第一章土木工程材料基本性質(zhì)

第一章

土木工程材料基本性質(zhì)

IntroductiontoCivilEngineeringMaterials

三問(wèn)：What?How?Which?

土木工程要求材料具備什么性能（What）?土木工程材料如何滿(mǎn)足工程要求（How）?本章學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容（Which）?土木工程的功能要求的材料性能承受荷載長(zhǎng)期可靠性防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣不污染環(huán)境強(qiáng)度、剛度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具備哪些性能？土木工程材料如何滿(mǎn)足性能要求？材料的組成材料的結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)造材料的復(fù)合性能組成結(jié)構(gòu)材料的組成—結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系材料組成、結(jié)構(gòu)與性能之關(guān)系

——現(xiàn)代材料科學(xué)的核心本章主要內(nèi)容材料的組成與結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)性能及其測(cè)試方法材料組成、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系學(xué)習(xí)目的

通過(guò)本章學(xué)習(xí)，掌握各類(lèi)土木工程材料的“來(lái)龍去脈”，為自己成為一名稱(chēng)職的“土木工程師”打下工程材料學(xué)基礎(chǔ)。材料的組成與結(jié)構(gòu)材料在服役環(huán)境下的行為——性能力學(xué)性能物理性能耐久與安全性材料組成、結(jié)構(gòu)、性能與施工工藝間的關(guān)系本章主要內(nèi)容材料的組成與結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)性能及其測(cè)試方法材料組成、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系§1.1土木工程材料的組成與結(jié)構(gòu)

CompositionandStructureofCivilEngineeringMaterials

組成化學(xué)組成相組成結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)細(xì)觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)一、材料的組成材料均由各種物相組成每種物相由化合物組成化合物由分子組成分子由原子組成材料的物相組成：固相氣相液相材料的化學(xué)組成：元素化合物物相組成固相連續(xù)相分散相：纖維與顆粒氣相液相礦物化合物分布的孔隙及其含量包含的液體種類(lèi)與含量礦物

具有一定化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征的天然化合物或單質(zhì)，也指具有特定晶體結(jié)構(gòu)、特定物理力學(xué)性能，類(lèi)似于天然礦物的物相或化合物。礦物組成

土木工程材料中的礦物種類(lèi)及其含量。例如：礦物組成硅酸鹽水泥熟料中的主要礦物相有：硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣鋼材中的礦物相有：奧氏體鐵素體滲碳體珠光體化學(xué)組成

化學(xué)組成——化學(xué)成分是指材料中各物相所含元素或單質(zhì)與化合物的種類(lèi)和總含量。例如：鋼材中四種礦物相所含的化學(xué)元素是：

Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）；生石灰的化學(xué)組成是：CaO，熟石灰的組成是Ca(OH)2；

水泥中四種礦物相所含的化合物是：

CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。聚氯乙烯塑料的化學(xué)組成有：

PVC樹(shù)脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等?；瘜W(xué)組成與礦物組成的關(guān)系化學(xué)組成相同，其礦物組成不一定相同；例如：半水石膏的化學(xué)成分為CaSO40.5H2O，但它有-、-、-等3種礦物相。不同的礦物相，其化學(xué)組成可能相同。例如：水泥熟料中的硅酸二鈣和硅酸三鈣兩種不同礦物相的化學(xué)成分均是CaO和SiO2。礦物組成相同，其化學(xué)組成一定相同。材料組成與性能的關(guān)系

土木工程材料的組成不同，其性能可完全不同。例如：生石膏CaSO4·2H2O與熟石膏CaSO4·0.5H2O的差別在所含H2O的數(shù)量不同，因而，后者有水化活性，而前者沒(méi)有；純鐵強(qiáng)度不高且較柔軟，而鋼較強(qiáng)韌，生鐵較硬脆，其主要原因是它們的含C量百分之幾的微小差別；聚氯乙烯樹(shù)脂[-CH2-CHCl-]n

與聚乙烯醇[-CH2-CHOH-]n

，在組成上,前者的大分子鏈上含Clˉ離子，而后者含OHˉ離子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。

……等等。

Summary材料物相化合物或元素物相組成：固相、液相、氣相化學(xué)組成：化合物、元素礦物組成與化學(xué)組成的關(guān)系化學(xué)組成相同，其礦物組成不一定相同不同的礦物相，其化學(xué)組成可能相同礦物組成相同，其化學(xué)組成一定相同材料組成與性能的關(guān)系材料組成微小差別就可引起材料性能根本的改變材料中物相含量的變化就可導(dǎo)致材料質(zhì)的突變兩條基本原則：在選用材料時(shí)，必須了解材料的化學(xué)組成和物相組成；可以通過(guò)改變材料的組成來(lái)改善材料的性能。二、材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)材料中所含各物相的類(lèi)型、尺寸、形狀、數(shù)量及其分布。物相或化合物中各離子、原子、分子與超細(xì)顆粒等質(zhì)點(diǎn)的堆積方式和幾何形狀，以及纖維的排布等。材料結(jié)構(gòu)層次：宏觀構(gòu)造細(xì)觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)尺寸為～10-3m(肉眼可分辯)尺寸為10-6~10-3m(光學(xué)顯微鏡可辯)尺寸為＜10-6m(電子顯微鏡)尺寸為10-10~10-8m(高倍電鏡)Summary材料的結(jié)構(gòu)——材料所含各物相(固、液、氣)的形態(tài)、尺寸、堆積方式和分布情況；構(gòu)成各物相的質(zhì)點(diǎn)的堆積方式和分布情況；根據(jù)分辨率的大小，材料結(jié)構(gòu)分為宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)層次；材料的結(jié)構(gòu)取決其組成和制造工藝及其條件(溫度、壓力等)；相同組成的材料可以有不同的結(jié)構(gòu)；相同結(jié)構(gòu)的材料可以有不同的組成。以混凝土為例混凝土內(nèi)部的宏觀結(jié)構(gòu)：由大小不等、形狀各異的砂、石顆粒與孔隙以及水分布在水泥漿體中而構(gòu)成硬化水泥漿體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)：孔隙、水分布于由水泥礦物水化物、未水化的水泥顆粒構(gòu)成的固體連續(xù)相組成水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)：由晶體態(tài)水化物、非晶態(tài)水化物和微小孔隙及孔隙中的水構(gòu)成1.宏觀構(gòu)造

材料構(gòu)造是指宏觀的組織狀態(tài)和具有特定性質(zhì)的材料單元的組合情況，其尺寸范圍在10-3m以上，肉眼可分辨。如：材料內(nèi)部的孔隙特征和孔結(jié)構(gòu)；混凝土中砂、石和水泥石的堆積和分布情況；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維分布狀態(tài)等?；炷恋暮暧^結(jié)構(gòu)天然石膏晶體顆粒的堆積結(jié)構(gòu)—纖維軸向平行氣泡堆積結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)2.細(xì)觀結(jié)構(gòu)

材料是由多物相和多晶體構(gòu)成的。細(xì)觀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍為10-6~10-3m，它是指材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和各物相的堆積結(jié)構(gòu)。如：鋼材的晶體組織在常溫下由鐵素體、珠光體和滲碳體；巖石、陶瓷、水泥石中各礦物相的堆積結(jié)構(gòu)等；高分子材料中晶相與非晶相的堆積結(jié)構(gòu)。鐵碳合金的細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)照片鐵碳合金的細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)照片鋼的細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)照片天然巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)木材的細(xì)觀結(jié)構(gòu)3.微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)—指尺寸范圍在10-10~10-6m內(nèi)，組成材料的化合物或礦物的組織狀態(tài)，是分子、原子與離子排列、連接的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。根據(jù)排列有序與無(wú)序，微觀結(jié)構(gòu)分為

晶體（有序、重復(fù)排列）

非晶體（無(wú)序連接）玻璃體

膠體

晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

晶體結(jié)構(gòu)中，質(zhì)點(diǎn)（離子、原子或分子）作三維空間有序堆積、并呈周期重復(fù)，由此構(gòu)成點(diǎn)陣格子結(jié)構(gòu)（晶格）。

晶體類(lèi)型

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)（離子、原子或分子）間結(jié)合鍵的不同分為：1）離子晶體離子鍵結(jié)合，如:亞硝酸鈉、硫酸鋁等；2）共價(jià)晶體共價(jià)鍵結(jié)合，如：金剛石、碳化硅等；3）分子晶體分子鍵結(jié)合，如：減水劑、液晶等；4）金屬晶體金屬鍵結(jié)合，如：金屬材料等。

晶體的微觀結(jié)構(gòu)

晶格晶胞晶面14種晶系晶格：在晶體內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)在空間整齊排列形成的空間格子晶胞：晶格的最小基本單位，即重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱(chēng)為晶胞。晶胞由晶格常數(shù)有a、b、c矢量及其α、β、γ夾角。晶面：取單位晶格的棱作為基本矢量（a、b、c）的晶體坐標(biāo)系，設(shè)從晶面上切出切片的長(zhǎng)度分別為1/h、1/k、1/l，則這個(gè)面可表示為（h、k、l）。這個(gè)面就是晶面。金屬的三種主要晶體結(jié)構(gòu)體心結(jié)構(gòu)(BCC)面心結(jié)構(gòu)(FCC)六方緊密結(jié)構(gòu)(HCP)硅酸鹽結(jié)構(gòu)SiO2中Si與O以共價(jià)鍵結(jié)合構(gòu)成的硅氧四面體SiO4-4

硅氧四面體SiO4-4共頂連接構(gòu)成的鏈硅氧四面體SiO4-4共頂連接構(gòu)成的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)硅氧四面體SiO4-4共頂連接構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)晶體礦物具有規(guī)則的幾何外形石英晶體晶體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)，才能從內(nèi)部找到改善和發(fā)展新材料的途徑；才能根據(jù)工程結(jié)構(gòu)要求，選擇合適的材料。組織性能

非晶態(tài)結(jié)構(gòu)

也稱(chēng)無(wú)定型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)排列無(wú)序，且無(wú)周期性；沒(méi)有固定的幾何外形。種類(lèi)：玻璃體結(jié)構(gòu)膠體結(jié)構(gòu)如硅酸鈉玻璃是典型的玻璃體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中，Na、Si、和O離子無(wú)序堆積。而石英玻璃是晶體，其結(jié)構(gòu)中Si、和O離子有序堆積。膠體結(jié)構(gòu)—只由微細(xì)的固體粒子和分散介質(zhì)（液體）組成的結(jié)構(gòu)當(dāng)固體粒子含量較少，并分散在介質(zhì)中則構(gòu)成溶膠結(jié)構(gòu)；當(dāng)固體粒子含量較多，并形成連續(xù)相則構(gòu)成凝膠結(jié)構(gòu)。如：CSH凝膠、瀝青、塑料、密封材料膠體的微觀結(jié)構(gòu)針狀晶體的微觀結(jié)構(gòu)高分子材料中聚合物大分子鏈結(jié)構(gòu)直鏈結(jié)構(gòu)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支鏈結(jié)構(gòu)共聚物鏈結(jié)構(gòu)材料中的氣相材料中均或多或少地含有氣相；氣相以各種尺寸和形態(tài)的孔(縫)隙存在于材料中，因此孔隙有一定的結(jié)構(gòu)——孔結(jié)構(gòu)；孔(縫)隙對(duì)材料性能有很大影響：有害孔，如：孔徑較大的孔、連通縫等；無(wú)害孔，如：孔徑很小的孔、凝膠孔等；有益孔，如：孔徑很小的封閉孔等。材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)根據(jù)孔徑尺寸，分為：微孔—納米級(jí)孔細(xì)孔—微米級(jí)孔大孔—毫米級(jí)及以上的孔根據(jù)孔隙特征，分為連通孔—相互連通，構(gòu)成孔隙網(wǎng)絡(luò)封閉孔—不連通，獨(dú)立分散大孔細(xì)孔納米孔開(kāi)口、連通孔封閉孔土木工程材料的技術(shù)性能及其測(cè)試方法物理性質(zhì)

PhysicalProperties密度Density熱學(xué)性質(zhì)ThermalProperties電與磁性質(zhì)ElectricalandmagneticProperties聲學(xué)性質(zhì)AcousticalProperties光學(xué)性質(zhì)OpticalProperties物理化學(xué)性質(zhì)

PhysicochemicalProperties力學(xué)性質(zhì)

MechanicalProperties耐久與安全性質(zhì)

Durabilityandinnoxious1、質(zhì)量與體積

密度ρ

表觀密度ρ0

堆積密度ρ1

密度單位體積材料的質(zhì)量＝密度體積與質(zhì)量是可變的，密度是不變的相同質(zhì)量的材料的體積與物相和質(zhì)點(diǎn)的堆積狀態(tài)有關(guān)材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。散粒材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量?！^對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，m/V——自然堆聚狀態(tài)下，m’/V0——松散堆積狀態(tài)下，m’/V1密度、表觀密度和堆積密度測(cè)量方法密度

試樣—粉末；體積測(cè)量—排液法。表觀密度

試樣—塊體；體積測(cè)量—直接測(cè)、蠟封排液法。堆積密度

試樣—顆粒；質(zhì)量測(cè)量—固定體積法排除任何孔隙后，材料的絕對(duì)密實(shí)體積自然狀態(tài)下體積＝絕對(duì)密實(shí)體積＋孔隙(閉口)體積堆積體積＝自然狀態(tài)體積＋堆積空隙體積為什么要蠟封？問(wèn)題？對(duì)于某一種材料來(lái)說(shuō)，其密度、表觀密度和堆積密度之間的相互關(guān)系怎樣？

答：密度＞表觀密度＞堆積密度為什么？

答：自然狀態(tài)下的體積＝絕對(duì)密實(shí)體積＋孔隙體積；堆積體積＝密實(shí)體積＋孔隙體積＋空隙體積。什么是視密度？如何測(cè)量？2、孔隙率（P）與密實(shí)度（D）的計(jì)算

1)孔隙率

定義：材料中的孔隙體積與總體積的百分比稱(chēng)為孔隙率P。

P=

如果材料處于干燥狀態(tài)：

P=[1－]×100%

V-V′ρ×100%ρ′

V′2)密實(shí)度

定義：材料體積中被固體物質(zhì)充實(shí)的程度D，

D=×100%=1－P

材料的密實(shí)度越大，則強(qiáng)度越高、吸水率越小、導(dǎo)熱性越大。VV′

例題

某工地質(zhì)檢員從一堆碎石料中取樣，并將其洗凈后干燥，用一個(gè)10升的金屬桶，稱(chēng)得一桶碎石的凈質(zhì)量是13.50Kg；再?gòu)耐爸腥〕?000g的碎石，讓其吸水飽和后用布擦干，稱(chēng)其質(zhì)量為1036g；然后放入一廣口瓶中，并用水注滿(mǎn)這廣口瓶，連蓋稱(chēng)重為1411g，水溫為25C，將碎石倒出后，這個(gè)廣口瓶盛滿(mǎn)水連同蓋的質(zhì)量為791g；另外從洗凈完全干燥后的碎石樣中，取一塊碎石磨細(xì)、過(guò)篩成細(xì)粉，稱(chēng)取50g，用李氏瓶測(cè)得其體積為18.8毫升。請(qǐng)問(wèn)？1）該碎石的密度、表觀密度和堆積密度？2）該碎石的孔隙率、開(kāi)口孔隙率和閉口孔隙率？3）該碎石的密實(shí)度、空隙率和填充率？

解答：1）∵V1=10L,m’=13.5kg;ρ0’

=（m’/V1）=13.5/10=1.35kg/L∵m=1000g,吸水后質(zhì)量=1036g.設(shè)水的密度＝1kg/L。

則，Vo=791－(1411－1036)=416mL∴ρ0=（m/V0）=1000/416=2.404g/mL

∵V=18.8mL,m=50g;∴ρ=(m/V)=50/18.8=2.66g/mL2)P=[1－ρ0/ρ]×100%=(1－2.404/2.66)=9.624%

其中：

P開(kāi)=36/416=8.653%P閉=9.624－8.65=0.974%3)D=1－P=90.376%P’=[1－ρ0’/ρ0]×100%=(1－1.35/2.404)=43.8%D’=1－P’=1－43.8%=56.2%碎石在水中吸水的質(zhì)量＝開(kāi)口孔隙體積3、吸水性和吸濕性含水率材料所含水的質(zhì)量與干燥狀態(tài)下質(zhì)量之比：

w=×100%

式中：m—材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g;m’—材料在含水狀態(tài)下的質(zhì)量，g。吸水率材料吸水飽和面干時(shí)的含水率：

＝×100%式中：m1’—材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g。平衡含水率材料在一定濕度的環(huán)境下吸濕，與環(huán)境中濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率。m1’－mmm’－mm二、熱學(xué)性質(zhì)

熱傳導(dǎo)性與導(dǎo)熱系數(shù)比熱容與熱容線(xiàn)膨脹系數(shù)

最高使用溫度頂層保溫層選用哪種材料合適？三、聲學(xué)性質(zhì)吸聲性與吸聲系數(shù)聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)稱(chēng)為吸聲性；工程材料的吸聲性用吸聲系數(shù)表示。隔聲性隔空氣聲隔絕由空氣傳播的聲能隔固體聲隔絕由于聲源撞擊固體材料，引起固體材料受迫振動(dòng)而發(fā)出的聲能。材料的隔聲能力用隔聲量R表示，單位為dB。四、光學(xué)性質(zhì)光吸收比材料吸收的光通量與入射光通量之比。光反射比材料反射的光通量與入射光通量之比。光透射比透過(guò)材料的光通量與入射光通量之比。透明性材料的透明性也是與光線(xiàn)有關(guān)的性質(zhì)。既能透光又能透視的物體稱(chēng)為透明體；只能透光不能透視的物體稱(chēng)為半透明體；既不能透光又不能透視的物體稱(chēng)為不透明體。光澤光澤主要是材料的鏡面反射所產(chǎn)生的反射光。

1、親水性與憎水性

根據(jù)水與材料表面的潤(rùn)濕角（接觸角）θ的大小，有：親水性

0≤θ≤90°時(shí)，材料表面可被水所濕潤(rùn)；材料表面被水濕潤(rùn)，水可被材料所吸附，材料的這種性能稱(chēng)為親水性，這種材料稱(chēng)為親水性材料。憎水性

90°＜θ≤180°時(shí)，材料表面不可被水濕潤(rùn)，材料稱(chēng)為憎水性材料，這種性能稱(chēng)為材料的憎水性。五、與水有關(guān)的性質(zhì)親水性與憎水性材料的特征：材料的親水性與憎水性主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)：有機(jī)材料一般是憎水性，無(wú)機(jī)材料都是親水性。

水在憎水性材料的表面有自動(dòng)收縮成珠的趨勢(shì)，不能潤(rùn)濕材料的表面。對(duì)工程防水有利。水在親水性材料的表面是自動(dòng)散開(kāi)和鋪展，并自發(fā)地潤(rùn)濕表面。吸水性和吸濕性

吸水性材料與水接觸時(shí)，其內(nèi)部孔隙會(huì)吸收水分，這種性質(zhì)稱(chēng)為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。吸濕性材料在潮濕空氣中，會(huì)吸收水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸濕性。材料的吸濕性用平衡含水率表示。材料的吸水（濕）性與材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)與材料的親水性或憎水性密切相關(guān)：材料通過(guò)其內(nèi)部開(kāi)口、連通的孔隙吸收外部環(huán)境的水開(kāi)口孔隙越多，材料吸水率越大；開(kāi)口連通孔徑較小，因毛細(xì)管作用而容易吸水。親水性材料的吸水（濕）性比憎水性材料強(qiáng)。親水性孔壁使水自動(dòng)吸入；憎水性孔壁難以使水吸入。加氣混凝土砌塊吸水分析

現(xiàn)象：某施工隊(duì)原使用普通燒結(jié)粘土磚，后改為多孔、容量?jī)H700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前采用同析方式往墻上澆水，發(fā)覺(jué)原使用的普通燒結(jié)粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看來(lái)澆水不少，但實(shí)則吸水不多，請(qǐng)分析原因。分析原因：加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數(shù)為“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，肚大口小，毛細(xì)管作用差，只有少數(shù)孔是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔。故吸水及導(dǎo)濕均緩慢，材料的吸水性不僅要看孔數(shù)量多少，還需看孔的結(jié)構(gòu)。這些紅磚沒(méi)有燒透，磚內(nèi)開(kāi)口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。創(chuàng)新思維？

1、為什么房屋一樓潮濕？

2、如何解決？1、地下水沿材料毛細(xì)管上升，然后在空氣中揮發(fā)。2、解決問(wèn)題的原理與辦法阻塞毛細(xì)通道，技術(shù)措施？對(duì)材料中的毛細(xì)管壁進(jìn)行憎水處理§1.3

工程材料的力學(xué)性質(zhì)

MechanicalPropertiesofEngineeringmaterials工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以承受最大荷載(強(qiáng)度)，而有最小的變形(剛度)為了工程應(yīng)用效率最優(yōu)，應(yīng)按照材料的強(qiáng)度和剛度，選擇材料材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在荷載(外力)作用下的強(qiáng)度與剛度(形變)工程材料的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)概念荷載(軸向荷載、剪切荷載)應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)材料的力學(xué)性能及其測(cè)量強(qiáng)度與比強(qiáng)度脆性、韌性與柔性硬度與耐磨性一、力學(xué)概念荷載(Load）軸向荷載Axialload剪切荷載ShearLoad

應(yīng)力(Stress)應(yīng)變(Strain)軸向荷載—荷載作用力方向與支撐材料承載面垂直：

-拉伸荷載

:使材料從末端開(kāi)始拉長(zhǎng)的荷載

-壓縮荷載

:使材料從末端開(kāi)始?jí)憾痰暮奢d剪切荷載:荷載作用力方向與承載面相切應(yīng)力

——單位面積上的荷載應(yīng)變—荷載作用下材料伸長(zhǎng)或壓縮與其原始長(zhǎng)度之比(單位變形)二、應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)(stress-straincurves)材料中的應(yīng)力(縱坐標(biāo))對(duì)應(yīng)變(橫坐標(biāo))的圖形(diagram)該圖形給出了材料的行為和性能(behaviorandproperties)

每種材料均有不同的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)鋼材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)鋁合金的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)韌性塑料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)橡膠的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)三、材料的力學(xué)性能及其測(cè)量強(qiáng)度與比強(qiáng)度彈性與塑性脆性與韌性硬度與耐磨性Summary強(qiáng)度—材料抵抗外力，不變形或破壞的能力；比強(qiáng)度—材料強(qiáng)度與質(zhì)量之比；彈性—材料能恢復(fù)荷載作用下的變形的性能；塑性—不可恢復(fù)荷載作用下的變形的性能；脆性—材料破壞前，不產(chǎn)生明顯變形而突發(fā)破壞；韌性—材料破壞前，能產(chǎn)生較大變形或吸收較大能力；硬度—材料抵抗刻劃、擦傷、磨損的能力；1、強(qiáng)度與比強(qiáng)度強(qiáng)度—材料抵抗荷載作用下的變形，保持原有形狀(不發(fā)生形變)或抵抗破壞的性能量度根據(jù)荷載種類(lèi)與作用方向，強(qiáng)度有：抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度工程設(shè)計(jì)所涉及的材料強(qiáng)度。強(qiáng)度等級(jí)—土木工程材料常根據(jù)其極限強(qiáng)度值的大小，人為劃分的若干“強(qiáng)度等級(jí)”比強(qiáng)度—材料強(qiáng)度與材料的表觀密度之比抗壓強(qiáng)度測(cè)試直接拉伸測(cè)試劈裂拉伸測(cè)試四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)彈性極限強(qiáng)度：材料應(yīng)力~應(yīng)變曲線(xiàn)上的彈性區(qū)最大應(yīng)力極限強(qiáng)度:材料應(yīng)力~應(yīng)變曲線(xiàn)上的最大應(yīng)力破壞(斷裂)強(qiáng)度:材料破壞(斷裂)時(shí)的強(qiáng)度

鋼材拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)

Strain()(e/Lo)41235Stress(F/A)彈性階段塑性階段應(yīng)變硬化斷裂極限拉伸強(qiáng)度UTS斜率=E彈性區(qū)

斜率=彈性模量

屈服強(qiáng)度塑性區(qū)

極限拉伸強(qiáng)度

應(yīng)變硬化

斷裂頸縮屈服強(qiáng)度y斷裂強(qiáng)度F2、彈性與塑性

卸載后材料的變形行為：變形可完全恢復(fù)變形不可恢復(fù)或部分恢復(fù)彈性當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料能夠完全恢復(fù)原來(lái)變形的性質(zhì)稱(chēng)為彈性；具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為彈性材料；根據(jù)其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)，有:線(xiàn)彈性和非線(xiàn)彈性。塑性當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料仍保持變形后形狀和尺寸、并不發(fā)生裂縫的性質(zhì)稱(chēng)為塑性；具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為塑性材料；其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，且不連續(xù)，每一點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變之比都不相同。2、彈性與塑性

線(xiàn)彈性特征：應(yīng)力與應(yīng)變成正比；應(yīng)力～應(yīng)變曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變之比(直線(xiàn)斜率)是彈性模量，為常數(shù)。非線(xiàn)性特征：應(yīng)力～應(yīng)變曲線(xiàn)不是直線(xiàn)而是曲線(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變之比——彈性模量不是常數(shù)剛度與彈性模量

Stiffness&ModulusofElasticity剛度:

材料抵抗變形能力的量度彈性模量：應(yīng)力與應(yīng)變之比—-曲線(xiàn)上的斜率剛度用彈性模量來(lái)測(cè)量例如:對(duì)拉伸構(gòu)件PPEAE=dd3、脆性和韌性(BrittlenessandDuctility)脆性材料在外力作用下，不發(fā)生明顯的變形而突然破壞的一種性能，稱(chēng)為脆性；特點(diǎn)：其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積很小。具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為脆性材料韌性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受較大的變形而不至于破壞的性能，稱(chēng)為韌性。特點(diǎn)：其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積較大，這個(gè)面積就是其破壞前吸收的總能量。具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為韌性材料，對(duì)于脆性材料，極限強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度是一致的。對(duì)于韌性材料，極限強(qiáng)度高于破壞（斷裂）強(qiáng)度。脆性材料在受壓下的破壞形式

FailureofBrittleMaterials韌性材料受壓下的破壞形式

“Failure”ofDuctileMaterial?PPFrictionforcesbulgebulge材料韌性的測(cè)量材料韌性用韌度(Toughness)來(lái)量度韌度—材料吸收能量的能力。韌度有兩種測(cè)試計(jì)算方法：計(jì)算應(yīng)力~應(yīng)變曲線(xiàn)下的積分面積—單位面積吸收的能量帶缺口試件的沖擊試驗(yàn)—沖擊強(qiáng)度測(cè)量

4、硬度與耐磨性(HardnessandWear)硬度材料表面抵抗被刻劃、擦傷和磨損的能力，稱(chēng)為硬度。按測(cè)定方法分為：壓痕硬度、沖擊硬度、回彈硬度、刻痕硬度等。耐磨性材料表面抵抗磨損的能力，稱(chēng)為耐磨性以磨損率或磨耗來(lái)表示。材料的硬度與強(qiáng)度間有很好的相關(guān)性Summary在荷載作用下，材料內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度時(shí)，材料將破壞—斷裂或破碎；材料的強(qiáng)度取決于材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力和表面能，作用力與表面能越大，強(qiáng)度越高；材料的強(qiáng)度和剛度取決于組成與結(jié)構(gòu)：金屬材料金屬晶體多晶體堆積體強(qiáng)度高、韌性好、剛度較大；水泥材料離子晶體和凝膠體礦物顆粒堆積體強(qiáng)度不高、剛度大、韌性差、延伸率??；高分子材料非晶膠體大分子鏈相互纏結(jié)強(qiáng)度不高、剛度低、延伸率大、韌性好孔隙嚴(yán)重降低材料的力學(xué)性能?！?.5材料的耐久性

DurabilityofCivilEngineeringMterials材料耐久性與土木工程的服役壽命影響材料耐久性的因素材料的耐久性能及其測(cè)試方法一、材料的耐久性與工程服役壽命

耐久性

材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，抵抗其自身及外界環(huán)境因素的破壞，保持其原有性能且不變質(zhì)、不破壞的能力，稱(chēng)為耐久性。

工程服役壽命

因材料性能的劣化，使得工程在使用環(huán)境下服役到功能的最低要求時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間——服役壽命。材料耐久性與工程服役壽命息息相關(guān)。二、影響材料耐久性的因素

材料在使用中會(huì)被破壞的原因有兩方面：內(nèi)因，材料自身的內(nèi)部因素因：材料內(nèi)部存在不穩(wěn)定的化學(xué)組分，如Ca(OH)2、揮發(fā)份、雜質(zhì)等；材料內(nèi)部存在一些缺陷，如孔隙、裂縫等。外因，材料服役環(huán)境因素：物理作用：光、熱、雨水、風(fēng)等化學(xué)作用：酸、堿、鹽、水等生物作用：細(xì)菌、昆蟲(chóng)等三、材料的耐久性能及其測(cè)試耐水性抗?jié)B性抗凍性耐腐蝕性耐候性抗老化1、耐水性

耐水性—材料抵抗水的破壞作用的能力。軟化系數(shù)(R)，并按下式計(jì)算：

R=f飽/f干式中：f飽—材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度；

f干—材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度。軟化系數(shù)R值越小，材料的耐水性越差。水對(duì)材料的破壞作用溶解—溶蝕作用溶脹作用削弱質(zhì)點(diǎn)相互作用力引起金屬的銹蝕作用工程實(shí)例：某地發(fā)生歷史罕見(jiàn)的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見(jiàn)圖。請(qǐng)分析原因。這些紅磚沒(méi)有燒透，磚內(nèi)開(kāi)口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。2、抗?jié)B性抗?jié)B性—材料抵抗水或溶液滲入或滲透的能力材料的抗?jié)B性用滲透系數(shù)K表示：

K=(Q/F·t)·(d/H)

式中：Q—透水量(cm3)；H—靜水壓頭(cm)；t—時(shí)間(h)

d—試件厚度；

F—透水面積抗?jié)B性與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。大孔且連通孔將使材料的抗?jié)B系數(shù)降低。材料抗?jié)B性影響材料的其它耐久性性能抗?jié)B性試驗(yàn)?zāi)退阅突瘜W(xué)腐蝕性抗凍性3、抗凍性抗凍性—材料飽水下，抵抗凍融循環(huán)破壞作用的能力抗凍等級(jí)—材料喪失性能前能承受的最多凍融循環(huán)次數(shù)，次數(shù)愈多，等級(jí)越高凍融循環(huán)試驗(yàn)凍融破壞的原因抗凍性的影響因素

混凝土抗凍性試驗(yàn)水結(jié)冰時(shí)，體積膨脹9％；當(dāng)材料內(nèi)部孔隙飽水情況下，發(fā)生多次凍融循環(huán)，在水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的拉力作用下，產(chǎn)生裂縫、擴(kuò)展、延伸，和連通，導(dǎo)致材料破壞。材料內(nèi)部的孔隙率與孔隙特征孔隙內(nèi)的飽水程度材料強(qiáng)度與韌性環(huán)境溫度變化4、耐化學(xué)腐蝕性耐化學(xué)腐蝕性

材料抵抗這些化學(xué)介質(zhì)侵蝕，保持其性能不變的能力；抗蝕系數(shù)

材料的耐化學(xué)