和变形特性来描述。※工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形(刚度)※为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和刚度，选择材料清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS强度强度—材料在外力作用下抵抗破坏的能力，是保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度，以单位面积上所能承受荷载的大小表示根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度测试劈裂拉伸测试四点弯曲试验直接拉伸测试清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS强度与比强度工程设计所涉及的材料强度。※弹性极限强度：材料应力~应变曲线上弹性区最大应力※极限强度:材料应力~应变曲线上的最大应力※破坏(断裂)强度:材料破坏(断裂)时的