土木工程概论第三讲-复.ppt

土木工程概论,工程管理专业,绪论,目的要求：了解土木工程材料的概况，熟悉土木工程材料的分类。,定义：,土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和叙述的方便，可以从不同角度加以分类。常用的分类法：,分类：,、按材料来源分类,、按材料功能分类,、按材料组成分类：,土木工程材料是土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。,一、土木工程材料的定义及分类,1、按材料来源分类：,按使用部位分类，有天然材料及人造材料。,2、按材料功能分类,3、按材料化学成分分类,土木工程的物质基础。土木工程材料在建设工程中用量大，经济性强，直接影响工程的造价。一般建筑中材料费约占总造价的50%60%。土木工程材料的品种、质量及规格还直接影响着工程坚固、耐久和适用，并在一定程度上影响着结构形式和施工方法。,二、土木工程材料的地位,学习方法：1、抓重点；重点章节：胶凝材料、混凝土、钢材2、对比法；3、联系实际。,材料的组成、结构,材料的性质,材料的应用,第九章土木工程材料的基本性质,（1）了解材料的组成、结构和构造,并了解材料的结构和构造与材料基本性质的关系。材料性质取决于材料组成材料结构试验条件（2）理解各种性质的基本概念。（3）掌握各种性质的表示方法，影响因素及其实用意义。,本章目的：,第2节材料的物理性质,2.1材料的密度、表观密度与堆积密度,1、密度：材料在绝对密实状态下（不包含孔隙或空隙）单位体积的质量，俗称比重。材料的实际密度为：=m/V(g/cm3).(a)式中：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)。李氏瓶测定体积材料的密度大小取决于组成及微观结构。,2、表观密度：指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量，俗称容重。材料的表现密度0为：0=m/V0(g/cm3或kg/m3).(b)式中：m材料的质量（g或kg）；V0材料在自然状态下的体积（cm3或m3）。当材料所含的水分不同时，其所测定的材料表观密度也有差异，通常指的是在干燥状态下的表观密度。材料的表观密度取决于密度、构造及含水程度。,干容重,湿容重,饱水容重,材料的表观密度,表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。,工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积,3、堆积密度：指散粒材料或粉状材料，在堆积状态下单位体积的质量，俗称松散容重。材料的堆积密度0为：0=m/V0（/m3）.(c)式中：m材料的质量（kg）；V0材料的堆积体积，包括颗粒体积和颗粒之间空隙的体积（m3）。取决于材料颗粒的表观密度、堆积的疏密程度。,固体物质,闭口孔隙,开口孔隙,材料体积组成示意图,1、材料的密度、表观密度和堆积密度,温故知新,2.2密实度与孔隙率,密实度和孔隙率两者之和为，两者均反映了材料的密实程度。土木工程材料的许多性质都与材料的致密程度有关，这些性质除取决于孔隙率的大小外，还与孔隙特征（形状、大小）有关。,1、密实度：指材料体积内被固体物质所充实的程度。材料的密实度D为：,2、孔隙率：指材料中孔隙体积占总体积的百分率。材料的孔隙率P为：,.(e),V0表观体积，表面封蜡测V0,V0堆积体积，容量筒测V0,思考1材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？,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，求石子的孔隙率和空隙率。,密度,堆积密度,表观密度,孔隙率,例1,空隙率,孔隙、孔隙率与孔隙(形态)特征,粗孔与细孔毛细孔使材料吸水率增大、耐久性降低。一般来说粗孔不易吸满水，微细孔隙吸水率非常大。,开孔与闭孔开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性更不利；或增加闭口孔隙，可提高材料保温性、耐久性。,1.一般来说，(单个)孔隙尺寸增大，材料强度降低，导热系数增大；,（1）材料表观密度减小；（2）强度降低；导热系数减小；（3）吸水率增大；（4）透气、透水性变大。（5）抗冻性是否降低，要视孔隙大小和形态特征而定,3.孔隙(形态)特征,2.孔隙率增大,材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，分为：能被水润湿亲水性，润湿边角900不能被水润湿憎水性，润湿边角900材料分子的极性决定亲水、憎水性。亲水性材料表面做憎水处理，可提高防水性。,2.4材料的亲水性与憎水性,1、含水率：材料所含水分质量占其干质量的百分率,2.5材料的吸水性与吸湿性,其中W材料的含水率，100%；m材料在含水状态下的质量，g；m0材料在干燥状态下的质量，g。,2、吸水性材料与水接触吸收水分的性质，称为材料的吸水性。质量吸水率：材料饱水状态,所吸水分质量占干质量的百分率。体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积的百分率。(等于开口孔隙率),吸(含)水率增大，对材料的许多性质有不良影响：如容重增加、体积膨胀、导热（系数）性增大，强度及抗冻性下降等。,3、吸湿性指材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质。,例如：木材的吸湿性,含水率在工程中的应用,例如:拌制砼所用材料质量是指干质量.但现场的砂石都不同程度有水存在.因此在称量上应该考虑到砂石的含水情况.己知每拌制1m3混凝土需要干砂606Kg,测得施工现场的含水率砂为7%,则现场需要称取多少湿砂?,砂用量：S=S（1+Ws）=606(1+7%)=648Kg,知识延伸,干燥的材料,吸收空气中的水分,潮湿的材料,平衡含水率,平衡含水率：当材料中所含水分与空气湿度达到相对平衡时的含水率,释放水分,例2烧结普通砖的尺寸为240mm*115mm*53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和后质量为2984g。求该砖的密度、干表观密度、吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。,密度,干表观密度,吸水率,2.6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,fb-材料饱水状态抗压强度，MPafg-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,1-3某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解该石材的软化系数为:,由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。,2.7材料的抗渗性,（1）渗透系数,（2）抗渗等级指石料、砼或砂浆所能承受的最大水压力。如：最大承水压力为0.2MPa，表示为P2，有P2、P4、P6、P8,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,3材料与热有关的性质,（1）导热性,材料两侧存在温差时,热量由一侧传至另一侧的性质,指标导热系数,取决于,愈小，材料的保温隔热性能愈好，或绝热性能愈好。工程界将0.23W/(mk)的材料，称为绝热材料，或节能材料,最好的绝热材料为静止（态）空气，其=0.023W/(mk)；,房建中采用的空心砖(砌块)、加气砼砌块中含有较多的静态空气，是良好的节能材料。,材料组成与结构,材料的孔隙率,材料的孔隙特征,材料的含水状态,观察与讨论,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，请问选择何种材料？,（2）热容量,材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质,指标比热容,比热容大的材料，热容大，有利于建筑物内部温度稳定,建筑物的围护结构宜选用比热容大、导热系数小的材料,（3）热胀冷缩,材料随温度变化时其尺寸变化的性质,指标线膨胀系数,用于计算材料在温度变化时引起的变形或产生的温度应力,（4）保温隔热,保温防止室内热量的散失,隔热防止室外热量的进入,常用材料的热性质指标,思考：为什么在冬季混凝土施工中，当需对原材料进行加热时，应优先对水进行加热？,因为水的比热容比砂石大4倍多.显然对于同样多的水和砂石来说,在吸收的热量相等的情况下,水的温度上升得少,而砂石的温度上升得多.,解释:沿海地区及我国东南部白天和晚上的气温变化_不大_,而在沙漠地区及我国西北部昼夜气温变化_较大_.,因为水的比热容比砂石大4倍多.显然对于同样多的水和砂石来说,在吸收的热量相等的情况下,水的温度上升得少,而砂石的温度上升得多.,水的比热容较大在生产和生活中的应用,1、用热水取暖。2、用水冷却发动机。3、农村在培育秧苗时，为使秧苗夜间不致受冻，傍晚要往田里灌水，早晨再把水放出去。,五、材料的力学性质,材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。,强度,根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度。,材料受力示意图,(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲,材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：,式中：f材料的抗压、抗拉、抗剪强度，MPaF材料承受的最大荷载，A材料的受力面积，mm2,式中：f材料的抗弯(折)强度，MPaF材料承受的最大荷载，L两支点之间的距离，mmb材料受力截面的宽度，mmh材料受力截面的高度，mm,材料的抗弯强度的计算式为：,材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同。,材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失，这种性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。不能恢复的变形称为塑性变形。,弹性与塑性,材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。,脆性与韧性,材料的耐久性,材料的耐久性是指其在长期的使用过程中，能抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。由于环境作用因素复杂，耐久性也难以用一个参数来衡量。工程上通常用材料抵抗使用环境中主要影响因素的能力来评价耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗老化和抗碳化等性质。,环境对材料的破坏作用，可分为物理作用、化学作用和生物作用，不同材料受到的环境作用及程度也不相同。影响材料耐久性的内在因素很多，除了材料本身的组成结构、强度等因素外，材料致密程度、表面状态和孔隙特征对耐久性影响很大。工程上常用提高密实度、改善表面状态和孔隙结构的方法来提高耐久性。,混凝土路面砖抗折强度试验,混凝土路面砖抗压强度试验,思考题,1生产材料时，在组成一定的情况下，可采取什么措施来提高材料的强度和耐久性？2决定材料耐腐蚀性的内在因素是什么？,思考题答案,1生产材料时，在组成一定的情况下，可采取什么措施来提高材料的强度和耐久性？,答案：主要有以下两个措施：（1）降低材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率。降低材料内部裂纹的数量和长度；使材料的内部结构均质化。（2）对多相复合材料应增加相界面间的粘结力。如对混凝土材料，应增加砂、石与水泥石间的粘结力。,思考题答案,2决定材料耐腐蚀性的内在因素是什么？,答：决定材料耐腐蚀的内在因素主要有（1）材