土木工程材料 重要作用和发展趋势 第一章绪论 主要内容一 土木工程材料的分类二 土木工程材料的重要作用三 土木工程材料的发展趋势四 土木工程材料的标准化五 学习本课程的目的 要求和方法 一 土木工程材料的分类根据化学成分 土木工程材料可分为无机材料 有机材料和复合材料 见下表 按功能可以分为建筑结构材料 墙体材料和建筑功能材料 见下表 绪论 二 土木工程材料的重要作用 1 是各种土木工程的物质基础 在建筑工程中材料所占的投资比例为40 70 左右 见图 图 2 材料决定了建筑结构的设计方法 如提高钢筋混凝土强度可缩小结构的截面尺寸 3 材料决定施工方法 如木结构施工 要用到锯子 钉子 刨子等 钢结构施工则要用到焊接工具 切割工具 吊车等 钢筋混凝土结构施工则要立模 钢筋绑扎 混凝土浇筑等工序 4 是工程质量优劣的决定性因素之一 材料与建筑结构相互影响 相互发展 一种新材料的出现 必将促进建筑结构的改变 如钢筋混凝土 预应力混凝土的出现使建造大跨度桥梁称为可能 高强度混凝土出现使建造高层建筑物成为可能 同样 新的建筑结构的出现又会促进材料科学的发展 上海金茂大厦 图 土坯建造的住房 图 天安门图 所用建筑材料 土 石 木料 砖 石灰 图 埃菲尔铁塔图 三 土木工程材料的发展趋势 1 轻质 高强材料 材料越轻质高强 则建筑物可越高 跨度可越大 施工越容易 2 高性能材料 材料的性能提高 相应地使用寿命提高 3 绿色环保型材料 又称环境友好型材料或生态材料 四 土木工程材料的标准化材料的技术标准 国家标准 行业标准 企业标准和地方标准 GB 国家标准GB T 国家推荐性标准GBJ 建筑工程国家标准JGJ 建设部行业标准JG 建筑工业行业标准JC 国家建材局行业标准JTJ 交通部行业标准DB 地方标准Q 企业标准标准的表示方法 标准名称 部门代号 编号 批准年份例 通用硅酸盐水泥 GB175 2007ASTM 美国国家标准BS 英国国家标准JIS 日本国家标准ISO 国际标准国家标准和行业标准都是全国通用标准 属国家指令性技术文件 均必须严格遵照执行 尤其是强制性标准 标准是根据一定时期的技术水平制定的 它随技术水平的发展需要进行修订 新标准实施后 旧标准自动废除 标准的本质属性是 对同类事物的属性进行统一规定 这种统一规定是有关各方共同遵守的准则和依据 标准制定的对象是重复性事物和概念 这里讲的 重复性 指的是同一事物或概念反复多次出现的性质 例如批量生产的产品 制定标准过程要经有关方面协商一致 如制定产品标准不仅要有生产部门参加 还应当有用户 科研 检验等部门参加共同讨论研究 这样制定出来的标准才具有权威性 科学性和适用性 标准化 包括制定 发布及实施标准的过程 通过制定 发布和实施标准 达到统一是标准化的实质 五 学习本课程的目的 要求和方法目的使学生具有土木工程材料的基本知识 在进行建筑工程设计 施工和工程监理时能正确选用材料 同时也为后继课程的学习打下基础 要求 1 熟练掌握常用材料的物理 化学和力学性能及其合理利用 2 熟悉常用材料的实验原理 实验方法 并初步具有工程材料实验的基本技能 有处理分析实验数据的能力 为以后工作 研究打下基础 学习方法 多记 多思考 多做试验 第二章土木工程材料的基本性质 土木工程材料的基本性质归纳起来可分为 一 物理性质 包括密度 与水有关的性质 与热有关的性质等 二 力学性质 包括强度 塑性与弹性 脆性与韧性等性质 三 耐久性 材料在长期使用中 会受到环境和其内部各种破坏因素的作用 物理 化学及生物因素等 而导致其使用功能下降 材料抵抗这些因素破坏作用的能力叫耐久性 包括抗渗性 抗冻性 耐腐蚀性等 主要内容 2 1材料的物理性质2 2材料的力学性质2 3材料的耐久性2 4材料的组成 结构和构造及其对性能影响 2 1材料的物理性质 2 1 1与密度有关的性质一 密度干燥材料在绝对密实状态下 单位体积的质量称为密度 m v 式中 密度 m 材料实体积的质量 v 材料在绝对密实状态下的体积 即材料内固态物质的实体积 也可叫绝对体积 注意 1 干燥状态的材料 2 单位 一般不用kg 3 实体积的测定 把材料磨成细粉 粒径至少小于0 20mm 除去孔隙 经干燥后用李氏密度瓶测定实体积 二 表观密度 在自然状态下 材料单位表观体积 实体积 开口孔隙体积 闭口孔隙体积 的质量 称为表观密度 干燥状态式中 o 表观密度 或kg o 表观体积 vp 孔隙的体积 mp 孔隙的质量 意义同前 1 实体2 闭口孔隙3 开口孔隙 注意 1 表观体积 实体积 全部孔隙体积 2 单位 kg 和 均可 3 表观密度与材料的含水状态有关 一般含水量增加 表观密度增加 除有特别说明外 一般指干燥状态时的表观密度 4 表观体积的测定方法 形状规则的材料 用尺子测量 形状不规则的材料 加工成规则的形状 用尺子测量 吸水率很小的材料 如砂 石 直接用排水法测量 吸水率较大的材料将材料表面封蜡 再用排水法测量 5 碎石或卵石 2 7 砂 2 6 普通混凝土 2400 2450kg V 实体积V0 表观体积v 视密度时用到的体积m 实体积对应的质量mp 孔隙的质量mo 表观体积对应的质量 VV V0 m mp mo 某块材料的质量与体积关系 三 视密度 砂 石材料的内部孔隙很少 较致密 直接用排水法测出其体积称v 再用如下公式求密度 由于Vb很小 故视所求密度 为密度 称为视密度 单位g cm3 Vb 闭口孔隙的体积 一般 砂 石的表观密度就是指其视密度 四 堆积密度定义 散粒材料在堆积状态下单位体积质量 堆积材料体积构成示意图 干燥状态 m mp ms ms 空隙质量Vs 空隙体积VB 闭口孔体积VK 开口孔体积 注意 1 堆积体积 所有颗粒实体积 所有颗粒孔隙体积 颗粒之间的空隙体积 2 堆积密度包括松装堆积密度和紧装堆积密度 在自然状态下的堆积密度为松装堆积密度 一般称堆积密度 在捣实状态下的堆积密度称紧装堆积密度 3 单位 kg 4 堆积体积测定 以散粒材料在容器中所占的容积作为堆积体积 5 堆积密度与含水状态有关 一般指材料干燥时的堆积密度 干燥状态下 密度 表观密度 堆积密度 五 材料的孔隙与密实度孔隙率大小和孔隙特征与材料的许多性质关系密切 孔隙的特征 包括孔隙大小 与外界之间是否连通及分布均匀性 按孔隙大小 可把孔隙分为为微孔 孔径1000nm 三种 按孔隙与外界之间是否连通 把孔隙分为开口孔 封闭孔 开口毛细孔越多 材料吸水性大 开口孔隙越多 材料抗渗 抗冻性越差 闭口孔隙越多 材料抗渗 抗冻性和隔热性反而越好 孔隙率 孔隙率是指材料内部孔隙体积 开口孔隙和闭口孔隙 占材料总体积的百分率 密实度 材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率 公式 开口孔隙率 指材料内部开口孔隙体积占材料总体积的百分率 用Pk表示 闭口孔隙率 指材料内部闭口孔隙体积占材料总体积的百分率 用Pb表示 Pk Pb P 六 材料的空隙与填充率 空隙率 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率 公式 填充率 所有颗粒的表观体积占堆积体积的百分率 公式 2 1 2材料与水有关的性质一 材料的亲水性与憎水性 能被水润湿的材料为亲水性材料 反之为憎水性材料 如荷叶 土木工程材料大多为亲水性材料 只有少数材料如沥青 石蜡及某些塑料等为憎水性材料 润湿边角 90 时 材料表现为亲水性 0时 材料完全被水润湿 90 时 材料表现为憎水性 憎水性材料常用作防水材料 二 吸湿性 材料在空气中吸收水分的性质 用含水率表示 含水率 m1 材料湿质量 mo 材料干质量 对某一材料而言 含水率是一个变值 材料开口毛细孔数量越多则吸湿性越强 平衡含水率 材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率 潮湿材料在干燥空气中放出水分的性能称还湿性 三 吸水性 材料在水中吸收水分的性质 用吸水率表示 质量吸水率 材料饱水时 吸收的水分质量占材料干质量的百分率体积吸水率 材料饱水时 吸收的水分体积占材料干表观体积百分率 式中 Vo 材料干表观体积 o 材料干表观密度 注意 1 开口毛细孔越多 吸水率越大 2 一般 体积吸水率等于开口空隙率 3 当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率 4 对某一固定材料而言吸水率为一恒值 四 耐水性 材料长期在水作用下不破坏 强度也不明显下降的性质 软化系数 KR 0 85为耐水材料 一般KR 0 1 长期处于水中或潮湿环境中的重要结构 必须选用KR 0 85的材料 受潮较轻或次要结构材料 KR不宜小于0 75 fb 材料饱水状态时抗压强度 fg 材料干燥状态 绝干状态 时抗压强度 五 抗渗性 抵抗压力水渗透的性质 渗透系数 Ks Ks的意义 渗透系数越小 表明抗渗性能越好 抗渗等级 指材料不被水渗透时所能承受的最大水压力 用 P 10倍最大水压力值 MPa 表示 如P4 P6 P8等 一般 抗渗性决定了材料的耐久性和质量 特别是地下结构 水池 压力管道和容器等对抗渗性要求高 抗渗性与材料孔隙数量和特征有关 在孔隙数量相等时 开口大孔数量多 抗渗性最差 开口连通细孔多 抗渗性也差 但封闭细孔多的材料的抗渗性反而好 因为渗水路径延长了 六 抗冻性 材料在饱水状态下 能经受多次冻融循环而不破坏 强度也不显著降低的性质 抗冻等级 按相关标准的规定进行冻融循环试验 有快冻法和慢冻法 材料在达到规定的破坏程度时能经受的最大冻融循环次数 用 F 最大冻融循环次数 表示 有F15 F25 F50 F100 F200等 材料冻融破坏的原因 材料孔隙中的水结冰产生的膨胀造成的 影响材料抗冻性的因素 1 孔隙充水程度 孔隙未充满水 即使受冻也不一定会破坏 因为有孔隙中有多余的空间容纳结冰时产生的膨胀 2 开口孔隙率 越大则抗冻性越差 3 极细孔隙中水的冰点低 不会降低材料抗冻性 根据热力学理论 孔中的水是否结冰 还取决于孔径大小 如孔径为10nm时 水在 5 时才结冰 而孔径为3 5nm时 水在 20 以下才结冰 4 闭口孔隙率 越大则抗冻性好 2 1 3材料与热有关的性质一 导热性 用导热系数 表示 材料导热性与孔隙数量和特征有关 密闭细微孔隙越多 材料 如泡沫材料 隔热性能越好 因为延长了传导路径 粗大孔隙或贯通孔隙越多 材料导热性能越好 因为这时热的传递方式由传导为主变为对流为主 材料受潮或受冻后 导热性增加 因为空气 水 冰的导热系数分别为0 023 最小 0 58 2 20W m k 普通混凝土 1 6 钢 56 铜 370 工程上将 0 23W m k 的材料称为绝热材料 二 热容量和比热热容量 指整块材料温度升高或降低1度时吸收或放出热量的多少 Q c m T 式中 Q 材料吸收或放出的热量 c 比热 J g K 或kJ kg K m 材料质量 T 温差 c m 热容量 比热 c Q m T 表示单位质量的材料温度升高或下降1K时吸收或放出的热量 导热系数和热容量是建筑物维护结构 墙体或屋盖 进行热工设计时的重要参数 应选用导热系数小而热容量大的材料 以利于室内温度的稳定 2 2材料的力学性质 2 2 1强度 材料抵抗外力破坏的能力 即材料单位面积上能承受的最大应力 单位MPa 一 形式 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 P 破坏时的最大荷载 NA 受力面积 mm2 抗弯强度 抗折强度 单点加荷 三分点加荷 L 2 L 2 二 强度等级为了合理选择材料 将材料按强度大小划分成不同的等级 即强度等级 石材 混凝土 砖等脆性材料主要用于抗压 以抗压强度划分等级 钢材主要用于抗拉 以抗拉强度划分等级 三 比强度它等于材料的强度与表观密度之比 比强度是评价材料轻质高强的指标 数值越大 表明材料越轻质高强 比强度 木材 低碳钢 普通混凝土 普通混凝土不是轻质高强材料 四 影响强度的因素 材料的组成 不同组成的材料 其强度不同 孔隙率 增加 表观密度降低 强度呈直线下降 含水状态 含水分时材料强度低于干燥状态时 温度 试验条件 试件尺寸 增大