建筑材料力学性质判定与应用

任务目标

1.能够进行建筑材料力学性质判定。

2.能够对建筑材料力学性质进行相关工程应用。

建筑材料力学性质——强度

基本知识

材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时应力达到的极限值称为材料的极限强度，常用f表示。材料强度的单位为兆帕（MPa）。材料实际强度是通过静力试验来测定的，通过标准试件的标准试验方法测得的。根据受力方式不同，可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯（折）强度等，如图1-2所示。

图1-2　材料的受力状态

（a）抗压；（b）抗拉；（c）抗剪；（d）抗弯

其中，抗压强度、抗拉强度、抗剪强度在计算时，是以材料破坏时的最大荷载除以材料的受力面积得到的。其计算公式如下：

式中　f——材料的强度（MPa）；

F——破坏时的最大荷载（N）；

A——材料的受力面积（mm2）。

材料的抗弯强度与材料受力情况、截面形状及支承条件等有关。对矩形截面的条形试件，在两端支承，中间作用集中荷载的情况下，抗弯强度按以下公式来计算：

式中　f——抗弯强度（MPa）；

F——受弯时破坏荷载（N）；

l——两支点间的距离（mm）；

b、h——材料截面的宽度、高度（mm）。

在实际工程中，评定水泥抗折及抗压强度；混凝土、砂浆和墙体材料的抗压强度及钢筋拉伸试验中确定屈服强度和抗拉强度，都会用到强度的相关计算公式。

材料的强度和它的多种因素有关，主要为成分和结构。材料的种类不同，强度不同。而同一种材料，其孔隙率及结构特征不同，强度也会不同。通常情况下，材料的表观密度越小、孔隙率越大，其强度越低。

材料的强度值还与测试条件有很大关系，具体来说就是与试件的形状、尺寸、表面状态、含水程度、温度及加载速度等因素有关。因此，国家规定了试验方法，测定强度时应严格遵守。

强度等级是材料按强度分级，建筑材料常按其强度值的大小划分为若干等级或牌号。脆性材料按抗压强度划分，钢材按屈服强度划分。如烧结普通砖按抗压强度分为MU10等5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为42.5等6个强度等级；普通混凝土按抗压强度分为C15等14个强度等级；碳素结构钢按屈服强度分为Q235等4个牌号。

建筑材料按强度划分等级或牌号，对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者在生产中控制产品质量时有据可依，从而确保产品的质量。对使用者而言，则有利于掌握材料的性能指标，便于合理选用材料、正确进行设计和控制工程施工质量。

强度和强度等级的区别与联系：强度指的是材料的极限值，是唯一的实测值；强度等级是人为规定的强度范围，强度等级的确定必须以其极限强度值为依据，每个强度等级则包含一定范围内的强度值。

在不同强度的材料进行比较时，为了衡量材料轻质高强性能，还需要用到比强度这一重要指标。比强度是材料强度与其表观密度之比。比强度越大，说明材料越轻质高强，其达到相应强度所用的材料质量越轻。优质的结构材料应具有较高的比强度，才能尽量以较小的截面面积满足强度要求，同时可以大幅度减小结构本身的质量。

微课：建筑材料的强度及其在工程中的应用

任务准备

计算机、演示文稿等。

任务组织

（1）五人一组，其中一名学员担任组长，负责组织其余学员在日常生活、学习中，通过网络下载或拍照收集与建筑材料力学性质相关的技术指标参数值，包括材料抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯（折）强度值。

（2）每组按照各自收集到的不同力学性质技术指标参数，有针对性地介绍、讲解其数值大小对相关力学性质的影响，并在此基础上对相关力学性质进行工程应用。

（3）每组完成后，其他组同学对其进行点评和补充。

注意事项(www.xing528.com)

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

任务训练流程

实训项目：建筑材料力学性质判定与应用（一）

建筑材料力学性质——弹性与塑性、脆性与韧性、硬度与耐磨性

基本知识

1.弹性与塑性

（1）弹性。弹性是指材料受力后产生变形，外力取消后材料完全恢复到原来状态的性质。明显具备这种特性的材料称为弹性材料。弹性材料在外力卸载后会恢复到没有受力时的情况，这种变形称为弹性变形。材料受力后应力与应变的比值称为材料的弹性模量。其值越大，材料受外力作用时越不易产生变形。

（2）塑性。塑性是指材料在受力后产生变形外力取消后材料仍保持变形后的形状且不产生破裂的性质。明显具备这种特性的材料称为塑性材料，通常是指在常温、静荷载下具有塑性的材料，可进行模锻、冲压、挤压等加工或成型，具有较强的抗冲击、抗振动能力，如低碳钢、铜、铝、塑料、橡胶等。这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。

不存在单纯的弹性或塑性材料，各种材料在不同应力下，通常表现出不同的变形性质。

2.脆性与韧性

（1）脆性。脆性是指材料在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度，破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。脆性材料直到断裂前只出现很小的弹性变形而不出现塑性变形。

（2）韧性。韧性是指材料受到使其发生形变的力时对折断的抵抗能力，其定义为材料在断裂前所能吸收的能量与体积的比值。具有这种性质的材料称为韧性材料，如建筑钢材、沥青混凝土等。韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。建筑钢材（软钢）、木材、塑料等是较典型的韧性材料。路面、桥梁、超重机梁及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。材料的韧性用冲击试验来检验。

3.硬度与耐磨性

（1）硬度。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。不同材料的硬度测定方法不同，通常采用的有刻划法和压入法两种。刻划法是以适当的力使材料在一根金属棒上划过（金属棒的一端硬渐变到另一端来），根据金属棒上出现划痕的位置确定被测材料的硬度，常用于测定天然矿物的硬度、钢材、木材及混凝土等的硬度常用钢球压入法测定，用一定的荷载将规定的压头压入被测材料，根据材料表面局部塑性变形的程度比较被测材料的软硬，材料越硬，塑性变形越小。材料的硬度越大则其耐磨性越好，但不易加工。工程中有时也可用硬度间接推算材料的强度，如回弹法测定混凝土的强度。用一弹簧驱动的重锤，通过弹击杆（传力杆），弹击混凝土表面，并测出重锤被反弹回来的距离，以回弹值（反弹距离与弹簧初始长度之比）作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种方法，目前该检测方法在混凝土工程上应用很广泛。

（2）耐磨性。耐磨性是指材料抵抗机械磨损的能力。在一定荷重的磨损条件下，单位面积在单位时间的磨耗，用试样的磨损量来表示。它等于试样磨前质量与磨后质量之差除以受磨面积，以材料在规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示。磨损率越大，则材料的耐磨性越差。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度、温度、塑性和韧性、表面粗糙度等有关。在建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，应具有较高的耐磨性，一般来说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。

任务准备

计算机、演示文稿等。

任务组织

（1）五人一组，其中一名学员担任组长，负责组织其余学员在日常生活、学习中，通过网络下载或拍照收集与建筑材料相关的一些弹性、塑性、脆性、韧性、硬度和耐磨性较为优越的建筑材料。

（2）每组按照各自收集的弹性、塑性、脆性、韧性、硬度和耐磨性较为优越的建筑材料，有针对性地介绍、讲解其优劣对相关力学性质的影响，并在此基础上对相关力学性质进行工程应用。

（3）每组完成后，其他组同学对其进行点评和补充。

注意事项

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

任务训练流程

实训项目：建筑材料力学性质判定与应用（二）

问题情景

在实际工程中，对进场的钢筋应进行抽样检测，测得的抗拉强度实测值、屈服强度实测值和屈服强度标准值三者之间需要满足哪种关系，以进一步验证钢筋合格。

要求钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25，屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3。