第一章給排水工程材料的基本性質(zhì)

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1、,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,第一章 給排水工程材料的基本性質(zhì),第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),一、,材料的體積構(gòu)成及含水狀態(tài),1,、材料的體積構(gòu)成,(1),塊狀材料,V,0,=V+V,孔,孔隙按照特征分為開口孔隙和閉口孔隙,(2),散粒材料,2,、材料的含水狀態(tài),干燥狀態(tài)、氣干狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)、潤濕狀態(tài),二、,材料的密度、表觀密度、體積密度與堆積密度,密度是指物質(zhì)單位體積的質(zhì)量。,1,、實(shí)際密度,

2、材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。,式中：,實(shí)際密度（,g/cm,3,）,m,材料的質(zhì)量（,g,）,V,材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積（,cm,3,）,、表觀密度,式中,0,材料的表觀密度（,g/cm,3,或,kg/m,3,）,m ,材料的質(zhì)量（,g,或,kg),V,0,材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積 （,cm,3,或,m,3,）,包含內(nèi)部空隙在內(nèi)的體積,單位體積（含材料實(shí)體及閉口空隙）材料的干重,3,、體積密度,式中,0,材料的體積密度（,g/cm,3,或,kg/m,3,）,m ,材料的質(zhì)量（,g,或,kg),V,材料在自然狀態(tài)下的體積，,包含內(nèi)部空隙和外部空隙在內(nèi)的體積,材料在

3、自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，俗稱容重,4,、堆積密度,式中,1,散粒材料的堆積密度（,g/cm,3,或,kg/m,3,）,m,散粒材料的質(zhì)量（,g,或,kg,）,V,1,材料在自然狀態(tài)下的堆積體積（,cm,3,或,m,3,）,思考：實(shí)際密度、表觀密度、體積密度和堆積密度之間的大小關(guān)系如何？,計(jì)算材料的堆放空間,散粒材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的重量稱為堆積密度?？捎孟率奖硎?三、,材料的孔隙率和空隙率,1,、孔隙率和密實(shí)度,孔隙率：材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率，稱為材料的孔隙率（,P,）。可用下式表示：,密實(shí)度：材料的固體物質(zhì)部分的體積占總體積的比例，說明材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充填的程

4、度，即反映了材料的致密程度，按下式計(jì)算：,2,、材料的空隙率與填充率,空隙率 ：散顆材料（如砂、石子）堆積體積（,V,1,）中，顆粒間空隙體積（開口孔隙與間隙之和）所占的百分率稱為空隙率（,P,）,填充率：散粒材料在自然堆積狀態(tài)下，其中的顆粒體積占自然堆積狀態(tài)下的體積的百分率（,D,）,四、 材料與水有關(guān)的性質(zhì),1.,親水性與憎水性,（,1,）概念,親水性：材料能被水潤濕的性質(zhì)，如磚、混凝土等。,材料產(chǎn)生親水性的原因是因其與水接觸時(shí)，材料與水分子之間的親合力大于水分子之間的內(nèi)聚力所致。當(dāng)材料與水接觸，材料與水分子之間的親合力小于水分子之間的內(nèi)聚力時(shí)，材料則表現(xiàn)為憎水性。憎水性材料如瀝青、石油等

5、。,當(dāng)材料與水接觸時(shí)，在材料、水、空氣三相的交界點(diǎn)，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角,，稱為潤濕角 。,（,2,） 潤濕角,材料被水濕潤的情況可用,潤濕角,來表示。,（,3,）親水性材料與憎水性材料,角愈小，表明材料愈易被水潤濕。,當(dāng),90,時(shí)，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現(xiàn)出親水性，這種材料稱,親水性材料,。,90,時(shí)，材料表面不吸附水，此稱,憎水性材料,。,當(dāng),=0,時(shí)，表明材料完全被水潤濕。,2,、材料的吸水性與吸濕性,式中,W,m,材料的質(zhì)量吸水率（）；,m,b,材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（,g,）；,m,g,材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（,g,）,（,1,）吸水性,材

6、料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱,吸水性,。材料的吸水性用吸水率表示，有,質(zhì)量吸水率,與,體積吸水率,兩種表示方法。,質(zhì)量吸水率,質(zhì)量吸水率,是指材料在吸水飽和時(shí)，內(nèi)部所吸水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率，用下式計(jì)算：,式中,W,v,材料的體積吸水率（）；,V,干燥材料在自然狀態(tài)下的體積,w,水的密度（,g/cm,3,）,體積吸水率：材料在吸水飽和時(shí)，其內(nèi)部所吸水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。,材料的吸水性與其親水性、疏水性、孔隙率大小、孔隙特征有關(guān)。,花崗巖的吸水率：,0.5%0.7%,；,混凝土的吸水率：,2%3%,；,粘土磚的吸水率：,8%20%,；,木材的吸水率：可達(dá)到,100%,。,

7、花崗巖,式中,W,材料的含水率（）,m,1,材料含水時(shí)的質(zhì)量（）,m,0,材料干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量（）,材料的吸濕性隨空氣的濕度和環(huán)境溫度的變化而改變。,（,2,）吸濕性,材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。,潮濕材料在干燥的空氣中也會(huì)放出水分，此稱還濕性。,材料的吸濕性用含水率表示。,含水率系指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。,某立方體巖石試件，外形尺寸為,50mm50mm50mm,，測得其在絕干、自然狀態(tài)及吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量分別為,325g,，,325.3g,，,326.1g,，并測得該巖石的密度為,2.68g/cm,3,。試求該巖石的體積吸水率、質(zhì)量含水率、絕干表觀密度

8、、孔隙率。,解：,V,0,555,125cm,3,m,含,325.3g,m,干,325g,m,飽,326.1g, w,1g/cm,3,例題,1,解：因,m,干,=482g,m,飽,=487g,，,V=630-452=178cm,3,巖石試件經(jīng)完全干燥后，其質(zhì)量為,482g,，將放入盛有水的量筒中，經(jīng)一定時(shí)間巖石吸水飽和后，量筒的水面由原來的,452cm,3,上升至,630cm,3,。取出巖石，擦干表面水分后稱得質(zhì)量為,487g,。試求該巖石的密度及質(zhì)量吸水率？,(,假設(shè)巖石內(nèi)無封閉空隙,),例題,2,3,、材料的耐水性,式中,:,k,R,材料的軟化系數(shù)；,f,b,材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（,

9、MPa,）；,f,g,材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（,MPa,）。,材料長期在水作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。,關(guān)于耐水性不正確的, ,。,A,、材料的耐水性用軟化系數(shù)表示,B,、材料的軟化系數(shù)在,0,1,之間波動(dòng),C,、軟化系數(shù)大于,0.85,的材料稱為耐水材料。,D,、軟化系數(shù)小于,0.85,的材料稱為耐水材料。,E,、軟化系數(shù)越大，材料吸水飽和后強(qiáng)度降低越多，耐水性越差,答案：,DE,例題,由于該石材的軟化系數(shù)為,0.93,，大于,0.85,，故該石材可用于水下工程。,某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測得的抗壓強(qiáng)度分別為,174,、,178,、,165 MPa,，,求該石

10、材的軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程。,該石材的軟化系數(shù)為,:,4,、材料的抗?jié)B性,式中,k,s,材料的滲透系數(shù)（,cm/h,）；,Q,滲透水量（,cm,3,）；,d,材料的厚度（,cm,）；,A ,滲水面積（,cm,2,）；,t,滲水時(shí)間（,h,）；,H,靜水壓力水頭（,cm,）。,材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性，或稱不透水性,一定厚度材料，一定水壓力下，在單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積的水量,材料抗?jié)B性的好壞與材料的,孔隙率,和,空隙特征,有關(guān)系。,材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級(jí)表示。,抗?jié)B等級(jí)是以規(guī)定的試件、在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法下所能承受的最大水壓力來確定，以符號(hào),P,n,表示，其中,n,為該材

11、料所能承受的最大水壓力的十倍的,MPa,數(shù)。,混凝土的抗?jié)B等級(jí)劃分為,P4,、,P6,、,P8,、,P10,、,P12,等五個(gè)等級(jí)。相應(yīng)表示混凝土抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)一組,6,個(gè)試件中,4,個(gè)試件未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓力。,材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)，稱為材料的抗凍性。,5,、材料的抗凍性,材料的抗凍性用抗凍等級(jí)表示。,抗凍等級(jí),：以規(guī)定的試件，在規(guī)定試驗(yàn)條件下，測得其強(qiáng)度降低不超過規(guī)定值，并無明顯損壞和剝落時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)。,材料的抗凍等級(jí)可分為,15,、,25,、,50,、,100,、,200,等，分別表示此材料可承受,15,次、,25,次、,

12、50,次、,100,次、,200,次的凍融循環(huán)。,如混凝土抗凍等級(jí),15,是指所能承受的最大凍融次數(shù)是,15,次,(,在,-,15,的溫度凍結(jié)后，再在,20,的水中融化，為一次凍融循環(huán),),，這時(shí)強(qiáng)度損失率不超過,25,，質(zhì)量損失不超過,5,。,混凝土抗凍等級(jí),F15,號(hào)中的,15,是指,( ),。,A,承受凍融的最大次數(shù)為,15,次,B,凍結(jié)后在,15,的水中融化,C,最大凍融次數(shù)后強(qiáng)度損失率不超過,15,D,最大凍融次數(shù)后質(zhì)量損失率不超過,15,材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的能力稱為材料的熱容量。單位質(zhì)量材料溫度升高或降低,1,所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。,C,材料的比

13、熱，,J/,（,gK,）,Q,材料吸收或放出的熱量,(,熱容量,),m,材料質(zhì)量，,g,（,t,2,-,t,1,）,材料受熱或冷卻前后的溫差，,K,五、材料的熱工性質(zhì),1,、熱容量和比熱,2,、導(dǎo)熱性,當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量從材料一面通過材料傳導(dǎo)至另一面的性質(zhì)，稱為材料的導(dǎo)熱性。,導(dǎo)熱系數(shù)，（,）；,傳導(dǎo)的熱量，,材料厚度，；,熱傳導(dǎo)面積，,m,2,熱傳導(dǎo)時(shí)間，,h,；（,t,2,-t,1,）,材料兩面溫度差，,K,小于,0.23,幾種典型材料的熱工性質(zhì)指標(biāo),材料,導(dǎo)熱系數(shù)（,w,（,mK,）,比熱（,J,（,kgK,）,鋼,58,0.48,花崗巖,3.49,0.92,普通混凝土,1.5

14、1,0.84,燒結(jié)普通磚,0.80,0.88,松木（橫紋）,0.17,0.35,2.72,泡沫塑料,0.03,1.30,冰,2.20,2.05,水,0.58,4.18,靜止空氣,0.023,1.00,影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素,材料的孔隙率愈大,即空氣愈多,導(dǎo)熱系數(shù)愈小,導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙形態(tài)特征的關(guān)系,認(rèn)為有微細(xì)而封閉孔隙組成的材料,導(dǎo)熱系數(shù)小,反之大；,材料的含水率增加,導(dǎo)熱系數(shù)也增加。,3,、耐燃性,材料對火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性,（,1,）非燃燒材料,在空氣中受到火燒或高溫高熱作用不起火、不碳化、不微燃的材料稱為非燃燒材料,（,2,）難燃材料,在空氣中受到火燒或高溫高熱作用難起火、難碳

15、化、難微燃，當(dāng)火源移走后，已有的燃燒或微燃立即停止的材料稱為難燃材料,（,3,）可燃材料,在空氣中受到火燒或高溫高熱作用立即起火或微燃，且火源移走之后仍然繼續(xù)燃燒的材料稱為可燃材料,第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),一、材料的強(qiáng)度,材料在外力作用下抵抗破壞的能力，稱為,材料的強(qiáng)度,根據(jù)外力作用形式的不同，材料的強(qiáng)度有,抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度,及,抗剪強(qiáng)度,等，均以材料受外力破壞時(shí)單位面積上所承受的力的大小來表示。,材料的力學(xué)性質(zhì)系指材料在外力作用下的變形性和抵抗破壞的性質(zhì)。,材料的強(qiáng)度分類及受外力作用示意圖,強(qiáng)度類別,受力作用示意圖,強(qiáng)度計(jì)算式,附注,抗壓強(qiáng)度,f,c,(,MPa,),F,破壞荷載

16、,(N);,A,受荷面積,(mm,2,);,l,跨度,(mm);,b,斷面寬度,(mm);,h,斷面高度,(mm),抗拉強(qiáng)度,f,t,(,MPa,),抗剪強(qiáng)度,f,v,(,MPa,),抗彎強(qiáng)度,f,tm,(,MPa,),二、材料的比強(qiáng)度,材料,表觀密度（,g/cm,3,）,強(qiáng)度（,MPa,）,比強(qiáng)度,低碳鋼,7850,420,0.054,普通混凝土（抗壓）,2400,40,0.017,松木（順紋、抗拉）,500,100,0.200,玻璃鋼,2000,450,0.225,燒結(jié)普通磚（抗壓）,1700,10,0.006,比強(qiáng)度是按單位質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，其值等于材料強(qiáng)度與其表觀密度之比。,三、材料

17、的彈性與塑性,彈性：外力變形卸外力變形完全恢復(fù),塑性：外力變形卸外力變形不完全恢復(fù),四、材料的脆性與韌性,脆性：材料在外力作用下至破壞前無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)。脆性材料抗拉能力差，但抗壓強(qiáng)度高。如磚、混凝土、玻璃等。,韌性：在沖擊、振動(dòng)荷載作用下，材料能承受很大變形也不致破壞的性能。如鋼材、木材等。,五、硬度和耐磨性,1,、硬度,材料的硬度是材料表面的堅(jiān)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、回彈法和壓入法測定材料的硬度。,回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度。,2,、耐磨性

18、,G-,-,材料的磨耗率， （,g/cm,2,）,m,1,-,材料磨損前的質(zhì)量，（,g,）,m,2,-,材料磨損后的質(zhì)量，（,g,）,A-,材料試件的受磨面積 （,cm,2,）,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(jì)算公式如下：,第三節(jié) 材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性,一、材料的耐久性,1,、概念,材料的耐久性是指用于建筑物的材料，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性質(zhì)。,2,、環(huán)境影響因素,（,1,）物理作用,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(huì)使材料逐漸破壞。,（,2,）化學(xué)作用,包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液

19、體或有害氣體對材料的侵蝕作用。,（,3,）機(jī)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。,（,4,）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,二、材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性,請你結(jié)合實(shí)際談?wù)劜牧檄h(huán)境協(xié)調(diào)性的重要性,第四節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對性能的影響,一、,材料的組成及其對性能的影響,1,、概念,材料的組成是指材料的化學(xué)成分或礦物組成,2,、化學(xué)組成,構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類與數(shù)量,3,、礦物組成,構(gòu)成材料的礦物的種類和數(shù)量,二、,材料的結(jié)構(gòu)及其對性能的影響,1,、宏觀結(jié)構(gòu),密實(shí)結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、散粒結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu),2,、

20、亞微觀結(jié)構(gòu),3,、微觀結(jié)構(gòu),晶體和非晶體,三、材料的構(gòu)造及其對性能的影響,具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元間的相互組合搭配情況,習(xí) 題,一、填空題,1,、材料的吸濕性是指材料在,（ ）,的性質(zhì)；,2,、材料的抗凍性以材料在吸水飽和狀態(tài)下所能抵抗的,（ ）,來表示；,3,、水可以在材料表面展開，即材料表面可以被水浸潤，這種性質(zhì)稱為,（ ）,；,二、選擇題,1,、孔隙率增大，材料的,（ ）,降低,A,密度,B,表觀密度,C,憎水性,D,抗凍性,2,、材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為,（ ）,A,吸水性,B,吸濕性,C,耐水性,D,滲透性,三、判斷題,1,、某些材料雖然在受力初期表現(xiàn)為彈性，達(dá)到一定程度之后表現(xiàn)出塑性特征，這類材料稱為塑性材料,2,、材料吸水飽和狀態(tài)時(shí)水占的體積可視為開口空隙體積,3,、在空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為材料的吸水性,4,、材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，其保持隔熱性能越好,5,、材料的比強(qiáng)度越大，越輕質(zhì)高強(qiáng),四、名詞解釋,1,、材料的空隙率,2,、堆積密度,