第一章

土木工程資料的根本性質

土木工程資料的根本性質，是指資料處于不同的運用條件和運用環(huán)境時，通常必需思索的最根本的、共有的性質。由于土木建筑資料所處建〔構〕筑物的部位不同、運用環(huán)境不同、人們對資料的運用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性質也就有所不同。

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第一節(jié)資料的組成與構造資料的組成

1.1化學組成

無機非金屬建筑資料的化學組成以各種氧化物含量來表示。 金屬資料以元素含量來表示。 化學組成決議著資料的化學性質，影響其物理性質和力學性質。

21.2礦物組成資料中的元素和化合物以特定的礦物方式存在并決議著資料的許多重要性質。 礦物組成是無機非金屬資料中化合物存在的根本方式。1.3相組成資料中構造相近性質一樣的均勻部分。2.資料的構造與構造

2.1宏觀構造〔構造〕

資料的宏觀構造是指用肉眼和放大鏡可以分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小，以及更大尺寸的構造情況。宏觀構造，按孔隙尺寸可以分為：

〔1〕致密構造，根本上是無孔隙存在的資料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。〔2〕多孔構造，是指具有粗大孔隙的構造。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造輕質資料等。

(3〕微孔構造，是指微細的孔隙構造。如石膏制品、粘土磚瓦等。

(4〕纖維構造，是指木材纖維、玻璃纖維、礦物棉纖維所具有的構造。

〔5〕層狀構造，采用粘結或其他方法將資料迭合成層狀的構造。如膠合板、迭合人造板、蜂窩夾芯板、以及某些具有層狀填充料的塑料制品等。

(6〕散粒構造，是指松散顆粒狀構造。比如混凝土骨料、用作絕熱資料的粉狀和和粒狀的添充料。

2.2微觀構造

微觀構造是指資料在原子、分子層次的構造。資料的微觀構造，根本上可分為晶體與非晶體。 晶體構造的特征是其內部質點〔離子、原子、分子〕按照特定的規(guī)那么在空間周期性陳列。非晶體也稱玻璃體或無定形體，如無機玻璃。玻璃體是化學不穩(wěn)定構造，容易與其它物體起化學作用。

2.3亞微觀構造

亞微觀構造也稱作細觀構造，是介于微觀構造和宏觀構造之間的構造方式。如金屬資料晶粒的粗細及其金相組織，木材的木纖維，混凝土中的孔隙及界面等。

從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的構造上來研討土木工程資料的性質，才干深化其本質，對改良與提高資料性能以及創(chuàng)制新型資料都有著重要的意義。

第二節(jié)資料的形狀參數(shù)和構造特征1.資料的體積

體積是資料占有的空間尺寸。由于資料具有不同的物理形狀，因此表現(xiàn)出不同的體積。1.1資料的絕對密實體積：干資料在絕對密實形狀下的體積。即資料內部沒有孔隙時的體積，或不包括內部孔隙的資料體積。普通以Ｖ表示資料的絕對密實體積1.2資料的表觀體積：資料在自然形狀下的體積，即整體資料的外觀體積〔含內部孔隙和水分〕。普通以V0表示資料的表觀體積。

1.3資料的堆積體積：粉狀或粒狀資料，在堆集形狀下的總體外觀體積。根據(jù)其堆積形狀不同，同一資料表現(xiàn)的體積大小能夠不同，松散堆積下的體積較大，密實堆積形狀下的體積較小。資料的堆集體積普通以來表示。

2.資料的密度

資料的密度是指資料在絕對密實形狀下單位體積的質量，按下式計算：

式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3

m—資料的質量，g或kg

V—資料的絕對密實體積，cm3或m3

測試時，資料必需是絕對枯燥形狀。含孔資料那么必需磨細后采用排開液體的方法來測定其體積。

3.資料的表觀密度

表觀密度〔俗稱“容重〞〕是指資料在自然形狀下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0—資料的表觀密度,g/cm3或kg/m3

m—資料的質量，g或kg

V0—資料的表觀體積，cm3或m3

資料的表觀體積是指包括內部孔隙在內的體積。由于大多數(shù)資料的表觀體積中包含有內部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中能否含有水及含水的多少，均能夠影響其總質量〔有時還影響其表觀體積〕。因此，資料的表觀密度除了與其微觀構造和組成有關外，還與其內部構成形狀及含水形狀有關

4.資料的堆積密度

堆積密度是指粉狀或粒狀資料，在堆積形狀下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0，—資料的堆積密度,g/cm3或kg/m3

m—資料的質量，g或kg

V0，—資料的堆積體積，cm3或m3

粉狀或粒狀資料的質量是指填充在一定容器內的資料質量，其堆積體積是指所用容器的容積而言。因此，資料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙。

在土木建筑工程中，計算資料用量、構件的自重，配料計算以及確定堆放空間時經常要用到資料的密度、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。

5.資料的密實度

密實度是指資料體積內被固體物質充實的程度。密實度的計算式如下：

對于絕對密實資料，因ρ0=ρ，故密實度D=1或100%。對于大多數(shù)土木工程資料，因ρ0〈ρ，故密實度D?1或D?100%。

ρ—密度；ρ0—資料的表觀密度

6.孔隙率

資料的孔隙率是指資料內部孔隙的體積占資料總體積的百分率。孔隙率P按下式計算：V—資料的絕對密實體積，cm3或m3V0—資料的表觀體積，cm3或m3ρ0—資料的表觀密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m3

7.空隙率

空隙率是指散粒資料在其堆集體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率P，按下式計算：

ρ0—資料的表觀密度;ρ0，—資料的堆積密度空隙率的大小反映了散粒資料的顆粒相互填充的致密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配與計算含砂率的根據(jù)。來自cnshu中國最大的資料庫下載

第三節(jié)資料的物理性質一、資料與水有關的性質1.資料的親水性與憎水性

與水接觸時，有些資料能被水潤濕，而有些資料那么不能被水潤濕，對這兩種景象來說，前者為親水性，后者為憎水性。

資料具有親水性或憎水性的根本緣由在于資料的分子構造。親水性資料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內聚力；反之，憎水性資料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內聚力。

工程實踐中，資料是親水性或憎水性，通常以潤濕角的大小劃分，潤濕角為在資料、水和空氣的交點處，沿水滴外表的切線與水和固體接觸面所成的夾角。其中潤濕角θ愈小，闡明資料愈易被水潤濕。當資料的潤濕角θ＜９０?時，為親水性資料；當資料的潤濕角θ＞９０?時，為憎水性資料。水在親水性資料外表可以鋪展開，且能經過毛細管作用自動將水吸入資料內部；水在憎水性資料外表不僅不能鋪展開，而且水分不能滲入資料的毛細管中，見圖1-1

圖1－1資料潤濕表示圖

〔ａ〕親水性資料；〔ｂ〕憎水性資料來自cnshu中國最大的資料庫下載

2.資料的吸水性

資料能吸收水分的才干，稱為資料的吸水性。吸水的大小以吸水率來表示。

2.1質量吸水率

質量吸水率是指資料在吸水飽和時，所吸水量占資料在枯燥形狀下的質量百分比，并以ｗm表示。質量吸水率ｗm的計算公式為：

式中mb——資料吸水飽和形狀下的質量〔ｇ或kg〕

mg——資料在枯燥形狀下的質量〔ｇ或kg〕。

2.2體積吸水率

體積吸水率是指資料在吸水飽和時，所吸水的體積占資料自然體積的百分率，并以WＶ表示。體積吸水率WＶ的計算公式為：

式中 mb——資料吸水飽和形狀下的質量〔ｇ或kg〕

mg——資料在枯燥形狀下的質量〔ｇ或kg〕。

V0—資料在自然形狀下的體積，〔cm3或m3〕

ρw—水的密度,〔g/cm3或kg/m3〕，常溫下取ρw=1.0g/cm3

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資料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。由于水分是經過資料的開口孔吸入并經過連通孔滲入內部的。資料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。

3.資料的吸濕性

資料的吸濕性是指資料在潮濕空氣中吸收水分的性質。枯燥的資料處在較潮濕的空氣中時，便會吸收空氣中的水分；而當較潮濕的資料處在較枯燥的空氣中時，便會向空氣中放出水分。前者是資料的吸濕過程，后者是資料的枯燥過程。由此可見，在空氣中，某一資料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。來自cnshu中國最大的資料庫下載

資料在任一條件下含水的多少稱為資料的含水率，并以Ｗh表示，其計算公式為：

式中 ms——資料吸濕形狀下的質量〔ｇ或kg〕

mg——資料在枯燥形狀下的質量〔ｇ或kg〕。

顯然，資料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當空氣中濕度在較長時間內穩(wěn)定時，資料的吸濕和枯燥過程處于平衡形狀，此時資料的含水率堅持不變，其含水率叫作資料的平衡含水率。

4.資料的耐水性

資料的耐水性是指資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。衡量資料耐水性的目的是資料的軟化系數(shù)KR：式中KR——資料的軟化系數(shù)

fb—資料吸水飽和形狀下的抗壓強度〔MPa〕。

fg—資料在枯燥形狀下的抗壓強度〔MPa〕

軟化系數(shù)反映了資料飽水后強度降低的程度，是資料吸水后性量變化的重要特征之一。普通資料吸水后，水分會分散在資料內微粒的外表，減弱其內部結合力，強度那么有不同程度的降低。當資料內含有可溶性物質時〔如石膏、石灰等〕，吸入的水還能夠溶解部分物質，呵斥強度的嚴重降低。

資料耐水性限制了資料的運用環(huán)境，軟化系數(shù)小的資料耐水性差，其運用環(huán)境尤其遭到限制。軟化系數(shù)的動搖范圍在0至1之間。工程中通常將ＫＲ＞0.85的資料稱為耐水性資料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于普通受潮較輕或次要的工程部位時，資料軟化系數(shù)也不得小于0.75。

5.抗凍性

資料吸水后，在負溫作用條件下，水在資料毛細孔內凍結成冰，體積膨漲所產生的凍脹壓力呵斥資料的內應力，會使資料遭到部分破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，資料的破壞作用逐漸加劇，這種破壞稱為凍融破壞。

抗凍性是指資料在吸水飽和形狀下，能經受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。

抗凍性以試件在凍融后的質量損失、外形變化或強度降低不超越一定限制時所能經受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級。

資料的抗凍等級可分為Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分別表示此資料可接受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。資料的抗凍性與資料的強度、孔構造、耐水性和吸水飽和程度有關。

6.資料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是資料在壓力水作用下抵抗水浸透的性能。土木建筑工程中許多資料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當資料兩側的水壓差較高時，水能夠從高壓側經過內部的孔隙、孔洞或其它缺陷浸透到低壓側。這種壓力水的浸透，不僅會影響工程的運用，而且滲入的水還會帶入能腐蝕資料的介質，或將資料內的某些成分帶出，呵斥資料的破壞。

6.1浸透系數(shù)

資料的浸透系數(shù)可經過下式計算:

式中K—浸透系數(shù),〔cm/h〕;

Q—滲水量，〔cm3〕

A—滲水面積,〔cm2〕

H— 資料兩側的水壓差，〔cm〕

d—試件厚度〔cm〕

t—滲水時間〔h〕

資料的浸透系數(shù)越小，闡明資料的抗?jié)B性越強。

6.2抗?jié)B等級

資料的抗?jié)B等級是指用規(guī)范方法進展透水實驗時，資料規(guī)范試件在透水前所能接受的最大水壓力，并以字母P及可接受的水壓力〔以0.1MPa為單位〕來表示抗?jié)B等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能接受逐漸增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不浸透。

二.資料的熱工性質

1.導熱性

當資料兩面存在溫度差時，熱量從資料一面經過資料傳導至另一面的性質，稱為資料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù)λ表示。導熱系數(shù)的定義和計算式如下所示：

式中

λ——導熱系數(shù)，Ｗ／〔ｍ·Ｋ〕；

Ｑ－傳導的熱量，Ｊ

ｄ—資料厚度，ｍ；

Ｆ——熱傳導面積，m2

Ｚ一熱傳導時間，h；

〔t2-t1〕－資料兩面溫度差，K

在物理意義上，導熱系數(shù)為單位厚度(1m)的資料、兩面溫度差為1Ｋ時、在單位時間(1s)內經過單位面積(1㎡)的熱量。

2.熱容量和比熱

資料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為資料的熱容量。單位質量資料溫度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計算式如下所示：式中

C---資料的比熱，J/〔g·K〕

Q--資料吸收或放出的熱量(熱容量)

m---資料質量，g

〔t2-t1〕--資料受熱或冷卻前后的溫差，K

3.熱阻和傳熱系數(shù)

熱阻是資料層〔墻體或其它圍護構造〕抵抗熱流經過的才干，熱阻的定義及計算式

為：

Ｒ＝ｄ/λ式中Ｒ——資料層熱阻，〔m2·K〕/W；

ｄ——資料層厚度，ｍ；

λ——資料的導熱系數(shù)，Ｗ／(ｍ·K)

熱阻的倒數(shù)１／Ｒ稱為資料層〔墻體或其它圍護構造〕的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指資料兩面溫度差為1Ｋ時，在單位時間內經過單位面積的熱量。

4.資料的溫度變形性

資料的溫度變形是指溫度升高或降低時資料的體積變化。

除個別資料以外，多數(shù)資料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。這種變化表如今單向尺寸時，為線膨脹或線收縮，相應的技術目的為線膨脹系數(shù)〔α〕。

資料的單向線膨脹量或線收縮量計算公式為：

ΔL=〔t2-t1〕·α·L

式中

ΔL--線膨脹或線收縮量〔mm或cm〕

(t2-t1〕--資料升〔降〕溫前后的溫度差〔Ｋ〕

α--資料在常溫下的平均線膨脹系數(shù)(１／Ｋ)

L---資料原來的長度〔ｍｍ或ｍ〕

土木工程中，對資料的溫度變形大多關懷其某一單向尺寸的變化，因此，研討其平均線膨脹系數(shù)具有實踐意義。資料的線膨脹系數(shù)與資料的組成和構造有關，常選擇適宜的資料來滿足工程對溫度變形的要求。

第四節(jié)資料的力學性質1.資料的強度

資料的強度是資料在應力作用下抵抗破壞的才干。通常情況下，資料內部的應力多由外力〔或荷載〕作用而引起，隨著外力添加，應力也隨之增大，直至應力超越資料內部質點所能抵抗的極限，即強度極限，資料發(fā)生破壞。

在工程上，通常采用破壞實驗法對資料的強度進展實測。將預先制造的試件放置在資料實驗機上，施加外力〔荷載〕直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞時的荷載值，計算資料的強度。

根據(jù)外力作用方式的不同，資料強度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎〔抗折〕強度等。資料的抗拉、抗壓、抗剪強度的計算式如下：

式中 f------資料強度，MPa

Fmax--資料破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2-

資料的抗彎強度與受力情況有關，普通實驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，那么其抗彎強度用下式計算：式中 fw------資料的抗彎強度，MPa

Fmax---資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，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

2.彈性和塑性

資料在外力作用下產生變形，當外力取消后可以完全恢復原來外形的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形〔或瞬時變形〕。資料在外力作用下產生變形，假設外力取消后，仍能堅持變形后的外形和尺寸，并且不產生裂痕的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形〔或永久變形〕。

3.脆性和韌性

資料受力到達一定程度時，忽然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，資料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬資料均屬脆性資料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性資料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中運用時，應留意發(fā)揚這類資料的特性。

資料在沖擊或動力荷載作用下，能吸收較大能量而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時單位面積所耗費的功表示。計算公式如下：式中ak-----資料的沖擊韌性，J/mm2

Ｗk-----試件破壞時所耗費的功，J；

A-------資料受力截面積。〔mm2〕

4.硬度和耐磨性

①硬度

資料的硬度是資料外表的鞏固程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其外表的才干。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定資料的硬度。

刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，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。

回彈法用于測定混凝土外表硬度，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、金屬等的外表硬度并間接推算其強度。

②耐磨性

耐磨性是資料外表抵抗磨損的才干。資料的耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下：式中G------資料的磨耗率，〔g/cm2〕

m1----資料磨損前的質量，〔g〕

m2-----資料磨損后的質量，〔g〕

A------資料試件的受磨面積〔cm2〕

第五節(jié)資料的耐久性

資料的耐久性是泛指資料在運用條件下，受各種內在或外來自然要素及有害介質的作用，能長久地堅持其運用性能的性質。

資料在建筑物之中，除要遭到各種外力的作用之外，還經常要遭到環(huán)境中許多自然要素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。

物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。這些作用將使資料發(fā)生體積的脹縮，或導致內部裂痕的擴展。時間長久之后即會使資料逐漸破壞。在冰冷地域，凍融變化對資料會起著顯著的破壞作用。在高溫環(huán)境下，經常處于高溫形狀的建筑物或構筑物，所選用的建筑資料要具有耐熱性能。在民用和公共建筑中，思索平安防火要求，須選器具有抗火性能的難燃或不燃的資料。

化學作用包括大氣、環(huán)境水以及運用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣