土木工程材料材料的基本性質(zhì)

1、第1章 土木工程材料的基本性質(zhì)第一節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造第二節(jié) 材料的基本物理性質(zhì)第三節(jié) 材料的基本力學(xué)性質(zhì)第四節(jié) 材料的耐久性第一節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造一、材料的組成化學(xué)組成：-是指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類及數(shù)量。-金屬材料常以各化學(xué)元素含量表示-無機(jī)非金屬材料常以各氧化物含量表示 -有機(jī)材料常以各化合物的含量表示礦物組成： 礦物是指具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征的單質(zhì)或化合物。 礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物的種類和數(shù)量。 它是決定無機(jī)非金屬材料化學(xué)、物理、力學(xué)等性質(zhì)的重要因素。 材料的化學(xué)組成不同，則材料的礦物組成就不同 ； 材料的化學(xué)組成相同，可以有不同的礦物組成。 相組成：指

2、材料中結(jié)構(gòu)相近、性質(zhì)相同的均勻部分。 如混凝土是多相材料二、材料的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造宏觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu)（顯微或細(xì)觀結(jié)構(gòu)）微觀結(jié)構(gòu)第一節(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1、宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造） 指用肉眼或放大鏡能分辨的粗大組織。其尺寸在10-3m級以上。精細(xì)結(jié)構(gòu)肉眼1、宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）材料的宏觀結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的主要特征宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）的分類按孔隙特征分按 孔 徑 分按構(gòu)成形態(tài)分宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）的分類按孔隙特征分按 孔 徑 分按構(gòu)成形態(tài)分致密結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)微孔結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）按孔隙特征分按 孔 徑 分按構(gòu)成形態(tài)分粗大孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)極微細(xì)孔隙結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）按孔隙特征分按 孔 徑 分按構(gòu)成形態(tài)分聚集結(jié)構(gòu)纖維結(jié)

3、構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)散粒結(jié)構(gòu)2、亞微觀結(jié)構(gòu)（顯微或細(xì)觀結(jié)構(gòu)） 指用光學(xué)顯微鏡所看到的結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-310-6m。 該結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小和分布。光學(xué)顯微鏡下的影像光學(xué)顯微鏡3、微 觀 結(jié) 構(gòu) 指通過電子顯微鏡、X-射線衍射儀等手段來研究的原子級或分子級結(jié)構(gòu)。尺寸范圍在10-7-10-10m。掃描電子顯微鏡下的影像掃描電子顯微鏡微 觀 結(jié) 構(gòu)常見材料主要特征 有固定的幾何外形和熔點，部分晶體的硬度、強(qiáng)度較高微觀結(jié)構(gòu)晶體 原子、離子或分子按一定規(guī)律排列 金剛石、石英、石膏、石灰?guī)r、鋼、鐵及部分有機(jī)化合物。 無固定的幾何外形和熔點，強(qiáng)度、化學(xué)

4、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性較差非晶體 原子、離子或分子以共價鍵、離子鍵或分子鍵結(jié)合，但為無序排列（短程有序，長程無序） 玻璃、?；郀t礦渣、火山灰、粉煤灰晶體非晶體（玻璃體）膠體溶膠結(jié)構(gòu)凝膠結(jié)構(gòu)：干凝膠 材料的構(gòu)造：材料結(jié)構(gòu)單元的搭配與組合第二節(jié) 材料的基本物理性質(zhì)一、材料的密度、表觀密度、堆積密度二、密實度、孔隙率三、填充率、空隙率四、與水有關(guān)的性質(zhì)一、材料的密度、表觀密度、堆積密度 密 度表觀密度堆積密度視密度一、材料的密度、表觀密度、堆積密度 材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。 （kg/m3） 式中： 密度(g/cm3、kg/m3) m 材料的干質(zhì)量，kg。 v 材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，m3。

5、 測定方法：用李氏瓶法、排水法、幾何法測體積，天平稱干重。 密 度表觀密度堆積密度視密度一、材料的密度、表觀密度、堆積密度 塊體材料包括封閉孔隙在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量。 式中： 表觀密度，kg/m3。 m 材料的質(zhì)量，kg。 v包括封閉孔在內(nèi)的體積，m3。測定：用排液法、排水法或幾何法。密 度表觀密度堆積密度視密度一、材料的密度、表觀密度、堆積密度 材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。 式中： 。 表觀密度，kg/m3。 m材料的質(zhì)量，kg。 V。材料在自然狀態(tài)下的體積，m3。測定：封閉開口孔隙后，用排液法或幾何法測體積。 密 度表觀密度堆積密度視密度一、材料的密度、表觀密度、堆積密度 散粒材料在堆

6、積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。 （kg/m3） 式中： 堆積密度 m 材料的質(zhì)量，kg。 材料在堆積狀態(tài)下的體積，m3。用容器法測定體積。 材料的密度表觀密度堆積密度視密度二、密實度、孔隙率1、密實度：是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實的程度。 關(guān)系： D + P = 1 2、孔隙率：是指材料體積內(nèi)孔隙體積所占的比例。 孔隙特征：有開口孔與封閉孔、粗孔與細(xì)孔之分，孔隙率大小、孔隙特征與材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性和導(dǎo)熱性等直接相關(guān)。材料孔隙率示意圖 三、填充率、空隙率 1、填充率：是指散粒材料在某堆積體積中，被其顆粒填充的程度。 2、空隙率：是指散粒材料在某堆積體積中，顆粒間的空隙體積所占的比例 關(guān)系： 空

7、隙率大小反映散粒材料顆粒相互填充的密實程度材料空隙率示意圖四、與水有關(guān)的性質(zhì)1、親水性和憎水性2、吸水性和吸濕性3、材料的耐水性4、材料的抗?jié)B性5、材料的抗凍性6、材料的導(dǎo)熱性1、親水性和憎水性 a、親水性材料 90 親水性 = 0 完全潤濕 b、憎水性材料 90 憎水性 =18 0 完全不潤濕 潤濕角(接觸角)：是氣、固、液三相的交點沿液面切線與液相和固相相接觸的方向所成的角。產(chǎn)生的原因：是由水分子和固體材料表面之間的相互作用不同引起的。 a、當(dāng)水分子的內(nèi)聚力 水分子與固體分子間的吸引力時,材料表現(xiàn)為憎水性。2、吸水性和吸濕性 吸水性：材料與水接觸吸收水分的性質(zhì)。 含水率：材料中含水的質(zhì)量與

8、干燥狀態(tài)下質(zhì)量之比。 質(zhì)量吸水率：材料在水中吸水達(dá)到飽和時的含水率。 體積吸水率：材料吸水達(dá)到飽和時，吸入水的體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分率。 吸水性大小與其內(nèi)部孔隙率大小及孔隙特征有關(guān)。 吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。 平衡含水率：材料與空氣濕度達(dá)到平衡時的含水率。3、材料的耐水性 是指材料長期在飽和水作用下，而不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(shù)KR表示。 材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度f(MPa) KR= 材料干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度f0(MPa) 通常，KR=01，當(dāng)KR0.85時，為耐水性材料； 受水浸泡或處于潮濕環(huán)境的建筑物，則必須選用KR0.85的材料建造。4、材料

9、的抗?jié)B性 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。用滲透系數(shù)表示： 式中 Qd K 滲透系數(shù)，cm/h； A 透水面積，cm2； K = Q 透水量，cm3； t時間，h； AtH d 試件厚度，cm； H 靜水壓力水頭，cm。 對混凝土和砂漿，常用抗?jié)B等級來表示： S = 10H-1 式中：S 抗?jié)B等級； H 試件開始滲水時的水壓力。 抗?jié)B性能與材料內(nèi)部孔隙率大小及孔隙特征有關(guān)，抗?jié)B等級愈高，抗?jié)B性能愈好。5、材料的抗凍性 指材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)而不破壞的性能。用凍融循環(huán)次數(shù)表示6、材料的導(dǎo)熱性 當(dāng)材料兩面存在溫差時，熱量從材料的一面通過材料傳導(dǎo)到材料的另一面的性質(zhì)。用熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

10、表示。 材料的抗凍性、導(dǎo)熱性均與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率大小及孔隙特征有關(guān)。第三節(jié) 材料的基本力學(xué)性質(zhì)一、材料的理論強(qiáng)度二、材料的強(qiáng)度三、彈性和塑性四、脆性和韌性一、材料的理論強(qiáng)度材料的理論抗壓強(qiáng)度可表示為： 式中： ft-理論抗壓強(qiáng)度；E-縱向彈性模量； -單位表面能； d-原子間的距離。 而材料的實際強(qiáng)度往往遠(yuǎn)小于其理論強(qiáng)度，主要是由于材料內(nèi)部構(gòu)造的不均勻及缺陷造成的。二、材料的強(qiáng)度強(qiáng)度：指材料受外力作用下，抵抗破壞的能力。有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。比強(qiáng)度：單位體積質(zhì)量材料所具有的強(qiáng)度影響因素： 1、內(nèi)因：指組成、結(jié)構(gòu)的影響。 2、外因：包括試件尺寸和形狀、加荷速度、環(huán)境溫濕

11、度等因素。三、彈性和塑性1、彈性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。如低應(yīng)力下的鋼材等2、塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形）。四、脆性和韌性1、脆性：當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞，而破壞時并無明顯的塑性變形的性質(zhì)。如玻璃、石材等2、韌性（沖擊韌性）：在沖擊、震動荷載作用下，材料能夠吸收較大的能量，同時也能產(chǎn)生一定的變形而不致破壞的性質(zhì)。如鋼材、木材等荷載變形彈塑性材料的變形曲線脆性材料的變形曲線變形荷載AA圖 示第四節(jié) 材料的耐久性指材料在長期使用過程中，抵抗其自身環(huán)境因素長期破壞作用，保持其原有的性能而不變質(zhì)、不破壞的能力。材料的耐久性可有多項指標(biāo)表示。它是一個極其復(fù)雜的問題，受物理、化學(xué)、生物等多種因素影響，同時它也是一項綜合性質(zhì)。思考題與作業(yè)1.當(dāng)某一建筑材料的孔隙率增大時，下表內(nèi)的其它性質(zhì)將如何變化？（增大，下降，不變，？不定）孔隙率密度表觀密度強(qiáng)度吸水率抗凍性導(dǎo)熱性2.燒結(jié)普通磚進(jìn)行抗壓試驗，測得浸水飽和后的破壞荷載為