Transcript 第一章 - 國立嘉義大學

第一章 緒論
土木與水資源工程學系
劉玉雯
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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
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第一章 緒論
 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
 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
 天然素材
－如石料、金屬、石油、土壤、水etc.
 材料科技發展
－ 奈米材料
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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
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八、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
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1-1 材料類型

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
－

非金屬材料：(不良導體)
－
土石、水泥、木材、塑膠、瀝青
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1-1材料類型

結晶材料
－
－

非結晶材料
－
－

原子排列呈現重複性形式
石英、水晶、鑽石、石墨
原子排列為隨機或不含結晶結構(硬、脆)
煤、玻璃
彈性材料
－
－
受力變型後→可恢復者
彈簧、橡膠
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1-1 材料類型

脆性材料
－
－

延性材料
－
－

變形能力小、延性很差
玻璃、鑄鐵、岩石
變形能力大，破壞變形發生於彈性限度後
金、銅、鋼
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
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1-1 材料類型

圬工材料
－
－

半導體材料
－
－

為構造物之一部分
石塊、磚、砂漿、黏土磚、混凝土磚
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
絕緣材料
－
聲、熱、電etc.有絕 緣性能的材料
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1-1 材料類型

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…
－

塑膠材料
以有機質為基材的材料
－ 熱塑性塑膠、熱固性塑膠
－
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1-2 土木工程材料

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.
－

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
－
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1-2 土木工程材料
依用途、生產、化學組成分類：
 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
－

依產源：
天然材料：木材、石料
－ 人造材料：水泥、磚
－
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1-3 材料性能與量測

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
－




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不透水
無裂縫
堅固
不溶解
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1-3 材料性能與量測

土木材料基本上分成：
物理性質
－ 力學性質
－

－
化學性質
材料的性能是多面性的：
力的作用
－ 環境影響
－ 熱的作用
－
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經濟
－ 能源節約的永續
發展
－
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1-3-1 物理性質

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)
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1-3-1 物理性質

含水率
－

含水率=含水量/乾燥重
比電阻
單位面積
通電時的電阻：比電阻(Ω)
單位長度
比傳導率‧比電阻=1
(電傳導率)
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1-3-1 物理性質

吸音律
聲波(e)能量
e1:反射
反射率=e1/e
e2:吸收
透過率=e4/e
e3:傳入
吸音率=1-(e1/e)
e4:透過
可表示壁體的聲為性質
－
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1-3-1 物理性質

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)≒0.1~0.3
遮音率
－
聲音透過率的倒數=遮音率
∴反射率×遮音率=１
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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/㏒e4]
－
－

材料比重愈大，遮音能力愈好。遮音量
又依 音的振動頻率而異。
ex: concrete (5cm厚)40db
(1.5cm厚)10~25db
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1-3-1 物理性質

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
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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
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1-3-2力學性質

載重與應力
應力(σ)=載重(P)/面積(A)
單位:Mpa(N/mm2);kgf/cm2;psi

變形與應變
－
應變(ε)=變形(ΔL)/原長度(L)
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1-3-2 力學性質

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
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1-3-2 力學性質

應力-應變曲線
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1-3-2 力學性質
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1-3-2 力學性質

彈性係數及柏松比
－ 比例限度下： 
彈性模數： E   / 
－ 楊氏模數
－
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  E
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1-3-2 力學性質
在一般作用應力以內，關係不定的材料
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1-3-2 力學性質

彈性模數有幾種表示法：
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1-3-2 力學性質

柏松比：(poisson’s ratio)
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1-3-2 力學性質

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：
－
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1-3-2 力學性質
－
依外力作用速度分：
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1-3-2 力學性質

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
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1-3-2 力學性質
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1-3-2 力學性質
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1-3-2 力學性質
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1-3-2 力學性質

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



－
變形小者→剛性大
變形大者→剛性小
E(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

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韌性大→高應力or大變形的能力
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1-3-2 力學性質
－
脆性(Brittleness)：受力產生小變形就能破壞
的性質

－
－
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
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1-3-2 力學性質

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，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)
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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
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1-4-1 材料試驗的定義

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
－
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1-4-1 材料試驗的定義
為了減少人為誤差
 達到品質管制的目的
 必須依照統一的標準方法
 在相同條件下測定材料性質

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1-4-1 材料試驗的定義

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
－
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世界各國的規範組織

CNS(Chinese National Standards)國家標準(經
濟部中央標準局)


ASTM(American Society for
Materials)美國材料試驗協會
Testing
and
ACI(American Concrete Institute)美國混凝土
學會

PCA(Portland Cement Association)美國卜特蘭
水泥協會
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世界各國的規範組織

AASHTO(American Association if State
Highway and Transportation Officials)美國公
路及交通官員協會
 AISC(美國鋼構學會)
 AISI(美國鋼構協會)
 BIA(美國磚塊協會)

JIS(Japanese Industry Standards) 日本工業標
準
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世界各國的規範組織

BS(British Standards)英國國家標準
DIN(德國工業標準)
 ANSI(美國國家標準學會)

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1-4-2 材料試驗的分類

標準試驗
－

依照規範進行的試驗
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
－
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1-4-2 材料試驗的分類

材料試驗分三大類
機械試驗-σε,強度,力學性質
－ 顯微或Ｘ光檢驗-補目之不足
－ 化學試驗-分析材料的組成
－
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1-4-3 規範之應用

ASTM(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
－

本書參用的規範主要為
CNS
－ ASTM
－
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1-4-3 規範之應用

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
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1-5 品質控制
1-5-1 品質之差異
1-5-2 品質保證
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1-5-1 品質之差異
天然材料：木材、石材
 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
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1-5-1 品質之差異

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
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1-5-1品質之差異
學生-t分部曲線是試樣較少的常態分佈
曲線
 常態分佈：

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1-5-1 品質之差異


學生-t分佈
變動係數：
－
V (% ) 


 100%
使用變動係數：可排除平均值(μ)變大而標
準偏差(σ)隨之變大之影響。
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1-5-2 品質保證
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1-5-2 品質保證

變動係數用以表示分佈之敏感度
ex：V=15%(一個σ)    /   1 0 0 %
－ 表示總數之68.3%在以平均值為中心之15%
範圍內
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