第四章普通混凝土

1、材料的基本性能,2024年3月28日,2,本章學習目標,掌握材料的基本物理性質及物性參數對材料的物理性質、力學性能、耐久性的影響。 熟悉與各種物理過程相關的材料的性質、與熱有關的性質等。,2024年3月28日,3,第一節(jié) 材料的物理性質,第一節(jié) 材料的物理性質,2024年3月28日,4,第一節(jié) 材料的物理性質,導 學 本節(jié)學習的內容：一、材料與質量有關的性質 材料的體

2、積構成——絕對密實體積 ——自然體積 ——表觀體積 ——堆積體積 (一) 材料的密度 ——密度

3、 ——體積密度 ——表觀密度 ——堆積密度,2024年3月28日,5,第一節(jié) 材料的物理性質,(二) 材料的密實度 (三) 孔隙率 (四) 空隙率二、材料與水有關的性質 (一) 親水性與憎水性 ——親水性

4、 ——憎水性 (二) 吸水性——質量吸水率 —— 體積吸水率 (三) 吸濕性 (四) 耐水性 (五) 抗凍性 (六) 抗?jié)B性,影響材料吸水性的因素,2024年3月28日,6,第一節(jié) 材料的物理性質,三、材料的熱工性質 (一) 導熱性

5、 (二) 熱容量和比熱 (三) 熱阻和傳熱系數 (四) 材料的溫度變形性,2024年3月28日,7,一、材料與質量有關的性質,材料的體積構成 體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現出不同的體積。,,2024年3月28日,8,一、材料與質量有關的性質,絕對密實體積 干燥材料在絕對密實狀態(tài)下的體積。即材料內部固體物質的體積

6、，或不包括內部孔隙的材料體積。一般以Ｖ表示。 一般將材料磨成規(guī)定細度的粉末，用排開液體的方法得到其體積。材料的自然體積 材料在自然狀態(tài)下的體積，即整體材料的外觀體積(含內部孔隙和水分)。一般以V0表示。 形狀規(guī)則的材料可根據其尺寸計算其體積；形狀不規(guī)則的材料可先在材料表面涂石臘，然后用排開液體的方法得到其體積。,2024年3月28日,9,表觀體積

7、 對于比較密實、孔隙較少的散粒狀材料，不必磨細，直接用排開液體的方法測定的體積。一般以V' 表示。 材料的堆積體積 粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下的總體外觀體積。松散堆積狀態(tài)下的體積較大，密實堆積狀態(tài)下的體積較小。一般以 V0'表示。,一、材料與質量有關的性質,2024年3月28日,10,1. 密度 指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量，按下

8、式計算： 式中：ρ——實際密度，g/cm3 或 kg/m3； m ——材料的質量，g 或 kg； V ——材料的絕對密實體積，cm3 或 m3。,(一)材料的密度,2024年3月28日,11,(一)材料的密度,2. 體積密度 體積密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。按下式計算： 式中： ρ0——體積密度， g/cm3 或 k

9、g/m3； m ——材料的質量，g 或 kg； V0——材料的自然體積，cm3 或 m3,2024年3月28日,12,(一)材料的密度,3. 表觀密度 材料單位表觀體積的質量。按下式計算：式中： r ' ——材料的表觀密度, g/cm3 或 kg/m3； m ——材料的質量，g 或 kg； V '

10、——材料的自然體積，cm3 或 m3,2024年3月28日,13,(一)材料的密度,表觀體積是指包括內部封閉孔隙在內的體積。其封閉孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質量或體積。 因此，材料的表觀密度與其內部構成狀態(tài)及含水狀態(tài)有關。,工程中砂石材料，直接用排水法測定其表觀體積,2024年3月28日,14,(一)材料的密度,砂表觀密度ρ's的測定(kg/m3)式中： m0——烘

11、干砂試樣的質 量，g； m0＝300g； m1——砂試樣、水及容量 瓶總質量，g; m2——水及容量瓶總質量， g。,測定瓶+砂+水的質量m1,測定瓶+水的質量m2,,2024年3月28日,15,4. 堆積密度 堆積密度是指粉狀或粒狀

12、材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。按下式計算： 式中： ——材料的堆積密度, g/cm3 或 kg/m3； m ——材料的質量，g 或 kg； ——材料的堆積體積，cm3 或 m3。,,(一)材料的密度,2024年3月28日,16,(一)材料的密度,砂堆積密度的測定,將容量筒內材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積,2024年3月28日,17,(

13、一)材料的密度,幾種密度的比較,2024年3月28日,18,材料的孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料總體積的百分率?？紫堵蔖 按下式計算：式中：V——材料的絕對密實體積，cm3 或 m3； V0——材料的自然體積，cm3 或 m3； ρ0——材料的體積密度, g/cm3 或 kg/m3； ρ——密度, g/cm3 或 kg/m3。,(二) 材料的孔隙率與密實度,2024年3月2

14、8日,19,(二) 材料的孔隙率與密實度,材料的密實度是指材料體積內固體物質填充的程度。密實度的計算式如下：式中： ρ——密度； ρ0——材料的體積密度。 對于絕對密實材料， 因 ρ0 =ρ ，故密實度D =1 或100%。對于大多數土木工程材料， 因 ρ0 ＜ρ ，故密實度D ＜ 1 或 D ＜ 100%。 孔隙率與密實度的關系為P + D =1。,20

15、24年3月28日,20,(二) 材料的空隙率與填充率,材料的空隙率是指散粒材料在其堆積體積中, 顆粒之間的空隙體積所占的比例?？障堵师?#39; 按下式計算： 式中：ρ' —— 材料的體積密度； ρ0' —— 材料的堆積密度。 V0' —— 材料的自然堆積體積； V '

16、—— 材料在自然狀態(tài)下的表觀體積； 空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭取？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計算砂率的依據。,2024年3月28日,21,(二) 材料的空隙率與填充率,材料的填充率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒體積占其自然堆積體積的百分率，用表示。 空隙率與填充率的關系為P' + D' =1。由上可

17、見，材料的密度、表觀密度、孔隙率及空隙率等是認識材料、了解材料性質與應用的重要指標，常稱之為材料的基本物理性質。,2024年3月28日,22,概念辨析,孔隙率與空隙率的區(qū)別,2024年3月28日,23,二、材料與水有關的性質,1. 材料的親水性與憎水性 與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質稱為親水性；材料表面不能被水潤濕的性質稱為憎水性。 具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。親水性材料與

18、水分子之間的分子作用力，大于水分子相互之間的內聚力；憎水性材料與水分子之間的作用力，小于水分子相互之間的內聚力。,(ａ)親水性材料,q —稱為潤濕邊角,(ｂ)憎水性材料,q＞90°,q≤90°,2024年3月28日,24,二、材料與水有關的性質,2. 材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率來表示。 (1) 質量吸水率

19、 質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質量百分比，并以W質 表示。質量吸水率W質 的計算公式為： 式中：m飽——材料吸水飽和狀態(tài)下的質量(g或kg)； m干——材料在干燥狀態(tài)下的質量(g或kg)。,2024年3月28日,25,(2) 體積吸水率 體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以W體表示。體積吸水率W體的數學表達式為：式中:m飽——材

20、料吸水飽和狀態(tài)下的質量(g或kg)； m干——材料在干燥狀態(tài)下的質量(g或kg)。 V0—— 材料在自然狀態(tài)下的體積，(cm3 或 m3)； ρ水—— 水的密度,(g/cm3 或 kg/m3)， 常溫下取 ρ水 =1.0 g/cm3。體積吸水率與質量吸水率的關系是W體= W質×ρ0,二、材料與水有關的性質,2024年3月28日,26,二、材料與水有關的性質,(3)

21、 影響材料吸水性的因素 材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。,,,,,孔隙大?。?孔隙狀態(tài)：,孔徑 ＜ 0.01 ㎜ —— 極細孔隙孔徑 ＜ 1.0 ㎜ —— 細小孔隙孔徑 ＞ 1.0 ㎜ —— 粗大孔隙,連通孔,閉口孔,2024年3月28日,27,二、材料與水有關的性質,3. 材料的

22、吸濕性 材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。用含水率Ｗ含表示，其計算公式為：式中：m含——材料吸濕狀態(tài)下的質量(g或kg) m干——材料在干燥狀態(tài)下的質量(g或kg)。 當空氣中濕度在較長時間內穩(wěn)定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時材料的含水率保持不變，其含水率稱為平衡含水率。,2024年3月28日,28,概念辨析,吸水率與含水率的區(qū)別,2024年3月

23、28日,29,4. 材料的耐水性 材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質。材料耐水性的指標用軟化系數K軟表示：式中： K軟—— 材料的軟化系數； f飽—— 材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度(MPa)； f干 —— 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度(MPa)。,二、材料與水有關的性質,2024年3月28日,30,二、材料與水有關的性質,軟化系

24、數反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。 一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時(如石膏、石灰等)，吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。軟化系數的波動范圍在0至1之間。工程中通常將K軟＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數也不得小于0.75

25、。,2024年3月28日,31,二、材料與水有關的性質,5. 材料的抗?jié)B性 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲透系數或抗?jié)B等級表示。(1) 滲透系數 材料的滲透系數K 可通過下式計算:式中：K——滲透系數，(cm / h); W ——滲水量， (cm3)； A——滲水面積，(cm2)； h ——材料兩側的水壓差，(cm)；

26、d ——試件厚度 (cm)；t——滲水時間(h)。材料的滲透系數越小，說明材料的抗?jié)B性越強。,2024年3月28日,32,二、材料與水有關的性質,(2) 抗?jié)B等級 材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力(以0.1MPa為單位)來表示抗?jié)B等級。如P4、P6、P8、P10……等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa

27、、1.0MPa……的水壓而不滲透。(3) 影響材料抗?jié)B性的因素 材料親水性和憎水性 通常憎水性材料其抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料；材料的密實度 密實度高的材料其抗?jié)B性也較高；材料的孔隙特征 具有開口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。,2024年3月28日,33,二、材料與水有關的性質,6. 抗凍性 抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降

28、低的性能。 材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨脹所產生的凍脹壓力造成材料的內應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。 抗凍性以試件在凍融后的質量損失和強度損失不超過一定限度時所能經受的凍融循環(huán)次數來表示，或稱為抗凍等級。 材料的抗凍等級可分為F15、F25、F50、F100、F2

29、00等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。,2024年3月28日,34,二、材料與水有關的性質,影響抗凍性的因素1. 材料的密實度(孔隙率) 密實度越高則其抗凍性越好。2. 材料的孔隙特征 開口孔隙越多則其抗凍性越差。3. 材料的強度 強度越高則其抗凍性越好。4. 材料的耐水性 耐水性越好則其抗凍性也越好。5. 材料的吸水量大小 吸水量越大則其抗凍性越差。,20

30、24年3月28日,35,三、材料的熱工性質,1. 導熱性 當材料兩面存在溫度差時，熱量提高建筑材料傳遞的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數λ表示： 式中：λ——導熱系數，W/(m·K)； Q——傳導的熱量，J； d——材料厚度，m； F——熱傳導面積，m2；

31、Z——熱傳導時間，h； (t2－t1)——材料兩面溫度差，K。 物理意義：單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1K時、在單位時間(1s)內通過單位面積(1 m2 )的熱量。,,,,t1,t2,Z,2024年3月28日,36,2. 熱容量和比熱 材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為材料的熱容量。用熱容量系數或比熱表示。比熱的計算式如下所示： 式中：C——材

32、料的比熱，J/(g·K)； Q——材料吸收或放出的熱量(熱容量)； m——材料質量，g； (t2 － t1)——材料受熱或冷卻前后的溫差，K。,三、材料的熱工性質,2024年3月28日,37,三、材料的熱工性質,3. 熱阻和傳熱系數 熱阻是材料層(墻體或其它圍護結構)抵抗熱流通過的能力，熱阻的定義及計算式為： Ｒ＝ｄ／λ式中： R

33、——材料層熱阻，(m2·K)/W； d——材料層厚度，m； λ——材料的導熱系數，W/(m·K)。 熱阻的倒數１／Ｒ稱為材料層(墻體或其它圍護結構)的傳熱系數。傳熱系數是指材料兩面溫度差為1Ｋ時，在單位時間內通過單位面積的熱量。,2024年3月28日,38,三、材料的熱工性質,4. 材料的溫度變形性 材料的溫度變形是

34、指溫度升高或降低時材料的體積變化。用線膨脹系數α表示。 ΔL =(t2 － t1)· α · L式中：ΔL——線膨脹或線收縮量 ，mm 或 cm； (t2－t1)——材料前后的溫度差，K； α——材料在常溫下的平均線膨脹系數，1/K； L——材料原來的長度，mm或m。 材料

35、的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。,2024年3月28日,39,三、材料的熱工性質,幾種典型材料的熱性質指標,2024年3月28日,40,第二節(jié) 材料的力學性質,第二節(jié) 材料的力學性質,2024年3月28日,41,第二節(jié) 材料的力學性質,導 學 本節(jié)學習的內容：一、材料的強度 抗拉、抗壓、抗剪、抗彎(抗折)強度二、材料的彈性和塑性 材

36、料的彈性、彈性模量、材料的塑性三、材料的脆性和韌性四、材料的硬度及耐磨性,2024年3月28日,42,一、強 度,1. 材料的強度材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。根據外力作用方式的不同，材料強度有、抗壓、抗剪、抗彎(抗折)強度等。,抗壓,抗拉,抗剪,抗彎,2024年3月28日,43,抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度的計算：式中：f——材料強度， MPa； Fmax——材料破壞時的最大

37、 荷載，N； A——試件受力面積，mm2。,抗彎強度的計算： 中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：式中：fw——材料的抗彎強度， MPa；Fmax——材料受彎破壞時的最大 荷載，N；A——試件受力面積，mm2；L ——兩支點的間距b、h ——試件橫截面的寬及

38、 高，mm。,一、強 度,-,注意：試件受力面積的方向,2024年3月28日,44,二、材料的彈性和塑性,2. 彈性和塑性 (1) 彈性 材料在外力作用下產生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形(或瞬時變形)。 明顯具有彈性變形的材料稱為彈性材料。這種變形是可逆的，其數值的大小與外力成正比。其比例系數 E

39、 稱為彈性模量。在彈性范圍內。彈性模量為常數，其值等于應力與應變的比值，即,,2024年3月28日,45,二、材料的彈性和塑性,式中：s —— 材料的應力，MPa； e —— 材料的應變； E —— 材料的彈性模量，MPa。 彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標，E 越大，材料越不易變形。 (2) 塑性 材料在外力作用

40、下產生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形(或永久變形)。,2024年3月28日,46,三、材料的脆性和韌性,3. 脆性和韌性,(1) 脆性： 材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在

41、工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。,(2) 韌性：材料在破壞前有顯著的塑性變形，材料的這種性質稱為韌性。如低碳鋼、木材、竹材等。這類材料的特點是在沖擊、振動等荷載作用下，能吸收較大的能量。在工程中使用時，承受沖擊、振動荷載的結構，選用材料時，要考慮材料的塑性與韌性。,2024年3月28日,47,四、材料的硬度及耐磨性,(1) 硬度材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測

42、定材料的硬度?？虅澐ㄓ糜谔烊坏V物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為10個硬度等級?；貜椃ㄓ糜跍y定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強度。,2024年3月28日,48,(2) 耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下： 式中： G ——

43、 材料的磨耗率， (g/cm2)； m1—— 材料磨損前的質量，(g)； m2—— 材料磨損后的質量，(g)； A —— 材料試件的受磨面積 (cm2)。,四、材料的硬度及耐磨性,2024年3月28日,49,第三節(jié) 材料的耐久性,第三節(jié) 材料的耐久性,2024年3月28日,50,第三節(jié) 材料的耐久性,導 學 本節(jié)學習的內容：一、材料耐久性定義二、自然界對材料的作用 (一) 物理作

44、用 (二) 化學作用 (三) 機械作用 (四) 生物作用,2024年3月28日,51,第三節(jié) 材料的耐久性,材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內在或外來自然因素及有害介質的作用，能長久地保持其使用性能的性質。材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。,2024年3月28日,52,第三節(jié) 材料的耐久性,物理作用可有干

45、濕變化、溫度變化及凍融變化等。化學作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對材料的侵蝕作用。機械作用包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。生物作用包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。,2024年3月28日,53,本章小結：,材料的基本物理性質；材料的力學性質；材料的耐久性。,2024年3月28日,54,復習思考題,例1-1 材料的密度、表觀密度、體積密度、堆積密度有何

46、區(qū)別？如何測定？材料含水后對四者有什么影響？解： 密度： 表觀密度： 體積密度： 堆積密度：,V——為材料的絕對密實體積V' ——為材料在自然狀態(tài)下的表觀體積V0 ——為材料在自然狀態(tài)的體積V0' ——為材料的堆積體積,2024年3月28日,55,復習思考題,對于含孔材料，四者的測試方法要點如下：測定密度時，需先將材料磨細，之后采用排出液體或水的方法來測定體積。測定表觀密度時，直接將材

47、料放入水中，即直接采用排開水的方法來測體積；測定堆積密度時，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測試其自然堆積狀態(tài)下體積。含水與否對密度、表觀密度無影響，因密度、表觀密度均是對干燥狀態(tài)而言的。含水對堆積密度的影響則較復雜．一般來說是使堆積密度增大。,2024年3月28日,56,復習思考題,例1-2 某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、體積密度為2.62g/cm3、表觀密度為2.61g/cm3、堆積密度為1680 kg/m3