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1、第一章第一章 緒論緒論土木與水資源工程學系劉玉雯1第1页，共55页。第一章 緒論1-1 材料類型1-2 土木工程材料1-3 材料性質與量測1-4 試驗與規範1-5 品質控制國立嘉義大學 劉玉雯2第2页，共55页。第一章 緒論u土木工程國計民生相關建設工事建築、道路、橋樑、隧道、水壩、管路營造工程所使用的材料是工程品質關鍵所在u進行工程施工時更需隨時取樣檢驗，研判材料所需的各項性質u天然素材如石料、金屬、石油、土壤、水etc.u材料科技發展 奈米材料國立嘉義大學 劉玉雯3第3页，共55页。1-1 材料類型一、金屬材料二、飛金屬材料三、結晶材料四、非結晶材料五、彈性材料六、脆性材料七、延姓材料八、

2、複合材料九、圬工材料十、半導體十一、絕緣材料十二、聚合物十三、塑膠材料國立嘉義大學 劉玉雯4第4页，共55页。1-1 材料類型u金屬材料：(導電體)90%為銅、鑄鐵鐵金屬：鋼材(碳合金)含少量硫、錳、矽(鋼、生鐵、熟鐵)非鐵金屬：約70種：鋁、銅、鋅、鉛、錳u非金屬材料：(不良導體)土石、水泥、木材、塑膠、瀝青國立嘉義大學 劉玉雯5第5页，共55页。1-1材料類型u結晶材料原子排列呈現重複性形式石英、水晶、鑽石、石墨u非結晶材料原子排列為隨機或不含結晶結構(硬、脆)煤、玻璃u彈性材料受力變型後可恢復者彈簧、橡膠國立嘉義大學 劉玉雯6第6页，共55页。1-1 材料類型u脆性材料變形能力小、延性很

3、差玻璃、鑄鐵、岩石u延性材料變形能力大，破壞變形發生於彈性限度後金、銅、鋼 u複合材料多種材料混合而成混凝土、鑽泥板、R.C、S.R.C、三夾板國立嘉義大學 劉玉雯7第7页，共55页。1-1 材料類型u圬工材料為構造物之一部分石塊、磚、砂漿、黏土磚、混凝土磚u半導體材料導電性差，介於金屬和絕緣體之間應用於電子零件、電晶體、太陽能電池u絕緣材料聲、熱、電etc.有絕 緣性能的材料國立嘉義大學 劉玉雯8第8页，共55页。1-1 材料類型u聚合物材料(polymer)由一個或多個單元結合而成的鏈狀結構橡膠、塑膠、聚乙烯u塑膠材料以有機質為基材的材料熱塑性塑膠、熱固性塑膠國立嘉義大學 劉玉雯9第9页，

4、共55页。1-2 土木工程材料u應用於土木構造物上的材料通稱為土木工程材料天然：石料、木材、黏土etc.人造的：水泥、混凝土、磚、鋼筋etc.u土木材料大都是固態，分三大類：陶土，如砂、石灰石金屬，如鋼筋、鋼骨有機材料，如木、瀝青、橡膠國立嘉義大學 劉玉雯10第10页，共55页。1-2 土木工程材料依用途、生產、化學組成分類：u 依用途：構造物之主體材料，如石材、混凝土、鋼筋副材料：黏結劑、填縫劑u 依產源：天然材料：木材、石料人造材料：水泥、磚國立嘉義大學 劉玉雯11第11页，共55页。1-3 材料性能與量測u土木工程上的材料需適合目的性質經濟條件例：檔水構造物要n不透水n無裂縫n堅固n不溶

5、解國立嘉義大學 劉玉雯12第12页，共55页。1-3 材料性能與量測u土木材料基本上分成：物理性質力學性質u材料的性能是多面性的：力的作用環境影響熱的作用化學性質經濟能源節約的永續 發展國立嘉義大學 劉玉雯13第13页，共55页。1-3-1 物理性質u比重、密度密度(D)=重量(W)/體積(V)單位：g/cm3,kg/m3比重(r)=D/Dw Dw水的密度c.p.真比重 漲比重(含孔隙及水分)國立嘉義大學 劉玉雯14第14页，共55页。1-3-1 物理性質u含水率含水率=含水量/乾燥重u比電阻單位面積 通電時的電阻：比電阻()單位長度比傳導率比電阻=1(電傳導率)國立嘉義大學 劉玉雯15第15

6、页，共55页。1-3-1 物理性質u吸音律聲波(e)能量 e1:反射 e2:吸收 e3:傳入 e4:透過 反射率=e1/e透過率=e4/e 吸音率=1-(e1/e)可表示壁體的聲為性質國立嘉義大學 劉玉雯16第16页，共55页。1-3-1 物理性質u材料比重愈大，吸音率越小。吸音率又依音的震動頻率而異ex:混凝土壁0.02 木板(厚2.5cm)0.10.3u遮音率聲音透過率的倒數=遮音率 反射率遮音率=國立嘉義大學 劉玉雯17第17页，共55页。1-3-1 物理性質R=遮音量(減音量)以聲波強度單位分貝db(Decibel)表示 R=10(e/e4)or R=10 e/e4u材料比重愈大，遮音

7、能力愈好。遮音量又依 音的振動頻率而異。ex:concrete(5cm厚)40db (1.5cm厚)1025db國立嘉義大學 劉玉雯18第18页，共55页。1-3-1 物理性質u光譜與透光率光的投射與材料 1.反射 2.吸收 3.透光 三種反應光譜的指標=反射/吸收透光率=透過能/光的投影能受表面 平滑度 厚度 的影響 光線波長國立嘉義大學 劉玉雯19第19页，共55页。1-3-2 力學性質一、載重與應力二、變形與應變三、彈性及塑性四、應力-應變曲線五、彈性係數及柏松比六、強度七、彎矩、剪力及扭 力八、剛性、韌性、脆性、延性、展性九、硬度國立嘉義大學 劉玉雯20第20页，共55页。1-3-2力

8、學性質u載重與應力應力()=載重(P)/面積(A)單位:Mpa(N/mm2);kgf/cm2;psiu變形與應變應變()=變形(L)/原長度(L)國立嘉義大學 劉玉雯21第21页，共55页。1-3-2 力學性質u彈性及塑性彈性(elasticity)：材料受力變形後，除去外 力，可恢復的性質塑性(plasiticity)：材料受力變形後，除去 外力，不能恢復的性質彈性限度：外力移除後，材料能夠恢復至原 狀所能達到的最大應力。比例限度降伏點國立嘉義大學 劉玉雯22第22页，共55页。1-3-2 力學性質u應力-應變曲線國立嘉義大學 劉玉雯23第23页，共55页。1-3-2 力學性質國立嘉義大學

9、劉玉雯24第24页，共55页。1-3-2 力學性質u彈性係數及柏松比比例限度下：彈性模數：楊氏模數/E E 國立嘉義大學 劉玉雯25第25页，共55页。1-3-2 力學性質在一般作用應力以內，關係不定的材料國立嘉義大學 劉玉雯26第26页，共55页。1-3-2 力學性質u彈性模數有幾種表示法：國立嘉義大學 劉玉雯27第27页，共55页。1-3-2 力學性質u柏松比：(poissons ratio)國立嘉義大學 劉玉雯28第28页，共55页。1-3-2 力學性質u強度(strength)強度：指物體對於外力的抵抗能力，是結 構未破壞or未超過彈性範圍內。一 般以應力單位表示之強度依作用力方式：國

10、立嘉義大學 劉玉雯29第29页，共55页。1-3-2 力學性質依外力作用速度分：國立嘉義大學 劉玉雯30第30页，共55页。1-3-2 力學性質u矩矩、剪力、扭力彎曲應力：對長形物體(梁)施加彎曲作用 力時(彎矩)會產生彎曲應力 扭矩剪應力國立嘉義大學 劉玉雯31第31页，共55页。1-3-2 力學性質國立嘉義大學 劉玉雯32第32页，共55页。1-3-2 力學性質國立嘉義大學 劉玉雯33第33页，共55页。1-3-2 力學性質國立嘉義大學 劉玉雯34第34页，共55页。1-3-2 力學性質u剛性、韌性、脆性、延性、展性剛性(Rigidity)：材料受力產生變形大小的性質指標n變形小者剛性大n

11、變形大者剛性小nE(彈性模數)是一種指標韌性(Toughness)：材料承受荷重作用到破壞的能量，以吸收能表示之韌性大高應力or大變形的能力國立嘉義大學 劉玉雯35第35页，共55页。1-3-2 力學性質脆性(Brittleness)：受力產生小變形就能破壞的性質n脆性延性差延性(Ductility)：材料受到扭力時，能大幅伸長後才斷裂的性質展性(Malleability)：能碾成薄片的性質國立嘉義大學 劉玉雯36第36页，共55页。1-3-2 力學性質u硬度(Handness)：對搔刻、切斷、磨損抵抗性非金屬：用一定硬度物體摩擦其表面，由刻痕or顏色比較判定其硬度金屬：用鋼球or鑽石尖頭壓入

12、，由其深度判定硬度ex：Brinell、Rockell、Viclens 混凝土反彈錘，由垂擊後彈回高度求硬度，再推求concrete強度。(Schmit Hammer)國立嘉義大學 劉玉雯37第37页，共55页。1-4 試驗與規範1-4-1 材料試驗的定義1-4-2 材料試驗的分類1-4-3 規範之應用國立嘉義大學 劉玉雯38第38页，共55页。1-4-1 材料試驗的定義u歸納如下：證明材料的力學理論做為工程依據(結果的Data)抽樣試驗，評估合乎規範？改進材料特性，規範的訂定國立嘉義大學 劉玉雯39第39页，共55页。1-4-1 材料試驗的定義u為了減少人為誤差u達到品質管制的目的u必須依照

13、統一的標準方法u在相同條件下測定材料性質國立嘉義大學 劉玉雯40第40页，共55页。1-4-1 材料試驗的定義u規範乃是規定使用材料所需具備的各種事項，主要事項如下：工程材料的生產方法構建的形狀、大小、維修規定化學組成、物理性質規定取樣、試驗、檢驗等方法國立嘉義大學 劉玉雯41第41页，共55页。世界各國的規範組織uCNS(Chinese National Standards)國家標準(經濟部中央標準局)uASTM(American Society for Testing and Materials)美國材料試驗協會uACI(American Concrete Institute)美國混凝土學

14、會uPCA(Portland Cement Association)美國卜特蘭水泥協會國立嘉義大學 劉玉雯42第42页，共55页。世界各國的規範組織uAASHTO(American Association if State Highway and Transportation Officials)美國公路及交通官員協會uAISC(美國鋼構學會)uAISI(美國鋼構協會)uBIA(美國磚塊協會)uJIS(Japanese Industry Standards)日本工業標準國立嘉義大學 劉玉雯43第43页，共55页。世界各國的規範組織uBS(British Standards)英國國家標準uDIN

15、(德國工業標準)uANSI(美國國家標準學會)國立嘉義大學 劉玉雯44第44页，共55页。1-4-2 材料試驗的分類u標準試驗依照規範進行的試驗u研究試驗改良材料性質提昇解析能力需對實驗原理與方法進行國立嘉義大學 劉玉雯45第45页，共55页。1-4-2 材料試驗的分類u材料試驗分三大類機械試驗-,強度,力學性質顯微或光檢驗-補目之不足化學試驗-分析材料的組成國立嘉義大學 劉玉雯46第46页，共55页。1-4-3 規範之應用uASTM(1898)最常被參考引用材料和試驗的規範 材料規範：定義，材料的行程，施作建議 試驗規範：說明試驗程序的執行和描述u本書參用的規範主要為CNS ASTM國立嘉義

16、大學 劉玉雯47第47页，共55页。1-4-3 規範之應用u綜覽施工材料的物理、力學、化學性質，便於設計與構築安全且耐久的構造物例：SW級的黏土磚單元（ASTM標準規範 C62）須符合規範要求的一些物理性質，如最小抗壓強度要求 國立嘉義大學 劉玉雯48第48页，共55页。1-5 品質控制1-5-1 品質之差異1-5-2 品質保證國立嘉義大學 劉玉雯49第49页，共55页。1-5-1 品質之差異u天然材料：木材、石材u使用天然原料製造的人造材料 ex：水泥、混凝土、鋼筋等品質可能有相當大的差異，主要原因為：原料品質之變化 製造中所發生的偏差 試驗時的誤差國立嘉義大學 劉玉雯50第50页，共55页

17、。1-5-1 品質之差異u若要(強度)變動情形，可用常態分布圖(高斯分佈)若曲線之高度大，下面寬度小變動小若曲線之高度低，下面寬度大變動大國立嘉義大學 劉玉雯51第51页，共55页。1-5-1品質之差異u學生-t分部曲線是試樣較少的常態分佈曲線u常態分佈：國立嘉義大學 劉玉雯52第52页，共55页。1-5-1 品質之差異u學生-t分佈u變動係數：使用變動係數：可排除平均值()變大而標準偏差()隨之變大之影響。(%)100%V國立嘉義大學 劉玉雯53第53页，共55页。1-5-2 品質保證國立嘉義大學 劉玉雯54第54页，共55页。1-5-2 品質保證u變動係數用以表示分佈之敏感度ex：V=15%(一個)表示總數之68.3%在以平均值為中心之15%範圍內/100%國立嘉義大學 劉玉雯55第55页，共55页。