土木工程材料的基本性质

1、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(physical properties) 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（视密度）(apparent density) (2)表观密度(apparent density) (3)堆积密度（散粒体）(bulk density)(for particles) 压实密度（compacted density,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,材料的密度（2）表观密度,2,材料的内部有许多孔隙,孔隙材料，如砖头、混凝

2、土、木材等,3,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,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,材料的密度（3）堆积密度,end,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(filling ratio) (2)空隙率(voids ratio, void content, void volume) 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

3、 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）(hydrophilic nature) 憎水性（润湿角90）(hydrophobic nature) (2) 材料的吸水性与吸湿性 吸水性(water absorptivity) 吸水率(water absorption) 吸湿性(hydroscopic nature) 含水率(moisture content) (3) 材料的耐水性(抗水性)(water resistance) 软化系数(softening coefficient,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(fr

4、ost resistance) 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(freezing and thawing circle) 抗冻等级(grade) D15(Dong)F15(Freeze) (2)抗渗性(impermeability) 渗透系数(coefficient of permeability) 抗渗等级 S(Shen) P(Permeate,材料的抗冻性,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,5. 经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐

5、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,6. 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,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1.3 常用材料的强度/MPa 1.2.2 材料的弹性与塑性 1.2.3 材料的脆性与韧性,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（thermal condu

6、ctivity) 导热系数 影响材料导热系数的主要因素 材料的表观密度 孔隙大小与构造 湿度 温度 热流方向 (2)材料的热容量(heat capacity) 比热容,第1章 土木工程材料的基本性质,3)耐燃性（防失火）(flame resistance) 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： 1)不燃烧类，如石材、混凝土、砖、石棉等； 2)难燃烧类，如沥青混凝土、经防火处理的木材等； 3)燃烧类，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）(fire resistance) 材料在长期高温作用下，

7、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15800C，如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等； 2)难熔材料，耐火度13500C15800C，如难熔粘土砖、耐火混凝土等； 3)易熔材料，耐火度13500C，如普通粘土砖,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(sound absorption) 吸声系数(sound-absorption coefficient) (2)隔声性(sound insulation) 隔声与吸声不同 隔声量（R,第1章 土木工程材料的基本性质,1.3.3 材料的耐久性(durability)

8、 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,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(chemical composition) (2)矿物组成(mineral composition) (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-stru

9、cture) 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)(10-3 10-6mm 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(10-6 10-10mm原子、分子尺度, micro-structure) 1)晶体(crystal) 原子晶体(atomic crystal) 离子晶体(ionic crystal) 分子晶体(molecular crystal) 金属晶体(metal

10、crystal) 2)玻璃体(glass) 3)胶体(gel,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%。今将石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。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240115 53，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

11、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

12、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,END OF THIS CHAPTER,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： 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,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,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

13、。按下式计算： 式中： 材料的堆积密度，kgm3； 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,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,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,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,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,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

14、料干燥状态下质量，g； m1材料吸水饱和状态下质量，g,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含材料质量吸水率，%； m含材料含水时的质量，g； m材料干燥状态下的质量，g,材料的软化系数(附动画,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,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 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

15、头，cm,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。 S (Shen) P (Permeate,材料的抗压、抗拉及抗剪强度(compressive, tensile and shear strength,材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算： 式中：f材料的强度，MPa； Fmax破坏时最大荷载，N； A受力截面面积，mm2,材料的抗弯强度(bending strength,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：f

16、m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,材料的弹性与塑性、脆性与韧性,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,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。(fracture

17、 toughness,材料的导热系数(coefficient of thermal conduction,材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示，即 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,可将本式与材料的渗透系数定义式比较理解和记忆,材料的比热容(specific heat capacity,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,材料的吸声系数(acoustical coefficient,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 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,化学组成,指构成材