土木工程材料分类、作用和技术标准讲解

1、土木工程材料分类、作用和技术标准讲解主要教学内容第一章 绪论（） 第二章 材料的基本性质（ ） 第三章 金属材料（ ）第四章 无机胶凝材料（ ）第五章 混凝土与砂浆（ ） 第六章 砌体材料（ ） 第七章 沥青与沥青混合材料（） 第八章 合成高分子材料（） 第九章 功能材料（） 第十章 木材(自学）第一章 绪论一、土木工程材料及其在国民经济建设中的地位和作用二、土木工程材料与土木工程的关系三、土木工程材料的发展概况和发展方向四、土木工程材料的分类五、技术准标准简介 六：土木工程材料课程学习方法学习目标是了解土木工程材料的分类，明确土木工程材料在工程中的重要地位，重点是了解土木工程材料的分类、了解

2、各类技术准标准。 四、土木工程材料的分类化学成分： 有机材料 无机材料复合材料五、技术准标简介2、土木工程材料的技术标准与规范 国家标准（GB）：指对全国范围的经济、技术及生产发展有重大意义的标准。它是由国家标准主管部门委托有关部门起草，或有关部委提出批报，经国家技术监督局会同各有关部委审批，并由国家技术监督局发布。 GB标准为强制性国家标准，任何技术（产品）不得低于此标准 GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 国家标准的代号 标准编号 标准颁布年代号 标准的技术（产品）名称 推荐性国家标准，以“GB/T”为标准代号五、技术准标简介行业标准：全国性的某行业范围的技术标准。由国家中央

3、部委标准机构指定有关研究院所、大专院校、工厂等单位提出或联合提出，报中央部委主管部门审批后发布，并报国家技术监督局备案。 JC/T 479-92建筑生石灰 建材行业的标准代号 技术标准的二类类目顺序号 推荐标准 标准颁发年代号 标准名称五、技术准标简介 地方标准与企业标准：凡国家、部未能颁布的产品与过程的技术标准，可由相应的工厂、公司等单位，根据生产厂能保证的产品质量水平所制定的技术标准，报请本地区或本行业有关主管部门审批后，在该地区或行业中执行。国际标准 ： 团体标准和公司标准。指国际上有影响的团体和公 司的标准。如美国材料与实验协会标准（ASTM）等。 区域性标准。如德国工业标准(DIN)

4、等。 国际标准化组织标准，代号ISO。材料的组成与结构二、材料的结构和构造 *材料的结构和构造是决定材料性质的重要因素（一）宏观结构：指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织，尺寸在10-3m以上。按其孔隙特征分为：致密结构玻璃塑料、金属、天然石材等多孔结构加气砼、泡沫塑料微孔结构石膏制品、水泥制品按存在状态或构造特征分：纤维结构玻璃纤维、矿棉、棉麻堆聚结构砂浆、沥青混凝土、水泥混凝土层状结构胶合板、纸面石膏板散粒结构砂、石及粉状或颗粒状材料材料的组成与结构（二）亚微观结构又称细观结构指用光学显微镜观测手段研究的结构层次。它包括晶体粒子、玻璃体、胶体及材料内孔隙的形态、大小、分布等结构状况。晶体粒子

5、、玻璃体、胶体及材料内孔隙的形态、大小、分布等不同，都影响材料的性质。（三）微观结构指用电子显微镜及X射线等手段研究材料内部质点在空间分布情况的结构层次。根据内部质点的分布状态不同可分为晶体和非晶体。 材料的基本物理性质本节主要讨论以下5个问题一、材料的结构特征参数： 密度、表观密度、堆积密度二、密实度、孔隙率、空隙率、填充率 三、材料与水有关的性质四、材料的热工性质 五、材料的耐热性与耐燃性 熟练掌握土木工程材料的基本物理性质一、材料的结构特征参数：1、密度：定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（比重）测定：除钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有孔隙，一般进行磨细，干燥后用李氏瓶测

6、其体积（砖、石材）；另外，用排液置换法测量卵石等致密材料近似密度。特点：不变值 材料的质量（干燥至恒重），g 材料在绝对密实状态下的体积，cm3 2、表观密度（俗称容重） 定义：材料在自然状态下单位体积的质量（重量）测定：与材料含水情况有关，故测表观密度时，应注明含水情况，通常指标在气干状态（长期在空气中状态）下的表观密度，在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。特点：变化值 测定：形状规则，直接量尺寸，不规则，排液置换，表面涂腊。3、堆积密度（松散容重） 定义：散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。测定：包含了颗粒之间的空隙特点：变化值 含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积自然

7、堆积密度：散粒材料的堆积方式松散紧密堆积密度：散粒材料捣实的堆积方式常用材料的密度、表观密度，堆积密度二、密实度 孔隙率 空隙率 填充率 1、密实度：材料体积内被固体物质充实的程度（物质占比例）2、孔隙率：孔隙的多少（孔隙所占比例）二、密实度 孔隙率 空隙率 填充率3、空隙率：散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率 P反映了散粒材料的颗粒互相填充的密实程度 4、填充率：散粒材料在某堆积体积中被颗粒填充的程度空隙率考虑的是材料颗料间的空隙，这对填充和粘结散粒材料时，研究散粒状材料的空隙结构和计算胶结材料的需要量十分重要 三、材料与水有关的性质 1、亲水性、憎水性（疏水性）2、材料的

8、含水状态3、材料的吸水性与吸湿性4、材料的耐水性 5、材料的抗渗性 6、材料的抗冻性 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质；材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸湿性与吸水性；材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质；抗渗性指材料抵抗压力水不渗透的性质；抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。 1、材料的亲水性与憎水性1、亲水性与憎水性：当材料与水接触时，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。 润湿边角：材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料

9、与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角 越小，材料亲水性越强，越易被水湿润=0时，表示材料完全被水湿润（）亲水性材料；（）憎水性材料1、材料的亲水性与憎水性亲水性材料：当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。 例如：砖、木、混凝土等。憎水性材料：当90时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。 例如：沥青、石蜡等。 当= 0时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。2、材料的含水状态（亲水性材料）(a)干燥状态-材料的孔隙中不含水或含水极微(b)气干状态-材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡(c)饱和

10、面干-材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和(d)湿润状态-材料不仅孔隙中含水饱和,而且表面上为水湿润附有一层水膜基本含水状态：3、材料的吸湿性和吸水性1）吸湿性：用含水率表示亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性：亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。含水率影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率材料在吸湿状态下的重量 材料在干燥状态下的重量 3、材料的吸湿性和吸水性2）吸水性：材料在水中吸水的性质。用吸水率表示吸水性：质量吸水率、体积吸水率质量吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率：体积吸水率：材料

11、吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率：质量吸水率与体积吸水率关系：3、材料的吸湿性和吸水性 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大如花岗岩的吸水率只有混凝土的吸水率为2-3粘土砖的吸水率达8-20木材的吸水率可超过100材料的吸水性与什么有关？4、材料的耐水性定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显下降的性质。软化系数：KR 在0-1之间耐水材料：KR 钢材、玻璃、沥青 KR =1黏土KR =0要

12、求：长期处于水中或潮湿环境中的重要结构 KR 用于受潮较轻或次要结构： KRKR =材料吸水饱和后的抗压强度/材料干燥时的抗压强度5、材料的抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质影响因素： 孔隙率及孔隙特征开口的连通大孔越多抗渗性越差闭口孔隙率大的材料抗渗性仍可良好抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力（MPa）来确定，材料可以抵抗、水压力：渗透系数一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标6、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环，强度不明显降低的性质。抗冻标号（Fn）：混凝土F50含义：混

13、凝土标准试件经28d标准养护后，浸水4d吸水饱和, 在-15Co- -20Co条件下冻6h,在10-20oC水中融6h，一冻一融为一次冻融，经50次的冻融循环后，质量损失不大于5%，强度损失不超过25%也无明显损坏和剥落，则该混凝土达到F50。冻融破坏：材料吸水后，在负温度下，水在毛细管内结冰，体积膨胀约9，冰的动胀压力造成材料的内应力，使材料遭到局部破坏，随着冰冻、融化的循环作用，对材料的破坏加剧，这种破坏即为冻融破坏。讨论：材料与水有关的性质主要和哪些因素有关？1、材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。2、材料的

14、吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。3、材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。4、材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。5、从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。 四、材料的热工性质 1、热容性 2、导热性 3、热变形性 4、耐

15、燃性材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。 材料的热容指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化耐燃性指材料对火焰和高温度抵抗能力。1、热容性热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。用热容量来比较材料热容性差别材料的比热，kJ(kgK)。 材料受热或冷却前后的温度差，K 材料的热

16、容量，kJ 材料的质量，kg 材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。用公式表示为 2、导热性导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为 ：当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示 材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把0.23 W(mK)的材料称为绝热材料。 材料的导热系数，W/（mK）a 材料的厚度，m Z-传热时间，h A 材料传热的面积，m2；材

17、料名称导热系数W/(mK)比热J/(gK)钢550.46铜3700.38花岗岩3.490.92普通混凝土280.88水泥砂浆0.930.84普通粘土砖0.810.84粘土空心砖0.640.92松木0.170.352.51泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.604.19静止空气0.025 常用土木工程材料的热工性质指标3、热变形性用线膨胀系数表示热变形性：热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化4、耐燃性：材料对火焰和高温度的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项因素。可把建筑材料分为三类：非燃烧材料：在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材

18、料，如钢铁、砖、石等。 难燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材和刨花板。可燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。 材料的力学性质 本节共讨论以下四个问题一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度二、材料的的弹性与塑性 三、材料的脆性与韧性 四、材料的硬度和耐磨性 材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。 一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度1

19、、强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力 材料在外力作用下破环时能承受的最大应力。()抗压()抗拉()抗弯()抗剪抗弯强度抗压强度、抗拉强度、抗剪强度：影响材料强度的因素自身因素 材料的组成和结构 材料的孔隙率 含水率 试件尺寸大小 受力形式和受力方向 试件表面平整度等常用材料的强度（Mpa）一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度2、强度等级：材料按其强度的大小分为若干不同的等级（标号）划分等级的作用：（1）掌握材料性质，合理选用材料（2）正确进行设计（3）控制工程质量等混凝土：C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80一

20、、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度3、材料的比强度：单位体积重量的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比。优质的结构材料，应具有较高的比强度（mpacm3/g） 衡量材料是否轻质高强的指标玻璃增强塑料：450/2=225高强度钢丝：1100/7.85=140普通混凝土:40/2.4=17轻骨料混凝土:40/1.8=22烧结普通砖:15/1.7=9一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度4、理论强度：从材料内部结构的理论上来分析材料所能承受的最大应力 实际强度：通过试验实际测定的例：材料的理论抗拉强度公式：ft：理论抗拉强度 paE：弹性模量N/m2r：固体表面能d：原子间距离，平均 2

21、10-10m材料的理论强度实际强度钢:理论强度3000mpa 碳素钢：400mpa 高强度钢丝：1800mpa二、材料的弹性和塑性（使用时受力性质） 1、弹性：这种完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）2、塑性：这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）（a）弹性变形曲线 （b）塑性变形曲线 实际上，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料。 三、材料的脆性与韧性（破坏时的性质）1、脆性：材料受力达到一定程度，突然发生破坏，且破坏时无明显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 脆性特点：受力达到破坏荷载值时变形值很小，不利于受震动冲击，抗拉强度抗压强度2、韧性（冲击韧性） ：在冲击、震动荷载作用下，材料能吸收较大