2.1材料的物理性質(zhì)

土木工程材料在正常使用狀態(tài)下,總要承受一定的外力和自重,同時(shí),還會受到周圍環(huán)境介質(zhì)的侵蝕作用以及各種物理作用(如溫度差、濕度差、摩擦等).為保證土木工程物能夠正常、長期使用,要求在工程設(shè)計(jì)和施工中正確合理地使用材料,保證土木工程的安全性、使用性和耐久性.因此,必須熟悉和掌握土木工程材料的基本性質(zhì),包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及其他一些特殊的性質(zhì).下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.１.１材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)１.密度密度是指材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量,按下式計(jì)算:材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積是指材料體積內(nèi)固體物質(zhì)本身的體積,不包括內(nèi)部孔隙.為了研究問題方便起見,常將密實(shí)度較高的材料,如鋼材、玻璃和４℃的水看成是絕對密實(shí)的.土木工程材料中絕大部分材料都是存在一定孔隙的,如石材、磚、混凝土等,為測定有孔隙材料的絕對密實(shí)體積,常將其磨細(xì)干燥后用李氏瓶(圖２-１)測定其體積,材料磨得越細(xì),測得的數(shù)值越接近材料的真實(shí)體積.一般將要求磨細(xì)的細(xì)粉粒徑至少小于０.２０mm.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.表觀密度表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量,按下式計(jì)算:自然狀態(tài)下的體積是指包括內(nèi)部孔隙在內(nèi)的外形體積.在材料內(nèi)部的孔隙中,有的與外界連通,稱為開口孔;有的互相獨(dú)立,不與外界相通,稱為閉口孔(圖２-２).使用時(shí),一般材料的體積均為自然狀態(tài)下的體積,如磚、混凝土、石材等.有的材料,如砂、石在拌制成混凝土拌合物時(shí),因其開口孔被水填入,因此體積內(nèi)只有閉口孔.為了區(qū)別這兩種情況,常將包括所有孔在內(nèi)的表觀密度稱為體積密度;將只有閉口孔的表觀密度稱為視密度.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

兩種密度的計(jì)算均可采用表觀密度計(jì)算公式,但需區(qū)分開兩者體積的含義.視密度在計(jì)算砂、石在混凝土中的實(shí)際體積時(shí)有實(shí)用意義.當(dāng)材料含有水分時(shí),其質(zhì)量和體積都會發(fā)生變化.一般測定表觀密度時(shí),以干燥狀態(tài)為準(zhǔn),如果在含水狀態(tài)下測定表觀密度,須注明其含水情況.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

３.堆積密度堆積密度是指粉狀、顆粒狀及纖維狀等材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量,可按下式計(jì)算:常用土木工程材料的密度、表觀密度和堆積密度見表２-１.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

４.密實(shí)度密實(shí)度是指固體材料中固體物質(zhì)的充實(shí)程度,即材料的絕對密實(shí)體積與其自然狀態(tài)下的體積之比,可按下式計(jì)算:５.孔隙率孔隙率是指固體材料的體積內(nèi)孔隙體積所占的比例,可按下式計(jì)算:材料的密實(shí)度與孔隙率之和等于１,即D＋P＝１.材料的密實(shí)度和孔隙率是從兩個(gè)不同側(cè)面反映材料密實(shí)程度的指標(biāo).上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

閉口孔隙率是指材料中閉口孔隙的體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率.即閉口孔隙率＝孔隙率－開口孔隙率.孔隙率和孔隙特征反映了材料的致密程度,主要對材料的導(dǎo)熱性、吸聲性、力學(xué)性能、透氣性、耐水性、吸濕性、抗?jié)B性、抗凍性等有影響.材料的各項(xiàng)性能除與材料的孔隙率大小有關(guān)外,還與孔隙的大小、形狀、分布、連通與否有關(guān).通常開口孔能提高材料的吸水性、吸濕性、吸聲性、透水性,但會導(dǎo)致抗凍性、抗?jié)B性降低;閉口孔能提高材料的保溫隔熱性、抗?jié)B性、抗凍性及抗腐蝕性.提高材料的密度、改善材料的孔隙特征,可以改善材料的各項(xiàng)性能.例如,提高混凝土的密實(shí)度能夠提高混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性及抗腐蝕性.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

６.填充率與空隙率填充率(D′)是指散粒狀材料在某堆積體積中被其固體顆粒填充的程度,可按下式計(jì)算:空隙率(P′)是指在堆積體積中,散粒狀材料顆粒之間的空隙體積所占的百分率,可按下式計(jì)算:空隙率的大小反映了散粒狀材料在堆積體積內(nèi)填充的疏密程度.材料的填充率和空隙率之和等于１,即D′＋P′＝１.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.１.２材料與水有關(guān)的性質(zhì)材料在使用過程中,不可避免地會與水或空氣中的水分接觸,水的侵蝕作用會對材料的各項(xiàng)性能產(chǎn)生一定的影響.１.親水性與憎水性材料與水接觸時(shí),根據(jù)其是否能被水潤濕,可將材料分為親水性材料與憎水性材料.在材料、空氣和水的交點(diǎn)處,沿水滴表面的切線與水和材料接觸面所成的夾角稱為潤濕邊角.潤濕邊角越小,材料越易被水潤濕.材料能被水潤濕的性質(zhì)稱為親水性(潤濕邊角θ≤９０°),具有這種性質(zhì)的材料為親水性材料[圖２-３(a)].大多數(shù)材料都屬于親水材料,如無機(jī)膠凝材料、燒結(jié)普通磚、混凝土、木材、砂、石等,不但表面能夠吸附水分,而且還能將水分吸入內(nèi)部的毛細(xì)孔中.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

材料不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎水性(θ＞９０°),具有這種性質(zhì)的材料稱為憎水性材料[圖２-３(b)].大部分有機(jī)材料如瀝青、油漆、石蠟、有機(jī)硅等都屬于憎水性材料.這類材料表面不易吸附水分并能阻止水分滲入內(nèi)部毛細(xì)孔.憎水性材料不僅可用作防水材料,還可用于對親水性材料的表面防水處理.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.吸濕性材料在空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)稱為吸濕性.吸濕性用含水率表示,即材料中所含水的質(zhì)量與材料干質(zhì)量之比,可按下式計(jì)算:材料的含水率隨空氣的溫度、濕度的變化而改變,材料在吸收水分的同時(shí)還會在空氣中釋放水分.材料吸收水分與空氣的濕度相平衡時(shí)的含水率,稱為平衡含水率.具有微小開口孔隙的材料,吸濕性特別強(qiáng),如木材及某些絕熱材料,在潮濕的空氣中能吸收很多水分.這是由于這類材料的內(nèi)表面積大,吸附水的能力強(qiáng)所致.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

３.吸水性材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性.材料吸水性的大小用吸水率表示.吸水率常用質(zhì)量吸水率表示,即材料在吸水飽和時(shí),所吸收水分的質(zhì)量與材料干燥質(zhì)量比,可按下式計(jì)算:上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

對于吸水性強(qiáng)的輕質(zhì)材料如木材,其吸水率可采用體積吸水率表示.即材料在吸水飽和時(shí),所吸入水分的體積與材料自然狀態(tài)體積之比,可按下式計(jì)算:上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為材料的吸水能力主要取決于材料本身的性質(zhì)、孔隙率及孔隙構(gòu)造特征.密實(shí)材料及具有閉口孔的材料是不吸水的.具有粗大孔的材料因水分不易在孔中留存,其吸水率常會減小.而那些孔隙率較大又具有開口細(xì)小孔隙的親水性材料,則具有較大的吸水能力.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

４.耐水性材料長期在水的作用下不破壞,強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性.一般來說,材料含水后將會減弱內(nèi)部結(jié)合力,使其強(qiáng)度有不同程度的降低,即材料被水軟化.材料的耐水性用軟化系數(shù)表示,可按下式計(jì)算:一般材料在吸水后,強(qiáng)度都不同程度地降低,材料的軟化系數(shù)在０~１之間波動(dòng).軟化系數(shù)越小,說明材料吸水飽和后強(qiáng)度降低得越多,耐水性越差.長期受水浸泡或處于潮濕環(huán)境中的重要建筑物,其結(jié)構(gòu)材料的軟化系數(shù)應(yīng)大于０.８５;次要建筑物或受潮濕較輕的情況下材料的軟化系數(shù)不應(yīng)小于０.７５.通常,軟化系數(shù)大于０.８５的材料可認(rèn)為是耐水的,處于干燥環(huán)境中的材料可不考慮耐水性問題.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

５.抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性(或不透水性).材料抵抗其他液體滲透的性質(zhì)也屬于抗?jié)B性.在水壓力p的作用下,水將沿材料內(nèi)部開口連通孔滲透,透過的水量與試件的面積、水壓力、滲透時(shí)間成正比,與試件的厚度成反比,可按下式計(jì)算:上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

滲透系數(shù)K反映了材料抗?jié)B性的好壞,K值越大,材料的抗?jié)B性越差.滲透系數(shù)主要與材料的孔隙率及孔隙構(gòu)造的特征有關(guān).絕對密實(shí)的或只具有閉口孔的材料是不會發(fā)生透水現(xiàn)象的.具有較大孔隙率,且為較大孔徑開口連通孔的親水性材料往往抗?jié)B性較差.材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級表示.地下土木工程及水工構(gòu)筑物,因常受壓力水的作用,所以要求材料具有一定的抗?jié)B性.抗?jié)B等級以符號“P”和材料可承受的水壓力值(以０.１MPa為單位)來表示,例如,混凝土的抗?jié)B等級為P８,表示能夠承受的水壓力０.８MPa的水壓而不滲水.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

６.抗凍性材料抵抗多次凍融循環(huán)而不被破壞的性質(zhì)稱為抗凍性.抗凍性試驗(yàn)通常是使材料吸水至飽和后,在－１５℃溫度下凍結(jié)幾小時(shí),再放入室溫的水中融化,經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的凍融循環(huán)后,檢測其質(zhì)量及強(qiáng)度損失是否超出某一限值來衡量材料的抗凍性.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.１.３材料與溫度有關(guān)的性質(zhì)１.導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為材料的導(dǎo)熱性,可用材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ表示其導(dǎo)熱能力,即導(dǎo)熱系數(shù)是評價(jià)材料絕熱性能的重要指標(biāo).材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小,則材料的絕熱性能越好.工程中通常將λ＜０.１７５W/(m.K)的材料稱為絕熱材料.上一頁下一頁返回2.1材料的物理性質(zhì)

２.熱容量材料具有受熱時(shí)吸收熱量,冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì).材料的熱容量是指材料溫度變化１K所吸收或放出的熱量,其大小可用比熱容C表示,可按下式計(jì)算:導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容可以綜合表示材料的熱工性能,對于土木工程物的保溫、隔熱,實(shí)現(xiàn)土木工程節(jié)能具有重要意義.幾種常用土木工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容見表２-２.上一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

２.２.１強(qiáng)度與強(qiáng)度等級任何材料受到外力(荷載)作用都要產(chǎn)生變形,當(dāng)外力超過一定限度后材料將被破壞.材料的力學(xué)性質(zhì)就是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形和抵抗破壞能力方面的有關(guān)性質(zhì).材料在受力時(shí),單位面積上抵抗外力破壞的能力稱為強(qiáng)度.圖２-４表示了土木工程上常用的幾種外力在材料上的施加方式.材料抵抗這些外力破壞的能力,分別稱為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度(也稱抗折強(qiáng)度)及抗剪強(qiáng)度.材料抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度可按下式計(jì)算:下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

材料的抗彎強(qiáng)度與材料的受力情況有關(guān).試驗(yàn)時(shí)是將矩形截面的條形試件放在兩支點(diǎn)上,中間作用一集中力[圖２-４(c)],對材料進(jìn)行試驗(yàn)(如水泥、磚的強(qiáng)度試驗(yàn)),其抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算:強(qiáng)度是材料(尤其是結(jié)構(gòu)材料)的一項(xiàng)重要的技術(shù)性能,一些材料如磚、石材、水泥、砂漿、混凝土、鋼材等都是按其強(qiáng)度大小劃分為若干個(gè)等級的(稱為強(qiáng)度等級).土木工程中常用材料的強(qiáng)度見表２-３.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

２.２.２彈性與塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形,外力取消后能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性,這種能夠完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形;反之,當(dāng)外力取消后仍保持變形后的形狀和大小,并且不產(chǎn)生裂縫及破壞的性質(zhì)稱為塑性,這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形.實(shí)際上,單純的彈性和塑性材料都是不存在的.材料在一定限度荷載作用下表現(xiàn)出彈性,當(dāng)荷載超出這一限度后就出現(xiàn)塑性,常見材料(如土木工程鋼材和混凝土)的受力變形都是這樣的.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

２.２.３脆性與韌性當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí),材料突然破壞并不出現(xiàn)明顯的塑性變形的性質(zhì)稱為脆性,磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都屬于脆性材料.這類材料抵抗沖擊和震動(dòng)的能力差,它們的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多,因此,它們主要用于基礎(chǔ)、墻體、柱子等受壓的土木工程部位.在沖擊荷載的作用下,材料能夠承受較大的變形也不致破壞的性能稱為韌性(或沖擊韌性).土木工程鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料.用于路面、橋梁、吊車梁以及有抗震要求結(jié)構(gòu)的材料,應(yīng)考慮其韌性.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

２.２.４硬度與耐磨性硬度是材料抵抗其他物體刻劃、壓入其表面而出現(xiàn)塑性變形的能力.通常,礦物的硬度采用刻劃法測定其莫氏硬度,鋼材、木材、混凝土等采用鋼球壓入法測定其布氏硬度(HB).耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力,通常用磨損率Km表示,可按下式計(jì)算:在土木工程中,用于地面、樓梯踏步、人行道路等部位的材料均應(yīng)考慮其硬度和耐磨性.一般來說,強(qiáng)度較高的材料,其硬度較大,耐磨性較好.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

２.２.５材料的耐久性材料的耐久性是指用于土木工程物的材料,在環(huán)境的多種因素作用下不變質(zhì)、不破壞,長久地保持其使用性能的能力.耐久性是材料的一種綜合性質(zhì),如抗凍性、抗風(fēng)化性、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕性等均屬于耐久性的范圍.另外,材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐磨性等也與材料的耐久性有密切關(guān)系.土木工程材料在使用中逐步變質(zhì)失效,有其內(nèi)部因素和外部因素的影響.材料本身組分和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定、低密實(shí)度、各組分熱膨脹的不均勻、固相界面上的化學(xué)生成物的膨脹等都是其內(nèi)部因素.使用中所處的環(huán)境和條件(自然的和人為的),如日光暴曬、介質(zhì)侵蝕(大氣、水、化學(xué)介質(zhì))、溫度、濕度變化、凍融循環(huán)、機(jī)械摩擦、荷載、疲勞、電解、蟲菌寄生等,都是其外部因素.這些內(nèi)部、外部因素,最后都?xì)w結(jié)為機(jī)械的、物理的、化學(xué)的和生物的作用,單獨(dú)或復(fù)合地作用于材料,抵消了它在使用中可能同時(shí)存在的有利因素的作用,使之逐步變質(zhì)而導(dǎo)致喪失其使用性能.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

物理作用有干濕變化、溫度變化及凍融變化等,這些作用將使材料發(fā)生體積的脹縮,或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴(kuò)展,時(shí)間長久之后即會使材料逐漸破壞.在寒冷冰凍地區(qū),凍融變化對材料會起著顯著的破壞作用.在高溫環(huán)境下,經(jīng)常處于高溫狀態(tài)的土木工程物或構(gòu)筑物,選用的土木工程材料要具有耐熱性能.在民用和公共土木工程中,考慮安全防火要求,須選用具有抗火性能的難燃或不燃的材料.化學(xué)作用包括酸、堿、鹽等物質(zhì)的水溶液以及有害氣體的侵蝕作用,這些侵蝕作用會使材料逐漸變質(zhì)而破壞.機(jī)械作用包括荷載的持續(xù)作用,交變荷載對材料引起的疲勞、沖擊、磨損、磨耗等.生物作用包括菌類、昆蟲等的侵害作用,導(dǎo)致材料發(fā)生腐朽、蟲蛀等而破壞.上一頁下一頁返回2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

各種作用對于材料性能的影響,視材料本身的組分、結(jié)構(gòu)而不同.在土木工程材料中,金屬材料主要易被電化學(xué)腐蝕(見金屬材料的耐久性);水泥砂漿、混凝土、磚瓦等無機(jī)非金屬材料,主要是有干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、溫度變化等物理作用,以及溶解、溶出、氧化等化學(xué)作用;高分子材料主要由于紫外線、臭氧等所起的化學(xué)作用,而變質(zhì)失效;木材雖主要是由于腐爛菌引起腐朽和昆蟲引起蛀蝕而失去使用性能,但環(huán)境的溫度、濕度和空氣又為菌類、蟲類提供生存與繁殖的條件.在材料的變質(zhì)失效過程中,其外部因素往往和內(nèi)部因素結(jié)合而起作用;各外部因素之間,也可能互相影響.土木工程材料的耐久性指標(biāo),對于傳統(tǒng)材料生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、使用條件的規(guī)定,特別是新材料能否推廣使用都是關(guān)鍵性的.目前,還只能把材料處在比實(shí)際使用狀況強(qiáng)化得