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2023-10-11
建筑材料力学性质分析：任务二成果
【摘要】：建筑材料的力学性质是指材料在外力作用下，抵抗破坏的能力和变形方面的性质。它对保证建筑物最基本的安全性至关重要。一栋建筑的安全性主要由结构设计和结构材料的性能来保证，作为设计人员，在进行设计选材时，要特别关注结构材料的力学性质。各种材料的强度差别较大，将建筑材料划分为若干强度等级后，更便于建筑工程技术人员掌握材料的性质、合理选用材料、正确进行设计和施工以及控制工程质量。
【任务背景】 建筑材料的力学性质是指材料在外力作用下，抵抗破坏的能力和变形方面的性质。它对保证建筑物最基本的安全性至关重要。一栋建筑的安全性主要由结构设计和结构材料的性能来保证，作为设计人员，在进行设计选材时，要特别关注结构材料的力学性质。
1.强度
1）材料的强度
强度是材料在应力（荷载）作用下抵抗破坏的最大能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯或抗折强度等。工程上，材料的强度值大多在特定条件下采用标准试件静力破坏试验法来测定，故称为静力强度。材料在各种状态下的受力特点和计算方法，见表2-3。
表2-3 材料在各种状态下的受力特点和计算方法
材料的强度与它的组成和构造特点有关。不同材料具有不同抵抗外力的能力，同一种材料强度的大小，一般情况下随其孔隙率的增大而降低。
另外，材料的强度还与其试验条件密切相关。如试件的形状与尺寸、试验装置情况、试件表面的平整度、试验时的加荷速度、温度和湿度条件，以及材料本身的含水状态等都对试验结果有影响。对于同种材料，通常情况下试件的形状相同时，尺寸越大（高宽比越大），强度值越小；试验时的加荷速度越快，强度值越大；含水状态不同，强度测定值不同，通常干燥状态下的强度要大于水饱和状态下的强度，水饱和状态下的强度又要大于冻融循环状态下的强度；表面粗糙时的强度测定值大于表面光滑时的强度测定值。除了这些试验条件的影响外，试验机的精度、操作人员的技术水平等也对试验强度值的准确性有影响。所以，材料的强度试验只能提供一定条件下的强度指标。为了得到具有可比性的试验结果，就必须严格遵照规定的标准试验方法进行试验。工程中，常用建筑材料的强度见表2-4。
表2-4 几种常用建筑材料的强度
2）强度等级
建筑材料常按其强度的大小划分成若干个等级，称为强度等级。各种材料的强度差别较大，将建筑材料划分为若干强度等级后，更便于建筑工程技术人员掌握材料的性质、合理选用材料、正确进行设计和施工以及控制工程质量。
3）比强度
比强度是反映材料单位体积质量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，比强度大则表明材料轻质高强，优质的结构材料必须具有较高的比强度。
通常，在高层建筑、大跨度结构、软土地基中，要特别考虑材料自重与结构受力要求之间的关系，宜选用比强度大的建筑材料。
【课堂思考与讨论2-8】(www.chuimin.cn)
松木、低碳钢与普通混凝土的比强度分别为0.0680，0.0301，0.0125，试将这3种材料按轻质高强的优良程度进行排序并说明理由。
2.弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种能够完全恢复的变形称为弹性变形；反之，当外力取消仍保持变形后的形状和大小，并且不产生裂缝及破坏的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形。
实际上，单纯的弹性和塑性材料都是不存在的。材料在一定限度荷载作用下表现出弹性，当荷载超出这一限度后就出现塑性，例如，钢材和混凝土的受力变形就是这样的。
3.脆性与韧性
当外力达到一定限度时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时不出现明显塑性变形的性质称为脆性。砖、石材、玻璃、陶瓷、混凝土、铸铁等都属于脆性材料。这类材料抵抗冲击和震动的能力差，其抗压强度往往比抗拉强度高得多，因此，它们主要用于基础、墙体、柱子等受压的建筑部位。
在冲击、振动荷载的作用下，材料能够承受较大的变形也不致破坏的性能称为韧性（或冲击韧性）。建筑工程中，钢材、木材、沥青混凝土等都属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构材料都应考虑其韧性。
4.硬度与耐磨性
硬度是指材料表面抵抗其他物体刻画或压入的能力。通常，天然矿物的硬度采用刻画法测定，其评定指标为莫氏硬度；钢材、木材、混凝土等材料的硬度采用钢球压入法测定，其评定指标为布氏硬度（HB）。
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，通常用磨损率N表示，即
式中 m1——试件磨损前的质量，kg；
m2——试件磨损后的质量，kg；
A——试件受磨损的表面积，m2。
建筑工程中用于地面、楼梯踏步、人行道路等部位的材料，均应考虑其硬度和耐磨性。一般强度较高的材料，其硬度较大，耐磨性较好。
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