《土木工程材料》教案

第一章1、緒言1.1概述1.2材料的基本狀態參數1.3材料的力學性質1.4材料與水有關的性質主要內容：緒論材料的基本狀態參數材料與水有關的性質重點內容：材料的基本狀態參數難點：材料的物理常數要求：材料的基本狀態參數材料與水有關的性質對《土木工程材料》有概括的了解參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴家伋《道路建筑材料》孫凌《公路工程集料試驗規程》1.2材料的基本狀態參數1.2.1材料的密度、表觀密度、毛體積密度和堆積密度一、密度1.定義：材料的密度是材料在絕對密實狀態下單位體積的（不包括開口和閉口孔隙體積）的質量。2.公式：

式中：ρ——材料的密度，ｇ／ｃｍ３；ｍｓ——材料礦質實體的質量，ｇ；Ｖ——料礦質實體的體積，ｃｍ３。因試驗的條件是在空氣中稱量石料的質量，故ｍ。＝０，ｍs＝ｍ，則公式改寫為

式中：ｍ——烘干石料試樣的質量，ｇ；Ｖ——意義同前。石料密度的測定可采用比重瓶法或李氏比重瓶法T二、表觀密度

1.定義：在規定條件下，材料單位表觀體積（礦質實體體積十閉口孔隙體積）的質量，稱為表觀密度，亦稱視密度。2.公式：式中：ρt——石料的表觀密度，ｇ／ｃｍ３；ｍ、Ｖ——意義同前；ＶB——石料閉口孔隙的體積，ｃｍ３。測定方法：排水法T三、毛體積密度定義：材料的毛體積密度是在規定試驗條件下，烘干材料單位體積（包括孔隙在內）的質量。公式：

式中：——石料的毛體積密度，ｇ／ｃｍ3——石料開口孔隙體積，ｃｍ3ｍ，ｖ，ｖB——意義同前。材料的毛體積密度測定可將石料加工為規則形狀石料試件，采用精密量具測量其幾何形狀的方法計算其體積；對于遇水崩解、溶解和干縮濕脹性松軟石料，應采用封蠟法測定。T1.2.2材料的孔隙和空隙一、材料的孔隙

空隙對材料的影響：（1）孔隙的多少（孔隙率）（2）孔隙的特征1.孔隙率定義：孔隙率是指材料內部孔隙體積(開口孔隙和閉口孔隙)占材料總體積的百分率。公式：

2.密實度定義：材料內部固體物質的實體占材料總體積的百分率。公式：孔隙的特征（1）按孔隙尺寸大小，可把空襲氛圍為微孔、細孔和大孔三種（2）按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔、連通孔。（3）按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開口孔、封閉孔。二、材料的空隙1.空隙率定義：散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率。公式：2.填充率定義：顆粒的自然狀態體積占堆積體積的百分率。公式：R1.4.3材料的吸濕性和吸水性一、吸濕性定義：親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質表示方法：含水率二、吸水性定義：材料在水中吸水的性質。重量吸水率提及吸水率開口細微連通孔，吸水量大。1.4.4耐水性定義：材料長期在水作用下不破壞、強度也不明顯下降的性質。軟化系數：＞0.85為耐水材料，該值越小耐水性越差。1.4.5抗滲性1.4.6抗凍性材料在含水狀態下，能經受多次動容循環作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質。凍融循環

直接凍融法是測定石料抗凍性的主要試驗方法。此方法是將石料制備成直徑和高均為５０ｍｍ的圓柱體或邊長為５０ｍｍ的立方體試件，放人烘箱（１０５℃±５℃）烘至恒重，冷卻后稱其質量，按吸水率試驗方法讓試件吸水飽和，然后取出擦去表面水分，置于冰箱（-１５℃）凍結４ｈ，然后取出放人２５℃±５℃的水中融解４ｈ，如此為一次凍融循環，經反復凍融至規定次數為止，將凍融后的試件再烘干至恒重，并稱其質量。對于不同的工程環境氣候條件，凍融循環的次數有不同的要求，分為15次、25次及25次以上。在試驗過程中，每隔一定的凍融循環次數，應詳細檢查試件有無剝落、裂縫、分層及掉邊等現象，并加以記錄。對于塊狀石料的抗凍性，可采用經規定次數的凍融循環后的質量損失率或者耐凍系數表征。公路工程，一般要求石料的耐凍系數大于０.７５；質量損失率不大于５％。同時，試件應無明顯缺損（包括剝落、裂縫和邊角損壞等情況）。橋梁工程石料，對一月份平均氣溫低于—１０℃的地區，要進行抗凍性試驗。２）硫酸鈉堅固性法思考題：1.孔隙的特征與吸水率的關系。2.什么條件下要對石料進行抗凍性試驗？什么是凍融循環？3.如何判定石料抗凍性是否合格？R主要內容：材料的力學性質集料的技術性質重點內容：石料的抗壓強度、磨耗率集料的級配難點：級配及計算參數要求：掌握石料的力學性質掌握石料等級的確定掌握級配參數的計算方法參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴家伋《道路建筑材料》孫凌《公路工程集料試驗規程》影響強度的因素：材料的組成孔隙率增加強度降低含水率增加強度降低溫度升高強度降低試件尺寸大強度降低加荷速度快強度降低等二、比強度定義：單位體積重量的材料強度與毛體積密度之比——衡量材料是否輕質、高強。補充一：１．公路工程石料的力學性質１）抗壓強度石料的抗壓強度，通常有單軸抗壓強度和三軸抗壓強度兩種。如果不作邊坡驗算等，一般僅需要進行單軸抗壓強度試驗。公路工程石料的抗壓強度，是將石料制備成邊長為５０ｍｍ±０.５ｍｍ的正立方體或直徑與高均為５０ｍｍ±０.５ｍｍ的圓柱體試件，經吸水飽和后，在規定的加載條件下單軸受壓，石料試件達到極限破壞時，單位受壓面積的強度。公式：式中：——石料的抗壓強度，ＭＰａ；Fmax——試件極限破壞時的荷載，Ｎ；Ａ——試件的截面積，ｍｍ２。石料的抗壓強度值，取決于石料的組成結構，同時也取決于試驗的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。石料的抗壓強度值，取決于石料的組成結構，同時也取決于試驗的條件（如試件幾何外形、加荷速度、溫度和濕度等）。

（2）狄法爾試驗法狄法爾試驗法采用狄法爾（或雙筒）式磨耗試驗機。它是將石料破碎（人工或機械），并過篩選出５０～７５ｍｍ的塊石５０±２塊，共約５ｋｇ（每塊質量約１００ｇ），計兩份，分別洗凈烘干，裝人磨耗機的兩圓筒中，磨耗機以３０～３３ｒ／ｍｉｎ的轉速轉動１００００轉，石料的磨耗率同樣是以通過２ｍｍ或１．7ｍｍ篩孔的質量損失百分率來表示，亦按上式計算。按我國標準規定，兩種試驗方法以洛杉磯試驗法為標準方法。２．橋梁工程石料的力學性質抗壓強度是橋梁工程石料的主要力學指標，是確定石料標號的主要依據。橋用石料的抗壓強度是將石料加工成邊長為２０ｃｍ的正立方體試件，經吸水飽和后，按規定的加荷條件單軸受壓，石料試件達到極限破壞時，單位受壓面積的強度。此亦作為石料的標號。公式：橋用石料的力學性質以抗壓強度為基準，其他力學指標（如抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度等）一般可采用與抗壓強度的大約比值。石料的技術標準2.粗度粗度是評價砂粗細程度的一種指標，通常用細度模數來表示，細度模數是各號篩的累計篩余百分率之和除以１００的商，可按下式計算。

[例]從工地取回烘干砂樣500g做篩析試驗，列于表中，求該砂樣的分計篩余、累計篩余、通過百分率及該砂樣的細度模數，并對該砂樣進行評定。細度模數T（二〕力學性質１．壓碎性壓碎性是指碎石（或卵石）抵抗壓碎的性能?？赏ㄟ^壓碎值試驗，采用壓碎值來相對地衡量石料在逐漸增加荷載的作用下抵抗壓碎的能力，壓碎值是表征粗集料力學性質的指標之一。１）水泥混凝土用粗集料壓碎值試驗方法10～20mm，3Kg，二層裝入（每層顛擊25次）；3～5min至200KN，過2.5mm篩。2）瀝青混合料用粗集料壓碎值試驗13.2～16mm，3Kg，三層裝入（每層插搗25次）；10min至400KN，過2.36ｍｍ篩。（三）化學性質石料根據ＳｉＯ２含量的多少分為：酸性石料、中性石料和堿性石料。大量試驗證明，堿性石料與瀝青的粘附性較酸性石料與瀝青的粘附性大，酸性石料比較堅硬。為確定集料與瀝青的粘附性，通常在公路工程中采用一些簡便的方法進行測定。目前我國現行的試驗方法主要有：１）水煮法２）水浸法３）親水系數法當采用同一種瀝青時，選擇礦料從堿性、中性直至酸性，集料與瀝青的粘附性逐漸降低。為保證瀝青混合料的強度，在選擇集料時應優先考慮采用堿性石料。若當地缺乏堿性石料且必須采用酸性石料時，可摻加各種抗剝劑以提高瀝青與石料的粘附性。思考題：1.如何判定集料的酸性、中性、堿性，工程應用中如何考慮？2.掌握級配參數的計算公式。作業：主要內容：級配理論礦質混合料組成設計重點內容：泰波公式修正平衡面積法礦質混合料組成設計難點：泰波公式修正平衡面積法礦質混合料組成設計要求：利用泰波公式能夠計算適宜的級配范圍掌握修正平衡面積法礦質混合料組成設計參考資料：《土木工程材料》陳志源《道路建筑材料》嚴家伋《道路建筑材料》孫凌補充3礦質混合料的組成設計路用礦質混合料的基本要求：１.最小空隙率２.最大摩擦力為達到上述要求，必須對礦質混合料進行組成設計，其內容包括：１）級配理論和級配范圍的確定；２）基本組成的設計方法。一、礦質混合料的級配理論（一）級配類型各種不同粒徑的集料，按照一定比例搭配起來，以達到最大密實度和最大摩擦力的要求，可以采用兩類級配：１.連續級配２.間斷級配（二）級配理論１.（富勒）Ｗ.Ｂ.Ｆuller理論富勒根據實驗提出一種理想級配，認為：“級配曲線愈接近拋物線時，則其密度愈大”，因此，當級配曲線為拋物線時為最大密度曲線。

當粒徑ｄ等于最大粒徑Ｄ時，礦質混合料的通過率等于１００％，則：

T２.（泰波）Ａ.Ｎ.Ｔalbal理論泰波認為富勒曲線是一種理想曲線，實際礦料的級配應允許有一定的波動范圍，故將富勒最大密度曲線改為n次冪的通式，即

從泰波公式可看出，當ｎ＝１／２時為拋物線，即富勒曲線。根據試驗認為ｎ＝０.３～０.６之間時，礦質混合料具有較好的密實度。泰波理論可用來解決連續級配的級配范圍問題，故具有很大的實用意義。例題已知礦質混合料最大粒徑為40mm，試用泰波公式計算級配范圍曲線的各級粒徑通過百分率。（n=0.3～n=0.7）。二、級配曲線范圍的繪制我國級配曲線采用半對數坐標形式T三、礦質混合料的組成設計方法天然的或人工軋制的單一集料的級配一般很難完全符合某一合適級配范圍的要求，因此，必須采用幾種集料按照一定比例進行搭配才能達到級配范圍的要求，這就需要對礦質混合料進行配合組成設計。確定礦質混合料配合比的方法很多，但一般主要采用試算法和圖解法。

不管采