给排水工程材料的基本性质

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,第一章 给排水工程材料的基本性质,第一节 材料的物理性质,一、,材料的体积构成及含水状态,1、材料的体积构成,(1)块状材料 V,0,=V+V,孔,孔隙按照特征分为开口孔隙和闭口孔隙,(2)散粒材料,2、材料的含水状态,干燥状态、气干状态、饱和面干状态、润湿状态,二、,材料的密度、表观密度、体积密度与堆积密度,密度是指物质单位体积的质量。,1、实际密度,材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。,式中： 实际密度（g/cm,3,）,m 材料的质量（g）,V 材料在绝对密实状态下的体积（cm,3,）,、表观密度,式中 ,0,材料的表观密度（g/cm,3,或 kg/m,3,）,m 材料的质量（g或 kg),V,0,材料在自然状态下的体积，或称表观体积 （cm,3,或 m,3,）, 包含内部空隙在内的体积,单位体积（含材料实体及闭口空隙）材料的干重,3、体积密度,式中 ,0,材料的体积密度（g/cm,3,或 kg/m,3,）,m 材料的质量（g或 kg),V材料在自然状态下的体积， 包含内部空隙和外部空隙在内的体积,材料在自然状态下单位体积的质量，俗称容重,4、堆积密度,式中 ,1, 散粒材料的堆积密度（g/cm,3,或 kg/m,3,）,m 散粒材料的质量（g或 kg）,V,1,材料在自然状态下的堆积体积（cm,3,或 m,3,）,思考：实际密度、表观密度、体积密度和堆积密度之间的大小关系如何？,计算材料的堆放空间,散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。可用下式表示,三、,材料的孔隙率和空隙率,1、孔隙率和密实度,孔隙率：材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P）。可用下式表示：,密实度：材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算：,2、材料的空隙率与填充率,空隙率 ：散颗材料（如砂、石子）堆积体积（V,1,）中，颗粒间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）所占的百分率称为空隙率（P）,填充率：散粒材料在自然堆积状态下，其中的颗粒体积占自然堆积状态下的体积的百分率（D）,四、 材料与水有关的性质,1.亲水性与憎水性,（1）概念,亲水性：材料能被水润湿的性质，如砖、混凝土等。,材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水分子之间的亲合力大于水分子之间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲合力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性。憎水性材料如沥青、石油等。,当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交界点，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿角 。,（2） 润湿角,材料被水湿润的情况可用,润湿角,来表示。,（3）亲水性材料与憎水性材料,角愈小，表明材料愈易被水润湿。,当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称,亲水性材料,。,90时，材料表面不吸附水，此称,憎水性材料,。,当=0时，表明材料完全被水润湿。,2、材料的吸水性与吸湿性,式中 W,m,材料的质量吸水率（）；,m,b,材料在吸水饱和状态下的质量（g）；,m,g,材料在干燥状态下的质量（g）,（1）吸水性,材料在水中能吸收水分的性质称,吸水性,。材料的吸水性用吸水率表示，有,质量吸水率,与,体积吸水率,两种表示方法。,质量吸水率,质量吸水率,是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用下式计算：,式中 W,v,材料的体积吸水率（）；,V干燥材料在自然状态下的体积,w,水的密度（g/cm,3,）,体积吸水率：材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。,材料的吸水性与其亲水性、疏水性、孔隙率大小、孔隙特征有关。,花岗岩的吸水率：0.5%0.7%；,混凝土的吸水率：2%3%；,粘土砖的吸水率：8%20%；,木材的吸水率：可达到100%。,花岗岩,式中 W材料的含水率（）,m,1,材料含水时的质量（）,m,0, 材料干燥至恒重时的质量（）,材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变。,（2）吸湿性,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。,潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。,材料的吸湿性用含水率表示。,含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。,某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm50mm50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm,3,。试求该岩石的体积吸水率、质量含水率、绝干表观密度、孔隙率。,解：,V,0,555,125cm,3,m,含,325.3g,m,干,325g,m,饱,326.1g, w1g/cm,3,例题1,解：因m,干,=482g,m,饱,=487g，V=630-452=178cm,3,岩石试件经完全干燥后，其质量为482g，将放入盛有水的量筒中，经一定时间岩石吸水饱和后，量筒的水面由原来的452cm,3,上升至630cm,3,。取出岩石，擦干表面水分后称得质量为487g。试求该岩石的密度及质量吸水率？(假设岩石内无封闭空隙),例题2,3、材料的耐水性,式中:,k,R,材料的软化系数；,f,b,材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；,f,g,材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。,关于耐水性不正确的 。,A、材料的耐水性用软化系数表示,B、材料的软化系数在01之间波动,C、软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。,D、软化系数小于0.85的材料称为耐水材料。,E、软化系数越大，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差,答案：DE,例题,由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。,某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。,该石材的软化系数为:,4、材料的抗渗性,式中 k,s,材料的渗透系数（cm/h）；,Q渗透水量（cm,3,）；,d材料的厚度（cm）；,A 渗水面积（cm,2,）；,t渗水时间（h）；,H静水压力水头（cm）。,材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性,一定厚度材料，一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量,材料抗渗性的好坏与材料的,孔隙率,和,空隙特征,有关系。,材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。,抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号P,n,表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的MPa数。,混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力。,材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。,5、材料的抗冻性,材料的抗冻性用抗冻等级表示。,抗冻等级,：以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数。,材料的抗冻等级可分为15、25、50、100、200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,如混凝土抗冻等级15是指所能承受的最大冻融次数是15次(在,-15的温度冻结后，再在20 的水中融化，为一次冻融循环)，这时强度损失率不超过25，质量损失不超过5。,混凝土抗冻等级F15号中的15是指( )。,A承受冻融的最大次数为15次,B冻结后在15 的水中融化,C最大冻融次数后强度损失率不超过15,D最大冻融次数后质量损失率不超过15,材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的能力称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。,C材料的比热，J/（gK）Q材料吸收或放出的热量(,热容量),m材料质量，g（t,2,- t,1,）材料受热或冷却前后的温差，K,五、材料的热工性质,1、热容量和比热,2、导热性,当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。,导热系数，（）；传导的热量，材料厚度，；热传导面积，m,2,热传导时间，h；（t,2,-t,1,）材料两面温度差，K,小于0.23,几种典型材料的热工性质指标,材料,导热系数（w（mK）,比热（J（kgK）,钢,58,0.48,花岗岩,3.49,0.92,普通混凝土,1.51,0.84,烧结普通砖,0.80,0.88,松木（横纹）,0.17,0.35,2.72,泡沫塑料,0.03,1.30,冰,2.20,2.05,水,0.58,4.18,静止空气,0.023,1.00,影响导热系数的因素,材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小,导热系数与孔隙形态特征的关系,认为有微细而封闭孔隙组成的材料,导热系数小,反之大；,材料的含水率增加,导热系数也增加。,3、耐燃性,材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性,（1）非燃烧材料,在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料称为非燃烧材料,（2）难燃材料,在空气中受到火烧或高温高热作用难起火、难碳化、难微燃，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料称为难燃材料,（3）可燃材料,在空气中受到火烧或高温高热作用立即起火或微燃，且火源移走之后仍然继续燃烧的材料称为可燃材料,第二节 材料的力学性质,一、材料的强度,材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为,材料的强度,根据外力作用形式的不同，材料的强度有,抗压强度、抗拉强度、抗弯强度,及,抗剪强度,等，均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。,材料的力学性质系指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。,材料的强度分类及受外力作用示意图,强度类别,受力作用示意图,强度计算式,附注,抗压强度f,c,(MPa),F破坏荷载(N);,A受荷面积(mm,2,);,l跨度(mm);,b断面宽度(mm);,h断面高度(mm),抗拉强度f,t,(MPa),抗剪强度f,v,(MPa),抗弯强度f,tm,(MPa),二、材料的比强度,材料,表观密度（g/cm,3,）,强度（MPa）,比强度,低碳钢,7850,420,0.054,普通混凝土（抗压）,2400,40,0.017,松木（顺纹、抗拉）,500,100,0.200,玻璃钢,2000,450,0.225,烧结普通砖（抗压）,1700,10,0.006,比强度是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。,三、材料的弹性与塑性,弹性：外力变形卸外力变形完全恢复,塑性：外力变形卸外力变形不完全恢复,四、材料的脆性与韧性,脆性：材料在外力作用下至破坏前无明显塑性变形而突然破坏的性质。脆性材料抗拉能力差，但抗压强度高。如砖、混凝土、玻璃等。,韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能承受很大变形也不致破坏的性能。如钢材、木材等。,五、硬度和耐磨性,1、硬度,材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物,刻划、压入其表面的能力,。通常用刻划法、回弹法和压入法测定材料的硬度。,回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。,2、耐磨性,G-材料的磨耗率， （g/cm,2,）m,1,-材料磨损前的质量，（g）m,2,-材料磨损后的质量，（g）A-材料试件的受磨面积 （cm,2,）,耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：,第三节 材料的耐久性与环境协调性,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，在环境的多种因素作用下不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。,2、环境影响因素,（1）物理作用,使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。,（2）化学作用,包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。,（3）机械作用,包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。,（4）生物作用,包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏,二、材料的环境协调性,请你结合实际谈谈材料环境协调性的重要性,第四节 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,一、,材料的组成及其对性能的影响,1、概念,材料的组成是指材料的化学成分或矿物组成,2、化学组成,构成材料的化学元素及化合物的种类与数量,3、矿物组成,构成材料的矿物的种类和数量,二、,材料的结构及其对性能的影响,1、宏观结构,密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构,2、亚微观结构,3、微观结构,晶体和非晶体,三、材料的构造及其对性能的影响,具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况,习 题,一、填空题,1、材料的吸湿性是指材料在,（ ）,的性质；,2、材料的抗冻性以材料在吸水饱和状态下所能抵抗的,（ ）,来表示；,3、水可以在材料表面展开，即材料表面可以被水浸润，这种性质称为,（ ）,；,二、选择题,1、孔隙率增大，材料的,（ ）,降低,A 密度 B 表观密度 C 憎水性 D 抗冻性,2、材料在水中吸收水分的性质称为,（ ）,A 吸水性 B 吸湿性 C 耐水性 D 渗透性,三、判断题,1、某些材料虽然在受力初期表现为弹性，达到一定程度之后表现出塑性特征，这类材料称为塑性材料,2、材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口空隙体积,3、在空气中吸收水分的性质称为材料的吸水性,4、材料的导热系数越大，其保持隔热性能越好,5、材料的比强度越大，越轻质高强,四、名词解释,1、材料的空隙率,2、堆积密度,