第1章 土木工程材料的基本性質,第1章 土木工程材料的基本性質,1.1 材料的物理性質(physical properties) 1.1.1 材料的密度、表觀密度與堆積密度 (1)密度(density) 近似密度（視密度）(apparent density) (2)表觀密度(apparent density) (3)堆積密度（散粒體）(bulk density)(for particles) 壓實密度（compacted density）,1,密實材料，如金屬材料、花崗巖等,材料的內部密實而沒有孔隙,材料的密度（1）密度,材料的密度（2）表觀密度,2,材料的內部有許多孔隙,孔隙材料，如磚頭、混凝土、木材等,3,內部有孔隙材料的材料破碎成顆粒堆積在一起，如石子、砂礫等,堆積材料顆粒的內部有許多孔隙,堆積材料顆粒之間存在許多空隙,材料的密度（3）堆積密度,end,第1章 土木工程材料的基本性質,1.1.2 材料的密實度與孔隙率 (1)密實度(density) (2)孔隙率(porosity),第1章 土木工程材料的基本性質,1.1.3 材料的填充率與空隙率（散粒體） (1)填充率(filling ratio) (2)空隙率(voids ratio, void content, void volume) 表1.1 常用材料的密度、表觀密度、堆積密度,第1章 土木工程材料的基本性質,1.1.4 材料與水有關的性質 (1) 材料的親水性與憎水性 親水性（被水潤濕 90）(hydrophilic nature) 憎水性（潤濕角90）(hydrophobic nature) (2) 材料的吸水性與吸濕性 吸水性(water absorptivity) 吸水率(water absorption) 吸濕性(hydroscopic nature) 含水率(moisture content) (3) 材料的耐水性(抗水性)(water resistance) 軟化系數(softening coefficient),第1章 土木工程材料的基本性質,1.1.5 材料的抗凍性與抗滲性 (1)抗凍性(frost resistance) 水結冰時體積約增大9，從而對孔隙產生壓力而使孔壁開裂。 凍融循環(freezing and thawing circle) 抗凍等級(grade) D15(Dong)F15(Freeze) (2)抗滲性(impermeability) 滲透系數(coefficient of permeability) 抗滲等級 S(Shen) P(Permeate),材料的抗凍性,1. 材料的內部一般都充滿著孔隙，,2. 如果浸入水中，孔隙中便會吸水,3. 氣溫下降，孔隙中的水會結冰并膨脹,4. 氣溫上升，孔隙中的冰會逐漸融化,5. 經過反復的浸水、冰凍、融化、干燥，材料的內部逐漸出現裂縫，表面會逐漸脫落，使材料的強度逐漸損失，質量變小。,6. 材料的質量損失5，強度損失25時，凍融的循環次數為材料的抗凍等級,end,由于結冰產生的膨脹會導致材料的表面部分破裂，內部產生裂紋。,第1章 土木工程材料的基本性質,1.2 材料的基本力學性質 1.2.1 材料的強度(strength) (1)材料的抗壓、抗拉及抗剪強度 (2)材料的抗彎強度 表1.3 常用材料的強度/MPa 1.2.2 材料的彈性與塑性 1.2.3 材料的脆性與韌性,第1章 土木工程材料的基本性質,1.3 材料的熱工、聲學性質及材料的耐久性 1.3.1 材料的熱工性質 (1)材料的導熱性（thermal conductivity) 導熱系數 影響材料導熱系數的主要因素 材料的表觀密度 孔隙大小與構造 濕度 溫度 熱流方向 (2)材料的熱容量(heat capacity) 比熱容,第1章 土木工程材料的基本性質,(3)耐燃性（防失火）(flame resistance) 建筑物失火時，材料能經受高溫與火的作用不破壞，強度不嚴重下降的性能。 材料根據耐燃性可分為三大類： 1)不燃燒類，如石材、混凝土、磚、石棉等； 2)難燃燒類，如瀝青混凝土、經防火處理的木材等； 3)燃燒類，如木材、瀝青等。,第1章 土木工程材料的基本性質,(4)耐火性（耐高溫）（耐熱性）(fire resistance) 材料在長期高溫作用下，保持不熔性并能工作的性能。 按耐火性高低可將材料分為以下3類： 1)耐火材料，耐火度15800C，如耐火磚中的硅磚、鎂磚、鋁轉、鉻磚等； 2)難熔材料，耐火度13500C15800C，如難熔粘土磚、耐火混凝土等； 3)易熔材料，耐火度13500C，如普通粘土磚。,第1章 土木工程材料的基本性質,1.3.2 材料的聲學性質 (1)吸聲性(sound absorption) 吸聲系數(sound-absorption coefficient) (2)隔聲性(sound insulation) 隔聲與吸聲不同 隔聲量（R）,第1章 土木工程材料的基本性質,1.3.3 材料的耐久性(durability) 作用于材料的自然因素和有害介質可概括為以下幾個方面： (1)物理作用,如干濕、冷熱、凍融變化等； (2)化學作用，如酸、鹽、堿等溶液的侵蝕。 (3)生物作用，如蟲蛀、腐朽。,第1章 土木工程材料的基本性質,1.4 材料的組成、結構與構造及其對材料性質的影響 1.4.1 材料的組成 (1)化學組成(chemical composition) (2)礦物組成(mineral composition) (3)相組成(phases),第1章 土木工程材料的基本性質,1.4.2 材料的結構和構造(structure & constitution) (1)宏觀結構(10-3mm的尺度, macro-structure) 按孔隙特征可分為： 1)致密結構 2)多孔結構 3)微孔結構 按存在狀態或構造特征分為： 1)堆聚結構 2)纖維結構- 3)層狀結構 4)散粒結構 (2)細觀結構(亞微觀結構)(10-3 10-6mm 尺度,submicro-) 金屬材料的金相組織 木材的木纖維 混凝土內的微裂縫等,第1章 土木工程材料的基本性質,(3)微觀結構(10-6 10-10mm原子、分子尺度, micro-structure) 1)晶體(crystal) 原子晶體(atomic crystal) 離子晶體(ionic crystal) 分子晶體(molecular crystal) 金屬晶體(metal crystal) 2)玻璃體(glass) 3)膠體(gel),第1章 土木工程材料的基本性質,習題： (1)某石灰巖的密度為2.62g/cm3，孔隙率1.2%。今將石灰巖破碎成碎石，碎石的堆積密度為1580kg/m3。求此碎石的表觀密度和空隙率。 (2)一塊燒結普通磚的外型尺寸為240115 53，吸水飽和后重為2940g，烘干至恒重為2580g。今將該磚磨細并烘干后取50g ,用李氏瓶測得其體積為18.58cm3。試求該磚的密度、表觀密度、孔隙率、質量吸水率、開口孔隙率及閉口孔隙率。 (3)某材料的體積吸水率為10%，密度為3,0g/cm3，絕干時的表觀密度為1500kg/m3。試求該材料的質量吸水率、開口孔隙率及閉口孔隙率，并估計該材料的抗凍性如何？,第1章 土木工程材料的基本性質,思考題 (1)當某一建筑材料的孔隙率增大時，材料的密度、表觀密度、強度、吸水率、抗凍性及導熱性是下降、上升還是不變? (2)材料的密度、近似密度、表觀密度、堆積密度有何差別? (3)材料的孔隙率和空隙率的含義如何?如何測定?了解它們有何意義? (4)親水性材料與憎水性材料是怎樣區分的?舉例說明怎樣改變材料的親水性與憎水性? (5)普通粘土磚進行抗壓實驗，浸水飽和后的破壞荷載為183kN，干燥狀態的破壞荷載為207kN(受壓面積為115mml20mm)，問此磚是否宜用于建筑物中常與水接觸的部位?,第1章 土木工程材料的基本性質,(6)塑性材料和脆性材料在外力作用下，其變形性能有何區別? (7)材料的耐久性應包括哪些內容? (8)建筑物的屋面、外墻、基礎所使用的材料各應具備哪些性質?,END OF THIS CHAPTER,附 錄,材料的密度,材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量。按下式計算： 式中：密度，gcm3； m 材料在干燥狀態的質量，g； V 材料的絕對密實體積，cm3。,材料的表觀密度,材料在自然狀態下，單位體積的質量。按下式計算： 式中：0表觀密度，kgm3； m 材料的質量，kg； V0材料在自然狀態下的外形體積，m3。,材料為散粒或粉狀，如砂、石子、水泥等，在堆積狀態下，單位體積的質量。按下式計算： 式中： 材料的堆積密度，kgm3； m 材料的質量，kg； 材料的自然(松散)堆積體積(包括材料顆粒體積和顆粒之間空隙的體積)，m3。,材料的堆積密度,材料的密實度,材料體積內被固體物質充實的程度。按下式計算：,材料的孔隙率,材料體積內，孔隙體積所占的比例。按下式計算： 即：DP=1或密實度孔隙率=1。,材料的填充率,散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。按下式計算：,材料的空隙率,散粒材料堆積體積中，顆粒之間的空隙體積所占的比例。用下式計算： 即：DP=1或填充率空隙率=1。,材料的吸水率,材料在水中通過毛細孔隙吸收并保持水分的性質，用吸水率表示，即 式中：Wm材料質量吸水率，%； m材料干燥狀態下質量，g； m1材料吸水飽和狀態下質量，g。,材料的含水率,材料在一定溫度和濕度下吸附水分的能力，用含水率表示，即 式中：W含材料質量吸水率，%； m含材料含水時的質量，g； m材料干燥狀態下的質量，g。,材料的軟化系數(附動畫),材料抵抗水破壞作用的性質稱為耐水性，用軟化系數表示，即 式中：KP材料的軟化系數； fw材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa； f 材料在干燥狀態下的抗壓強度，MPa。,材料的滲透系數,材料抵抗壓力水滲透的性質稱為抗滲性，用滲透系數表示，即 式中：K滲透系數，cmh； Q透水量，cm3； d試件厚度，cm； A透水面積，cm2； t滲水時間，h； H靜水壓力水頭，cm。,材料的抗滲等級,P=10H1 式中：P抗滲等級； H試件開始滲水時的水壓力，MPa。 S (Shen) P (Permeate),材料的抗壓、抗拉及抗剪強度(compressive, tensile and shear strength),材料的抗壓、抗拉及抗剪強度按下式計算： 式中：f材料的強度，MPa； Fmax破壞時最大荷載，N； A受力截面面積，mm2。,材料的抗彎強度(bending strength),1)二分法。將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則抗彎強度按下式計算： 2)三分法。在跨度的三分點上作用兩個相等的集中荷載，則抗彎強度按下式計算： 式中：fm抗彎強度，MPa； Fmax彎曲破壞時最大荷載，N； b、h試件橫截面的寬及高，mm； L兩支點間的距離，mm。,材料的彈性與塑性、脆性與韌性,彈性：材料在外力作用下產生變形，當取消外力后，變形能完全消失的性質。(elasticity) 塑性：材料在外力作用下產生變形，當取消外力后，仍保持變形后的形狀，并不產生裂縫的性質。(plasticity),脆性：材料在外力作用下，當外力達到一定限度后，材料突然破壞，而破壞時無明顯的塑性變形的性質。(brittleness, fragility) 韌性：材料在沖擊、震動荷載作用下，能夠吸收較大的能量，同時也能產生一定的變形而不破壞的性質。(fracture toughness),材料的導熱系數 (coefficient of thermal conduction),材料傳導熱量的性質稱為導熱性，以導熱系數表示，即 式中：導熱系數，W(mK)； Q總傳熱量，J； a材料厚度，m； A熱傳導面積，m2； t熱傳導時間，h； T2T1材料兩面溫度差，K。,可將本式與材料的滲透系數定義式比較理解和記憶,材料的比熱容(specific heat capacity),材料受熱(或冷卻)時吸收(或放出)熱量的性質稱為材料的熱容量，用比熱容表示，即 式中：C材料比熱容，J/(gK) Q材料吸收或放出的熱量，J； m材料的質量，g； T2T1材料受熱或冷卻前后溫差，K。,材料的吸聲系數(acoustical coefficient),聲能穿透材料和被材料消耗的性質稱為材料的吸聲性，評定材料的吸聲性能好壞的主要指標稱為吸聲系數()，即 式中：E材料吸收的聲能； E0入射到材料表面的全部聲能。 材料的吸聲特性與聲波的方向、頻率，以及材料的表觀密度、孔隙構造、厚度等有關。,化學組成,指構成材料