土木工程材料2材料基本性质

• 率；
积占材料干燥时体积的百分
•材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干
•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：
•2）
•(三分点两相等集中荷载)
•f tm–––– 抗弯强度，Mpa；
•F–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
•L –––– 两支点的间距，mm； •b –––– 试件横截面积宽度，mm； •h –––– 试件横截面积高度，mm。
•材料的抗弯强度又称为抗折强度，分两 种情况：第一种为1个集中荷载（两个支 点），代表构件为水泥胶砂试件（ 40mm×40mm×160mm）的抗折强度。 •第二种为2个集中荷载（两个支点），代 表构件为公路水泥混凝土路面的水泥混凝 土试件（150mm×150mm×550mm）的抗折 强度。常见土木工程材料的强度见12页。
•5. 硬度和耐磨性
•硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 •常用刻划法和压入法测定。 •刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬 度和维氏硬度。 •耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨度表示。 P15
•6. 材料的徐变和应力松弛
• 当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。
•提高材料耐久性是土木工程材料生产及应用的重要课 题之一。
•二、材料的力学性质 •1.抗破坏的能力。
• 根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
•材料所受外力：
•F
•
•F
•
•
•(a) 压力
•
•(b) 拉力
•3.材料与水有关的性质 •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。
•
•(a) 亲水性材料
• 90 • 90
•
•(b) 憎水性材料
亲水材料 憎水材料
•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；
•许多土木工程材料常以其强度大小划分 为若干等级，俗称 “ 标号 ”。
•材料强度受以下三个因素的影响： • 材料内部结构和构造(强度与孔隙率之间存 在近似直线的反比关系)。
• 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等)
• 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
•2.材料的比强度
•定义 单位体积质量的材料强度, 等于材料的强度与其表观密度之 比
•孔隙数量用孔隙率表征。
•(1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百 分率
•(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）。
•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 •（unit weight） •定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。 •计算：
•衡量材料是否轻质、高强的指标
•3. 材料的弹性与塑性
• 弹性与塑性
• 材料在承受外力时，如撤除外力的 作用后，材料的几何形状能恢复原状，材 料的这种性能称为弹性。如果只能部分恢 复变形，而残留一部分不能消失的变形， 该残留部份称为塑性变形。
•材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公 式：
•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，Mpa •kR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
•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。
•1. 3
堆积密度
•（heaped density ）
•
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。
•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
•(a)
•(b)
•(c)
•(d) •表面水
•材 料 的 含 水 状 态
•(a) 干燥状态 •(b) 气干状态
土木工程材料2材料基本 性质
2020年5月24日星期日
•一、材料的物理性质
•1. 材料的密度、表观密度和堆积密度
•1.1 密度•（density）
•
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。
2-4 称河砂500g，烘干至恒重时质量为494g，求此河砂的 含水率。
2-5某工程共需要煤矸砖（240mm×115mm×53mm）15 万匹，用载质量为5吨的汽车分五批运完，每批需要安排 汽车多少辆？（1m3砖的理论匹数为684匹，砖的容重为 1.8t/ m3）
2-6有直径20 mm，长14 m的钢筋一捆25根，计算其总质 量为多少kg？（钢材的密度为7.85t/ m3）
•F
•
•L •F/2 •F/2
• •
•L/•3L/•3L/3 •L
•(c) 弯曲
•F
• •
•(d) 剪切
•各种强度的计算公式如下： • 抗压、抗拉、抗剪的强 度
•f –––– 强度， Mpa；
•F–––– 破坏时最大荷载，N；
•A –––– 受力截面面积，mm2。
• 抗弯强 度
•1）
•(中点集中荷载)
•干燥箱
•混凝土抗渗仪
•混凝土抗渗试模（左）
•4 与热有关的性质 •4.1 热容性
•定义 •材料在温度变化时吸收或放出热量的 能力
•不同材料的热容性可用比热进行比较。 •比热：单位质量的材料升高单位温度所需热量 。
•4.2 导热性 •定 •材料两侧有温差时热量由高温侧 义 向低温侧传递的能力。 •常用导热系数表示：
•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
• 率；
量占材料干燥时质量的百分
•体积吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分体
2-2 确定建筑成品或半成品的质量在工程上用来分析设计活 载、地基承载力、现浇模板荷载、预制吊装荷载等等具有重 要意义，根据设计图如何确定两框架柱之间的现浇梁板的质 量？根据设计图如何确定1片预制T梁的质量？
2-3 一块烧结普通砖的外形尺寸为240mm×115mm×53mm 。吸水饱和后的重为2940g烘干至恒重为2580g。今将该砖 磨细并烘干后取代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。
•(c) 饱和面干状态 •(d) 湿润状态
•3.3 材料的吸湿性和吸水性
(1)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。
•4. 脆性和韧性
•（1）脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变 形
•
而突然破坏的性质。
•具有这种破•坏特征的材料，称为脆性材料。
• •从应力应变图中看材料的脆性
•（2）韧性 材料在冲击或震动荷载作用下 ，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不 破坏的性质称为韧性或冲击韧性。
•一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
•。
•3.6
抗冻性
•材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不
破坏，也不严重降低强度的性质。 •抗冻性用抗冻等级Fn表示，抗冻等级是以规定 的试件在规定的试验条件下，测得其强度降低不 超过规定值，并无明显剥落所能经受的冻融循环 次数来确定；其中的n，表示最大冻融循环次数 ，例如F25、F50等。
•干燥箱
•材料的导热性能与孔隙特征有关，增加 孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能 力。Λ≤0.23的材料称为绝热材料。
•4.3 热变形性
•定义 •材料在温度变化时的尺寸变化 •常用线膨胀系数表示。 •有保温隔热要求的工程尽量选用热容量 大、导热系数小的材料。
•5 材料的耐久性
• 土木工程材料在使用过程中经受各种破 坏因素 ( 物理的、化学的、环境的、生物的 ……等等 ) 的作用，而能保持其使用性能的性 质称为土木工程材料的耐久性。