第一章 土木工程材料基本性质PPT课件
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pV0V 0V10 % 0(10)10 % 0
(2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料 总体积的百分率
D V V 010 % 0010 % 01p
孔隙特征主要有三方面： （1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔； （2）按孔隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔；
（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口 孔）。
f P F
f –––– 强度， Mpa； P–––– 破坏时最大荷载，N； F –––– 受力截面面积，mm2。
抗弯强度
1）
3PL f弯 2bh2
(中点集中荷载)
2）
PL f弯 bh2
(三分点两相等集中荷载)
f弯 –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
σ＝Εε
σ —— 应力； ε ——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比；
Ε ——弹性模量；
弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需 要的应力，反映了材料抵抗变形的能力。是结构设计中 的主要参数之一。
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发 生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。
徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。
1.3 材料与水有关的性质
1.3.1 材料的亲水性与憎水性
润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线，切线与材料和水接触面 的夹角。
(a) 亲水性材料
90
亲水材料
90
憎水材料
(b) 憎水性材料
1.3.2 材料的含水状态
四种基本含水状态： 干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微； 气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡； 饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和； 湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附
b –––– 试件横截面积宽度，mm；
h –––– 试件横截面积高度，mm。
许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级，俗称
“ 标号 ”。
材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于
散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的
百分率
p' V'V 0'0V010% 0(100 )10% 0
(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率
D' V V0 '010% 00 0 10% 01p'
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度与比强度
计算：
0
m V0
0––– 表现密度，g/cm3或 kg/m3；
m ––– 材料的质量，g，或 kg；
V0 ––– 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。
1.1.1.3 堆积密度 （heaped density ） 定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下， 单位体积的质量。
计算：
0
m V‘ 0
0––– 堆积密度，kg/m3；
1.2.3
脆性和韧性
（1）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。
具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。
从应力应变图中看材料的脆性
（2）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 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
测量方法 有较多孔隙的 材料，采用磨细 后用李氏瓶测定 其体积的方法。
某些致密材料，如卵石等，可用直接 排液法，用这种方法测量的体积，由 于无法排除内部封闭的孔隙，所以称
这样测得的密度为近似密度(a)。
1.1.1.2 表观密度 （unit weight）
定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。
材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
1.2.2 材料的弹性与塑性
弹性与塑性
材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复 变形，而残留一部分不能消失的变形，该 残留部份称为塑性变形。
材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公 式：
土木工程材料
Civil Engineering Materials
第一章
1.1 材料的基本性质
1.1.1 材料的密度、表观密度和堆积密度
1.1.1.1 密度 （density） 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
可按下式计算： m
V
––– 密度，g/cm3；
m ––– 材料的质量，g； V––– 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
1.2.4 硬度和耐磨性
硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 常用刻划法和压入法测定。 刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示
1.2.5 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。
m ––– 材料的质量， kg；
V0 ––– 松散材料的堆积体积， m3。
装在容 空 隙
器里的 开口孔隙 VK
´
粒状、 封闭孔隙
V0
粉状或
VB
V0
块状材 实 体
V
料
’ 0
m V‘0
1.1.2 材料的孔隙和空隙
1.2.2.1 材料的孔隙 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响： 一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。 孔隙数量用孔隙率表征。 (1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率
一、材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F
(a) 压力
(b) 拉力
F
L F/2 F/2
L/3 L/3 L/3 L
(c) 弯曲
F
(d) 剪切
各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度
把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB， 则孔隙体积
Vｐ= Vk+ VB
定义开口孔孔隙率为
pK
VK V0
定义闭口孔孔隙率为 p B 则孔隙率为 p pK pB
VB V0
自然状态下的块状材料 开口孔隙
闭口孔隙
开口孔 封闭孔
实体
VK
V VB 0
V
m V
0
V
m VP
Fra Baidu bibliotek
m
0 VVK VB
1.1.2 材料的空隙
(2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料 总体积的百分率
D V V 010 % 0010 % 01p
孔隙特征主要有三方面： （1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔； （2）按孔隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔；
（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口 孔）。
f P F
f –––– 强度， Mpa； P–––– 破坏时最大荷载，N； F –––– 受力截面面积，mm2。
抗弯强度
1）
3PL f弯 2bh2
(中点集中荷载)
2）
PL f弯 bh2
(三分点两相等集中荷载)
f弯 –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
σ＝Εε
σ —— 应力； ε ——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比；
Ε ——弹性模量；
弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需 要的应力，反映了材料抵抗变形的能力。是结构设计中 的主要参数之一。
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发 生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。
徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。
1.3 材料与水有关的性质
1.3.1 材料的亲水性与憎水性
润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线，切线与材料和水接触面 的夹角。
(a) 亲水性材料
90
亲水材料
90
憎水材料
(b) 憎水性材料
1.3.2 材料的含水状态
四种基本含水状态： 干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微； 气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡； 饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和； 湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附
b –––– 试件横截面积宽度，mm；
h –––– 试件横截面积高度，mm。
许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级，俗称
“ 标号 ”。
材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于
散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的
百分率
p' V'V 0'0V010% 0(100 )10% 0
(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率
D' V V0 '010% 00 0 10% 01p'
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度与比强度
计算：
0
m V0
0––– 表现密度，g/cm3或 kg/m3；
m ––– 材料的质量，g，或 kg；
V0 ––– 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。
1.1.1.3 堆积密度 （heaped density ） 定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下， 单位体积的质量。
计算：
0
m V‘ 0
0––– 堆积密度，kg/m3；
1.2.3
脆性和韧性
（1）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。
具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。
从应力应变图中看材料的脆性
（2）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 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
测量方法 有较多孔隙的 材料，采用磨细 后用李氏瓶测定 其体积的方法。
某些致密材料，如卵石等，可用直接 排液法，用这种方法测量的体积，由 于无法排除内部封闭的孔隙，所以称
这样测得的密度为近似密度(a)。
1.1.1.2 表观密度 （unit weight）
定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。
材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
1.2.2 材料的弹性与塑性
弹性与塑性
材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复 变形，而残留一部分不能消失的变形，该 残留部份称为塑性变形。
材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公 式：
土木工程材料
Civil Engineering Materials
第一章
1.1 材料的基本性质
1.1.1 材料的密度、表观密度和堆积密度
1.1.1.1 密度 （density） 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
可按下式计算： m
V
––– 密度，g/cm3；
m ––– 材料的质量，g； V––– 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
1.2.4 硬度和耐磨性
硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 常用刻划法和压入法测定。 刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示
1.2.5 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。
m ––– 材料的质量， kg；
V0 ––– 松散材料的堆积体积， m3。
装在容 空 隙
器里的 开口孔隙 VK
´
粒状、 封闭孔隙
V0
粉状或
VB
V0
块状材 实 体
V
料
’ 0
m V‘0
1.1.2 材料的孔隙和空隙
1.2.2.1 材料的孔隙 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响： 一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。 孔隙数量用孔隙率表征。 (1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率
一、材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F
(a) 压力
(b) 拉力
F
L F/2 F/2
L/3 L/3 L/3 L
(c) 弯曲
F
(d) 剪切
各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度
把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB， 则孔隙体积
Vｐ= Vk+ VB
定义开口孔孔隙率为
pK
VK V0
定义闭口孔孔隙率为 p B 则孔隙率为 p pK pB
VB V0
自然状态下的块状材料 开口孔隙
闭口孔隙
开口孔 封闭孔
实体
VK
V VB 0
V
m V
0
V
m VP
Fra Baidu bibliotek
m
0 VVK VB
1.1.2 材料的空隙