土木工程概论第二章土木工程材料精品文稿.ppt
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1、土木工程概论第二章土木工程材料第1页,本讲稿共31页简 述纵观我国历史,劳动人民在土木工程材料的生产和使用方面,曾经取得重大的成就。在金属冶炼、木材防腐和陶瓷工艺等方面,都曾居世界领先地位。我国历代许多有名的建筑物如万里长城、都江堰水利工程、明故宫和一些宏伟壮观的寺庙、楼阁、塔等都说明当时我国土木工程材料特别是天然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料的生产和应用技术都达到了很高的水平。每当出现新的建筑材料时,土木工程就有飞跃式的发展。土木工程的三次飞跃发展是砖瓦的出现、钢材的大量运用、混凝土的兴起。第2页,本讲稿共31页任何土木工程建(构)筑物(包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等)都是用材料
2、按一定的要求打造成的,土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料。材料的品种很多,一般分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属(钢、铁)与有色金属;而非金属材料,按其化学成分,则有无机(矿物质)与有机之别。材料也可按功能分类,一般分为结构材料(承受荷载作用的材料,如基础、柱、梁所用的材料)和功能材料(具有其它功能的材料,如起围护作用的材料;起防水作用的材料;起装饰作用的材料;起保温隔热作用的材料等)。材料还可按用途分类,如建筑结构材料;桥梁结构材料;水工结构材料;路面结构材料;建筑墙体材料;建筑装饰材料;建筑防水材料;建筑保温材料等。工程上通常还按材料的化学成分将材料分为三大类,
3、如表。简 述第3页,本讲稿共31页材料的分类无机材料金属材料黑色金属(铁、钢、不锈钢等)有色金属(铝、铜及合金等)非金属材料天然石材(砂、石及各种岩石加工成的石材)烧土制品及熔融制品(砖、瓦、玻璃)胶凝材料(石灰、石膏、水玻璃、水泥)混凝土及硅酸盐制品(混凝土、砂浆等)有机材料植物材料沥青材料高分子材料木材、竹材等石油沥青、煤沥青及其制品塑料、涂料、胶粘剂复合材料 无机非金属材料与有机材料复合(玻璃纤维增强塑料、沥青混合物等)金属材料与无机非金属材料复合(钢材混凝土、夹丝玻璃等)金属材料与有机材料复合(轻质金属夹芯板)第4页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质材料
4、是构成土木工程建筑物的物质基础。直接关系建筑物的安全性、功能性以及使用寿命和经济成本。一般来说,材料的性质可分为四个方面:(1)(1)物理性质物理性质 包括表示材料物理状态特征及与各种物理过程有关的性质。(2)(2)力学性质力学性质 指材料在应力作用下,有关抵抗破坏和变形的能力的性质。(3)(3)耐久性耐久性 指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力。第5页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质(1)材料的物理性质一.材料密度与孔隙率1.实际密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的干质量。计算公式:=m/v其中:材料在绝对密实的状态下的体积用V表示第6页,本讲
5、稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质2.表观密度(视密度)指材料包括闭口孔隙条件下单位体积的干质量,下式计算:o=m/V其中:材料自然状态下的体积用V表示:V=V+闭口孔隙体积3.体积密度(容重)是指材料在自然状态下单位体积所具有的干质量,下式计算o=m/VoVo=V+闭口孔隙体积+开口空隙体积第7页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质4.堆积密度指砂、石等散粒材料在自然堆积状态下,单位体积的质量。计算公式:o=m/Vo其中:材料在自然堆积状态下的体积Vo=V+V孔(开口孔隙体积+闭口孔隙体积)+V空(颗粒间的孔隙体积)。第8页,本讲稿共3
6、1页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 4.材料的密实度和孔隙率密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下:密实度D反映材料的密实程度,D值越大材料越密实。孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率计算式如下:材料的孔隙率与密实度有关,两者之和D+P=1。完全密实的材料,孔隙率P=0,密实度D=1.材料的许多性质,如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性都与孔隙率及孔隙特征有关。第9页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质二.材料与水有关的性质1.亲水性和憎水性 亲水性:如果材料表面可以被水湿润或侵润,这种性质称为
7、亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料(如,砖、木材等等)。憎水性:如果材料表面不能被水湿润或侵润,这种性质称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料(如,沥青,石蜡等等)。2.吸湿性和含水率 吸湿性:材料在潮湿的空气中吸收水分的性质称为吸 湿性,吸湿性用含水率表示:式中 Wh材料含水率(%)ms材料吸湿状态下的质量;mg材料干燥状态下的质量。第10页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质3.吸水性和吸水率:吸水性:材料与水接触吸收水分的性质,称为吸水性。吸水性用吸水率表示,此时又分质量吸水率和体积吸水率两种。质量吸水率材料吸水饱和时,吸收的水分质量占材料干燥时
8、重量的百分率。计算式如下:体积吸水率材料吸水饱和时,所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率,计算式如下:式中Wm材料的质量吸水率(%)mb材料吸水饱和时的质量(g)mg材料在干燥状态下的质量(g)第11页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质4.耐水性和软化系数:耐水性:指材料长期在水的作用下不被破坏、强度不明显的下降的性质,材料的耐水性用软化系数表示,计算式如下:式中:K材料的软化系数 f1材料在饱和吸水状态下的抗压强度(MPa)f材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)5.抗渗性和抗渗等级:抗渗性:指材料抵抗压力水渗透的性质,抗渗性用渗透系数表示,也可以用抗渗等级
9、表示。三.材料的热工性质;热工性质包括材料的导热性、耐燃性和热变形性。第12页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质(2)材料的力学性质一、材料的受力变形材料受外力作用,其内部会产生一种用来抵抗外力作用的内力,同时伴随材料的变形,根据变形特点,可分为:弹性变形:材料在外力作用下产生变形,当外力去除后,能完全恢复原来形状的性质称为弹性,这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。塑性变形:若去除外力,材料仍保持变形后的形状和尺寸,且不产生裂缝的性质,称为塑性,此种不可恢复的变形称为塑性变形。二、材料的强度 材料在外力(即荷载)的作用下抵抗破坏的能力,称为强度。分类:抗拉强度
10、抗压强度 抗弯拉强度 抗剪强度影响因素:结构、试件的形状、尺寸、加荷速度、试件表面状况、含水情况、环境温度等等。第13页,本讲稿共31页2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质三、脆性和韧性脆性:材料在外力作用下,无明显塑性变形而突然破坏的性质,称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。韧性(冲击韧性):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。(3)材料的耐久性 材料的耐久性是指在长期使用过程中,材料能抵抗坏境破坏作用,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里主要影
11、响因素的能力来评价耐久性,如抗渗性、抗冻性、抗老化性、抗碳化性等性质。第14页,本讲稿共31页2.2 常用土木工程材料简介一、钢材(一)、概述土木工程中应用量最大的金属材料是钢材,它广泛应用于铁路、桥梁、建筑工程等各种结构工程中,在国民经济建设中发挥着重要作用。土木工程用的钢材是指用于钢结构的各种型材(如圆钢、角钢、工字钢等)、钢板、管材和用于钢材混凝土中的各种钢材、钢丝等。钢材是在严格的技术控制条件下生产的,品质均匀致密,抗拉、抗压、抗弯、抗剪切强度都很高。常温下能承受较大的冲击和振动荷载,有一定的塑性和很好的韧性。钢材具有良好的加工性能,可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割,便于装配。还可以通
12、过热处理方法,在很大范围内改变或控制钢材的性能。(二)钢材的分类 土木工程中使用的钢材,其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢两大类。(三)加工形式1.冷加工(a)冷拉为了提高强度以节约钢材,工程中常按施工规程对钢材进行冷拉。冷拉后钢材的强度提高,但塑性、韧性变差,因此,冷拉钢材不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。第15页,本讲稿共31页(b)冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是用6.5mm8mm的碳素结构钢通过拔丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝由于经过反复拉拔强化,强度大为提高,但塑性显著降低,脆性随之增加,已属硬钢类钢材。(c)冷轧 使低碳素钢丝通过硬质轧辊,在钢丝表面轧制成扎痕呈一定规律分布的钢
13、筋的加工工艺。钢丝经过冷拔和冷轧处理后,其强度、硬度明显提高,但塑性、任性明显降低 2、热处理钢材 热处理钢材是用热轧螺纹钢材经淬火和回火的调质处理而成的,公称直径分别为6mm、8mm、2mm和10mm;其强度要求均为屈服点不低于1,325MPa,抗拉强度不低于1,470MPa;其伸长率要求均不低于6。热处理钢材目前主要用于预应力混凝土。(三)、采用各种型钢和钢板制做的钢结构,具有自重小、强度高的特点。钢材与混凝土组成的钢材混凝土结构,虽然自重大,但节省钢材。由于混凝土的保护作用,克服了钢材易锈蚀、维护费用高的缺点。(四)、根据土木工程中采用钢材的不同类型,可以考虑钢材连接方式。型钢和钢板的连
14、接方式主要有焊接连接、柳钉连接、螺栓连接三种方式。钢筋的连接方式有绑扎连接、焊接连接和机械连接。2.2 常用土木工程材料简介第16页,本讲稿共31页 二、混凝土 1、混凝土的定义 混凝土也称砼,是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土具有原料丰富,价格低廉,生产工艺简单的特点,因而使其用量越来越大;同时混凝土还具有抗压强度高,耐久性好,强度等级范围宽,使其使用范围出十分广泛,不仅在各种土木工程中使用,就是造船业,机械工业,海洋的开发,地热工程等,混凝土也是重要的材料。广义的混泥土是由胶结材料,骨料和水按一定比例配制,经搅拌振捣成型,在一定条件下养护而成的人造石材。普通混凝土是由水泥、粗骨料(碎石
15、或卵石)、细骨料(砂)和水拌合,经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用,并抑制水泥的收缩;水泥和水形成水泥浆,包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用,使混凝土拌合物具有良好工作性能,硬化后将骨料胶结在一起,形成坚实的整体。2、混凝土的种类混凝土的种类很多。按胶凝材料不同,分水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等;按表观密度不同,分重混凝土、普通混凝土、轻混凝土;按使用功能不同,分结构用混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等;按施工工艺不同,又分喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。2.2 常用土木工程材料简
16、介第17页,本讲稿共31页3、混凝土的作用和特点1、原材料丰富、成本低,砂石等材料占80%以上,可以就地取材价格便宜2、利用模板的可浇筑成任意形状、尺寸的或整体结构3、抗压强度较高,并可根据需要配制不同强度的混凝土4、与钢筋有牢固的黏结力,可形成钢筋混凝土结构5、具有良好的耐久性。4、混凝土的材料组成及要求(1)、水泥 水泥是粉状的水硬性胶凝材料,即加水拌合成塑性浆体,能在空气中和水中凝结硬,可将其它材料胶结成整,并形成坚硬石材的材料。水泥不但大量应用于土木工程,还广泛用于工业、农业和国防体建设等工程。水泥品种有5大类:硅酸盐水泥、普通硅酸水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和火山岩硅酸盐水
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