土木工程材料第一章土木工程材料的基本性质.ppt

1,西南交通大学 希望学院2015年,2,本章要点 土木工程材料的基本物理性质、力学性质及耐久性等。学习目标 熟悉和掌握各种材料的基本性质，在工程设计与施工中正确选择和合理使用各种材料。,第1章 土木工程材料的基本性质,3,研究土木工程材料的一般规律,如下图所示：,原料生产工艺,组成结构构造,技术要求,性质,应用,外界环境条件,检验与验收,运输储存,形成了,决定了(内因),决定了,提出了要求,依据,提出了,影响 外因,4,1.1 材料的组成与结构1.2 材料的物理性质1.3 材料的基本力学性质1.4 材料的耐久性1.5 材料的热工、声、光性,内容提要：,5,1.1 材料的组成与结构,1.1.1 材料的组成1.1.2 材料的结构1.1.3 结构中的孔隙与材料性质的关系,6,1.化学组成化学组成指构成材料的基本元素与化合物。,材料在使用过程按化学变化规律发生作用，例如：混凝土碳化钢材锈蚀,7,8,2.矿物组成 矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。,矿物组成=矿物种类+矿物含量,例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥,无机非金属材料,9,10,11,木材的细观结构,金属的金相组织,12,钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片,13,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,矿渣在3.0K下的SEM照片,14,土木工程材料,晶体,玻璃体,胶体,固态,有规则，各向异性,无定形态（短程有序，长程无序）,微小质点分散于介质中形成的结构（1100m）,（石墨、金刚石、“足球烯”C60）,15,石墨三维结构,16,泡沫玻璃,玻璃,泡沫塑料,泡沫混凝土,17,小结：材料的组成、微观结构、宏观结构与材料性质、用途的关系宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同宏观结构相同或相似，则即使材料的组成或微观结构等不同，材料也具有某些相同或相似的性质与用途,18,1.材料内部孔隙的来源与产生,天然材料,人造材料,木材的细观结构,锆石的微观结构,19,孔隙大小,孔隙形状,常压下水能否进入,微细孔隙毛细孔较粗大孔隙粗大孔隙,球形孔隙片状孔隙管状孔隙墨水瓶状孔隙带尖角的孔隙,开口/连孔隙闭口/封闭孔隙,2.孔隙的分类,20,3.孔隙特征及其对材料性质的影响孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力学性质均有显著影响。一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。,21,开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。,22,1.2 材料的物理性质,1.2.1 与质量状态有关的物理性质1.2.2 与构造状态有关的物理性质1.2.3 与水有关的性质,23,1.密度,材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,密度，g/cm3；m材料的质量，g；V材料在绝对密实状态下的体积，cm3。,绝对密实:不包括孔隙。,如何测？,磨成细粉，用李氏瓶；排液置换法。,李氏密度瓶,实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似密度）。,24,是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。,2.表观密度（视密度、近似密度）,如何测？,2,25,3.容积密度0（体积密度、容重）,是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。,宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固体体积开口孔隙体积闭口孔隙体积。,如何测？,形状规则：直接测量并计算形状不规则：蜡封并排液测定,26,4.堆积密度0/,粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。,如何测？,堆积体积:散粒材料填充容器的体积。固体体积孔隙体积颗粒间空隙。,4,已知某卵石的质量为10.6g，体积为4.06cm3，用李氏瓶法，排除的水的体积为4ml，现总共有这样的卵石3360kg，堆成体积为2m3，求石子的表观密度、密度、堆积密度。,密 度,堆积密度,表观密度,例1-1,28,问题？,对于某一种材料来说，其密度、表观密度、容积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？密度表观密度容积密度堆积密度,29,1.孔隙率与密实度孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积（在自然状态下体积）的百分率。,密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。,30,2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,31,2.空隙率与填充率空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。,填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,32,练习题：一块普通粘土砖尺寸为240mm115mm53mm，烘干后质量为2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3，求该砖的密度、表观密度、容积密度、开口孔隙率、闭口孔隙率及密实度。,33,解：该砖的宏观外形体积为：,开口孔的体积为：,则该砖的密度为：,表观密度为：,容积密度为：,34,开口孔隙率为：,总孔隙率为：,闭口孔隙率为：,密实度为：,35,1.亲水性与憎水性,全润湿 润湿 不润湿,憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。,亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。,1 吸水性：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。,材料的吸水性与吸湿性,其中 W 材料的吸水率，100%；m材料吸水饱和状态下的质量，g；m0 材料在干燥状态下的质量，g。,37,材料的吸水率与孔隙构造有何关系？,孔隙特征,吸水率,微细而连通,封闭,较大,较小,较小,粗大开口,38,2 吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。,含水率表示材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力随环境温度和空气湿度的变化而变化。与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。,含水率,电导式木材含水率测定仪,39,3 材料的耐水性,材料抵抗水的破坏作用的能力称为耐水性。指标：软化系数,fw-材料饱水状态抗压强度，MPaf-材料干燥状态抗压强度，MPa,注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。KR0.85，称为耐水材料,41,4 材料的抗渗性与抗冻性,（1）渗透系数,渗透系数：,透水量：,Ks的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。,抗渗性：抵抗压力水渗透的性质,42,43,砂浆、混凝土等材料：P=10H-1,（2）抗渗等级：,P的意义：抗渗等级越高，表明抗渗性能越好。,材料抗渗性的好坏，与其孔隙率和孔隙特征有关。孔隙率低且为封闭孔的材料具有较高的抗渗性能。,评价指标 抗冻等级Fn 如F25、F50、F100、F200等 以规定的吸水饱和试件在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻等级。,应用分析 砖、面砖、轻混凝土等墙体材料：F15、F25或 F35；道路、桥梁用混凝土：F50、F100、F200；水工混凝土：F500,材料的抗冻性,45,提高材料抗冻性的方法：引入部分封闭的孔隙，如在混凝土中掺入引气剂。当开口的毛细孔隙中的水结冰时。所产生的压力可将开口孔隙中尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中(由于毛细作用，微细孔隙中水的冰点低于0。如半径为15的微细孔隙中，水的冰点约为-75)，即这些封闭的孔隙可起到卸压的作用。,46,影响材料抗冻性的主要因素有：（1）孔隙率 一般情况下，材料的P、Pk 越大，特别是Pk越大，则材料的抗冻性越差。（2）孔隙的充水程度充水程度以水饱和度Ks来表示：对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态。（3）材料本身的强度 材料强度越高，抵抗冻害的能力越强，即抗冻性越高。,47,1.3 材料的基本力学性质,强度 强度 材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示，亦称极限强度。,48,工程上，材料常受到四种外力作用：,49,材料的抗拉、抗压、抗剪强度可按下式计算：,50,矩形截面条形试件的抗弯强度计算：（1）两支点间的中间作用一集中荷载时，抗弯强度的计算公式为：,51,（2）在试件两支点间的三分点处作用两个相等的集中荷载（P/2）时，抗弯强度的计算公式为：,混凝土路面砖抗折强度试验,混凝土路面砖抗压强度试验,54,2.弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变性能完全消失的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形（暂时变形），属可逆变性，其数值大小与外力成正比。若当外力除去后，材料仍保留一部分残余变形，且不产生裂缝的性质称为塑性。这部分残余变形称为塑性变形（永久变形），属不可逆变形。,55,a,b,b,a,56,3.材料的脆性与韧性1）脆性 材料抵抗冲击振动荷载，破坏前无明显的塑性变形，表现为突发性破坏的性质。脆性材料的特点：塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大(550倍)。混凝土、砖、石材、陶瓷、玻璃、铸铁。2）韧性 指材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质。韧性材料的特点：变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。低碳钢、低合金钢。,57,案例分析 最大的海难泰坦尼克号的沉没,概况 1912年，当时世界上最大的客船泰坦尼克号初航，不幸撞上冰山，35cm厚船钢板在水位线处像拉链拉开一样被撕裂，海水排山倒海般涌向船内，约三小时后沉没。分析：泰坦尼克号所使用的钢板，其抗压强度比现代钢材还要高，但是做钢材冲击韧性试验时发现，钢材断裂时吸收的冲击功很低，是韧性差的脆性材料。化学分析表明，该钢材的含硫量高，硫致使钢材的脆性增加。,58,案例分析 铸铁造桥酿成灾难,59,1.导热性材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示：,通常将0.23 W/（mK）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。,1.4 材料的热工、声、光和耐久性,60,61,影响材料导热系数的主要因素有：（1）材料的组成与结构：通常金属材料的导热系数分别大于非金属材料。（2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越轻（越小），导热系数越小。（3）含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。（4）温度：温度越高，材料的导热系数越大（金属除外）。,62,2.热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，用比热表示：,比热c与材料质量m的乘积，称为热容量。材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，即有利于保证室内温度相对稳定。,63,2.耐燃性和耐火性,不燃烧：石材、混凝土、砖、石棉等。难燃烧：沥青混凝土、经防火处理的木材。易燃烧：木材、沥青。,耐燃性分为：,耐火性分为：,耐火材料：耐火砖（硅砖、镁砖、铝砖等）。难熔材料：耐火混凝土、黏土砖等。易熔材料：普通黏土砖等。,64,3.吸声性材料能吸收声音的性质称为吸声性，用吸声系数来表示：,65,吸声系数与声音的频率和入射方向有关。因此吸声系数用声音从各个方向入射的吸收平均值，并指出是哪一频率下的吸收值。通常使用的六个频率为125、250、500、1000、2000、4000Hz。一般将上述六个频率的平均吸声系数 0.20的材料称为吸声材料。,66,最常用的吸声材料为多孔吸声材料，影响其吸声效果的主要因素为：（1）材料的孔隙率或体积密度 对同一吸声材料，孔隙率P越低或体积密度越大，则对低频声音的吸收效果越好，而对高频声音的吸收有所降低。（2）材料的孔隙特征 开口孔隙越多、越细小，则吸声效果越好。（3）材料的厚度 增加多孔材料的厚度，可提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大的效果。,67,4.隔声性是指材料隔绝声音的性质。声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现。因而隔声分有隔空气声和隔固体声。,68,（1）隔空气声透射声能E2与入射声能E0的比值称为声透射系数，该值越大则材料的隔声性越差。材料或构件的隔声能力用隔声量R来表示，定义如下：由此可见，与声透射系数相反，隔声量R越大，材料或构件的隔声性能越好。应选择密实、沉重的材料来隔空气声。,69,（2）隔固体声固体声是由于振源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发声。声能的衰减极少。对固体声，隔声最有效的措施是采用不连续的结构处理。（结构之间加弹性衬垫或软性材料）,一、定义 材料在长期使用过程中，能保持原有性能的性质二、破坏作用 物理作用-温、湿度、冻融.化学作用酸碱盐水溶液、有害气体、水、日光 生物作用虫、菌三、措施 减轻环境的破坏作用 提高材料的密实性 材料表面采取保护措施等,5 材料的耐久性,