第十二章土木工程材料（一）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁土木工程材料第一節(jié)材料科學知識與土木工程材料的基本性質(zhì)一、土木工程材料分類、組成及結構（一）土木工程材料的組成土木工程材料的組成分為化學組成和礦物組成?；瘜W組成影響著材料的化學性質(zhì)，礦物組成影響著材料的物理力學性質(zhì)。 通常按照土木工程材料的化學組成將其劃分為無機材料、有機材料和復合材料三大類，詳見表1。表1土木工程材料的分類分類實例無機材料非金屬材料天然石材花崗巖、大理石、碎石、石板、料石、砂燒土制品黏土磚、陶器、炻器、瓷器熔融制品玻璃、玻璃棉、礦棉、鑄石膠凝材料石灰、建造石膏、水玻璃、水泥砂漿、混凝土砌筑砂漿、抹面砂漿、普通混凝土、輕骨料混凝土硅酸鹽制品灰砂磚、硅酸鹽砌塊金屬材料黑色金屬鋼、鐵有色金屬鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦合金有機材料植物材料木材、竹材瀝青材料石油瀝青、煤瀝青、改性石油瀝青合成高分子材料塑料、橡膠、膠粘劑復合材料金屬-非金屬鋼纖維混凝土、鋼筋混凝土無機非金屬-有機玻璃鋼、人造石材、聚合物混凝土金屬-有機鋁塑板、輕質(zhì)金屬夾芯板、PVC涂層鋼板（二）土木工程材料的結構土木工程材料的結構有宏觀結構、細觀結構和微觀結構。1、微觀結構（1）晶體：基本質(zhì)點按照一定的邏輯羅列，而且按照一定的周期重復浮上，即具有各向異性的性質(zhì)，宏觀的晶體材料是由多個晶粒聚攏而成，表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)，如鋼材。分為原子晶體，如金剛石；離子晶體，如NaCl；金屬晶體，如銅；分子晶體，如冰。（2）玻璃體：各向同性的，具有潛在的化學活性，在一定條件下容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應，如粉煤灰。（3）膠體：屬于非晶體。質(zhì)點很極小，表面積很大，所以表面能很大，吸附能力很強，使膠體具有很強的粘結力，如水化硅酸鈣。2、宏觀結構又劃分為。（1）按照土木工程材料的構造特征，土木工程材料的構造分為堆聚結構：由骨料與膠凝材料結合而成的材料，例如混凝土纖維結構：玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結構。層狀結構：將材料疊合而成的結構，例如膠合板散粒結構：松散顆粒的結構，例如砂石骨料（2）、按照土木工程材料的孔隙特征分為致密結構：無孔隙存在的材料，例如玻璃、鋼材多孔結構：有粗壯孔隙的結構，例如加氣混凝土微孔結構：有微細的孔隙結構，例如粘土磚、石膏制品[例題1]以下哪種微觀結構或性質(zhì)的材料不屬于晶體？A.結構單元在三維空間邏輯性羅列B.非固定熔點C.材料的任一部分都具有相同的性質(zhì)D.在適當?shù)沫h(huán)境中能自發(fā)形成封閉的幾何多面體【解析】晶體結構的基本特征是內(nèi)部質(zhì)點按照一定的邏輯羅列，并且按照一定周期重復浮上，即結構單元在三維空間邏輯性羅列，且在適當?shù)沫h(huán)境中能自發(fā)形成封閉的幾何多面體。晶體具有固定的熔點。宏觀的晶體材料是由許多晶體顆粒組成，使其表現(xiàn)為各向同性。【答案】B二、土木工程材料的物理性質(zhì) （一）密度、表觀密度與堆積密度1、密度：是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，又稱質(zhì)量密度（ρ）?？杀硎緸椋菏街校选牧厦芏龋╧g/m3）；m——材料質(zhì)量（kg）；V——材料體積（m3）。必須強調(diào)材料絕對密實狀態(tài)的概念，密度只與材料中固體物質(zhì)的體積有關，與孔隙無關，測定孔隙時材料需磨成細粉以便排除孔隙。2、表觀密度：是指材料在天然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，亦稱體積密度（ρ0）。材料在烘干狀態(tài)下的表觀密度稱為干表觀密度。式中，ρ0——材料表觀密度（kg/m3）；m——材料質(zhì)量（kg）；V0——材料在天然狀態(tài)下體積（m3）。包括內(nèi)部孔隙的體積。3、堆積密度：散粒材料在天然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度（）。可表示為：式中，——散粒材料堆積密度（kg/m3）；m——散粒材料質(zhì)量（kg）；——散粒材料在天然堆積狀態(tài)下體積（m3）。不僅包括材料內(nèi)部孔隙體積，還包括顆粒之間的空隙體積。所以可知，密度（）、表觀密度（o）和堆積密度（’o）均指材料單位體積的質(zhì)量，不同之處在于決定單位體積時材料所處的狀態(tài)不同。 4、孔隙率與密實度通常材料內(nèi)部總是包括一部分孔隙，材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率，稱為材料的孔隙率（P0）。材料孔隙率的大小直接反映材料的密實程度，孔隙率大，則密實度小?？紫堵屎兔軐嵍葍烧咧蜑?，均反映了材料的致密程度。材料的孔隙特征對其性質(zhì)影響更大。按照孔隙特征，孔隙分為封閉孔隙和連通孔隙。5、空隙率對于散粒材料，其堆積體積中，顆粒間空隙體積所占的百分率稱為空隙率（）。 空隙率大小反映了散粒材料顆粒互相填充的致密程度。 （二）材料與水有關的性質(zhì)1、材料的親水性和憎水性 材料表面與水或空氣中的水汽接觸時，會產(chǎn)生不同程度的潤濕。材料能被水潤濕的性質(zhì)稱為親水性；材料不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎水性。表面能被水潤濕的材料為親水材料，如磚、混凝土、木材等；表面不會被水潤濕的材料為憎水材料，如石蠟、瀝青，憎水材料相宜做防水和防潮材料。材料被水濕潤的情況可用潤濕邊角θ表示。當材料與水接觸時，在材料、水、空氣三相的交點處，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕邊角，如圖1所示。θ角越小，表明材料越容易被水潤濕。θ≤90°時，材料能被水濕潤，稱為親水性材料；θ＞90°時材料表面不易吸附水，稱為憎水性材料。(a)親水材料(b)憎水材料圖1材料潤濕暗示圖 2、材料的吸水性和吸濕性 （1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)。材料的吸水性以吸水率表示。質(zhì)量吸水率指吸入水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。 材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。封閉孔隙或粗壯開口孔隙時，吸水率低；細微連通孔隙時吸水率大，這種材料的吸水性強。 （2）吸濕性：材料在濕潤空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。濕潤材料在干燥空氣中也會放出水分。材料的吸濕性用含水率表示；含水率系指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。材料的含水率會隨環(huán)境溫度和濕度變化而異。通常采用平衡含水率。 材料吸濕含水后會使材料表觀密度和導熱系數(shù)增大，強度降低、體積膨脹。3、材料的耐水性材料的耐水性：指材料持久在飽和水作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性用軟化系數(shù)來表示，即材料在水飽和狀態(tài)下的抗壓強度與材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度之比?？捎孟率奖硎荆菏街?，K——材料的軟化系數(shù)；fb——材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）；fg——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。軟化系數(shù)的大小表明材料在浸水飽和后保持抗壓強度的能力。軟化系數(shù)越小，材料的耐水性越差，通常把軟化系數(shù)大于0.85的材料稱為耐水材料。4、材料的抗?jié)B性材料抵御壓力水滲透的性質(zhì)成為抗?jié)B性，或不透水性。材料的抗?jié)B性通常用滲透系數(shù)來表示。滲透系數(shù)是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時光內(nèi)透過單位面積的水量。滲透系數(shù)越小，材料的抗?jié)B性越好。對于混凝土或砂漿用抗?jié)B等級表示其抗?jié)B性，抗?jié)B等級越大，混凝土或砂漿的抗?jié)B性越好。材料的抗?jié)B性和其孔隙率及孔隙特征有關，普通孔隙率小且為封閉孔的材料，抗?jié)B性好?？紫堵蚀笄沂沁B通孔的材料，抗?jié)B性差。對于防水材料要求具有更高的抗?jié)B性。如地下構筑物和防水工程要求有較高的抗?jié)B性5、材料的抗凍性材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)歷多次凍融循環(huán)（凍結和融化）作用而不破壞、強度也不嚴重降低的性質(zhì)為抗凍性。用抗凍等級Fn表示，n指材料所能承受的最大凍融次數(shù)?？箖龅燃壴酱螅牧系目箖鲂栽胶?。密實或具有封閉孔隙的材料抗凍性好。（三）材料的導熱性當材料兩側(cè)存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側(cè)，通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導熱量的能力，稱為導熱性。材料導熱性可用導熱系數(shù)來表示。導熱系數(shù)的物理意義是：厚度為1m的材料，當溫度改變1K時，在1s時光內(nèi)通過1m2面積的熱量。材料的導熱系數(shù)愈小，表示材料的導熱性越差，絕熱性能愈好。影響材料導熱性的因素有：（1）材料的組成與結構：金屬材料、無機材料、晶體材料的導熱性大于非金屬材料、有機材料、非晶體材料。（2）材料的孔隙率：增大孔隙率大，即表觀密度小，導熱系數(shù)小。（3）材料的孔隙特征：相同孔隙率時，微孔或封閉孔隙構造材料的導熱系數(shù)小，絕熱性好。（4）材料的含水情況：材料含水或含冰后會使導熱系數(shù)增大，絕熱性下降。以上各物理性能及其指標匯總于表2中。表2材料的物理性能及其指標親水性憎水性吸水性吸濕性耐水性抗?jié)B性抗凍性導熱性潤濕邊角吸水率含水率軟化系數(shù)滲透系數(shù)抗凍等級導熱系數(shù)抗?jié)B等級90°>90°飽和隨溫度和濕度變化（平衡）越大越好>0.85越小越好越大越好越大越好越大越好[例題2]已知某材料的表觀密度是1400kg/m3，密度是1600kg/m3，則其孔隙率是：A.14.3%B.14.5%C.87.5%D.12.5%

【提醒】孔隙率=（1-1400/1600）100%=12.5%?！敬鸢浮緿[例題3]下列與材料的孔隙率沒有關系的是：A.強度B.絕熱性C.密度D.耐久性【提醒】密度是指在材料在絕對密室狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，與孔隙無關；強度隨孔隙率增大而降低；絕熱性和耐久性隨開口孔隙率增大而降低，隨封閉孔隙增多而提高?！敬鸢浮緾三、材料的力學性質(zhì)1、材料的強度、比強度材料在外力作用下抵御破壞的能力，稱為材料的強度。按照外力作用的形式不同，材料的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度及抗剪強度等。 比強度：指材料強度對其表觀密度的比值，是衡量材料輕質(zhì)高強的主要指標。該值越大，表明材料輕質(zhì)高強。2、彈性與塑性：彈性：指外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力取消后變形出現(xiàn)，材料能徹低恢復本來的形狀的性質(zhì)，這種變形為彈性變形。彈性模量是衡量材料在彈性范圍內(nèi)抵御變形能力的指標，該值越大，材料抵御變形的能力越強，材料受力變形越小。塑性：指外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力取消后仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產(chǎn)生裂隙的性質(zhì)，這種變形稱為塑性變形。彈-塑性材料：受力時彈性和塑性變形同時浮上，如混凝土。3、脆性和韌性材料受外力作用，當外力達到一定數(shù)值時，材料發(fā)生驟然破壞，且破壞時無顯然的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱脆性材料。脆性材料抗壓強度比抗拉強度大無數(shù)，如混凝土等，相宜作承壓構件。材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生較大的變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。如建造鋼材。4、硬度硬度是指材料表面抵御硬物壓入或刻劃的能力。材料的硬度愈大，其強度愈高。通常石料用刻痕法或磨耗法；金屬、木材和混凝土用壓痕法；礦物材料用刻劃法；塑料、橡膠及金屬用布氏硬度表示。[例題4]彈性體受拉應力時，所受應力與縱向應變之比稱為：A.彈性模量B.泊松比C.體積模量D.剪切模量【提醒】彈性體受拉應力時，所受應力與縱向應變之比稱為彈性模量。【答案】A四、練習題1、膠體結構的材料具有：A、各向同性，并有較強的導熱導電性B、各向同性，并有較強的粘結性C、各向異性，并有較強的導熱導電性D、各向同性，無粘結性提醒：膠體是由細小固體顆粒（粒徑在1~100μm）凝聚在延續(xù)介質(zhì)中而成，各向同性，具有良好的吸附力和較強的粘結力。答案：B2、材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為：A、密度B、表觀密度C、密實度D、堆積密度提醒：材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為密度；材料在天然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為表觀密度；散粒材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度。材料中固體體積占天然狀態(tài)體積的百分比稱為密實度。答案：A3、某材料吸水飽和后重100g，比干燥時重了10g，此材料的吸收率為：A、10%B、8%C、7%D、11.1%提醒：吸水率=水的質(zhì)量/材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量=10/（100-10）=11.1%。答案：D4、建造材料與水相關的物理特性表述準確的是:A、孔隙率越大，其吸水率也越大B、平衡含水率普通是固定不變的C、滲透系數(shù)越大，其抗?jié)B性越大D、軟化系數(shù)越大，其耐水性越好提醒：封閉孔隙或粗壯開口孔隙時，吸水率低；細微連通孔隙時吸水率大，這種材料的吸水性強。平衡含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而異。滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。材料的軟化系數(shù)越大。耐水性越好。答案：D5、具有封閉孔隙特征的多孔材料相宜用于哪種建造材料？A、吸聲B、隔聲C、保溫D、承重提醒：因為空氣的導熱系數(shù)為0.023W/（m.K），封閉孔隙中含有大量空氣，使這種材料的導熱系數(shù)很小，相宜做保溫材料。吸聲材料需要具有開口孔隙特征。隔聲材料和承重材料要求密實度高，孔隙率小。答案：C6、關于絕熱材料的性能，下列中哪一項是錯誤的？A、材料中固體部分的導熱能力比空氣小B、材料受潮后，導熱系數(shù)增大C、各向異性的材料中與熱流平行方向的熱阻小D、導熱系數(shù)隨溫度升高而增大提醒：空氣，水、冰的導熱系數(shù)由大到小的順序是：冰>水>空氣，即固體的導熱能力大于空氣，材料受潮后，導熱系數(shù)增大，溫度升高使導熱系數(shù)增大。各向異性的材料中與熱流平行方向的熱阻小。答案：A7、承受震動和沖擊荷載作用