第一章 土木工程材料的基本性質課件

第1章土木工程材料的基本性質1.1材料的組成與結構1.2材料的物理性質1.3材料的基本力學性質1.4材料的耐久性1.5材料的環(huán)境負荷性及其使用的健康安全性1第一章土木工程材料的基本性質1.1材料的組成與結構1.1.1材料的組成1.1.2材料的結構1.1.3結構中的孔隙與材料性質的關系2第一章土木工程材料的基本性質1.化學組成化學組成指構成材料的基本元素與化合物?；瘜W組成是決定材料化學性質（耐腐蝕性、燃燒性等）、物理性質（耐水性、耐熱性、保溫性等）、力學性質（強度、變形等）的主要因素之一。3第一章土木工程材料的基本性質2.礦物組成許多無機非金屬材料是由各種礦物組成的。

礦物是具有一定化學成分和結構特征的單質或化合物。

礦物組成是決定無機非金屬材料化學性質、物理性質和力學性質等的重要因素。例如：普通硅酸鹽水泥與快硬硅酸鹽水泥

4第一章土木工程材料的基本性質1.宏觀結構（構造）用肉眼或放大鏡即可分辨的毫米級以上的組織稱為宏觀結構。主要研究材料中的大孔隙、裂紋、不同材料的組合與復合方式（或形式）、各組成材料的分布等。5第一章土木工程材料的基本性質材料的宏觀結構常用材料主要特性單一材料致密結構鋼材、玻璃、瀝青、部分塑料高強，或不透水、耐腐蝕多孔結構泡沫塑料、泡沫玻璃輕質、保溫、低強度纖維結構木材、竹材、巖棉、玻璃纖維、鋼纖維高抗拉、且大多數(shù)輕質、保溫、吸聲聚集結構陶瓷、磚、某些天然石材強度較高復合材料粒狀聚集結構各種混凝土、鋼筋混凝土綜合性能好、價格較低纖維聚集結構巖棉板、纖維板、纖維增強塑料輕質、保溫，或高抗拉多孔結構加氣混凝土、泡沫混凝土輕質保溫疊合結構紙面石膏板、膠合板、各種加芯板綜合性能好6第一章土木工程材料的基本性質2.細觀結構也稱顯微或亞微觀結構，是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結構。尺寸范圍在10-3~10-6m。該結構主要研究材料內部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布。7第一章土木工程材料的基本性質3.微觀結構是指材料原子、分子層次的結構。可借助電子顯微鏡、SEM、XRD等手段來分析研究該層次上的結構特征。10-6~10-10m。材料的許多物理、力學性質，如強度、硬度、熔點、導熱性、導電性等都是由材料內部的微觀結構所決定的。8第一章土木工程材料的基本性質鈣鈦鋯石在不同放大倍數(shù)下的SEM照片9第一章土木工程材料的基本性質粉煤灰在3.0K下的SEM照片礦渣在3.0K下的SEM照片10第一章土木工程材料的基本性質幾種工業(yè)廢渣的XRD衍射圖譜11第一章土木工程材料的基本性質土木工程材料使用狀態(tài)均為固體，其微觀結構可分為晶體、玻璃體和膠體。晶體：原子與分子的排列具有規(guī)則，三維晶格周期性的排列到晶體的表面。具有各向異性。

（石墨、金剛石、“足球烯”C60）玻璃體：無定形態(tài)（短程有序，長程無序），化學不穩(wěn)定性，各向同性，無固定熔點。膠體：物質以極微小的質點（粒徑為1~100μm）分散在介質中所形成的結構。具有很強的吸附力，在一定條件下可形成凝膠。12第一章土木工程材料的基本性質金剛石晶胞金剛石三維結構石墨三維結構C60比例模型C60球棍模型13第一章土木工程材料的基本性質微觀結構常見材料主要特性晶體原子、離子、分子有規(guī)律排列原子晶體（以共價鍵結合）金剛石、石英、剛玉強度、硬度、熔點高，密度小離子晶體（以離子鍵結合）氯化鈉、石膏、石灰?guī)r強度、硬度、熔點較高，但波動較大。部分可溶，密度中等分子晶體（以分子鍵結合）石蠟及部分有機化合物強度、硬度、熔點較低。大部分可溶，密度小金屬晶體（以金屬鍵結合）鐵、鋼、鋁及其合金強度、硬度變化大，密度大非晶體質點無規(guī)律排列玻璃、火山灰、粉煤灰與同組成晶體比強度、硬度密度化學穩(wěn)定性、導熱性、導電性差，各向同性14第一章土木工程材料的基本性質

材料的宏觀結構不同，即使組成與微觀結構等相同，材料的性質與用途也不同，如玻璃與泡沫玻璃、密實的灰砂硅酸鹽磚與灰砂加氣混凝土，它們的許多性質及用途有很大的不同。材料的宏觀結構相同或相似，則即使材料的組成或微觀結構等不同，材料也具有某些相同或相似的性質與用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料、加氣混凝土等。15第一章土木工程材料的基本性質1.材料內部孔隙的來源與產生天然材料在生長或形成過程中產生的孔隙。如木材、天然巖石。人造材料在其生產過程中引入的孔隙。如生產中過量水的使用。16第一章土木工程材料的基本性質2.孔隙的分類按孔隙的大小，可將孔隙分為微細孔隙、細小孔隙（毛細孔）、較粗大孔隙、粗大孔隙等。按孔隙的形狀，可將孔分為球形孔隙、片狀孔隙（即裂紋）、管狀孔隙、墨水瓶狀孔隙、帶尖角的孔隙等。按常壓下水能否進入孔隙中，可分為開口孔隙（或稱連孔隙）和閉口孔隙（或封閉孔隙）。17第一章土木工程材料的基本性質3.孔隙特征及其對材料性質的影響孔隙特征是指材料內部孔隙的大小、形狀、分布、連通與否等構造上的特征，對材料的物理、力學性質均有顯著影響。一般工程應用上，孔隙特征主要指孔隙的連通性，按此分為開口孔隙和閉口孔隙。18第一章土木工程材料的基本性質1－固體物質；2－開口孔隙；3－閉口孔隙

材料內孔隙示意圖

開口孔隙對材料性質的影響較閉口孔隙大，往往使材料的大多數(shù)性質降低（吸聲性除外）。19第一章土木工程材料的基本性質1.2材料的物理性質1.2.1與質量狀態(tài)有關的物理性質1.2.2與構造狀態(tài)有關的物理性質1.2.3與水有關的性質1.2.4與熱有關的性質1.2.5與聲有關的性質20第一章土木工程材料的基本性質1.密度ρ又稱真密度，是材料在絕對密實狀態(tài)下(不含內部任何孔隙)，單位體積的質量定義式如下：材料的密度大小取決于組成物質的原子量和分子結構。例如：金剛石3.4~3.5g/cm3；C60為1.68g/cm3；石墨2.21~2.26g/cm321第一章土木工程材料的基本性質2.表觀密度又稱視密度、近似密度，是指材料在自然狀態(tài)下，不含開口孔時單位體積的質量。注意測定時材料必須處于絕對干燥狀態(tài)。材料內部閉口空隙的體積22第一章土木工程材料的基本性質3.容積密度又稱體積密度、容重，是指材料在自然狀態(tài)下，單位宏觀外形體積的質量。材料在自然狀態(tài)下的宏觀外形體積指包含內部所有孔隙（含開口和閉口孔隙）的體積。測定時可在任意含水狀態(tài)下，但應注明含水情況，未特別標明時常指氣干狀態(tài)下的容積密度。在材料對比試驗時，則在絕干狀態(tài)下進行。材料內部開口孔隙的體積23第一章土木工程材料的基本性質4.堆積密度是指散粒材料或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質量。1－顆粒中的固體物質；2－顆粒中的開口孔隙；3－顆粒中的閉口孔隙；4－顆粒間的空隙散粒材料或粉狀材料間空隙的體積24第一章土木工程材料的基本性質1.孔隙率與密實度孔隙率是指材料內部孔隙體積占材料總體積（在自然狀態(tài)下體積）的百分率。密實度，即材料體積內被固體物質充實的程度。25第一章土木工程材料的基本性質2）閉口孔隙率閉孔體積與材料在自然狀態(tài)下體積的百分率。1）開口孔隙率開孔體積與材料在自然狀態(tài)下體積的百分率。26第一章土木工程材料的基本性質2.空隙率與填充率空隙率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒之間的空隙體積占其自然堆積體積的百分率。填充率，即散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。27第一章土木工程材料的基本性質1.親水性與憎水性材料與水接觸時能被水潤濕的性質稱為親水性。親水性材料材料與水接觸時不能被水潤濕的性質稱為憎水性。憎水性材料

90

90

=0潤濕不潤濕全潤濕

28第一章土木工程材料的基本性質2.吸水性與吸濕性1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性質。用質量吸水率Wm或體積吸水率WV來表示。兩者分別是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的質量占材料絕干質量的百分率，或所吸水的體積占材料自然狀態(tài)體積的百分率，定義式如下：29第一章土木工程材料的基本性質材料的吸水率可直接或間接反映材料的部分內部結構及其性質，即可根據(jù)材料吸水率的大小對材料的孔隙率、孔隙狀態(tài)及材料的性質做出粗略的評價。材料的吸水率與孔隙構造有很大關系。若材料具有微細而連通的孔隙，則吸水率就較大；若是具有封閉孔隙，則水分就難以滲入，吸水率就較?。蝗羰禽^粗大開口的孔隙，水分雖容易進入，但不易在孔內保留，僅起到潤濕孔壁的作用，吸水率也較小。30第一章土木工程材料的基本性質2）吸濕性：是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質，常以含水率表示：含水率表示材料在某一狀態(tài)的含水能力，隨環(huán)境溫度和空氣濕度的變化而變化。與空氣溫濕度相平衡時的含水率稱為平衡含水率（或稱氣干含水率）。31第一章土木工程材料的基本性質

3）含水對材料性質的影響材料吸水或吸濕后，可削弱材料內部質點間的結合力或吸引力，引起強度下降。同時也使材料的體積密度和導熱性增加，幾何尺寸略有增加，而使材料的保溫性、吸聲性下降，并使材料受到的凍害、腐蝕等加劇。32第一章土木工程材料的基本性質1.導熱性材料傳導熱量的性質稱為導熱性，以導熱系數(shù)λ表示：通常將λ≤0.23W/（m·K）的材料稱為絕熱材料。如：礦棉、膨脹珍珠巖、泡沫塑料等。33第一章土木工程材料的基本性質影響材料導熱系數(shù)的主要因素有：

（1）材料的組成與結構：通常金屬材料的導熱系數(shù)λ分別大于非金屬材料。（2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越輕（越?。?，導熱系數(shù)越小。（3）含水率：材料含水或含冰時，會使導熱系數(shù)急劇增加。（4）溫度：溫度越高，材料的導熱系數(shù)越大（金屬除外）。34第一章土木工程材料的基本性質2.熱阻材料層厚度δ與導熱系數(shù)λ的比值稱為熱阻R=δ/λ（m2·K/W），它表明熱量通過材料層時所受到的阻力。多層平壁導熱條件下，平壁的總熱阻等于各單層材料的熱之和。（類似于電阻的串聯(lián)）35第一章土木工程材料的基本性質3.熱容量是指材料受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質，用比熱表示：比熱c與材料質量m的乘積，稱為熱容量。材料的熱容量大，則材料在吸收或放出較多的熱量時，其自身的溫度變化不大，即有利于保證室內溫度相對穩(wěn)定。36第一章土木工程材料的基本性質1.吸聲性材料能吸收聲音的性質稱為吸聲性，用吸聲系數(shù)來表示：被吸收掉的聲能E1穿透的聲能E2入射聲能E0反射聲能37第一章土木工程材料的基本性質吸聲系數(shù)α與聲音的頻率和入射方向有關。因此吸聲系數(shù)用聲音從各個方向入射的吸收平均值，并指出是哪一頻率下的吸收值。通常使用的六個頻率為125、250、500、1000、2000、4000Hz。一般將上述六個頻率的平均吸聲系數(shù)≥0.20的材料稱為吸聲材料。38第一章土木工程材料的基本性質最常用的吸聲材料為多孔吸聲材料，影響其吸聲效果的主要因素為：（1）材料的孔隙率或體積密度對同一吸聲材料，孔隙率P越低或體積密度越大，則對低頻聲音的吸收效果越好，而對高頻聲音的吸收有所降低。（2）材料的孔隙特征開口孔隙越多、越細小，則吸聲效果越好。（3）材料的厚度增加多孔材料的厚度，可提高對低頻聲音的吸收效果，而對高頻聲音沒有多大的效果。

39第一章土木工程材料的基本性質2.隔聲性是指材料隔絕聲音的性質。聲波在建筑結構中的傳播主要通過空氣和固體來實現(xiàn)。因而隔聲分有隔空氣聲和隔固體聲。40第一章土木工程材料的基本性質（1）隔空氣聲透射聲能E2與入射聲能E0的比值稱為聲透射系數(shù)τ，該值越大則材料的隔聲性越差。材料或構件的隔聲能力用隔聲量R來表示，定義如下：由此可見，與聲透射系數(shù)τ相反，隔聲量R越大，材料或構件的隔聲性能越好。

應選擇密實、沉重的材料來隔空氣聲。41第一章土木工程材料的基本性質（2）隔固體聲固體聲是由于振源撞擊固體材料，引起固體材料受迫振動而發(fā)聲。聲能的衰減極少。對固體聲，隔聲最有效的措施是采用不連續(xù)的結構處理。（結構之間加彈性襯墊）42第一章土木工程材料的基本性質1.3材料的基本力學性質1.

強度和比強度1）強度材料在外力或應力作用下，抵抗破壞的能力稱為材料的強度，并以材料在破壞時的最大應力值來表示，亦稱極限強度。材料的強度取決于結構質點（原子、分子、離子）間的作用力大小，破壞主要是結合鍵的斷裂或質點間的滑移。43第一章土木工程材料的基本性質工程上，材料常受到四種外力作用：FFFF（a）拉（b）壓（c）剪（d）彎

材料的受力狀態(tài)FFll/3l/3l/3hbFF44第一章土木工程材料的基本性質材料的抗拉、抗壓、抗剪強度可按下式計算：材料的抗拉、抗壓或抗剪強度（MPa）材料破壞時的最大荷載（N）材料的受力面積（mm2）45第一章土木工程材料的基本性質矩形截面條形試件的抗彎強度計算：（1）兩支點間的中間作用一集中荷載時，抗彎強度的計算公式為：PLhb46第一章土木工程材料的基本性質（2）在試件兩支點間的三分點處作用兩個相等的集中荷載（P/2）時，抗彎強度的計算公式為：P/2P/2ll/3l/3l/3hb47第一章土木工程材料的基本性質影響強度的因素：內因：組成與結構。外因：試件形狀、大小、表面狀況、含水率、加荷速度。48第一章土木工程材料的基本性質2）比強度（對不同材料的強度進行比較）

比強度是按單位體積的質量計算的材料強度，其值等于材料強度與其容積密度之比，即用f/ρ0表示。比強度越大，則材料的輕質高強性能越好。49第一章土木工程材料的基本性質2.彈性與塑性

材料在外力作用下產生變形，當外力除去后，變性能完全消失的性質稱為彈性。材料的這種可恢復的變形稱為彈性變形（暫時變形），屬可逆變性，其數(shù)值大小與外力成正比，此時的比例系數(shù)稱為材料的彈性模量。若當外力除去后，材料仍保留一部分殘余變形，且不產生裂縫的性質稱為塑性。這部分殘余變形稱為塑性變形（永久變形），屬不可逆變形。50第一章土木工程材料的基本性質

應力彈性變形

塑性變形彈塑性變形

變形a51第一章土木工程材料的基本性質3.材料的脆性與韌性（1）脆性材料在荷載作用下，破壞前無明顯的塑性變形，表現(xiàn)為突發(fā)性破壞的性質。脆性材料的特點：塑性變形很小，且抗壓強度與抗拉強度的比值較大(5~50倍)。無機非屬于此類。（2）韌性又稱沖擊韌性，指材料抵抗沖擊振動荷載的作用，而不發(fā)生突發(fā)性破壞的性質。韌性材料的特點：變形大，特別是塑性變形大，抗拉強度接近或高于抗壓強度。常用金屬材料、木材、橡膠、部分塑料屬于此類。52第一章土木工程材料的基本性質[案例分析]最大的海難——泰坦尼克號的沉沒概況1912年，當時世界上最大的客船泰坦尼克號初航，不幸撞上冰山，35cm厚船鋼板在水位線處像拉鏈拉開一樣被撕裂，海水排山倒海般涌向船內，約三小時后沉沒。分析：泰坦尼克號所使用的鋼板，其抗壓強度比現(xiàn)代鋼材還要高，但是做鋼材沖擊韌性試驗時發(fā)現(xiàn)，鋼材斷裂時吸收的沖擊功很低，是韌性差的脆性材料?；瘜W分析表明，該鋼材的含硫量高，硫致使鋼材的脆性增加。53第一章土木工程材料的基本性質[案例分析]鑄鐵造橋釀成災難54第一章土木工程材料的基本性質4.材料的硬度和耐磨性1）硬度是指材料表面硬物壓入或刻畫的能力。按試驗方法可分為壓痕硬度、沖擊硬度、回彈硬度、刻痕硬度等。天然礦物：常用莫氏硬度表示，是以兩種礦物相互對刻的方法確定礦物的相對硬度，而非材料的絕對硬度等級。分為十級，又軟到硬依次為：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石?；炷?、砂漿、燒結粘土等材料：重錘下落回彈高度金屬、木材等材料：壓入法（洛氏硬度和布氏硬度）55第一章土木工程材料的基本性質2）耐磨性是指材料表面在摩擦力、邊緣剪切力和沖擊力的作用下抵抗磨損的能力。通常用耐磨硬度或磨損率表示：塊體材料散粒材料Q—材料的耐磨硬度（g/cm2）或磨損率（%）M1、M2—材料耐磨性試驗前后的質量（g）A—試件受磨面積（cm2）56第一章土木工程材料的基本性質1.4材料的耐久性耐久性：是指材料在長期使用過程中，抵抗周圍各種介質的侵蝕而不破壞的性質。材料的耐久性是材料的一項綜合性質，一般包括有抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性、抗老化性、抗碳化性、耐熱性、耐溶蝕性、耐磨性、耐光性等許多項。57第一章土木工程材料的基本性質1.耐水性是指材料長期在飽和水作用下不破壞，而且強度也不顯著降低的性質。用軟化系數(shù)表示，公式為：K軟=f飽/f干軟化系數(shù)值一般在0~1之間。K軟越小，表示材料的耐水性越差。工程上，通常將K軟≥0.85的材料稱為耐水材料。58第一章土木工程材料的基本性質2.抗?jié)B性（不透水性）是指材料抵抗壓力水滲透的性質?？捎脻B透系數(shù)K或抗?jié)B等級F表示。（1）防滲、防水材料A試件d靜水壓力水頭59第一章土木工程材料的基本性質（2）砂漿、混凝土等材料P=10H-1滲透系數(shù)越小或抗?jié)B標號越大，表示材料的抗?jié)B性越好。材料抗?jié)B性的好壞，與其孔隙率和孔隙特征有關。材料透水前所能承受的最大水壓力60第一章土木工程材料的基本性質3.抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經受多次凍容循環(huán)作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性質。多以抗凍等級F表示。抗凍等級用材料在吸水飽和狀態(tài)下(最不利狀態(tài))，經凍融循環(huán)作用，強度損失和質量損失均不超過規(guī)定值時，或動彈性模量滿足要求時所能抵抗的最多凍融循環(huán)次數(shù)來表示。如F25、表示在經受25次的凍融循環(huán)后仍可滿足使用要求。61第一章土木工程材料的基本性質影響材料抗凍性的主要因素有：（1）孔隙率一般情況下，材料的P、Pk

越大，特別是Pk越大，則材料的抗凍性越差。（2）孔隙的充水程度充水程度以水飽和度Ks來表示：對于受凍材料，吸水飽和狀態(tài)是最不利的狀態(tài)。（3