漆膜附着力的六等级及漆膜的力学性质与附着力

作为保护层的涂料，经常受到各种力的作用，如摩擦、冲击、拉伸等，因此要求漆膜有必要的力学性能。为了评价漆膜的力学性质，涂料工业本身发展了一系列测试方法，但这些方法只能提供具体材料性能优劣的数据，而不能给出漆膜力学性能的规律、特点及其与漆膜结构之间的关系。另一方面，由于聚合物材料的广泛应用，有关聚合物材料的力学性质已进行了广泛而深入的研究，涂料也是一种聚合物材料，且包括了聚合物材料的各种形式，如热塑性材料，热固材料、复合材料、聚合物合金等等，因此用已有的聚合物材料学的知识来了解和总结漆膜力学性质是很有意义的。但是，涂料和塑料、橡胶、纤维等典型的聚合物材料又有不同，漆膜的性能是和底材密切联系的，换言之，聚合物材料的规律和理论只和自由漆膜的性质有直接关联。如何将自由漆膜与附着在底材上的实际漆膜的性能联系起来，仍是一

个需要研究的课题，但无论如何，有关自由漆漆膜是和底材结合在一起的，因此漆膜和底材之间的附着力对漆膜的应用性能同样有重要影响。附着力的理论和规律是粘合剂研究的重要课题，因此涂料和粘合剂有着密切的关系，粘合剂的理论对于涂料同样有重要的参考价值。

1、无定型聚合物力学性质的特点

材料的力学性质主要是指材料对外力作用响应的情况。当材料受到外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几何形态和尺寸将产生变化，而几何尺寸变化的难易又与材料原有的尺寸有关，用原有尺寸除以受力后的形变尺寸就称为应变。材料发生应变时，其分子间和分子内的原子间的相对位置和距离便要发生变化。由于原子和分子偏离原来的平衡位置，于是产生了原子间和分子间的回复内力，它抵抗着外力，并倾向恢复到变化前的状态。达到平衡时，回复内力与外力大小相等，方向相反。定义单位面积上的回复内力为应力，其值与单位面积上的外力相等。产生单位形变所需的应力称为模量。

模量=应力/应变

根据外力形式不同，如拉伸力、剪切力和静压力，模量分别称为杨氏模量、剪切模量和体积模量。从材料的观点来看，模量是材料抵抗外力形变能力，它与材料的化学结构和聚集态结构有关，是材料最重

要的参数。

①模量与温度的关系

将无定形聚合物材料的模量与温度作图，可得如下图的典型曲线。在t＜tg的低温下模量很高（109帕斯卡数量级），这便是玻璃态的聚合物的特征。当温度升高到t≥tg时，模量急剧下降，然后又到达一个平台（模量为107帕斯卡数量级）这时材料模量较低，容易变形，变成橡胶状具有弹性，通常称为高弹态或橡胶态。玻璃态与高弹态的转变温度便是玻璃化温度tg。当温度进一步升到足以使分子间的相对运动速度与观察时间相当时，便进入粘流态，即液态。高弹态和玻璃态被称为固态。玻璃态的高聚物力学性质还可随温度的高低分为“硬”玻璃态和“软”玻璃态两个区，两个区的分界温度称为脆折温度tb。低于tb温度时，聚合物材料是脆性的；高于tb的玻璃态聚合物材料具有延展性或称韧性，外力作用下可发生较大的形变，除去外力，试样的大形变不能完全回复，除非将试样升温至tg以上。这种在软玻璃态发生的大形变称为强迫高弹形变，它和在高弹态发生的高弹形变本质上是相同的。在tb以下只能发生普弹形变，若外力过大，便发生脆裂。漆膜的使用最低温度应高于tb。

②粘弹性与力学松弛

一个理想的弹性体，受外力作用，平衡形变是瞬时达到的，与时间无关（普弹形变）；一个理想的粘流体，受外力作用，形变随时间而变化；无定形聚合物材料介于两者之间，属粘弹性材料。由于聚合物的链段运动和链的整体运动都需要一定的时间，因此聚合物在受外力作用时，不能立即到达平衡，形变的建立需要一定的时间，当外力保持恒定时，形变随时间的延长而增大，这种现象叫做蠕变。形变发生以后，撤除外力，聚合物材料不能立刻回复到无应力状态，应力的消除也需要时间，因此聚合物材料的力学性能往往同它的“历史”有关。另一方面，如果使聚合物的形变固定不变，可以观察到其应力随作用时间的延长而下降，这种现象称为应力松弛。蠕变和应力松弛都属于力学松弛，即力学性质随时间而改变。右图是不同材料在恒定应力下形变与时间的关系。从图中可以看出，交联聚合物和线性聚合物都属粘弹形变，但也有不同。线性聚合物由于分子间没有化学交联而可相对滑移，产生粘性流动（或称塑性形变），一旦产生粘性流动，形变不同材料在恒定应力下形变与时间的关系便不能恢复；交联的聚合物则因分子间互相牵制，其形变在外力撤销后可逐渐恢复。力学松弛和温度有关，它在材料的玻璃化转变区表面得最为明显。力学松弛也和时间有关，如果固定温度，以模量对作用时间作图，也可得到如上‘无定形聚合物的温度-模量曲线图’那样的曲线。因此，对于聚合物材料来说，延长作用时间和提高温度有相似的效果。已经证明，作用时间和温度之间可以进行等效的交换，利用这种等效应性，可以根据较高温度下的实验结果来推断很长作用时后的聚合物材料的力学性能。

③动态力学松弛

聚合物材料往往受到交变应力（应力大小周期地变化）作用，例如木器漆膜受到膨胀与收缩的反复作用。在交变应力作用下，相应的形变也会有周期性变化。将两者并不同步的变化记录下来可得两条波形相似但有位差的曲线，如右图

应力曲线1的数学表示式为

σ(t)=σ0sinωt(1)

应变曲线2为

ε(t)=ε0sin(ωt－δ)(2)

式中(1)和(2)中的ω为应力变化的角频率，σ0为峰值应力，

ε0为峰值应变，两个波形的相位差，即应力峰与应变峰间交变应力应变曲线

的距离为δ，它们间可得出如下关系：

σ0cosδ/ε0＝e′⑶

σ0sinδ/ε0＝e″⑷

e″/e′＝tanδ⑸

其中e′称为贮能模量；e″称为损耗模量；tanδ称为正切损耗或称内耗，是材料在交变应力作用下弹性能换变为热能的分数。

从上面的‘交变应力应变曲线’图可以看出，形变发生总是落后于应力的变化，这种现象称为滞后现象。滞后现象来源于分子之间的内摩擦。形变回复到原状时要克服内摩擦做功，所做的功被转化为热能。

2、漆膜的强度

①应力-应变曲线与聚合物的强度

聚合物材料受拉伸力作用而发生伸长，在拉伸至断裂发生之前的应力-应变（以伸长率表示）曲线称为拉伸曲线，曲线的终点是材料断裂的点，即为材料强度的表示。

在右图中曲线1—3为典型的玻璃态聚合物拉伸曲线。曲线3上的c点为断裂点，该点的应力称为断裂应力或抗张强度，a点为弹性极限，在a点和原点之间应变与应力成直线关系，oa直线的斜率为其模量，此时聚合物的形变来自高分子链的键长与键角的变化，应力除去后可迅速回复，为普弹形变，具有高模量低形变的性质，曲线在b点时应力出现极大值，称屈服应力或屈服强度σy，过了b点应力反应变曲线面降低，在b点前的断裂称为脆性断裂，如图曲线1所示。在屈服点后的断裂如图曲线2则称为韧性断裂。材料在屈服后，出现较大形变，这便是强迫高弹形变，这时玻璃态聚合物被冻结的分子链段在强大外力作用下开始运动，这种运动导致链的伸展，因而发生较大形变，由于聚合物处于玻璃态，在外力除去后，舒展的分子不会自动恢复原状。分子链伸展后，便形成了一定的取向，使强度进一步提高，欲使发生进一步的形变，便要有更强大的力，因此应力回升直至断裂。曲线1发生在温度远远低于tg的情况，最后应变不到10%，表现为硬而脆的性质。曲线2代表了温度低于tg，但高于tb的情况总的应变不超过20%，呈硬而强的性质。曲线3发生在温度稍低于tg的情形，表现出强韧的性质，有很大的形变。曲线4代表了处于高弹态聚合物的情况，由于在高弹态，分子链段可以自由运动，因此在低的外力作用下便可发生大形变，它具有低模量，大形变特点，有很高的断裂伸长率。聚合物在屈服点后，经取向的聚合物分子，在外力作用下还可发生分子间的相对滑动，这种滑动形成的形变，便是所谓的塑性形变，是不可逆的形变。交联聚合物由于分子间受到化学键的限制，

塑性形变难以发生。

为了得到硬而强的聚合物材料，聚合物分子不应是柔性的，由于在玻璃态发生强迫高弹形变要求分子链段运动比较容易，柔性聚合物在玻璃态分子间堆积紧密，要使其链段运动需要很大的外力，甚至超过材料的强度，这和为了使材料具有很好的高弹态性质是不同的，高弹体要求分子有很好的柔性链结构。柔性很好的聚合物在玻璃态是脆性的，它们的tb和tg很接近。

②漆膜的展性

用于卷钢，罐头等涂料在金属表面成膜后要经受加工成形时的各种考验，要求漆膜在加工成形时，即使受到很大的形变，不至断裂，也不至过分的减薄。在加工时，不仅拉伸力，而且还有压缩力，而且位置不同，受力也不同，因此很难有相应的测试方法来准确地予以描述。但是，无疑聚合物材料是否适应这种要求，是和其应-应变曲线相关的，而最重要的又是拉伸曲线的情况，其中断裂伸长是一个重要量度。如果聚合物膜处于硬玻璃态，即在脆折温度以下，断裂伸长很低，漆膜是硬而脆的，在加工中必然脆裂。如果漆膜是在高弹态，漆膜尽管有很大的伸长，在外力撤销后有很大的回弹力，但漆膜很软。理想的情况是漆膜处于软玻璃态，即处于脆折温度tb以上和玻璃温度tg以下。此时漆膜在外力作用下有相当大的伸长（强迫高弹形变），而且

这种形变可保留下来，即漆膜有一定的展性，漆膜表现出硬和韧的性质。因此选择涂料的成膜物时，不仅要注意其tg而且要注意tb，通常将tg和tb之差除以tg所得之值q作为展性高低的衡量。式：q＝(tg—tb)/tg聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）和聚苯乙烯（ps）玻璃化温度很接近，但pmma比ps具有更好的加工性质，其原因在于pmma的tb远远低于ps的tb。在tb和tg之间的聚合物分子虽然不能有链段的自由运动，但它们的基团仍可进行转动，ps上的苯基转动困难，而pmma的酯基转动比较容易，因此ps比pmma表现得更为脆性。下表列举了几种典型聚合物材料tg，tb和q值，以供比较。

③漆膜的伸长与复原

木器对涂料的要求是多方面的，但很重要的是其伸长与复原性质，漆膜必须能随木器的吸水膨胀而伸长，又能随木器的干燥收缩而复原。通常伸长不够可引起漆膜沿木器纹理方向产生裂纹，因此断裂伸长和裂纹有密切关系。另外，如果伸长后的漆膜不能随木器的收缩而恢复的话，则可产生皱纹。如果漆膜处于软玻璃态，即有展性的状态，它在木器膨胀时，可因强迫高弹形变而有较大的伸长，这种形变，如前所述，是链段运动引起分子取向的结果，外力撤销后，不能完全复原，即使对其加反方向的力（即收缩时的力），也不可能复原。如果漆膜处于tg以上的高弹态，可有很高的伸长率，由于形变发生在链段可以自由运动的情况下，撤除外力，特别是有反向收缩作用时，形

变易于恢复。另一方面，当木器膨胀引起的漆膜形变被长期保持时，由于力学松弛，应力可逐渐减小。木器的膨胀与收缩的速度不同，漆膜的断裂情况也不同，这可从右图的聚合物在不同应变速度下的应力-应变曲线中了解这一特点：图中最低的应力-应变曲线是在极慢的应变速度下测定的，可以认为此曲线是和时间无关的平衡线。随着应变速度的增加断裂伸长也逐渐增加，最后可达一个最大值（h）；应变速度再高时，断裂伸长又减少，断裂点的轨迹形成扇形曲线。如果形变以某一恒定速度到达a点然后保持形变不变，由于应力松弛，应力逐渐下降，直至到达底部曲线相交的c点，由于c点不在断裂扇形曲线上，因此聚合物材料不会断裂。但如果应变不是在a点，而是发展到b点，当固定应变时，应力一定时间后要降至d点，即与断裂扇形曲线的交点，此时聚合物便会断裂。要据上述讨论，木器的漆膜最好是处于高弹态，特别是tg转变区附近。因此一般木器漆漆膜的tg应低于室温。

④漆膜的耐磨性

涂料的耐磨性和漆料的磨擦系数、脆性、弹性有关。实验结果证实，耐磨性和断裂功有密切关系，断裂功可以由应力-应变曲线所包围的面积来衡量。已经讨论过，应力和应变曲线的形成是和应变的速度相关的，为了衡量耐磨性，应该是用相应于磨擦速度的断裂功。由于测试方法的限制，有时在室温测得的耐磨性数据往往和实际结果不符，

其原因可能是应变速度和应力时间不匹配，有时将试样在较低温度下测量，则可得到较好的结果，按照温度-时间等效性原则，降低测试温度相当于提高了应变速度。涂料中以聚氨酯涂料的耐磨性为最好，这可能是因为聚氨酯分子间可形成氢键的缘故，在应力下，聚氨酯由于氢键的作用，表现出较高的硬度；当应力较高时，氢键断裂吸收能量，从而保护了共价键；一旦外力撤销，氢键又可形成。耐耐磨性也和摩擦系数大小有关。涂料中加入石腊或含氟表面活性剂可以降低摩擦系数，增加耐摩擦性。涂料中大颗粒的惰性颜料粒子也可增加耐摩擦性，其原因可能是减少了漆膜的接触面积，从而减少了表面与表面间的力的传递。

⑤漆膜的抗冲击

冲击强度是在高速冲击条件下的耐断裂性。在应力-应变曲线上，冲击强度也和断裂功有关，但相应的应力-应变曲线应该是高速条件下的曲线。高抗冲击的聚合物膜依赖于将能量吸收和转化的情况，因为内耗是将机械能转化为热的一种量度，内耗愈大，吸收冲击能量愈大，所以内耗也是抗冲击性的一种重要量度，聚合物在玻璃化温度转变区内耗有一峰值，玻璃态的抗冲击强度趋于极大。由于冲击作用极为急速，聚合物分子链段往往在完成松弛运动和分散应力之前便出现断裂，只有分子链柔顺的聚合物处于高弹态时，才有较好的抗冲击性，因此一般认为玻璃化温度的高低和抗冲击性有密切的关系。但要注意

玻璃化温度并非衡量抗冲击性的可靠标准，例如聚苯乙烯tg为100℃，聚碳酸酯的tg为150℃，但聚苯乙烯的抗冲击强度要比碳酸酯差的多，这是因为聚碳酸酯在—60℃有一个很大的β内耗峰，而聚苯乙烯在室温以下没有β转变，对抗冲击无贡献，其它次级峰都很小，对抗冲击都不起大的作用。由此可知，玻璃态的聚合物在低温具有强的次级内耗峰者，则有较好的抗冲击性。如前面所述聚合物的力学谱上往往有多个次级峰出现，聚合物在对应于峰值温度下比无峰值的邻近温度下具有较好的抗冲击性。

⑥影响聚合物材料强度的因素

从微观上来看，聚合物材料的断裂破坏都意味着外力破坏或克服了化学键、氢键及范德华力。因此聚合物材料强度可根据其结构进行理论计算。因为计算是在非常理想的情况下进行的，所得结果和实际强度差距非常之大，实际强度要比理论强度差很多。弄清楚理论计算与实际结果差异的原因，对于如何提高材料强度意义很大。影响聚合物实际强度的因素很多，有些因素如温度、作用力速度，以及颜料和聚合物共混等对漆膜强度的影响，已作过讨论。结晶和取向对于塑料、纤维、橡胶的强度影响很大，但在漆膜中所起作用不是很重要，下面仅对一些对涂料较为重要的因素作简单介绍：

聚合物分子结构：

由于聚合物材料的强度主要决定于主链的化学键力和分子间的作用力，增加主链的强度或增加分子间的作用力都可使聚合物的强度增加，聚合物的极性和分子间的氢键可增加分子间的作用力，因而可增加强度，例如低压聚乙烯的拉伸强度只有15—16兆帕斯卡，聚氯乙烯因有极性基团，拉伸强度为50兆帕斯卡，尼龙6-10因有氢键，拉伸强度为60兆帕斯。分子链支化程度增加，使链分子间的距离增加，分子间的作用力减少，因而拉伸强度降低。适度交联，使分子链不易发生相对滑移，增加了分子链间的作用，因而强度增加。在考虑分子间力或主链化学键强度对强度贡献时，不能忽略了由于力学松弛或内耗对聚合物强度的贡献，这两者往往是矛盾的，例如极性基团过密，或取代基过大，阻碍了链段运动，不能实现强迫高弹形变，聚合物会变脆，即拉伸强度虽然大了，但冲击强度下降。支链减少了分子间作用力，可使链段活动较为自由，因而冲击强度增加。一般说来，取代基小，数量少，极性弱，分子间作用力小的大分子链，柔顺性好，有利于大分子链段运动，可提高抗部击性，但相应地会使拉伸强度变低，硬度变低。增加主链的化学键强度，如使主链含有苯环、杂环等，可使材料的强度增加。共聚合可以用于调节分子链的结构，因而改善聚合物强度的重要手段。

缺陷与应力集中：

如果材料中存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布的状态将发季变化，使缺陷附近局部的应力急剧增加，远远超过应力平均值，这种现象称为应力集中。缺陷包括裂纹、空隙、缺口、银纹和杂质。各种缺陷在漆膜形成过程中是普遍存在的，例如，颜料分散过程不理想，颜料体积浓度pvc超过cpvc，溶剂挥发时产生的气泡，成膜时体积的收缩导致的内应力引起的细小的银纹或裂缝，缺陷是材料破坏的薄弱环节，当局部应力超过局部强度时，缺陷就发展，最终导致断裂，因而可严重地降低材料的强度，它是造成聚合物实际强度下降的主要原因。

每一聚合物链的末端可以说也是一个微小的缺陷，因此分子量愈低，缺陷愈多，强度也愈低，减少缺陷是提高强度的一个重要措施。

形态的影响：

聚合物的强度和聚合物的凝聚态的形态有很大的关系，聚合物形态往往可以影响裂缝发展的速度。例如，氯乙烯-乙酸乙烯共聚物用纯甲基异丁酮（mibk）为溶剂所得的薄膜，其断裂伸长很低，脆性很大。mibk是氯乙烯-乙酸乙烯共聚物的良溶剂，当在mibk中混入少量不良溶剂〔如甲氧基丁醇（mob）〕后，所得薄膜的断裂伸长明显增加，特别是当mibk和mob的比例为90：10时，情况最为明显（如不良溶剂过多，强度又会明显下降），其原因在于有适量的不良溶剂时，

所得薄膜中可形成大量极细小的空隙，这种空隙可以控制住裂缝发展的速度，减缓了应力集中强度。由此可见，合适的形态，使裂缝在较大的区域内缓慢发展，而不使应力高度集中到少数部位，可避免断裂，这是设计抗冲击涂料配方需予考虑的。

另一方面，在无定形漆膜中的微观多相性也可使漆膜的韧性增加。用接枝、嵌段共聚合，或者用共混方法可以得到具有微观多相性的材料。如和橡胶共混的abs或聚苯乙烯，其中橡胶以微粒状分散于连续的塑料相之中，由于塑料相的存在，使材料的弹性模量和硬度不至于有过分的下降，而分散的橡胶微粒则作为大量的应力集中物，当材料受到冲击物时，它们可引发大量的银纹，从而吸收大量冲击能量，同时由于大量银纹之间应力场的相互干扰，又可阻止银纹的进一步发展，从而可以大大提高聚合物材料的韧性。涂料也可用类似的方法形成增韧的薄膜，例如利用核壳结构的乳胶，便可得到连续相为硬而强的聚合物，分散相为软而韧的聚合物的结构。加入颜料也是形成多相体系的手段，它可提供大量使单个的银纹发生分枝的位置，也可使银纹的发展方向偏转，从而提高漆膜的强度。

附着力的影响：

漆膜与底材的附着力如果很好，作用在漆膜上的应力可以较好地得到分散，因而漆膜不易被破坏。

3、漆膜的附着力

⑴粘附的理论

漆膜与基材之间可通过机械结合，物理吸附，形成氢键和化学键，互相扩散等作用接合在一起，由于这些作用产生的粘附力，决定了漆膜与基材间的附着力。根据理论计算，任何原子、分子间的范德华力便足以产生很高的粘附强度，但实际强度却远远低于理论计算，这各上节讨论的聚合物材料强度一样，缺陷和应力集中是这种差距的主要原因，而且界面之间容易有各种缺陷。因此为了使漆膜有很好的附着力，需要考虑多种因素的作用。下面分别简单地予以介绍。

①机械结合力

任何基材的表面都不可能是光滑的，即使用肉眼看起来光滑，在显微镜下也是十分粗糙的，有的表面如木材、纸张、水泥，以及涂有底漆的表面（pvc≥cpvc）还是多孔的，涂料可渗透到这些凹穴或孔隙中去，固化之后就象有许多小钩子和楔子把漆膜与基材连结在一起。

②吸附作用

从分子水平上来看，漆膜和基材之间都存在着原子、分子之间的作用力。这种作用力包括化学键、氢键和范德华力。根据计算，当两个理想平面距为10时，由范德华力的作用，它们之间的吸引力便可达103—104n/cm2，距离为3—4时可达104—105n/cm2，这个数值远远超过了现在最好的结构胶粘剂所能达到的强度，但是两个固体之间很难有这样的理想的情况，即使经过精密抛光，两个平面之间的接触还不到总面积的百分之一。当然如果一个物体是液体，这种相互结合的要求便易于得到，其条件是液体完全润湿固体表面，因此涂料在固化之前完全润湿基材表面，则应有较好的附着力，即使如此，其粘附力也远比理论强度低得多，这是因为在固化过程总是有缺陷发生的，粘附强度不是决定于原子、分子作用力的总和，而是决定于局部的最弱的部位的作用力。两个表面之间仅通过范德华力结合，实际便是物理吸附作用，这种作用很容易为空气中的水汽所取代。因此为了使漆膜与基材间有强的结合力，仅靠物理吸附作用是不够的。

③化学键结合

化学键（包括氢键）的强度要比范德华力强的多，因此如果涂料和基材之间能形成氢键或化学键，附着力要强得多。如果聚合物上带有氨基、羟基和羧基时，因易与基材表面氧原子或氢氧基团等发生氢键作用，因而会有较强的附着力。聚合物上的活性基团也可以和金属发生化学反应，如酚醛树脂便可在较高温度下与铝、不锈钢等发生化学

作用，环氧树脂也可和铝表面发生一定的化学作用。化学键结合对于粘结作用的重要意义可从偶联剂的应用得到说明，偶联剂分子必须具有能与基材表面发生化学反应的基团，而另一端能与涂料发生化学反应，例如，最常用的硅烷偶联剂，x3si(ch2)ny，x是可水解的基团，水解之后变成羟基，能与无机表面发生化学反应，y是能够与涂料发生化学反应的官能团。

④扩散作用

涂料中的成膜物为聚合物链状分子，如果基材也为高分子材料，在一定条件下由于分子或链段的布朗运动，涂料中的分子和基材的分子可相互扩散，相互扩散的实质是在介面中互溶的过程，最终可导致界面消失。高分子间的互溶首先要考虑热力学的可能性，即要求两者的溶解度参数相近，另一方面，还要考虑动力学的可能性，亦即两者必须在tg以上，即有一定的自由体积以使分子可互相穿透。因此塑料涂料或油墨的溶剂最好能使被涂塑料溶胀，提高温度也是促进扩散的一个方法。

⑤静电作用

当涂料与基材接的电子亲合力不同时，便可互为电子的给体和受体，形成双电层，产生静电作用力。例如，当金属和有机漆膜接触时，

金属对电子亲合力低，容易失去电子，而有机漆膜对电子亲合力高，容易得到电子，故电子可从金属移向漆膜，使界面产生接触电势，并形成双电层产生静电引力。

⑵影响实际附着力的因素

漆膜和基材之间的作用是非常复杂的，很难用上节单一因素的影响来表述，它是多种因素综合的结果。因此实际附着力和理论分析有着巨大的差异。聚合物分子结构、形态、温度等都和附着力实际强度有关，但由于附着力是两个表面间的结合，比聚合物材料的情况更为复杂。下面仅讨论几个重要的因素：

①涂料粘度的影响

涂料粘度较低时，容易流入基材的凹处和孔隙中，可得到较高的机械力，一般烘干漆具有比气干漆更好的附着力，原因之一便是在高温下，涂料粘度很低。

②基材表面的润湿情况

要得到良好的附着力，必要的条件是涂料完全润湿基材表面。通常纯金属表面都具有较高的表面张力，而涂料一般表面张力都较低，因

此易于润湿，但是实际的金属表面并不是纯的，表面易形成氧化物，并可吸附各种的有机或无机污染物。如果表面吸附有有机物，可大大降低表面张力，从而使润湿困难，因此基材在涂布之前需进行处理。对于低表面能的基材，更要进行合适的处理，如在塑料表面进行电火花处理或用氧化剂处理。

③表面粗糙度

提高表面粗糙度可以增加机械作用力，另一方面也有利于表面的润湿。

④内应力影响

漆膜的内应力是影响附着力的重要因素，内应力有两个来源：一、涂料固化过程中由于体积收缩产生的收缩应力；二、涂料和基材的热膨胀系数不同，在温度变化时产生的热应力。涂料不管用何种方式固化都难免发生一定的体积收缩，收缩不仅可因溶剂的挥发引起，也可因化学反应引起。缩聚反应体积收缩最严重，因为有一部分要变成小分子逸出。烯类单体或低聚物的双键发生加聚反应时，两个双链由范德华力结合变成共价键结合，原子距离大大缩短，所以体积收缩率也较大，例如不饱和聚酯固化过程中体积收缩达10%。开环聚合时有一对原子由范德华作用变成化学键结合，另一对原子却由原来的化学键

《岩石力学与工程》蔡美峰版总结

《岩石力学与工程》内容概要总结 地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。 地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。 工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。 岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。 围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。 锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。 边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。 岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。 容重：岩石单位体积的重量。根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。 孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。孔隙率愈大，岩石力学性能越差。 水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。 包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。 岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。 单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。 岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。 拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。 流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。 莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。直线型、抛物线型、双曲线型。 点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。点载荷试验对试件的要求不严格。缺点是要根据经

常用岩土材料参数和岩石物理力学性质一览表

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3

流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：

岩石力学作业

岩石力学习题 第一章绪论 1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。 1.2 岩体的力学特征是什么？ 1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？ 1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。 1.5 岩石力学的研究方法有哪些？ 第二章岩石的物理力学性质 2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度 2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？ 2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。 2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？ 2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。 2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试 验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？ 2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？

2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？ 2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？ 2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。 2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。 2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。 2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？ 2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？ 2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？ 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？ 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。 2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算： 1)内摩擦角。 2)在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度。

岩石级别 分类

岩石级别坚固程度代表性岩石 Ⅰ 最坚固最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。(f=20) Ⅱ 很坚固很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩.(f=15) Ⅲ坚固致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石.(f=10) Ⅲa 坚固坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。(f=8) Ⅳ比较坚固一般的砂岩、铁矿石(f=6) Ⅳa 比较坚固砂质页岩，页岩质砂岩。(f=5) Ⅴ中等坚固坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾石。(f=4) Ⅴa 中等坚固各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩.(f=3) Ⅵ比较软软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤.(f=2)

Ⅵa 比较软碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎石，坚固的煤，硬化的粘土。(f=1.5) Ⅶ软软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。(f=1) Ⅶa 软软砂质粘土、砾石，黄土。(f=0.8) Ⅷ土状腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。(f=0.6) Ⅸ松散状砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤(f=0.5) Ⅹ流沙状流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤. (f=0.3) A表示矿岩的坚固性的量化指标. 人们在长期的实践中认识到，有些岩石不容易破坏，有一些则难于破碎。难于破碎的岩石一般也难于凿岩，难于爆破，则它们的硬度也比较大，概括的说就是比较坚固。因此，人们就用岩石的坚固性这个概念来表示岩石在破碎时的难易程度。 坚固性的大小用坚固性系数来表示又叫硬度系数，也叫普氏硬度系数f 值）。 坚固性系数f=R/100 (R单位kg/cm2) 式中R——为岩石标准试样的单向极限抗压强度值。 通常用

岩体的力学性质及分类doc

―――岩体力学作业之二 一、名词释义 l.结构面：①指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。 ②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。 2.原生结构面：在成岩阶段形成的结构面，根据岩石成因的不同，可分为沉积结构面、岩浆（火成）结构面和变质结构面三类。 3.构造结构面：指在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层面等。 4.次生结构面：指在地表条件下，由于外力(如风力、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。 5.结构面频率：即裂隙度，是指岩体中单位长度直线所穿过的结构面数目。 6.结构体：结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。 7.结构效应：是指岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体变形的影响。 8.剪胀角（angle of dilatancy）：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值。 9.节理化岩体：是指被各种节理、裂隙切割呈碎裂结构的岩体。 10.结构面产状的强度效应：指结构面与作用力之间的方位关系对岩体强度所产生的影响。 11.结构面密度的强度效应：指结构面发育程度(数量)对岩体强度所产生的影响。 12.岩体完整性指标：是指岩体弹性纵波与岩石弹性纵波之比的平方。 13.岩体基本质量：岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性，岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度决定。 14.自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式破坏的能力。 15.体积节理数：是指单位岩体体积内的节理(结构面)数目。 16.岩石质量指标(RQD)：长度在10cm（含10 cm)以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标RQD(Rock Quality Designation)。 二、填空题 1.岩体是指经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成了一定的岩石成分和结构，赋存于一定地质环境中的地质体。因此，岩体力学性质与岩体中的、以及 2 密切相关。 2.岩体由结构面和结构体组成，结构面根据形成原因通常可分为三种类型：、 和。 3.在工程岩体范围内，结构面按贯通情况可分为、以及三种类型。 4.在岩体中被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。结构体的形状主要有、、1 以及菱形和锥形等，如果风化强烈或挤压严重，也可形成、、 1 等。 5.岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。它包括岩体的特征、特征和1 特征等。 6.岩体结构面的剪切变形与、和有关。 7.岩体结构面的几何特性是反映节理的外貌，它的组成要素包括：、、、 以及和。 8.岩体的力学性质不仅取决于岩石本身及结构面的力学性质，也与密切相关。 9.岩体的强度不仅与组成岩体的的性质有关，而且与岩体内的有关，此外还与岩体有关。 10.岩体中存在各种结构面，结构面的变形大小主要由和控制的。

(建筑工程管理)爆破工程地质(岩石工程分类与力学性质)

（建筑工程管理）爆破工程地质(岩石工程分类与力学 性质)

爆破工程地质（岩石工程分类和力学性质） 发布时间：2010-01-2210:39 116岩石物理力学性质physical-mechanicalproperty0frock 岩石对物理条件及力作用的反应，包括岩石物理和岩石力学性质。在力学特性中仍包括渗流特性，机械特性(硬度、弹性、压缩及拉伸性、可钻性、剪切性、塑性等)。 117岩石物理性质petrophysicalpropertiesofrock 岩石物理性质主要有：岩石的密度、岩石的空隙性、岩石的波阻抗、岩石的风化程度等各种特性参数和物理量。 118岩石工程分类engineeringclassificationofrocks 从岩石工程的角度据岩石强度、裂隙率、风化程度和其它特征指标将其划分成各种类别赢等级，如完整岩石、新鲜岩石、风化岩石、蚀变岩石、块状岩体、层状岩体、软弱夹层等。119岩体工程分类法engineeringclassificationofrockmass 把工程岩体质量的好坏分成有限和有序类别的方法。作为评价岩体工程稳定性，进行工程设计和施工管理的基础的工程岩体分类，壹般包含三个方面的工作：1)依据研究对象确定分类因素，构成分级指标作为分级的判据；2)合理选择用分级指标组成的分级模型，得到划分档次的标准；3)根据工程需要确定分级数目。分类的结果要经过实践检验。 120岩石质量分类rockmassclassification 依据岩石材料的物理性质(非均匀性、各向异性和渗透性)、机械性质或对采掘作业的阻力(如可爆性或可挖性)将岩石进行分类的方法。Barton1974年制定的QC(品质)系统和Bieniawski1973年建立的RMR(岩石质量测定)系统可建议用于爆破目的的岩石质量分类。121岩体RQD指标rockqualitydesignation 岩心中长度等于或大于10cm的岩心的累计长度占钻孔进尺总长度的百分比。它反映岩体被各种结构面切割的程度。RQD值规定用直径为54mm金刚石钻头、双层岩心管钻进获得。此指标为美国迪尔(D.V.Deere)于1964年首先提出，且用于岩体分级，也称岩石质量指标。 122岩体RMR指标rockmassratingsystem 波兰人宾尼奥斯基(Z.T.Bieniawski)于1973—1975年提出的地质力学分级法，且用计分法表示岩体质量好坏。 123岩体Q指标theQ-systemofrockstrength 1974年挪威学者巴顿(N.Barton)提出岩体质量指标Q分类法，由RQD、节理组数(?n)、节理面粗糙度(?k)、节理蚀变程度(?a)、裂隙水影响因素(?w)以及地应力影响因素(SRF)等6项指标组成Q值计算式，Q值愈大，表示岩体质量愈好。 124岩石非连续性discontinuityofrock 指岩石内的缺陷影响应力和声波传播的性质。岩石的缺陷是指岩石的孔隙、节理、裂隙和层面等。岩石的非连续性对其物理力学性质及渗透性影响很大。 125岩石非均匀性nonhomogeneityofrock 指岩石成分、结构和构造在各不同方向上的不均匀分布。 126岩石断裂韧性fracturetughnessofrock 指岩石抵抗裂纹扩展的能力。在平面裂纹应力分析中，裂纹面分为三种基本位移模式(张开型、错动型、撕开型)。张开型裂纹最适合于脆性固体中裂纹传播。

2011岩石力学考试试题(含答案)

1、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（）。 （ A ）岩体中含有大量的不连续面 （ B ）岩体中含有水 （ C ）岩体为非均质材料 （ D ）岩石的弹性模量比岩体的大 2、岩体的尺寸效应是指（）。 （ A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系 （ B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象 （ C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象 （ D ）岩体的强度比岩石的小 3 、影响岩体质量的主要因素为（）。 （A）岩石类型、埋深 （B）岩石类型、含水量、温度 （C）岩体的完整性和岩石的强度 （D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深 4、我国工程岩体分级标准中岩石的坚硬程序确定是按照（）。 （A）岩石的饱和单轴抗压强度 （B）岩石的抗拉强度 （C）岩石的变形模量 （D）岩石的粘结力 5、下列形态的结构体中，哪一种具有较好的稳定性？（） （A）锥形（B）菱形（C）楔形（D）方形 6、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（） （A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面 7、岩体的变形和破坏主要发生在（） （A）劈理面（B）解理面（C）结构 （D）晶面 8、同一形式的结构体，其稳定性由大到小排列次序正确的是（） （A）柱状>板状>块状 （B）块状>板状>柱状 （C）块状>柱状>板状 （D）板状>块状>柱状 9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（） （A）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体 （B）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体 （C）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体 （D）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体 10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（） （A）结构面的性质（B）结构体型式 （C）岩石建造的组合（D）三者都应考虑

岩石力学性质试验指导书

实验一岩石单轴抗压强度试验 1.1 概述 当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。 不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态的试样，在105～1100C下烘24h。 （2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。 1.2 试样备制 （1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.2cm。高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。 （2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。 （3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。 1.3 试样描述 试验前的描述，应包括如下内容： （1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。 （2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 （3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。 1.4 主要仪器设备 试样加工设备：钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。 量测工具与有关检查仪器： 游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。 加载设备： 压力试验机。压力机应满足下列要求： （1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。 （2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。 （3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。 1.5 试验程序 （1）根据所要求的试样状态准备试样。 （2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。

岩石的基本物理力学性质

岩石的基本物理力学性质 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重 要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善 的力学性质。 岩石密度：天然密度、饱和密度、 质量指标密度、重力密度 岩石颗粒密度 孔隙性孔隙比、孔隙率 含水率、吸水率 水理指标 渗透系数 抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率 抗冻性抗冻性系数 单轴抗压强度 单轴抗拉强度 抗剪强度 三向压缩强度 岩石的基本物理力学性质 ◆岩石的变形特性 ◆岩石的强度理论 试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。 第二章岩石的基本物理力学性质 第一节岩石的基本物理性质 第二节岩石的强度特性 第三节岩石的变形特性

第四节岩石的强度理论 回顾----岩石的基本构成 岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。 岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。 岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。 回顾----岩石的基本构成 一、岩石的物质成分 ●岩石是自然界中各种矿物的集合体。 ●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。 ●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。 ●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。 回顾----岩石的基本构成 二、岩石的结构 是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石结构连结 结晶连结和胶结连结。 结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。 胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石中的微结构 岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部

岩石的基本物理力学性质及其试验方法

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干

岩石硬度分级

岩石级别坚固程度代表性岩石 Ⅰ最坚固最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他 各种特别坚固的岩石。(f=20) Ⅱ很坚固很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固 的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩.(f=15) Ⅲ坚固致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿 脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石.(f=10) Ⅲa坚固坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁 矿，不坚固的花岗岩。(f=8) Ⅳ比较坚固一般的砂岩、铁矿石(f=6) Ⅳa比较坚固砂质页岩，页岩质砂岩。(f=5) Ⅴ中等坚固坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾 石。(f=4) Ⅴa中等坚固各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩.(f=3) Ⅵ比较软软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏， 无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤.(f=2) Ⅵa比较软碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎 石，坚固的煤，硬化的粘土。(f=1.5) Ⅶ软软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。(f=1) Ⅶa软软砂质粘土、砾石，黄土。(f=0.8) Ⅷ土状腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。(f=0.6) Ⅸ松散状砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤.

(f=0.5) Ⅹ流沙状流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤. (f=0.3) A 表示矿岩的坚固性的量化指标. 人们在长期的实践中认识到，有些岩石不容易破坏，有一些则难于破碎。难于破碎的岩石一般也难于凿岩，难于爆破，则它们的硬度也比较大，概括的说就是比较坚固。因此，人们就用岩石的坚固性这个概念来表示岩石在破碎时的难易程度。 坚固性的大小用坚固性系数来表示又叫硬度系数，也叫普氏硬度系数f值）。 坚固性系数f=R/100 (R单位kg/cm2) 式中R——为岩石标准试样的单向极限抗压强度值。 通常用的普氏岩石分及法就是根据坚固性系数来进行岩石分级的。 如： ①极坚固岩石f=15～20（坚固的花岗岩，石灰岩，石英岩等） ②坚硬岩石f=8 ～10（如不坚固的花岗岩，坚固的砂岩等） ③中等坚固岩石f=4 ～6 （如普通砂岩，铁矿等） ④不坚固岩石f=0.8～3 （如黄土、仅为0.3） 矿岩的坚固性也是一种抵抗外力的性质，但它与矿岩的强度却是两种不同的概念。 强度是指矿岩抵抗压缩，拉伸，弯曲及剪切等单向作用的性能。而坚固性所抵抗的外力却是一种综合的外力。（如抵抗锹，稿，机械碎破，炸药的综合作用力）。

骨、关节、肌肉的生物力学

骨、关节、肌肉的生物力学 第一节骨的生物力学 人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。 一、骨的生物力学特征 （一）骨对外力作用的反应 1．骨对简单（单纯）外力作用的反应 （1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。 （2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。 （3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。 （4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。 （5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。 2．骨对复合（实际）外力作用的反应 在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。 （二）骨结构的生物力学特征 骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重

常用土层和岩石物理力学性质综述

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用

各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。

第一章 岩石性质与工程分级

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第一章岩石的性质及工程分类 井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进行讲授。本章的重点应是围岩分级。

本章主要参考书

第一节概述 Rock mechanics is the theoretical and applied science of the mechanical behaviour of rock and rock masses; it is that branch of mechanics concerned with the response of rock and rock masses to the force fields of their physical environment. 岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。 US National Committee on Rock Mechanics, 1964

1. 岩块、岩体和岩石

?岩块（Rock）：从地壳岩 层中切取出来的小块体，通常是指 岩石材料（Rock Materials）。 ?岩体（Rock Mass）： 指岩石工程周围较大范围内的 自然地质体 岩体＝岩块（岩石材料）＋弱面（层理、节理、断层）Rock mass = Rock material + Rock discontinuities ?岩石：不分岩块与岩体时的泛称。

岩石力学考试试题(含答案)

岩石力学考试试题 1、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（ A ）。 （ A ）岩体中含有大量的不连续面 （ B ）岩体中含有水 （ C ）岩体为非均质材料 （ D ）岩石的弹性模量比岩体的大 2、岩体的尺寸效应是指（ C ）。 （ A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系 （ B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象 （ C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象 （ D ）岩体的强度比岩石的小 3 、影响岩体质量的主要因素为（ C ）。 （A）岩石类型、埋深 （B）岩石类型、含水量、温度 （C）岩体的完整性和岩石的强度 （D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深 4、我国工程岩体分级标准中岩石的坚硬程序确定是按照（A ）。 （A）岩石的饱和单轴抗压强度 （B）岩石的抗拉强度 （C）岩石的变形模量 （D）岩石的粘结力

5、下列形态的结构体中，哪一种具有较好的稳定性？（ D ）（A）锥形（B）菱形（C）楔形（D）方形 6、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（ A ）（A）原生结构面（B）构造结构面 （C）次生结构面 7、岩体的变形和破坏主要发生在（ C ） （A）劈理面（B）解理面（C）结构 （D）晶面 8、同一形式的结构体，其稳定性由大到小排列次序正确的是 （ B ） （A）柱状>板状>块状 （B）块状>板状>柱状 （C）块状>柱状>板状 （D）板状>块状>柱状 9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列 次序为（ A ） （A）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体（B）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体（C）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体（D）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体 10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体 分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于

(完整版)高等岩石力学考试试题及复习资料大全改

2、岩体的尺寸效应是指（）。 （A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系 （B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象 （C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象 （D ）岩体的强度比岩石的小 3 、影响岩体质量的主要因素为（）。 （A）岩石类型、埋深 （B）岩石类型、含水量、温度 （C）岩体的完整性和岩石的强度 （D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深 4、我国工程岩体分级标准中岩石的坚硬程序确定是按照（）。 （A）岩石的饱和单轴抗压强度 （B）岩石的抗拉强度 （C）岩石的变形模量 （D）岩石的粘结力 5、下列形态的结构体中，哪一种具有较好的稳定性？（） （A）锥形（B）菱形（C）楔形（D）方形 6、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（） （A）原生结构面（B）构造结构面 （C）次生结构面 7、岩体的变形和破坏主要发生在（） （A）劈理面（B）解理面（C）结构 （D）晶面 8、同一形式的结构体，其稳定性由大到小排列次序正确的是（） （A）柱状>板状>块状 （B）块状>板状>柱状 （C）块状>柱状>板状 （D）板状>块状>柱状 9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（）（A）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体 （B）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体 （C）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体 （D）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体 10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（） （A）结构面的性质（B）结构体型式 （C）岩石建造的组合（D）三者都应考虑 1、A 2、C 3、C 4、A 5、D 6、A 7、C 8、B 9、A 10、D 选择题 1、在我国工程岩体分级标准中，软岩表示岩石的饱和单轴抗压强度为（）。（A）15~30MPa （B）<5MPa （C）5~15MPa （D）<2MPa 2、我国工程岩体分级标准中岩体完整性确定是依据（）。 （A）RQD （B）节理间距（C）节理密度

岩石力学复习题(考试必备)

选择题 1、在我国工程岩体分级标准中，软岩表示岩石的饱和单轴抗压强度为（）。 （A）15~30MPa （B）<5MPa （C） 5~15MPa （D）<2MPa 2、我国工程岩体分级标准中岩体完整性确定是依据（）。 （A）RQD （B）节理间距（C）节理密度（D）岩体完整性指数或岩体体积节理数 3、在我国工程岩体分级标准中，较完整岩体表示岩体的完整性指数为（）。 （A）0.55~0.35 （B）0.35~0.15 （C） >0.55 （D）0.75~0.55 4、在我国工程岩体分级标准中，岩体基本质量指标是由哪两个指标村确定的？（）。 （A）RQD和节理密度（B）岩石单轴饱和抗压强度和岩体的完整性指数 （C）地下水和RQD （D）节理密度和地下水5、我国工程岩体分级标准中是根据哪些因素对岩石基本质量进行修正的？（）。 ①地应力大小；②地下水；③结构面方 位；④结构面粗糙度。 （A）①，④（B）①，②（C）③（D） ①，②，③ 6、某岩石、实测单轴饱和抗压强度RC=55MPa，完整性指数KV=0.8，野外鉴别为原层状结构，结构面结合良好，锤击清脆有轻微回弹，按工程岩体分级标准确定该岩石的基本质量等级为（）（A）I级（B）II级（C）III级（D）IV级 问答题 1、为什么要进行工程岩体分类？ 1、C 2、D 3、D 4、B 5、D 6、B 选择题 1、初始地应力主要包括（）。 （A）自重应力（B）构造应力（C）自重应力和构造应力（D）残余应力 2、初始地应力是指（）。 （A）未受开挖影响的原始地应力 （B）未支护时的围岩应力 （C）开挖后岩体中的应力 （D）支护完成后围岩中的应力 3、构造应力的作用方向为（）。 A、铅垂方向 B、近水平方向 C、断层的走向方向 D、倾斜方向 4、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（）。 （A）垂直应力一定大于水平应力 （B）构造应力以水平应力为主 （C）自重应力以压应力为主 （D）自重应力和构造应力分布范围基本一致 5、如果不时行测量而想估计岩体的初始应力状态，则一般假设侧压力系数为下列哪一个值比较好？（） （A）0.5（B）1.0（C）<1（D）>1 6、测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是（） （A）应力恢复（B）应力解除法 （C）弹性波法（D）模拟试验1、C 2、A 3、B 4、B 5、B 6、B 选择题 1、在工程实践中，洞室围岩稳定性主要取决于（ B ）。 （A）岩石强度（B）岩体强度（C）结构体强度（D）结构面强度 1.1岩石与岩体的关系是（ B ）。 （A）岩石就是岩体（B）岩体是由岩石和结构面组成的 （C）岩体代表的范围大于岩石（D）岩石是岩体的主要组成部分 1.2大部分岩体属于（ D ）。 （A）均质连续材料（B）非均质材料 （C）非连续材料（D）非均质、非连接、各向异性材料 2.1岩石的弹性模量一般指（ B ）。 （A）弹性变形曲线的斜率（B）割线模量（C）切线模量（D）割线模量、切线模量及平均模量中的任一种 2.2岩石的割线模量和切线模量计算时的应力水平为（ D ）。 （A ）B 、（C ）（D）2.3由于岩石的抗压强度远大于它的抗拉强度，所以岩石属于（ B ）。 （A）脆性材料（B）延性材料 （C）坚硬材料（D）脆性材料，但围压较大时，会呈现延性特征 2.4剪胀（或扩容）表示（ D ）。 （A）岩石体积不断减少的现象（B）裂隙逐渐闭合的一种现象 （C）裂隙逐渐涨开的一种现象（D）岩石的体积随压应力的增大逐渐增大的现象 2.5剪胀（或扩容）发生的原因是由于（ D ）。（A）岩石内部裂隙闭合引起的（B）压应力过大引起的 （C）岩石的强度大小引起的（D）岩石内部裂隙逐渐张开的贯通引起的 2.6岩石的抗压强度随着围岩的增大（A ）。（A）而增大（B）而减小（C）保持不变（D）会发生突变 2.7劈裂试验得出的岩石强度表示岩石的（ B ）。（A）抗压强度（B）抗拉强度（C）单轴抗拉强度（D）剪切强度 9、格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是（ D ）。 （A）它不是针对岩石材料的破坏准则 （B）它认为材料的破坏是由于拉应力所致 （C）它没有考虑岩石的非均质特征 （D）它没有考虑岩石中的大量身长裂隙及其相互作用 10、岩石的吸水率是指（B ）。 （A）岩石试件吸入水的重量和岩石天然重量之比（B）岩石试件吸入水的重量和岩石干重量之比（C）岩石试件吸入水的重量和岩石饱和重量之比（D）岩石试件天然重量和岩石饱和重量之比 11、已知某岩石饱水状态与干燥状态的抗压强度之比为0.72，则该岩石（ A ）。 （A）软化性强，工程地质性质不良 （B）软化性强，工程地质性质较好 （C）软化性弱，工程地质性质较好 （D）软化性弱，工程地质性质不良