东北某大学土木工程材料讲义

《土木工程程材料》教案第第一一章黑龙江工工程学院院土土木工程程系孙凌1、绪言言1.1概述1.2材料的基基本状态态参数1.3材料的力力学性质质1.4材料与水水有关的的性质主要内容容：绪论论材料的基基本状态态参数材料与水水有关的的性质重点内容容：材料料的基本本状态参参数难点点：：材料的的物理常常数要求求：：材料的的基本状状态参数数材料与水水有关的的性质对《土木工程程材料》有概括的的了解参考资料料：《土木工程程材料》陈志源《道路建筑筑材料》严家伋《道路建筑筑材料》孙凌《公路工程程集料试试验规程程》1、绪言言1.1概述一、本课课程研究究内容砂石材料料、石灰灰、石膏膏、水玻玻璃、水水泥、水泥混凝凝土、砂砂浆、烧烧结砖、、沥青、、沥青混混合料、、钢材、塑塑料等二、土木木工程材材料在工工程中的的作用三、土木木工程材材料应具具备的性性质四、土木木工程材材料的应应用五、土木木工程材材料的标标准化R1.2材料的基基本状态态参数1.2.1材料的密密度、表表观密度度、毛体体积密度度和堆积积密度一、密度度1.定义：材材料的密密度是材材料在绝绝对密实实状态下下单位体体积的（（不包括括开口和和闭口孔孔隙体积积）的质质量。2.公式：式中：ρ——材料的密密度，ｇｇ／ｃｍｍ３；ｍｓ——材料矿质质实体的的质量，，ｇ；Ｖ——料矿质实实体的体体积，ｃｃｍ３。因试验的的条件是是在空气气中称量量石料的的质量，，故ｍ。。＝０，，ｍs＝ｍ，则公式改改写为式中：ｍｍ——烘干石料料试样的的质量，，ｇ；Ｖ——意义同前前。石料密度度的测定定可采用用比重瓶瓶法或李李氏比重重瓶法T二、表观观密度1.定义：在在规定条条件下，，材料单单位表观观体积（（矿质实实体体积积十闭口口孔隙体体积）的的质量，，称为表表观密度度，亦称称视密度度。2.公式：式中：ρt——石料的表表观密度度，ｇ／／ｃｍ３；ｍ、Ｖ——意义同前前；ＶB——石料闭口口孔隙的的体积，，ｃｍ３。测定方法法：排水水法T三、毛体体积密度度定义：材材料的毛毛体积密密度是在在规定试试验条件件下，烘烘干材料料单位体体积（包包括孔隙隙在内））的质量量。公式：式中：——石料的毛毛体积密密度，ｇｇ／ｃｍｍ3——石料开口口孔隙体体积，ｃｃｍ3ｍ，ｖ，，ｖB——意义同前前。材料的毛毛体积密密度测定定可将石石料加工工为规则则形状石石料试件件，采用用精密量量具测量量其几何何形状的的方法计计算其体体积；对对于遇水水崩解、、溶解和和干缩湿湿胀性松松软石料料，应采采用封蜡蜡法测定定。T四、堆积积密度1.定义：散粒材料料在自然然堆积状状态下单单位体积积质量。。2公式自然堆积积密度紧密堆积积密度1.2.2材料的孔孔隙和空空隙一、材料料的孔隙隙空隙对材材料的影影响：（（1）孔隙的的多少（（孔隙率率）（2）孔隙的的特征1.孔隙率定义：孔孔隙率是是指材料料内部孔孔隙体积积(开口孔隙隙和闭口口孔隙)占材料总总体积的的百分率率。公式：2.密实度定义：材材料内部部固体物物质的实实体占材材料总体体积的百百分率。。公式：孔隙的特特征（1）按孔隙隙尺寸大大小，可可把空袭袭氛围为为微孔、、细孔和和大孔三三种（2）按孔隙隙之间是是否相互互贯通，，把孔隙隙分为孤孤立孔、、连通孔孔。（3）按孔隙隙与外界界之间是是否连通通，把孔孔隙分为为开口孔孔、封闭闭孔。二、材料料的空隙隙1.空隙率定义：散散粒材料料颗粒间间的空隙隙体积占占堆积体体积的百百分率。。公式：2.填充率定义：颗颗粒的自自然状态态体积占占堆积体体积的百百分率。。公式：R1.4材料与水水有关的的性质1.4.1材料的的亲水水性与与憎水水性湿润边边角：：在材材料、、水和和空气气的三三向交交叉点点处沿沿水滴滴表面面做切切线，，此切切线与与材料料和水水接触触面的的夹角角θ，称为为湿润润边角角。θ≤90°时，表表现为为亲水水性θ＞90°°时，表表现为为憎水水性1.4.2材料的的含水水状态态亲水性性材料料的含含水状状态干燥状状态气干状状态饱和面面干状状态润湿状状态1.4.3材料的的吸湿湿性和和吸水水性一、吸吸湿性性定义：：亲水水材料料在潮潮湿空空气中中吸收收水分分的性性质表示方方法：：含水水率二、吸吸水性性定义：：材料料在水水中吸吸水的的性质质。重量吸吸水率率提及吸吸水率率开口细细微连连通孔孔，吸吸水量量大。。1.4.4耐水性性定义：：材料料长期期在水水作用用下不不破坏坏、强强度也也不明明显下下降的的性质质。软化系系数：：＞0.85为耐水水材料料，该该值越越小耐耐水性性越差差。1.4.5抗渗性性1.4.6抗冻性性材料在在含水水状态态下，，能经经受多多次动动容循循环作作用而而不破破坏，，强度度也不不显著著降低低的性性质。。冻融循循环直接冻冻融法法是测测定石石料抗抗冻性性的主主要试试验方方法。。此方方法是是将石石料制制备成成直径径和高高均为为５００ｍｍｍ的圆圆柱体体或边边长为为５００ｍｍｍ的立立方体体试件件，放放人烘烘箱（（１００５℃±５℃）烘至至恒重重，冷冷却后后称其其质量量，按按吸水水率试试验方方法让让试件件吸水水饱和和，然然后取取出擦擦去表表面水分，，置于于冰箱箱（-１５℃）冻结结４ｈｈ，然然后取取出放放人２２５℃±５℃的水中中融解解４ｈｈ，如如此为为一次次冻融融循环环，经经反复复冻融融至规规定次次数为为止，，将冻冻融后后的试试件再再烘干干至恒恒重，，并称称其质质量。。对于于不同同的工工程环环境气气候条条件，，冻融融循环环的次次数有有不同同的要要求，，分为为15次、25次及25次以上上。在试验验过程程中，，每隔隔一定定的冻冻融循循环次次数，，应详详细检检查试试件有有无剥剥落、、裂缝缝、分分层及及掉边边等现现象，，并加加以记记录。。对于于块状状石料料的抗抗冻性性，可可采用用经规规定次次数的的冻融融循环环后的的质量量损失失率或或者耐耐冻系系数表表征。。（1）质量量损失失率石料冻冻融循循环后后的质质量损损失率率：式中：：Ｑfr——试件冻冻融后后的质质量损损失率率，％％；ｍ１——试验前前烘干干试件件的质质量，，ｇ；；ｍ２——试验后后烘干干试件件的质质量，，ｇ。。２）耐耐冻系系数式中：——试件的耐冻冻系数；——经冻融循环环后的试件件饱水抗压压强度，ＭＭＰａ；——未经冻融试试验的试件件饱水抗压压强度，ＭＭＰａ。公路工程，，一般要求求石料的耐耐冻系数大大于０.７５；质量量损失率不不大于５％％。同时，，试件应无无明显缺损损（包括剥剥落、裂缝缝和边角损损坏等情况况）。桥梁工程石石料，对一一月份平均均气温低于于—１０℃的地区，要要进行抗冻冻性试验。。２）硫酸钠钠坚固性法法思考题：1.孔隙的特征征与吸水率率的关系。。2.什么条件下下要对石料料进行抗冻冻性试验？？什么是冻冻融循环？？3.如何判定石石料抗冻性性是否合格格？R主要内容：：材料的力力学性质集料的技术术性质重点内容：：石料的抗抗压强度、、磨耗率集料的级配配难点点：级配及及计算参数数要求求：掌握石石料的力学学性质掌握石料等等级的确定定掌握级配参参数的计算算方法参考资料：：《土木工程材材料》陈志源《道路建筑材材料》严家伋《道路建筑材材料》孙凌《公路工程集集料试验规规程》1.3材料的力学学性质1.3.1强度与比强强度一、强度定义：材料料在外力作作用下不破破坏时能承承受的最大大应力。抗压强度：：抗拉强度：：抗剪强度：：抗弯强度：：集中荷载：：三分点加荷荷：影响强度的的因素：材料的组成成孔隙率增增加强强度降低含水率增增加强强度降低温度升升高高强强度降低低试件尺寸大大强强度降低加荷速度快快强强度降低等等二、比强度度定义：单位位体积重量量的材料强强度与毛体体积密度之之比——衡量材料是是否轻质、、高强。补充一：１．公路工工程石料的的力学性质质１）抗压强强度石料的抗压压强度，通通常有单轴轴抗压强度度和三轴抗抗压强度两两种。如果果不作边坡坡验算等，，一般仅需需要进行单单轴抗压强强度试验。。公路工程石石料的抗压压强度，是是将石料制制备成边长长为５０ｍｍｍ±０.５ｍｍ的正正立方体或或直径与高高均为５００ｍｍ±０.５ｍｍ的圆圆柱体试件件，经吸水水饱和后，，在规定的的加载条件件下单轴受受压，石料料试件达到到极限破坏坏时，单位位受压面积积的强度。。公式：式中：——石料的抗压压强度，ＭＭＰａ；Fmax——试件极限破破坏时的荷荷载，Ｎ；；Ａ——试件的截面面积，ｍｍｍ２。石料的抗压压强度值，，取决于石石料的组成成结构，同同时也取决决于试验的的条件（如如试件几何何外形、加加荷速度、、温度和湿湿度等）。。石料的抗压压强度值，，取决于石石料的组成成结构，同同时也取决决于试验的的条件（如如试件几何何外形、加加荷速度、、温度和湿湿度等）。。２）磨耗率率石料的磨耗耗率是指石石料抵抗冲冲击、边缘缘剪力和摩摩擦的联合合作用的性性质，也是是评定石料料等级的依依据之一，，可采用洛洛杉矶试验验法或狄法法尔试验法法测定。（１）洛杉杉矶试验法法洛杉矶试验验法采用洛洛杉矶（或或搁板）式式磨耗试验验机。是将将石料试样样洗净烘干干，称出按按我国标准准规定的级级配石料及及钢球。磨磨耗机以３３０～３３３ｒ／ｍｉｉｎ的转速速转动５０００转。由由于在旋转转中石料试试样受到相相互摩擦、、冲击等力力系的综合合作用，使使石料试样样产生磨耗耗和破碎。。用２ｍｍｍ圆孔筛或或1.7ｍｍ方孔筛筛筛去试样样中的石屑屑，将剩余余试样洗净净烘干，并并称其质量量。石料的的磨耗率以以经试验后后石料试样样的质量损损失百分率率来表示。。公式：（2）狄法尔试试验法狄法尔试验验法采用狄狄法尔（或或双筒）式式磨耗试验验机。它是是将石料破破碎（人工工或机械）），并过筛筛选出５００～７５ｍｍｍ的块石石５０±２块，共约约５ｋｇ（（每块质量量约１０００ｇ），计计两份，分分别洗净烘烘干，装人人磨耗机的的两圆筒中中，磨耗机机以３０～～３３ｒ／／ｍｉｎ的的转速转动动１０００００转，石石料的磨耗耗率同样是是以通过２２ｍｍ或１１．7ｍｍ筛孔的的质量损失失百分率来来表示，亦亦按上式计计算。按我国标准准规定，两两种试验方方法以洛杉杉矶试验法法为标准方方法。２．桥梁工工程石料的的力学性质质抗压强度是是桥梁工程程石料的主主要力学指指标，是确确定石料标标号的主要要依据。桥用石料的的抗压强度度是将石料料加工成边边长为２００ｃｍ的正正立方体试试件，经吸吸水饱和后后，按规定定的加荷条条件单轴受受压，石料料试件达到到极限破坏坏时，单位位受压面积积的强度。。此亦作为为石料的标标号。公式：桥用石料的的力学性质质以抗压强强度为基准准，其他力力学指标（（如抗拉强强度、抗剪剪强度、抗抗弯强度等等）一般可可采用与抗抗压强度的的大约比值值。石料的技术术标准补充二集集料的技术术性质集料包括天天然砂石集集料、人工工轧制的集集料以及工工业冶金矿矿渣。不同粒径的的集料在水水泥（或沥沥青）混合合料中所起起的作用不不同，因此此对它们的的技术要求求亦不相同同。为此,将集料分为为粗集料和和细集料两两大类。不论天然的的或人工轧轧制的，以以圆孔筛计计，凡粒径径小于５ｍｍｍ者称为为细集料（（包括天然然砂、人工工砂等），，粒径大于于５ｍｍ者者称为粗集集料（包括括碎石、砾砾石等）；；在沥青混混合料中。。若以方孔孔筛计，凡凡粒径小于于２．３６６ｍｍ者称称为细集料料（包括天天然砂、人人工砂和石石屑等），，粒径大于于２.３６ｍｍ者者称为粗集集料（包括括碎石、砾砾石、矿渣渣等）。由由于产状和和轧制工艺艺不同，它它们之间的的粒径界限限允许有些些交叉。集料的技术术性质亦主主要从物理理性质、力力学性质和和化学性质质三个方面面进行评价价。（一）物理理性质（物物理常数、、与水有关关的性质））1.级配级配是集料料各级粒径径颗粒的分分配情况，，可通过筛筛析试验确确定。级配参数：：１）分计筛筛余百分率率：某号筛筛上的筛余余量占试样样总质量的的百分率。。２）累计筛筛余百分率率：某号筛筛的分计筛筛余百分率率和大于某某号筛的各各筛分计筛筛余百分率率的总和。。３）通过百百分率：通通过某号筛筛的质量占占试样总质质量的百分分率，即１１００与某某号筛的累累计筛余之之差。2.粗度粗度是评价价砂粗细程程度的一种种指标，通通常用细度度模数来表表示，细度度模数是各各号筛的累累计筛余百百分率之和和除以１０００的商，，可按下式式计算。[例]从工地取回回烘干砂样样500g做筛析试验验，列于表表中，求该该砂样的分分计筛余、、累计筛余余、通过百百分率及该该砂样的细细度模数，，并对该砂砂样进行评评定。细度模数T（二〕力学性质１．压碎性性压碎性是指指碎石（或或卵石）抵抵抗压碎的的性能。可可通过压碎碎值试验，，采用压碎碎值来相对对地衡量石石料在逐渐渐增加荷载载的作用下下抵抗压碎碎的能力，，压碎值是是表征粗集集料力学性性质的指标标之一。１）水泥混混凝土用粗粗集料压碎碎值试验方方法10～20mm，3Kg，二层装入入（每层颠颠击25次）；3～5min至200KN，过2.5mm筛。2）沥青混合合料用粗集集料压碎值值试验13.2～16mm，3Kg，三层装入入（每层插插捣25次）；10min至400KN，过2.36ｍｍ筛。（三）化学学性质石料根据ＳＳｉＯ２含含量的多少少分为：酸酸性石料、、中性石料料和碱性石石料。大量量试验证明明，碱性石石料与沥青青的粘附性性较酸性石石料与沥青青的粘附性性大，酸性性石料比较较坚硬。为为确定集料料与沥青的的粘附性，，通常在公公路工程中中采用一些些简便的方方法进行测测定。目前我国现现行的试验验方法主要要有：１）水煮法法２２）水浸浸法３３）亲水系系数法当采用同一一种沥青时时，选择矿矿料从碱性性、中性直直至酸性，，集料与沥沥青的粘附附性逐渐降降低。为保保证沥青混混合料的强强度，在选选择集料时时应优先考考虑采用碱碱性石料。。若当地缺缺乏碱性石石料且必须须采用酸性性石料时，，可掺加各各种抗剥剂剂以提高沥沥青与石料料的粘附性性。思考题：1.如何判定集集料的酸性性、中性、、碱性，工工程应用中中如何考虑虑？2.掌握级配参参数的计算算公式。作业：主要内容：：级配理理论矿质混合料料组成设计计重点内容：：泰波公公式修正平衡面面积法矿质质混合料组组成设计难点点：泰波公公式修正平衡面面积法矿质质混合料组组成设计要求求：利用用泰波公式式能够计算算适宜的级级配范围掌握修正平平衡面积法法矿质混合合料组成设设计参考资料：：《土木工程材材料》陈志源《道路建筑材材料》严家伋《道路建筑材材料》孙凌补充3矿质混合料料的组成设设计路用矿质混混合料的基基本要求：：１.最小空隙率率２.最大摩擦力力为达到上述述要求，必必须对矿质质混合料进进行组成设设计，其内内容包括：：１）级配理理论和级配配范围的确确定；２）基本组组成的设计计方法。一、矿质混混合料的级级配理论（一）级配配类型各种不同粒粒径的集料料，按照一一定比例搭搭配起来，，以达到最最大密实度度和最大摩摩擦力的要要求，可以以采用两类类级配：１.连续级配２.间断级配（二）级配配理论１.（富勒）ＷＷ.Ｂ.Ｆuller理论富勒根据实实验提出一一种理想级级配，认为为：“级配配曲线愈接接近抛物线线时，则其其密度愈大大”，因此此，当级配配曲线为抛抛物线时为为最大密度度曲线。当粒径ｄ等等于最大粒粒径Ｄ时，，矿质混合合料的通过过率等于１１００％，，则：T２.（泰波）ＡＡ.Ｎ.Ｔalbal理论泰波认为富富勒曲线是是一种理想想曲线，实实际矿料的的级配应允允许有一定定的波动范范围，故将将富勒最大大密度曲线线改为n次幂的通式式，即从泰波公式式可看出，，当ｎ＝１１／２时为为抛物线，，即富勒曲曲线。根据据试验认为为ｎ＝０.３～０.６之间时，，矿质混合合料具有较较好的密实实度。泰波理论可可用来解决决连续级配配的级配范范围问题，，故具有很很大的实用用意义。例题已知矿质混混合料最大大粒径为40mm，试用泰波波公式计算算级配范围围曲线的各各级粒径通通过百分率率。（n=0.3～n=0.7）。二、级配曲曲线范围的的绘制我国国级级配配曲曲线线采采用用半半对对数数坐坐标标形形式式T三、、矿矿质质混混合合料料的的组组成成设设计计方方法法天然然的的或或人人工工轧轧制制的的单单一一集集料料的的级级配配一一般般很很难难完完全全符符合合某某一一合合适适级级配配范范围围的的要要求求，，因因此此，，必必须须采采用用几几种种集集料料按按照照一一定定比比例例进进行行搭搭配配才才