重庆大学土木工程材料课件 第1章 土木工程材料的基本性质.pptx

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第1章,土木工程材料的基本性质,第1章土木工程材料的基本性质,1.1材料的物理性质（physicalproperties）,1.1.1,材料的密度、表观密度与堆积密度,

（1）密度（density）近似密度（apparentdensity）

（2）表观密度（apparentdensity）（3）堆积密度（散粒体）（bulkdensity）（forparticles）压实密度（compacteddensity）,第1章土木工程材料的基本性质,1.1.2,材料的密实度与孔隙率,

（1）密实度（density）

（2）孔隙率（porosity）,第1章土木工程材料的基本性质,1.1.3,材料的填充率与空隙率（散粒体）,

（1）填充率（fillingratio）

（2）空隙率（voidsratio,voidcontent,voidvolume）,表1.1,常用材料的密度、表观密度、堆积密度,第1章土木工程材料的基本性质,1.1.4材料与水有关的性质

（1）材料的亲水性与憎水性亲水性（被水润湿90）,（hydrophilicnature）,（hydrophobicnature）,憎水性（润湿角90）

（2）材料的吸水性与吸湿性,吸水性（waterabsorptivity）吸水率（waterabsorption）吸湿性（hydroscopicnature）,（3）,含水率（moisturecontent）材料的耐水性（抗水性）（waterresistance）软化系数（softeningcoefficient）,第1章土木工程材料的基本性质,1.1.5,材料的抗冻性与抗渗性,

（1）抗冻性（frostresistance）水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。

冻融循环（freezingandthawingcircle）,抗冻等级（grade）,D15（Dong）F15（Freeze）,

（2）抗渗性（impermeability）渗透系数（coefficientofpermeability）抗渗等级S（Shen）P（Permeate）,第1章土木工程材料的基本性质,1.2材料的基本力学性质1.2.1材料的强度（strength）

（1）材料的抗压、抗拉及抗剪强度

（2）材料的抗弯强度表1.2常用材料的强度/MPa,1.2.21.2.31.2.4,材料的弹性与塑性材料的脆性与韧性材料的硬度与耐磨性,第1章土木工程材料的基本性质,1.3,材料的热工、声学性质及材料的耐久性,1.3.1,材料的热工性质,

（1）材料的导热性（thermalconductivity）导热系数影响材料导热系数的主要因素材料的组成、结构金属、无机、有机；晶体、玻璃体孔隙率与构造连通孔、封闭孔湿度温度热流方向纤维状材料

（2）材料的热容量（heatcapacity）比热容,第1章土木工程材料的基本性质,（3）耐燃性（防失火）（flameresistance）建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。

材料根据耐燃性可分为三大类：

不燃烧类：

材料遇火或高温不起火，不阴燃，不碳化如石材、混凝土、砖、石棉等；难燃烧类：

遇火或高温不燃烧，只有在火源存在时能继续燃烧或阴燃，火焰熄灭后，燃烧停止如沥青混凝土、经防火处理的木材等;燃烧类：

遇火或高温燃烧，火源移开后，燃烧继续进行如木材、沥青等。

第1章土木工程材料的基本性质,（4）耐火性（耐高温）（耐热性）（fireresistance）材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。

按耐火性高低可将材料分为以下3类：

1）耐火材料，耐火度1580，如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；2）难熔材料，耐火度13500C1580，如难熔粘土砖、耐火混凝土等；3）易熔材料，耐火度1350，如普通粘土砖。

第1章土木工程材料的基本性质,（5）热阻（R）1/传热系数：

1/R（6）温度变形性除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。

膨胀系数,第1章土木工程材料的基本性质,1.3.2,材料的声学性质,

（1）吸声性（soundabsorption）吸声系数（sound-absorptioncoefficient）

（2）隔声性（soundinsulation）隔声与吸声不同空气隔声、固体隔声隔声量（R，dB）,1.3.3材料的耐久性（durability）材料在长期使用过程中，抵抗各种自然因素及有害介质的作用，保持其原有性能而不变质和不被破坏的能力。

作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面：

（1）物理作用，如干湿、冷热、冻融变化等。

（2）化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。

（3）生物作用，如虫蛀、腐朽。

（4）机械作用，如冲击、磨损。

第1章土木工程材料的基本性质,、,物理、机械、化学,混凝土：

化学腐蚀、机械,金属：

木材：

生物,高分子材料：

化学老化、机械,第1章土木工程材料的基本性质,1.3.4,材料的装饰性,色彩光泽透明性表面质感形状尺寸耐沾污性、易洁性、耐擦性,第1章土木工程材料的基本性质,1.4,材料的组成、结构与构造及其对材,料性质的影响,1.4.1,材料的组成,

（1）化学组成（chemicalcomposition）

（2）矿物组成（mineralcomposition）（3）相组成（phases）,第1章土木工程材料的基本性质,1.4.2材料的结构和构造（structure&constitution）

（1）宏观结构（10-3mm的尺度,macro-structure）按孔隙特征可分为：

1）致密结构2）多孔结构3）微孔结构按存在状态或构造特征分为：

1）堆聚结构2）纤维结构3）层状结构4）散粒结构

（2）细观结构（亚微观结构）（10-310-6mm尺度,submicro-）金属材料的金相组织木材的木纤维混凝土内的微裂缝等,第1章土木工程材料的基本性质,（3）微观结构（10-610-10mm原子、分子尺度,micro-structure）1）晶体（crystal）原子晶体（atomiccrystal）离子晶体（ioniccrystal）分子晶体（molecularcrystal）金属晶体（metalcrystal）2）玻璃体（glass）3）胶体（gel）,谢谢,第1章土木工程材料的基本性质,习题：

（1）某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率1.2%。

今将石灰岩破碎,3,成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m。

求此碎石的表观密度和空隙率。

（2）一块烧结普通砖的外型尺寸为240mm115mm53mm，吸水饱和后重为2940g，烘干至恒重为2580g。

今将该砖磨细并烘干后,取50g,用李氏瓶测得其体积为18.58cm3。

试求该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。

（3）某材料的体积吸水率为10%，密度为3.0g/cm3，绝干时的表观密度为1500kg/m3。

试求该材料的质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？

第1章土木工程材料的基本性质,思考题,

（1）当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不变?

（2）材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别?

（3）材料的孔隙率和空隙率的含义如何?

如何测定?

了解它们有何意义?

（4）亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?

举例说明怎样改变材料的亲水性与憎水性?

（5）普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为183kN，干燥状态的破坏荷载为207kN（受压面积为115mml20mm），问此砖是否宜用于建筑物中常与水接触的部位?

第1章土木工程材料的基本性质,（6）塑性材料和脆性材料在外力作用下，其变形性能有何区别?

（7）材料的耐久性应包括哪些内容?

（8）建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各应具备哪些性质?

ENDOFTHISCHAPTER,附录,材料的密度,材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。

按下式计算：

V式中：

密度，gcm3；m材料在干燥状态的质量，g；V材料的绝对密实体积，cm3。

rm,1密实材料，如金属材料、花岗岩等,材料的内部密实而没有孔隙,材料的密度

（1）密度,V,密度：

M,材料的表观密度,材料在自然状态下，单位体积的质量。

按下式计算：

式中：

0表观密度，kgm3；m材料的质量，kg；V0材料在自然状态下的外形体积，m3。

0,0,V,m,r,材料的密度

（2）表观密度,材料的内部有许多孔隙,2孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等,孔,表观密度：

M,M,V,0,r0VV,V0,100%,孔隙率V孔,V0,密实度V100%,材料表观密度的大小与其含水情况有关。

当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。

因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。

通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。

在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。

3,式中：

材料的堆积密度，kgm；,m材料的质量，kg；,材料的自然（松散）堆积体积（包括材料颗粒,体积和颗粒之间空隙的体积），m3。

材料的堆积密度,0,0,V,材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥等，在堆积状态下，单位体积的质量。

按下式计算：

m,r,0,r,0,V,堆积材料颗粒的内部有许多孔隙,堆积材料颗粒之间存在许多空隙,堆积密度：

M,M,VV孔V空,V0,0,r,材料的密度（3）堆积密度,V,0,0,空隙率V空100%,V,03内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等,0,100%,V,填充率,名称,定义,表达式,单位,备注,密度,表观密度,堆积密度,材料的密度、表观密度与堆积密度,0,0,v,m,r,v,rm,vov,m,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r,位体积的质量。

材料在堆积状态下，单位体积的质量。

g/cm3,3,kg/m,3,kg/m3或,g/cm,3,材料的密实度,材料体积内被固体物质充实的程度。

按下式计算：

100%,Dr0r,V0,DV100%或,材料的孔隙率,材料体积内，孔隙体积所占的比例。

按下式计算：

即：

DP=1或密实度孔隙率=1。

r,V0V0,V1V（1r0）100%,PV0,材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。

按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种。

连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。

按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。

一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。

表观密度又分为：

（1）视密度,（不包括开口孔隙）

（2）体积密度（包括开口孔隙）,材料的填充率,散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。

按下式计算：

0,0,0,0,100%,r,r,V,V,D,100%或D,材料的空隙率,散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。

用下式计算：

即：

DP=1或填充率空隙率=1。

0,0,0,00,0,（10）100%,1,r,r,V,V,VV,V,P,亲水性与憎水性,（a）亲水性材料（b）憎水性材料与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力，材料表现为亲水性；材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力，材料表现为憎水性。

亲水性与憎水性,亲液性材料,憎液性材料,土木工程材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡、某些油漆及塑料等为憎水性材料。

材料的吸水率,材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水率表示，即,式中：

Wm材料质量吸水率，%；m材料干燥状态下质量，g；m1材料吸水饱和状态下质量，g。

m,Wm1m100%,m,材料的体积吸水率,材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。

1,100%,V0,Wv,mm1rW,式中：

Wv材料体积吸水率，%；m1材料吸水饱和状态下的质量，g或kg；m材料在干燥状态下的质量，g或kg；V0材料在自然状态下的体积，cm3或m3；w水的密度，g/cm3或kg/m3，常温下取1。

WVWm00材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3或kg/m3,影响吸水性的因素,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。

材料的含水率,材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表示，即,式中：

W含材料质量含水率，%；m含材料含水时的质量，g；m材料干燥状态下的质量，g。

m,m100%,W,m含,含,影响因素,材料的吸湿性随着空气湿度和环境温度的变化而变，,当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小。

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。

平衡含水率材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。

当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。

不利影响材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。

材料吸水后会导致自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降；材料干湿交替还会改变形状尺寸而影响使用。

材料的含水率,材料的软化系数,材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即,式中：

KP材料的软化系数；fw材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；f材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

f,K,P,fw,材料的软化系数,KP值的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。

一般，材料被水浸湿后强度均会有所降低。

因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。

KP值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性,愈差。

材料的软化系数在,01之间不同材料的值相差颇大，。

如粘土KP=0，而金属KP=1。

土木工程中将KP0.85的材料，称为耐水材料。

在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KP0.85的材料。

用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KP值不宜小于0.75。

材料的抗冻性,oC6050403020100-10-20,1.材料的内部一般都充满着孔隙，,2.如果浸入水中，孔隙中便会吸水,3.气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀4.气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。

材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级end,由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。

材料的抗冻性,抗冻等级选择,材料抗冻等级的选择是根据结构物的种,类、使用要求、气候条件等来决定。

例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料的抗冻标号为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。

重要性抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，因而常作为考查材料耐久性的一项重要指标；在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。

材料的渗透系数,材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，用渗透系数表示，即,Ath式中：

K渗透系数，cmh；Q透水量，cm3；d试件厚度，cm；A透水面积，cm2；t渗水时间，h；H静水压力水头，cm。

KQd,防潮、防水材料表征方法,材料的抗渗等级,P=10H1式中：

P抗渗等级；H试件开始渗水时的水压力，MPa。

如P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.6、0.8、1.0MPa的水压而不渗透。

坏P6好,砂浆、混凝土等表征方法,材料的抗渗性,影响材料抗渗性的因素：

孔隙率、孔隙特征封闭孔隙中水不易渗入，抗渗性仍良好；开口大孔中水易渗入，抗渗性最差。

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。

材料的抗压、抗拉及抗剪强度（compressive,tensileandshearstrength）,受力截面面积，,式中：

f材料的强度，MPa；Fmax破坏时最大荷载，N；2,。

Amm。

材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算：

fFmaxA,材料的抗弯强度,（bendingstrength）1）二分法。

将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则抗弯强度按下式计算：

2）三分法。

在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载，则抗弯强度按下式计算：

式中：

fm抗弯强度，MPa；Fmax弯曲破坏时最大荷载，N；b、h试件横截面的宽及高，mm；L两支点间的距离，mm。

2bh2,f,m,3FmaxL,bh2,f,m,FmaxL,试件的性质和大小：

相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高。

加荷速度：

加荷速度快者，强度值偏高。

温度：

一般温度高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。

含水状况：

含有水分的材料，其强度较干燥时的低。

表面状况：

试件表面不平或表面涂润滑剂，所测得强度值偏低。

影响材料试验结果的因素,力不大时，表现为弹性变形，当外力超过一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。

另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失，混凝土就是这类材,料的代表。

材料的弹性与塑性,弹性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全消失的性质。

（elasticity）塑性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。

（plasticity）实际上，纯弹性变形的材料是没有的。

通常一些材料在受,材料的脆性与韧性,脆性：

材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。

（brittleness,fragility）,韧性：

材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。

（fracturetoughness）,土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。

材料的硬度,硬度,硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能,力。

常用的测定方法有刻划法和压入法两种。

刻划法,常用于测定天然矿物的硬度。

按刻划法矿物硬度,分为十级（莫氏硬度）：

滑石1级、石膏2级、方解石3级、萤石4级、磷灰石5级、正长石6级、石英7级、黄玉8级、刚玉9级、金钢石10级（硬度递增）。

压入法,钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测,定，例如布氏硬度。

布氏硬度值（HB）是以压痕单位面积上所受压力来表示。

材料的耐磨性,耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。

用磨损率表示。

A式中：

m1试件磨损前的质量，g；m2试件磨损后的质量，g；A试件受磨面积，cm2。

磨损率Nm1m2,材料的导热系数（coefficientofthermalconduction）,式中：

导热系数，W（mK）；Q总传热量，J；a材料厚度，m；A热传导面积，m2；t热传导时间，h；T2T1材料两面温度差，K。

21,AtT,材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数（厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1k时，在1s时间内通过1m2面积的热量）表示，即Qa,T,l,材料的比热容（specificheatcapacity）,材料受热（或冷却）时吸收（或放出）热量的性质称为材料的热容量，用比热容（1g重量的材料，在温度升高或降低1k时所吸收或放出的热量）表示，即,式中：

C材料比热容，J/（gK）Q材料吸收或放出的热量，J；m材料的质量，g；T2T1材料受热或冷却前后温差，K。

mT2,Q,T1,C,水4.19J/（gK）,材料的吸声系数（acousticalcoefficient）,式中：

E材料吸收的声能；E0入射到材料表面的全部声能。

材料的吸声特性与声波的方向、频率，以及材料的表观密度、孔隙构造、厚度等有关。

0,EE,a,声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性，评定材料的吸声性能好坏的主要指标称为吸声系数（），即还有一部分能量被材料吸收,化学组成,指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。

如水泥化学组成：

SiO2CaOFe2O3Al2O3MgO,2024%6267%2.56.0%47%5%,矿物组成,将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。

矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。

如水泥的矿物组成：

3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O34CaOAl2O3Fe2O3,3760%1537%715%1018%,相组成,材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。

自然界中的物质可分为气相、液相和固相。

建筑材料大多数是复合相。

玻璃体急冷特点：

无一定的几何外形无熔点而只有软化现象各向同性化学性质不稳定化学活性,