第一章 緒論 土木與水資源工程學系 劉玉雯

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

第一章 緒論 土木工程－國計民生相關建設工事 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 材料科技發展 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-1 材料類型 一、金屬材料 八、複合材料 二、飛金屬材料 九、圬工材料 三、結晶材料 十、半導體 四、非結晶材料 十一、絕緣材料 五、彈性材料 六、脆性材料 七、延姓材料 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-1 材料類型 金屬材料：(導電體) 非金屬材料：(不良導體) 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-1材料類型 結晶材料 非結晶材料 彈性材料 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-1 材料類型 脆性材料 延性材料 複合材料 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 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

1-1 材料類型 圬工材料 半導體材料 絕緣材料 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-1 材料類型 聚合物材料(polymer) 塑膠材料 由一個或多個單元結合而成的鏈狀結構 橡膠、塑膠、聚乙烯… 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

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 土木材料大都是固態，分三大類： 天然 ：石料、木材、黏土etc. 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

1-2 土木工程材料 依用途、生產、化學組成分類： 依用途： 依產源： 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 天然材料：木材、石料 人造材料：水泥、磚 國立嘉義大學 劉玉雯

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 不透水 無裂縫 堅固 不溶解 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3 材料性能與量測 土木材料基本上分成： 材料的性能是多面性的： 物理性質 力學性質 化學性質 力的作用 經濟 環境影響 能源節約的永續 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

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) 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-1 物理性質 含水率 比電阻 含水率=含水量/乾燥重 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) 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-1 物理性質 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 可表示壁體的聲為性質 國立嘉義大學 劉玉雯

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 遮音率 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-1 物理性質 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。 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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-1 物理性質 光譜與透光率 光的投射與材料 1.反射 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 光線波長 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

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

1-3-2力學性質 載重與應力 變形與應變 應力(σ)=載重(P)/面積(A) 應變(ε)=變形(ΔL)/原長度(L) 單位:Mpa(N/mm2);kgf/cm2;psi 變形與應變 應變(ε)=變形(ΔL)/原長度(L) 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 應力-應變曲線 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 彈性係數及柏松比 比例限度下： 彈性模數： 楊氏模數 國立嘉義大學 劉玉雯

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

1-3-2 力學性質 彈性模數有幾種表示法： 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 柏松比：(poisson’s ratio) 國立嘉義大學 劉玉雯

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： 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 依外力作用速度分： 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 國立嘉義大學 劉玉雯

1-3-2 力學性質 國立嘉義大學 劉玉雯

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 韌性大→高應力or大變形的能力 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 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

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

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 Testing and Materials)美國材料試驗協會 ACI(American Concrete Institute)美國混凝土學會 PCA(Portland Cement Association)美國卜特蘭水泥協會 國立嘉義大學 劉玉雯

世界各國的規範組織 AISC(美國鋼構學會) AISI(美國鋼構協會) BIA(美國磚塊協會) 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 國立嘉義大學 劉玉雯

世界各國的規範組織 DIN(德國工業標準) ANSI(美國國家標準學會) BS(British Standards)英國國家標準 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

1-4-3 規範之應用 ASTM(1898~)最常被參考引用 本書參用的規範主要為 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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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 國立嘉義大學 劉玉雯

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： 國立嘉義大學 劉玉雯

1-5-1 品質之差異 學生-t分佈 變動係數： 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。 國立嘉義大學 劉玉雯

1-5-2 品質保證 國立嘉義大學 劉玉雯

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) 表示總數之68.3%在以平均值為中心之15% 範圍內 國立嘉義大學 劉玉雯