知識資料土木工程材料(一)(新版)知識資料

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或第十章土木工程材料第一節(jié)建造材料的基本性質建造物是由多種建造材料組合而成,因建造材料所處的環(huán)境和部位不同,所起的作用也各有不同,所以要求材料具有各種相應的性質。如用于受力結構的材料,要承受各種外力的作用,因此所用的材料要具有所需的力學'性質;按照某些建造功能的需要,要求材料要有相應的防水、保溫、絕熱、吸聲、防火、裝點以及耐熱、耐腐蝕等性質;因為建造物在持久使用過程中,常常受到風吹、日曬、雨淋、冰凍所引起的溫度變化、干濕交替、凍融循環(huán)等作用，這就要求材料必須具有一定的耐久性能。因此,建造材料的應用與其性質是緊密相關的。建造材料所具有的各項性質又是因為材料的組分、結構與構造等內部因素所決定的，為了保證建造物能經久耐用,就需要我們控制建造材料的性質和了解它們與材料組成、結構、構造的關系,并合理地選用材料。一、材料的組成、結構與構造(一)材料的組成材料的組成是指材料的化學成分或礦物成分而言。它不僅影響著材料的化學性質，而且也是決定材料物理力學性質的重要因素。1.化學組成當材料與外界天然環(huán)境以及各類物質相接觸時,它們之間必然要按照化學變化邏輯，發(fā)生作用。如材料受到酸、堿、鹽類物質的侵蝕作用,如材料碰到火焰時的耐燃、耐火性能,以及鋼材與其他金屬材料的銹蝕等等都屬于化學作用。建造材料有關這方面的性質都是由材料的化學組成所決定的。2.礦物組成某些建造材料如天然石材、無機膠凝材料等,其礦物組成是決定其材料性質的主要因素。水泥所含有的熟料礦物不同或其含量不同,表現出的水泥性質就各有差異。例如，在硅酸鹽水泥中,熟料礦物硅酸三鈣含量高的,其硬化速度較快,強度也較高。(二)材料的結構與構造建造材料的性質與其結構、構造有著密切關系。也可以說材料的結構、構造是決定建造材料性質的極其重要因素。因此,要控制建造材料性質,合理使用材料并能解決某些工程問題的話,就需要具備材料結構、構造的有關知識。研究材料的結構大體上可以劃分為:宏觀結構、亞微觀結構和微觀結構三個1.材料的微觀結構這里所指的結構是指物質的原子、分子層次的微觀結構。普通要借助于電子顯微鏡、X射線衍射儀等具有高分辨率的設備舉行看見、分析,其分析程度是以"埃"(1A＝10－10m)為單位表示的。材料的許多物理性質,如強度、硬度、彈塑性、導熱性等都有密切的關系。晶體是指材料的內部質點(原子、分子或離子)展示規(guī)矩羅列的、具有一定結晶形狀的固體。因其各個方向的質點羅列情況和數量不同,故晶體具有各向異性的性質。然而,晶體材料又是由大量羅列不規(guī)矩的晶粒組成,因此,所形成的材料整體又具有各向同性的性質例如:石英、金屬等均屬于晶體結構。按晶體質點及結合鍵的特性,可將晶體分成:原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。不同種類的晶體所構成的材料表現出的性質不同。(1)原子晶體是由中性原子構成的晶體,其原子之間由共價鍵來聯系。原子之間靠數個共用電子結合,具有很大的結合能,結合比較結實,因而這種晶體的強度、硬度與熔點都是比較高的。石英、金剛石、碳化硅等屬于原子晶體。(2)離子晶體是由正、負離子所構成的晶體。因為離子是帶電荷的,它們之間靠得失電子,產生所形成的離子鍵來結合。離子晶體普通比較穩(wěn)定,其強度、硬度熔點較高,但在溶液中要離解成離子,如NaCl、KCl、MgCl等。(3)分子晶體中性的分子因為電荷的非對稱分布而產生的分子極化,或是因為電子運動而發(fā)生的短暫極化所形成的一種結合力,即范德華力。因為這種結合力較弱,故其硬度小,熔點也低。普通分子晶體大部分屬于有機化合物。(4)金屬晶體金屬晶體是由金屬陽離子羅列成一定形式的品格,如體心立方晶格、面心立方晶格和緊密六方晶格。在晶格間隙中有自由運動的電子,這些電子稱為自由電子。金屬鍵是通過自由電子的庫侖引力而結合的。自由電子可使金屬具有良好的導熱性及導電性。在金屬材料中,晶粒的形狀和大小也會影響材料的性質。常采用熱處理的主意,使金屬晶粒產生變化,以收到調節(jié)和控制金屬材料機械性能(強度、韌性、硬度等)的效果。金屬晶體在外力作用下具有彈性變形的特點。當外力達到一定程度時,因為某一晶面上的剪應力達到一定限度,沿該晶面發(fā)生相對的滑動,因而材料產生塑性變形。軟鋼和一些有色金屬(銅、鋁等)都是具有塑性的材料。玻璃體是熔融的物質經急冷而形成的無定形體,是非晶體。熔融物經慢冷,內部質子可以舉行規(guī)矩地羅列而形成晶體;若是冷卻速度較快,達到凝結溫度時,它還具有很大的粘度,致使質點來不及按一定的規(guī)矩舉行羅列,就已經凝結成為固體,此時得到的就是玻璃體結構。因其質點羅列無邏輯,具有各向同性,而且沒有固定的熔點,熔融時只浮上軟化現象。因為在急冷過程中,質點間的能量以內能的形式儲存起來,使玻璃體具有化學不穩(wěn)定性,即具有潛在的化學活性,在一定條件下容易與其他物質發(fā)生化學反應。如:火山灰、?；郀t礦渣等。膠體是指一些細小的固體粒子(直徑約1~100μm)凝聚在介質中所組成的結構。普通屬于非晶體。因為膠體的質點很極小,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。膠體因為脫水或質點凝結作用,而逐漸產生凝膠。凝膠體具有固體性質,在持久應力作用下又具有粘性液體的流動性質。這是因為固體微粒表面有一層吸附膜,膜層越厚,流動性越大。如:混凝土的強度及變形性質與水泥水化形成的凝膠體有很大的關系。非晶體材料在外力作用下,其彈性變形和塑性變形沒有顯然的界限,普通會同時產生彈性變形和塑性變形。2.亞微觀結構亞微觀結構也稱為細觀結構。普通是指用光學顯微鏡所能看見到的材料結構。儀器的放大倍數可達一千倍左右,能有幾千分之一毫米的分辨能力,可分析材料的結構組織分析天然巖石的礦物組織;分析金屬材料品粒的粗細及其金相組織,如鋼材中的鐵素體、珠光體、滲碳體等組織;看見木材的木纖維、導管、髓線、樹脂道等顯微組織;分析組成混凝土材料的粗細骨粒、水泥石(包括水泥的水化產物及未水化顆粒)以及孔隙等。材料內部各種組織的性質各不相同,這些組織的特征、數量、分布,以及界面之間的結合情況都對建造材料的整體性質起著重要的影響作用。因此,研究分析材料的亞微觀結構是有其異常重要意義的。3.材料的宏觀結構建造材料的宏觀結構是指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗壯組織。其尺寸約為毫米級大小,以及更大尺寸的構造情況。因此,這個層次的結構也可以稱為宏觀構造。建造材料的宏觀結構(構造),按孔隙尺寸可以分為:(1)致密結構基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。(2)多孔結構是指具有粗壯孔隙的結構。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造輕質材料等。(3)微孔結構是指微細的孔隙結構。在生產材料時,增強拌和水量或摻入可燃性摻料,因為水分蒸發(fā)或燒掉某些可燃物而形成微孔結構。如石膏制品、黏土磚瓦等。按構成形態(tài)可分為:(1)聚攏結構是由骨料與膠凝材料結合而成的材料。它所包括的范圍很廣,如水泥混凝土、砂漿、瀝青混凝土、石棉水泥制品、木纖維(或刨花)水泥板,以及燒土制品、陶瓷、增強塑料等材料均可屬于這類結構。(2)纖維結構是指木材纖維、玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結構。其特點是平行纖維方向與垂直纖維方向的強度及導熱性等性質都具有顯然的方向差異,即各性性質。其使用方式有散鋪、制成氈片或織物,以及膠結成板材等。(3)層狀結構采用粘結或其他主意將材料疊合成層狀的結構。如膠合板、木質疊合人造板、紙面石膏板、蜂窩夾芯板、隔熱芯料金屬板和層狀填料塑料板等。(4)散粒結構是指松散顆粒狀結構。如混凝土骨料、用做絕熱材料的粉狀或粒狀的填充料等。從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的結構上來研究建造材料的性質才干深入其本質,對改進與提高材料性能以及開辟新型材料都有著重要意義。二、建造材料的基本物理性質(一)材料的密度、表觀密度和堆積密度1.密度(ρ)密度是材料在絕對密實狀態(tài)下,單位體積的分量。按下式計算:ρ＝m/V式中ρ——密度,g/cm3;M——材料的分量,g;V——材料在絕對密實狀態(tài)下的體積,cm3。這里指的"分量"與物理學中的"質量"是同一含義,在建造材料學中,習慣上稱之為“分量”。對于固體材料而言,rn是指干燥至恒重狀態(tài)下的分量。所謂絕對密實狀態(tài)下的體積是指不含有任何孔隙的體積。建造材料中除了鋼材、玻璃等少數材料外,絕大多數材料都含有一定的孔隙、如磚、石材等塊狀材料。對于這些有孔隙的材料,測定其密度時，應先把材料磨成細粉,經干燥至恒重后,用比重瓶(李氏瓶)測定其體積,然后按上式計算得到密度值。材料磨得越細,測得的數值就越確切。2.表觀密度(ρo)表現密度是指材料在天然狀態(tài)下,單位體積的分量。按下式計算:Ρo＝m/V0ρo——表觀密度,g/cm3或kg/m3;m——材料的分量,g或kg;Vo——材料的天然狀態(tài)下的體積,cm3或m3材料在天然狀態(tài)下的體積包含了材料內部孔隙的體積。當材料含有水分時,它的分量積都會發(fā)生變化。普通測定表觀密度時,以干燥狀態(tài)為準,倘若在含水狀態(tài)下測定表度,須注明含水情況。在實驗室中測定的通常為烘干至恒重狀態(tài)下的表觀密度。質地堅硬的散粒狀材料,如砂、石,要磨成細粉測定密度需耗費很大的能量,普通測定其密度,在應用過程中(如混凝土配合比計算過程)近似代替其密度。3.堆積密度(ρ'0)堆積密度是指粉狀或散粒狀材料在堆積狀態(tài)下,單位體積的分量。按下式計算:ρ'0=m/V'0(10-1-3)其中ρ'0——堆積密度,kg/m3;M——材料的分量,kg;V'0——材料的堆積體積,m3。這里,材料的分量是指天然堆積在一定容器內材料的分量;其堆積體積是指所用容器的容積。容器的容積視材料的種類和規(guī)格而定。材料的堆積體積既包含內部孔隙也包含顆粒之間的空隙。(二)材料的孔隙率和空隙率孔隙率是指材料體積內,孔隙體積所占的比例。用下式計算:孔隙率P==(1－)×100％(10-1-4)孔隙率相對應的是密實度,即材料體積內,被固體物質充實的程度?？捎孟率接嬎?密實度D==×100%(10-1-5)孔隙率或密實度的大小直接反映了材料的致密程度。材料內部孔隙的構造可分為連通孔和封閉孔,連通孔不僅彼此貫通還與外界相通,而封閉孔不僅彼此不連通,而且與外界相隔絕孔隙按尺寸的大小又可分為極微細孔隙、細小孔隙和較粗壯孔隙?？紫兜拇笮?、分布、數量及構造特征對材料的性能產生很大的影響?？障堵适侵干⒘畈牧显谀扯逊e體積中，顆粒之問的空隙體積所占的比例。用下式計算：（10-1-6）與空隙率相對應的是填充率，即材料在某堆積體積中被顆粒填充的程度?？捎孟率接嬎悖海?0-1-7）(三)材料的親水性和憎水性組成建造物的材料常常與水或空氣中的水分接觸，而處于材料、水和空氣的三相體系中，水分與不同材料表面之間的互相作用不同。在三相交點處，沿水滴表面的切線與水和材料的接觸面之間的夾角θ，稱潤濕邊角。普通認為：當θ≤90°時．如圖10-1-1（a），表示水分子之間的內聚力小于水分子與材料分子間的吸引力，這種材料稱為親水性材料；當θ>90°時．如圖10-l-l(b)，表示水分子之間的內聚力大于水分子與材料分子間的吸引力，這種材料稱為憎水性材料、建造材料中的混凝上、木材、磚等為親水材料，瀝青、石蠟等為憎水性材料。親水性材料表面做憎水處理，可提高其防水性能。(四)材料的吸水性和吸濕性材料在水中能吸收水分的性質,稱為吸水性,常用吸水率來表示。按下式計算:式中W吸——材料的吸水率,%;M0——材料在干燥狀態(tài)下的分量,g;M——材料在吸水飽和狀態(tài)下的分量,g。吸水率有分量吸水率和體積吸水率之分,上式定義的吸水率為分量吸水率,體積吸水率是指材料吸入飽和水的體積占材料天然狀態(tài)下體積的百分率。材料的吸水率與孔隙有很大關系,若材料具有微細而連通的孔隙,則吸水率較大，若具有封閉孔隙,則水分難以滲入,吸水率較小