土木工程材料材料基本性质

第2章材料基本性质教学要求：掌握材料的物理性质和力学性质了解材料的耐久性、装饰性等等1.材料的密度、表观密度和堆积密度1.1密度定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。可按下式计算：–––密度，g/cm3；m–––材料在干燥状态下的质量，g；V–––材料在绝对密实状态下的体积，cm3。（density）一、材料的物理性质测量方法有较多孔隙的材料，采用磨细后（粒径＜0.02mm）用李氏瓶测定其体积的方法。某些致密材料，如卵石等，可用直接

排液法，用这种方法测量的体积，由

于无法排除内部封闭的孔隙，所以称

这样测得的密度为近似密度(a)－视密度。1.2表观密度定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。计算：0–––表现密度，g/cm3或kg/m3；m–––材料的质量，g，或kg；V0–––材料在自然状态下的体积，cm3或m3。（unitweight）1.3堆积密度定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。计算：0–––堆积密度，kg/m3；m–––材料的质量，kg；V0–––松散材料的堆积体积，m3。（heapeddensity

）V0VVKVB开口孔封闭孔闭口孔隙自然状态下的块状材料开口孔隙实体实体空隙开口孔隙封闭孔隙装在容器里的粒状、粉状或块状材料V0´VVKVBV02.材料的孔隙率和空隙率2.1材料的孔隙(1)孔隙率:材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响：一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。孔隙数量用孔隙率表征。(2)密实度:材料内部固体物质的实际体积占材料总体积的百分率孔隙特征主要有两方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；（2）按孔隙是否与外界连通分为与外界连通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口孔）。把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB，则孔隙体积Vｐ=Vk+VB定义开口孔孔隙率为定义闭口孔孔隙率为则孔隙率为散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。(1)空隙率:散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率2.2材料的空隙(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率(a)亲水性材料(b)憎水性材料90

亲水材料

90

憎水材料3.1材料的亲水性与憎水性润湿边角:在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，切线与材料和水接触面的夹角。3.材料与水有关的性质3.2材料的含水状态四种基本含水状态：干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微；气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和；湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附有一层水膜。材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态饱和水表面水材料的含水状态(a)干燥状态(b)气干状态(c)饱和面干状态(d)湿润状态(a)(b)(c)(d)3.3材料的吸湿性和吸水性吸湿性

––––亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率表示Wh––––含水率；％ms––––材料含水状态下的质量，g；mg––––材料干燥状态下的质量，g。材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。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。材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。（2）吸水性——材料在水中吸水的性质。用吸水率表示，有质量吸水率和体积吸水率两个定义：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——材料吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率；材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干燥状态时的表观密度。工程上，建筑材料一般采用质量吸水率，如粘土砖为8～20％。吸水性和吸湿性会使材料绝热性降低，强度和耐久性产生不同程度的下降，体积发生变化，影响材料使用。3.4耐水性定义

材料长期在水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质。用软化系数表示：kR=fb/fg。公式中fb表示材料在饱水状态下的抗压强度，Mpa；fg表示材料在干燥状态下的抗压强度，MpakR在0～1之间，不同材料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金属kR=1；土木工程中将kR＞0.85的材料称为耐水材料，用于潮湿环境中的重要结构。3.5抗渗性定义材料抵抗虑压力水趋渗透的性驻质常用渗耕透系数功或抗渗泽标号表迷示：渗透系数励：ks–––驾–渗透系庭数，cm/h；Q–––钢–透水量，cm³；d––––试件厚服度，cm；A–––肃–透水面专积，cm²；t––––时间，h；H––––静水压核力水头敬，cm。抗渗性用摊抗渗等级Pn表示，抗偿渗等级是刃以规定的横试件在规仇定的试验茄条件下，复所能承受绍的最大水号压力来确考定；其中什的n，表示材故料所能承波受的最大呢水压力（Mpa）的10倍，例如P4、P6、P10表示材垮料最大票能承受0.4、0.6、1.0漆Mp鞋a的水压未力而不玻渗水。申材料的寄渗透系兔数越小禾或抗渗景标号越为高表明谜材料的歌抗渗性节越好。。3.6抗冻性材料在闻饱水状斤态下，五能经受急多次冻后融循环怖而不破夺坏，也态不严重锯降低强糊度的性俭质。抗冻性用鹿抗冻等级Fn表示，抗祝冻等级是稍以规定的绘试件在规抖定的试验兄条件下，柱测得其强薯度降低不满超过规定罩值，并无茧明显剥落崖所能经受棚的冻融循榴环次数来镰确定；其怕中的n，表示纷最大冻连融循环夹次数，偷例如F25、F50等。干燥箱干燥箱混凝土抗牵渗仪混凝土抗拦渗试模（勇左）4.1热容性定义材料在温欠度变化时雁吸收或放米出热量的条能力不同材料两的热容性狗可用比热负进行比较既。比热：孕单位质系量的材越料升高葡单位温集度所需勒热量。4与热有关孝的性质定义4.2导热性材料两并侧有温嫌差时热帆量由高心温侧向漆低温侧旅传递的样能力。常用导烦热系数必表示：材料的导号热性能与香孔隙特征甘有关，增替加孤立的离、不连通脑孔隙可降历低材料导谈热能力。Λ≤0.2灵3的材料称晕为绝热材点料。4.3热变形括性定义材料在狂温度变覆化时的暂尺寸变凯化常用线膨群胀系数表炉示。有保温谊隔热要漂求的工埋程尽量祖选用热搬容量大贩、导热却系数小毯的材料宁。土木工喷程材料职在使用泉过程中城经受各唐种破坏橡因素(物理的、婆化学的、壁环境的、煮生物的……等等)的作用，君而能保持史其使用性罩能的性质浸称为土木工程寸材料的耐引久性。环境影响钢因素往往否是复杂多碑变的，它招们单独或万交互作用划于材料形降成破坏。找由于各种猫破坏因素古的复杂性柴和多样性合，使得耐肝久性是一武个综合性藏概念。5材料的拍耐久性材料的库耐久性期包括抗粪冻性、壁抗渗性爹、抗化舰学侵蚀肉性、抗沾炭化性姑、大气夫稳定性驴、耐磨陪性等。质耐久性锄是一项圈综合性朴指标，既建筑材诊料应有克良好的盛耐久性撤。从工程技庭术发展角扎度看，由刊按耐久性焦进行工程池设计取代析按强度进代行工程设陈计更具科捐学性和实亩用性。然宪而，要按粪耐久性进案行工程设糕计，尚需惑对各种材钉料的耐久胁性进行更幼为广泛深终入的研究闹。提高材料是耐久性是虽土木工程敏材料生产狼及应用的适重要课题蹦之一。1.强度与描等级1.1材料的派强度定义材料在勤外力作决用下抵健抗破坏诊的能力饭。根据外力啄作用方式扎的不同，视材料有抗穷压强度、手抗拉强度挖、抗弯强遵度、抗剪济强度等。二、材睬料的力闭学性质LLF/2F/2FFL/3FFL/3L/3(a)压力(b)拉力(c)弯曲(d)剪切材料所受旬外力：各种强度盆的计算公纳式如下：抗压、抗壮拉、抗剪委的强度f–––雅–强度，Mpa；F––代––破坏时半最大荷吵载，N；A––––受力截近面面积蓬，mm2。抗弯强度1）(中点集中荷载)2）(三分点两相等集中荷载)ftm––––抗弯强度航，Mpa；F––惰––弯曲破坏供时最大荷睬载，N；L–––震–两支点的优间距，mm；b–––勺–试件横截孩面积宽度浅，mm；h––––试件横僵截面积喘高度，mm。材料的抗弯强度又称为林抗折强赖度，分旋两种情劣况：第孝一种为1个集中荷墨载（两个腊支点），锦代表构件垫为水泥胶锁砂试件（40m唐m×40m岛m×160m抵m）的抗乌折强度奖。第二种为2个集中绢荷载（婆两个支辛点），运代表构必件为公欧路水泥饭混凝土剪路面的秃水泥混夜凝土试个件（150纷mm×150m荡m×550m论m）的抗折刷强度。常驰见土木工拉程材料的院强度见12页。许多土木兔工程材料踢常以其强借度大小划行分为若干懒等级，俗获称“挨标号皆”。材料强度佩受以下三讨个因素的威影响：材料内部道结构和构培造(强度与孔帅隙率之间复存在近似赚直线的反茂比关系)。材料所处垫的环境条宽件(温度、湿沃度、含水腾量等)强度值座的测试昂条件(试件尺寸野、加荷速早度等)2.材料的策比强度衡量材嫁料是否蓝轻质、腰高强的莲指标定义单位体刚积质量考的材料聚强度,等于材悲料的强脚度与其仪表观密扑度之比3.材料的弹爪性与塑性弹性与塑貌性材料在仁承受外渡力时，璃如撤除穷外力的薪作用后滋，材料卸的几何气形状能眉恢复原洁状，材明料的这膏种性能狗称为弹性。如果薄只能部离分恢复蹄变形，港而残留扶一部分樱不能消标失的变济形，该问残留部营份称为塑性变形。材料在弹透性范围内方，其应力押和应变之疑间关系符劳合如下公亩式：σ＝Εεσ——应力；ε——应变，为胁材料受外欧力变形尺趟寸增量与论原尺寸之裙比；Ε——弹性模鸡量；弹性模量启是材料刚躺度的度量性，物理意弓义为单位太应变所需腾要的应力误，反映了建材料抵抗搜变形的能公力。是结罪构设计中电的主要参歌数之一。弹塑性材炉料：材料叉受力时，奏弹性变形墨和塑性变棋形同时发登生，外力振去除后，谅弹性变形胜恢复，塑厚性变形保摘留。4.脆性和枯韧性（1）脆性拖材库料在外底力作用给下，无粥明显塑拆性变形而突然破务坏的性质轿。具有这允种破坏遗特征的围材料，抄称为脆性材料。从应力应镜变图中看斯材料的脆妈性（2）韧性领材兽料在冲榆击或震趁动荷载捷作用下知，能吸茂收较大殖的能量钉，产生巧一定的带变形而赌不破坏鸽的性质充称为韧性或匹冲击韧江性。一般以佩测定其堂冲击破蝴坏时单锁位断面邀上吸收焦的能量津作为指物标。5.硬度和威耐磨性硬度：湾材料抵诞抗较硬足物质刻圈划或压馒入的能裕力常用刻划嗓法和压入惧法测定。刻划法领称莫氏壁硬度；动压入法托称布氏催硬度、骂洛氏硬姥度和维腐氏硬度班。耐磨性假：材料勾抵抗磨终损的能圾力，用享耐磨度谷表示。P156.材料的徐牢变和应力栏松弛当材料狮在恒定鼓外力的酬作用下讽，其变孙形随时英间而缓愚慢增加比的过程落，称为徐变。当材料护在持续确外力作惑用下，间总的变尽形值保畅持不变柏，由于季徐变而泛使材料双内应力逆随时间和而逐渐说降低的筛过程，虽称为应尾力松弛。徐变和妄应力松帝弛是相葡互关联畜的两种板现象。材料的其绩它性质见策教材，不催作为重点趁。作业2-1试解释川以下名选词：（1）密度；（2）表观密鸣度（容似重）；（3）堆积梯密度；粱（4）孔隙率遍；（5）空隙寄率；（6）吸水率所；（7）含水率；（8）比强度膝。2-2确定建筑锯成品或半陡成品的质潮量在工程词上用来分精析设计活许载、地基军承载力、云现浇模板笑荷载、预梯制吊装荷抹载等等具代有重要意草义，根据常设计图如室何确定两盼框架柱之垮间的现浇蹄梁板的质跳量？根据盈设计图如川何确定1片预制T梁的质量标？2-3一块烧只结普通再砖的外构形尺寸决为240m巷m×115m完m×53mm。吸水就饱和后管的重为294先0g烘干至恒虚重为258哭0g。今将苍该砖磨宏细并烘万干后取纪代50g，用李或氏瓶测稿得其体做积为18.免58c授m3。试求维该砖的季密度、秩表观密矩度、孔内隙率、漫质量吸签水率、锯开口孔朋隙率及另闭口孔羽隙率。2-4称河砂500晌g，烘干至纲恒重时质窑量为494g，求此河艳砂的含水每率。2-5某工程共社需要煤矸英砖（240m停m×115m东m×53mm）15万匹，用坛载质量为5吨的汽尸车分五棍批运完姨，每批巧需要安捉排汽车务多少辆太？（1m3砖的理刷论匹数茎为684匹，砖的嘱容重为1.8t欲/m3）2-6有直径20m学m，长14m的钢筋一永捆25根，计算亦其总质量约为多少kg？（钢损材的密罚度为7.8猛5t/骑m3）2-7收到含水攀率为3.5%的河砂1t，实为疾干砂多溪少t？如果需满要干砂1t，应进含亿水率为3.5%的含水冰河砂多什少t？2-8某石灰监岩的密胜度为2.6趁2g/怕cm3，孔隙活率为1.20诵%。今将该果石灰岩破登碎成碎石证，碎石的逗堆积密度益为1580稳kg/m3。求此碎怜石的表观耕密度和空左隙率。2-9某材料范的体积埋吸水率狮为10%，密度传为3.0赏g/c神m