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第一章材料基本性质本讲稿第一页，共二十七页本章重点及难点本章重点及难点 材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、力学性质、耐久性等的影响力学性质、耐久性等的影响第一章第一章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质思考题？思考题？1.为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学性质、耐久性）？性质、耐久性）？2.建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？本讲稿第二页，共二十七页第一章第一章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质材料的性质分四个方面：材料的性质分四个方面：物理性质物理性质：与质量有关的基本物理参数与质量有关的基本物理参数 与水有关的若干性质与水有关的若干性质 与热有关的若干性质与热有关的若干性质 与声音有关的性质与声音有关的性质 力学性质力学性质：材料在应力作用下有关抵抗破坏和变材料在应力作用下有关抵抗破坏和变 形的能力，包括强度、比强度、弹性形的能力，包括强度、比强度、弹性 塑性、韧性及脆性。塑性、韧性及脆性。化学性质化学性质：材料发生化学变化的能力及抵抗化学材料发生化学变化的能力及抵抗化学 腐蚀的稳定性。腐蚀的稳定性。耐久性：耐久性：材料在使用过程中能长久保持其原有材料在使用过程中能长久保持其原有 性质的能力性质的能力 本讲稿第三页，共二十七页1.1 材料的物理性质材料的物理性质 与质量有关的基本物理参数与质量有关的基本物理参数 与水有关的若干性质与水有关的若干性质 与热有关的若干性质与热有关的若干性质 与声音有关的性质与声音有关的性质 本讲稿第四页，共二十七页一、与质量有关的基本物理参数一、与质量有关的基本物理参数（重点掌握：概念、参数测定方法及计算以及参数变化对材性的影响）（重点掌握：概念、参数测定方法及计算以及参数变化对材性的影响）密度密度 表观密度表观密度(又称视密度）又称视密度）体积密度体积密度0 0 （俗称容重（俗称容重)堆积密度堆积密度0 0 孔隙率孔隙率 P P 密实度密实度 D D 空隙率空隙率 P P 间隙率间隙率 P P0 0 填充率填充率 D D 1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第五页，共二十七页材料组成结构示意图本讲稿第六页，共二十七页思考题思考题1.1.上面几种密度有何区别？如何测定？材料含水对上面几种密度有何区别？如何测定？材料含水对四者有何影响？四者有何影响？2.2.测知各种材料的几种密度有何用途？测知各种材料的几种密度有何用途？3.3.材料的孔隙、空隙、间隙的区分，孔隙率与空隙率、间材料的孔隙、空隙、间隙的区分，孔隙率与空隙率、间隙率的区别？隙率的区别？4.4.材料的密实度和填充率有何区别？密实度和孔隙率有材料的密实度和填充率有何区别？密实度和孔隙率有何关系？填充率和间隙率有何关系？何关系？填充率和间隙率有何关系？5.5.材料密度、体积密度、孔隙率之间有何关系？材料密度、体积密度、孔隙率之间有何关系？6.6.材料的堆积密度和间隙率有何关系？材料的堆积密度和间隙率有何关系？7.7.材料内部孔隙对材性的影响应从哪两方面分析？材料内部孔隙对材性的影响应从哪两方面分析？1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第七页，共二十七页从两方面分析孔隙对材料性质的影响从两方面分析孔隙对材料性质的影响 材料的内部孔隙示意材料的内部孔隙示意 大孔大孔 尺寸大小尺寸大小 细孔细孔 微孔微孔 孔隙孔隙 孤立孔孤立孔三大三大 是否相互贯通是否相互贯通特征特征 连通孔连通孔 开口孔开口孔 与外界是否连通与外界是否连通 闭口孔闭口孔孔的多少（孔隙率）孔的多少（孔隙率）本讲稿第八页，共二十七页常用材料密度与表观密度值常用材料密度与表观密度值材料材料 密度密度 体积密度体积密度 堆积密度堆积密度 （g/cmg/cm3 3)(kg/mkg/m3 3)(kg/mkg/m3 3)钢材钢材 7.85 7850 -7.85 7850 -花岗岩花岗岩 2.6-2.9 2500-2800 -2.6-2.9 2500-2800 -石灰岩石灰岩 2.6 1800-2600 -2.6 1800-2600 -普通砼普通砼 2.7 2000-2600 -2.7 2000-2600 -砂砂 2.6 -1450-1650 2.6 -1450-1650 水泥水泥 3.1 -1200-1300 3.1 -1200-1300粘土空心砖粘土空心砖 2.5 1000-1400 -2.5 1000-1400 -木材木材 1.55 400-800 -1.55 400-800 -1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第九页，共二十七页二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质 亲水性与憎水性亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 耐水性与抗渗性耐水性与抗渗性 抗冻性抗冻性（概念区分、评价指标及应用分析）（概念区分、评价指标及应用分析）1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十页，共二十七页 1.1.亲水性与憎水性亲水性与憎水性【概念区分概念区分】亲水性：润湿角亲水性：润湿角9090 憎水性：润湿角憎水性：润湿角9090 【应用分析应用分析】土木工程材料多为亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等，土木工程材料多为亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等，少数材料（多为有机材料）为憎水材料，如沥青、石蜡、塑少数材料（多为有机材料）为憎水材料，如沥青、石蜡、塑料、有机硅等。料、有机硅等。憎水性材料常被用作防水材料或亲水性材料的复面层，憎水性材料常被用作防水材料或亲水性材料的复面层，以提高其防水、防潮性能。以提高其防水、防潮性能。1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十一页，共二十七页 2.2.吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性【概念区分概念区分】吸水性：在水中吸水的能力吸水性：在水中吸水的能力吸湿性：在潮湿空气中吸水性质，具可逆性。吸湿性：在潮湿空气中吸水性质，具可逆性。【评价指标评价指标】吸水性吸水性质量吸水率质量吸水率 Wm 体积吸水率体积吸水率 W v=W m 0 吸湿性吸湿性含水率含水率 W h （平衡含水率概念）平衡含水率概念）【应用分析应用分析】（1 1）材料）材料吸水性与吸湿性大小对强度、保温隔热性、吸水性与吸湿性大小对强度、保温隔热性、吸音等工程应用性能的影响？吸音等工程应用性能的影响？（2）分析孔隙对吸水性与吸湿性大小的影响？）分析孔隙对吸水性与吸湿性大小的影响？1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十二页，共二十七页 3.3.耐水性耐水性【概念概念】材料长期在水作用下不破坏，强度也材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。不显著降低的性质。【评价指标评价指标】软化系数软化系数 Kp（结构材料）（结构材料）（Kp=fw/fd)Kp：0 1（粘土粘土KP=0=0，金属金属Kp=1=1）Kp0.85 0.85 为耐水材料为耐水材料 【应用分析应用分析】长期处于水中或潮湿环境中的重要结构必用长期处于水中或潮湿环境中的重要结构必用KP0.85 0.85 的材料，受潮较轻或次要结构物的材料，受潮较轻或次要结构物KP不宜不宜小于小于0.750.75。1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十三页，共二十七页 4.4.抗渗性抗渗性【概念概念】材料抵抗压力水渗透的性质。材料抵抗压力水渗透的性质。（与耐水性区别）（与耐水性区别）【评价指标评价指标】工程中常用抗渗等级工程中常用抗渗等级P Pn n来评价来评价 (以规定的试件、标准实验方法测定所能承受的最大以规定的试件、标准实验方法测定所能承受的最大水压力，如水压力，如P4P4、P6P6、P8)P8)【应用分析应用分析】地下建筑、水工建筑及防水材料等要求一定的抗渗性。地下建筑、水工建筑及防水材料等要求一定的抗渗性。（1 1）分析抗渗性的影响因素？（孔隙的影响，材料憎水性和亲水）分析抗渗性的影响因素？（孔隙的影响，材料憎水性和亲水性的影响性的影响)（2 2）分析抗渗性对耐久性的影响？提高抗渗性措施？）分析抗渗性对耐久性的影响？提高抗渗性措施？1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十四页，共二十七页 5.5.抗冻性抗冻性【概念概念】材料在吸水饱和状态下经受多次冻融循材料在吸水饱和状态下经受多次冻融循环作用不破坏，也不严重降低强度的性质。环作用不破坏，也不严重降低强度的性质。【评价指标评价指标】抗冻等级抗冻等级F Fn n 如如F25F25、F50 F50、F100 F100、F200 F200等等【应用分析应用分析】抗冻等级的选定据结构物种类、使用条件、气候条件决定。抗冻等级的选定据结构物种类、使用条件、气候条件决定。砖、面砖、轻混凝土等墙体材料：砖、面砖、轻混凝土等墙体材料：F15 F15、F25F25或或 F35F35；道路、桥梁用混凝土：道路、桥梁用混凝土：F50F50、F100 F100、F200 F200；水工混凝土：水工混凝土：F500F5001.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十五页，共二十七页 5.5.抗冻性抗冻性【思考思考】（1 1）分析抗冻性的影响因素？分析抗冻性的影响因素？（内因：孔隙率、孔隙特征、充水程度（内因：孔隙率、孔隙特征、充水程度（水饱度）（水饱度）及材料本及材料本身强度高低；身强度高低；外因：冻融温度、降温速度、冻融频繁程度外因：冻融温度、降温速度、冻融频繁程度等）等）（2 2）提高抗冻性措施有哪些？）提高抗冻性措施有哪些？注：充水程度（水饱度）：注：充水程度（水饱度）：KS0.91 抗冻性差，抗冻性差，KS0.91 抗冻性较好，抗冻性较好，砼砼KS0.8 冻害才明显减少。冻害才明显减少。1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十六页，共二十七页三、三、材料与热有关的性质材料与热有关的性质 工程应用工程应用：建筑物围护结构（墙体、屋盖）选用导热系建筑物围护结构（墙体、屋盖）选用导热系数小、热容量大的材料，导热系数也是工业数小、热容量大的材料，导热系数也是工业窑炉及冷藏库绝热层厚度的重要数据。窑炉及冷藏库绝热层厚度的重要数据。导热性导热性(导热系数）、热容量、比热等导热系数）、热容量、比热等1.1 材料的物理性质材料的物理性质 本讲稿第十七页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质 强度、比强度、弹性、塑性、徐变、韧性及强度、比强度、弹性、塑性、徐变、韧性及脆性、硬度、耐磨性等脆性、硬度、耐磨性等（概念、影响因素及工程应用）（概念、影响因素及工程应用）本讲稿第十八页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质()抗压抗压()抗拉抗拉()抗折抗折()抗剪抗剪图图1-4 1-4 材料的受力形式材料的受力形式本讲稿第十九页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质一、强度：一、强度：包括：拉、压、剪、弯、扭等静力强度，包括：拉、压、剪、弯、扭等静力强度，以及抗疲劳、抗冲击等动力强度。以及抗疲劳、抗冲击等动力强度。比强度：比强度：材料单位体积重量的强度（强度材料单位体积重量的强度（强度/体体积密度），评价材料是否轻质高强的指标。积密度），评价材料是否轻质高强的指标。玻璃钢：玻璃钢：0.2250.225；低碳钢：；低碳钢：0.0540.054；铝合金：铝合金：0.1600.160；砼：；砼：0.056 0.056 影响测试强度的因素：影响测试强度的因素：材料组成、孔隙率、含水率、试件尺寸大小、材料组成、孔隙率、含水率、试件尺寸大小、加荷速度、表面状况、环境温湿度等。加荷速度、表面状况、环境温湿度等。本讲稿第二十页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质二、变形性能二、变形性能 1.1.弹性变形与塑性变形（概念）弹性变形与塑性变形（概念）（土木工程用材料多为弹塑性材料）（土木工程用材料多为弹塑性材料）弹性模量弹性模量E E ：材料刚度的度量，反映材料抵材料刚度的度量，反映材料抵抗变形的能力，是结构设计中变形验算的主要抗变形的能力，是结构设计中变形验算的主要参数之一。参数之一。低碳钢：低碳钢：21 21 砼：砼：1.453.60 花岗岩花岗岩200600 （104MPa）2.2.徐变（概念）（属塑性变形）徐变（概念）（属塑性变形）分析徐变对结构的影响？分析徐变对结构的影响？本讲稿第二十一页，共二十七页【分析与讨论】【分析与讨论】（a a）弹性变形曲线（弹性变形曲线（b b）塑性变形曲线塑性变形曲线 弹性变形与塑性变形的区别弹性变形与塑性变形的区别本讲稿第二十二页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质三、三、脆性与韧性（概念）脆性与韧性（概念）脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，不能脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉部位，只承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉部位，只适用于承压构件。大多无机非金属材料为脆性材适用于承压构件。大多无机非金属材料为脆性材料，如：天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土、料，如：天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土、烧结普通砖等；烧结普通砖等；受冲击或振动荷载下的结构，如：吊车受冲击或振动荷载下的结构，如：吊车梁、桥梁、路面等，应选用韧性材料，常用梁、桥梁、路面等，应选用韧性材料，常用的如低碳钢、有色金属等，不应用脆性材料。的如低碳钢、有色金属等，不应用脆性材料。【分析与讨论】对比分析韧性材料与脆性材料分析与讨论】对比分析韧性材料与脆性材料 的差异及工程应用的差异及工程应用。本讲稿第二十三页，共二十七页1.2 材料的力学性质材料的力学性质四、硬度与耐磨性（概念）四、硬度与耐磨性（概念）测定硬度的方法：刻划法、回弹法和压入法。测定硬度的方法：刻划法、回弹法和压入法。材料的硬度越大，强度越高，耐磨性越好。材料的硬度越大，强度越高，耐磨性越好。根据硬度可间接推算强度，如回弹法测混凝土根据硬度可间接推算强度，如回弹法测混凝土构件表面硬度来估算混凝土的抗压强度。构件表面硬度来估算混凝土的抗压强度。本讲稿第二十四页，共二十七页1.3 材料的耐久性材料的耐久性耐久性概念耐久性概念耐久性影响因素：物理、化学、机械、生物等作用耐久性影响因素：物理、化学、机械、生物等作用提高耐久性措施提高耐久性措施本讲稿第二十五页，共二十七页1.4 材料的安全性材料的安全性防火性、放射性、有害气体的挥发性等防火性、放射性、有害气体的挥发性等某住宅楼火灾后的破坏现场某住宅楼火灾后的破坏现场（混凝土被破坏）（混凝土被破坏）本讲稿第二十六页，共二十七页【工程实例分析】【工程实例分析】2 2、砖结构房屋泡水倒塌分析、砖结构房屋泡水倒塌分析【概况】【概况】某地发生历史罕见的洪水。洪水退后某地发生历史罕见的洪水。洪水退后 许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未 烧透的多孔的红砖，见图。烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。请分析原因。本讲稿第二十七页，共二十七页