,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第1章 土木工程材料的根本性质,1,1.1,材料的组成、结构与性质,材料的组成和结构决定着材料的各种性质。要了解材料的性质，必须了解材料的组成、结构与材料性质间的关系。,一、材料的组成,(,一,),化学组成,化学组成即化学成分。,无机非金属材料,的化学组成以各氧化物的含量来表示，,金属材料,则常以各化学元素的含量表示，,有机材料,常用各化合物的含量来表示。,化学组成是决定材料化学性质,(,耐腐蚀性、燃烧性等,),、,物理性质,(,耐水性、耐热性、保温性等,),、,力学性质,(,强度、变形等,),的主要因素之一。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,2,(,二,),矿物组成,许多无机非金属材料是由各种矿物组成的。,矿物,是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。,矿物组成,是决定无机非金属材料化学性质、物理性质、力学性质和耐久性的重要因素。,材料的化学组成不同，则材料的矿物组成也不同。,而相同的化学组成，也可以有不同的矿物组成,(,即微观结构不同,),，且材料的性质也不同,，例如金刚石和石墨。,利用材料的组成可以大致判断出材料的某些性质。如材料的组成易与周围介质（酸、碱、盐等）发生化学反应，则该材料的耐腐蚀性差或较差；有机材料的耐火性和耐热性较差，且多数可以燃烧；合金的强度高于非合金的强度等等。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,3,土木工程材料,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,(,三,),相组成,材料中具有相同物理、化学性质的均匀局部称为相。,但凡两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数是多相固体，可看作复合材料。,例如，混凝土可认为是骨料颗粒（骨料相）分散在水泥浆基体（基相）中所组成的两相复合材料。两相之间称为界面，即“界面相，影响这类材料的主要因素是原材料的品质及配合比例。,4,二、材料的结构,(,一,),微观结构,利用电子显微镜、,X-,射线衍射仪等手段来研究原子级或分子级的结构。材料的微观结构可分为晶体和非晶体结构，或晶态和非晶态。,晶体,是质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，并具有特定的几何外形和固定的熔点。由于质点在各方向上排列的规律和数量的不同，单晶体具有,各向异性,的性质。按晶体质点间结合键的特性，晶体又分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体。,非晶体又称玻璃体,，是熔融物在急速冷却时，质点来不及按特定规律排列所形成的,内部质点无序排列（短程有序，长程无序,）,的固体，没有固定的熔点。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,5,微观结构形式及其主要特性,微观结构,常见材料,主要特性,晶,体,原子、离子、分子有规律排列,原子晶体,(,以共价键结合,),金刚石、石英、,刚玉,强度、硬度、熔点均高，密度较小,离子晶体,(,以离子键结合,),氯化钠、石膏、,石灰岩,强度、硬度、熔点较高，但波动较大。部分可溶，密度中等,分子晶体,(,以分子键结合,),石蜡及部分有机化合物,强度、硬度、熔点较低。大部分可溶，密度小,金属晶体,(,以金属键结合,),铁、钢、铝,及其合金,强度、硬度变化大，密度大,非晶体,质点无序排列,(,短程有序,长程无序,),玻璃、高炉矿渣、火山灰、粉煤灰,无固定的熔点和几何形状，与同组成的晶体相比，强度、硬度、化学稳定性、导热性、导电性较差，各向同性,6,(,二,),亚微观结构,(,显微或细观结构,),由光学显微镜所看到的,微米级的组织结构,。该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。,材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。,显微镜下的晶体材料是由大量大小不等的晶粒组成的，而不是一个晶粒，因而属于多晶体。多晶体材料具有各向同性的性质，如某些岩石、钢材等。,一般而言，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，则材料的受力状态越均匀、强度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料组成之间的界面粘结,(,或接触,),越好，则材料的强度和耐久性越好。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,7,（三）宏观结构（构造）,用肉眼或放大镜即可分辨的,毫米级以上,的组织称为,宏观结构,。该结构主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式,(,或形式,),、各组成材料的分布等。如岩石的层理与斑纹、混凝土中的砂石、纤维增强材料中纤维的多少与纤维的分布方向等。,两种或两种以上组成材料以适当方式结合而构成的新材料，称为复合材料。复合材料取各组成材料之长，防止了单一材料的某些缺陷，使复合材料具有多种使用功能(如强度、防水、保温、装饰、耐久等)或者具有某些特殊的功能。复合材料的综合性能好，某些性能往往超过组成材料中的单一材料，且经济性更为合理。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,8,材料的宏观结构及其相应的主要性质,材料的宏观结构,常用材料,主要特性,单一材料,致密结构,钢材、玻璃、沥青、部分塑料,高强或不透水、耐腐蚀，自重较大,多孔结构,泡沫塑料、泡沫玻璃,轻质、保温、低强度,纤维结构,木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维,高抗拉、且大多数具有轻质、保温、吸声性质,聚集结构,陶瓷、砖、某些天然石材,强度较高，脆性大,复合材料,粒状聚集结构,各种混凝土、钢筋混凝土,综合性能好、价格较低,纤维聚集结构,岩棉板、纤维板、纤维增强塑料,轻质、保温，吸声或高抗拉,多孔结构,加气混凝土、泡沫混凝土,轻质保温,叠合结构,纸面石膏板、胶合板、各种加芯板,综合性能好,9,材料的宏观结构是影响材料性质的重要因素。材料的宏观结构较易改变。,材料的宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同,，如玻璃与泡沫玻璃、密实的灰砂硅酸盐砖与灰砂加气混凝土，它们的许多性质及用途有很大的不同。,材料的宏观结构相同或相似，即使材料的组成或微观结构等不同，则材料也具有某些相同或相似的性质与用途,，如泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土等。,三、结构中的孔隙与材料性质的关系,大多数土木工程材料在宏观层次或亚微观层次上均含有一定大小和数量的孔隙，甚至是相当大的孔洞，这些孔隙几乎对材料的所有性质都有相当大的影响。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,10,(,一,),孔隙的分类,按孔隙的大小,，可将孔隙分为微细孔隙、细小孔隙,(,毛细孔,),、较粗大孔隙、粗大孔隙等。对于无机非金属材料，孔径, 90,21,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,建筑材料大多为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材、玻璃、钢材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料为憎水性材料。,材料的亲水性：泥土吸水,22,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,材料憎水性：叶片上滚动的露珠。,23,外表现象：毛细现象、润湿、粘附以及微小晶体易于溶解等都是外表现象的具体表现。,（2）外表张力：表示液体外表单位长度线上的紧缩力，要形成新的外表就必须克服这种紧缩力所做的功。,外表现象相关的知识：外表自由能、外表张力、润湿、毛细现象、过饱和现象和吸附等。,外表张力表示外表收缩力；外表自由能表示形成外表时所需要的功。,（1）外表自由能：在温度、压力和组成恒定时，可逆地增大单位外表积时对体系所做的功，转变成外表分子比内局部子具有多余的自由能。,24,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,2.,材料的吸水性与吸湿性,(,一,),吸水性,吸水性是材料在水中吸收水分的性质。用质量吸水率,m,或体积吸水率,v,来表示。两者分别是指材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分率，或所吸水的体积占材料自然状态体积,V,o,的百分率，定义式如下：,25,式中,m,sw,材料吸水饱和时所吸水的质量，,g,或,kg,；,m,sw,材料吸水饱和时的质量，,g,或,kg,；,V,sw,材料吸水饱和时所吸水的体积，,cm,3,或,m,3,；,w,水的密度，,g/cm,3,或,kg/m,3,。,材料的吸水率可直接或间接反映材料的局部内部结构及其性质，即可根据材料吸水率的大小对材料的孔隙率、孔隙状态及材料的性质做出粗略的评价。,开口孔隙率=体积吸水率,闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,材料吸水率的大小，主要决定于材料的孔隙大小和特征。,26,(二) 吸湿性,材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表示。,在一定温度和湿度条件下，材料与空气湿度到达平衡时的含水率称为平衡含水率。,材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙含量，特别是毛细孔的含量有关。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,27,(,三,),含水对材料性质的影响,材料吸水或吸湿后，可削弱材料内部质点间的结合力或吸引力，引起强度下降。同时也使材料的体积密度和导热性增加，几何尺寸略有增加，而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧。由此可见，含水使材料的绝大多数性质下降或变差。,28,3.,材料的耐水性,式中,f,sw,材料在吸水饱和状态下的抗压强度，,MPa,；,f,d,材料在绝干状态下的抗压强度，,MPa,。,材料的软化系数,K,w,=01.0,。,K,w,0.85,的材料称为耐水性材料,。,经常受到潮湿或水作用的结构，须选用,K,w,0.75,的材料，重要结构须选用,K,w,0.85,的材料。,材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力称为材料的耐水性。,对于结构材料，耐水性主要指强度变化，对装饰材料则主要指颜色的变化、是否起泡、起层等，即材料不同，耐水性的表示方法也不同。结构材料的耐水性用,软化系数,K,w,来表示，即：,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,29,溶解度很小或不溶的材料，软化系数高还是低,？,；若材料可微溶于水，且含有较大的孔隙率，则软化系数高还是低,？,。,4.,抗渗性,抗渗性是指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质。抗渗性用渗透系数,K,来表示，计算式如下：,式中,K,渗透系数，,cm,3,/(cm,2,h),或,cm/h,；,Q,渗水量，,cm,3,；,d,试件厚度，,cm,；,A,渗水面积，,cm,2,；,t,渗水时间，,h,；,H,水头,(,水压力,),，,cm,。,A,d,水压力,H,试件,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,30,材料的,抗渗性,也可用抗渗等级来表示：,P=10H-1,P,为抗渗等级；,H,为试件开始渗水时的水压力，,MPa,。,如,P6,、,P8,、,P10,等，分别表示可抵抗,0.6,、,0.8,、,1.0MPa,的水压力。抗渗等级越高，则表示材料的抗渗性能越好。,材料抗渗性的好坏与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。,材料的抗渗性与材料的耐久性有着非常密切的关系。材料的抗渗性越高，水及有害介质越不易进入材料内部，则材料的其它耐久性越高。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,31,5.,抗冻性,抗冻性是材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质的能力,.,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,对结构材料来说，,抗冻性,主要是指保持强度的能力，并多以抗冻等级来表示。,抗冻等级,用材料在吸水饱和状态下,(,最不利状态,),，经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数来表示。如,F50,、,F100,、,F300,等，分别表示在经受,50,、,100,、,300,次冻融循环后仍可满足使用要求。,冻害原因,是由于材料内部毛细孔隙及大孔隙中的水结冰时的,体积膨胀,(,约,9%),造成的。膨胀对材料孔壁产生巨大的压力，由此产生的拉应力超过材料的抗拉强度极限时，材料内部产生微裂纹，强度下降。此外在冻结和融化过程中，材料内外的温差所引起的温度应力也会导致微裂纹的产生或加速微裂纹的扩展。,32,影响材料抗冻性的主要因素有：,(1),孔隙率,一般情况下，材料的孔隙率越大，则材料的抗冻性越差。,(2),孔隙的充水程度,充水程度以水饱和度,K,s,来表示：,理论上讲，若材料内部孔隙分布均匀，当水饱和度Ks0.91时，结冰不会引起冻害，但当Ks0.91时，则已容纳不下冰的体积，故对材料的孔壁产生压力，因而会引起冻害。实际上，由于局部饱和的存在和孔隙分布不均匀，Ks须较0.91小一些才是平安的。如水泥混凝土，Ks0.80时冻害才会明显减少。,对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态，因其水饱和度Ks最大。可以用上述关系式来估计或粗略评价多数材料抗冻性的好坏。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,33,为提高材料的抗冻性，在生产材料时常有意引入局部封闭的孔隙，如在混凝土中掺入引气剂。这些引入的闭口孔隙可切断材料内部的毛细孔隙，当开口的毛细孔隙中的水结冰时，所产生的压力可将开口孔隙中尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中(由于毛细作用，微细孔隙中水的冰点低于0。)，即这些封闭的孔隙可起到卸压的作用。,(3) 材料本身的强度 材料强度越高，抵抗冻害的能力越强，即抗冻性越高。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,34,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,1.3 材料的根本力学性质,1.3.1材料的强度,材料在外力荷载作用下抵抗破坏的能力称为强度。,根据外力作用方式的不同，分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度。,35,实际材料,内部常含有大量的缺陷，材料受力时，在缺陷处形成应力集中导致强度降低。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,一、材料的抗压、抗拉及抗剪强度计算：,f=Fmax/A,f,为材料的强度，,MPa,；,Fmax,为破坏时的最大荷载；,A,为受力截面面积，,mm,2,;,二、材料的抗弯强度计算：,36,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,影响材料强度的因素：,内因：组成与结构。例如：混凝土、木材等,外因：试件形状、大小、含水率、加荷速度等。,37,1.3.2,弹性与塑性,(,一,),弹性,(,弹性变形,),材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性，材料的这种变形称为弹性变形。,(,二,),塑性,(,塑性变形,),材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为材料的塑性，这种变形称为塑性变形。,(,三,),黏弹性,(,弹塑性变形,),材料在外力的作用下，既有弹变，也有塑变。,徐变或蠕变 应力松弛或驰豫,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,38,弹性变形 塑性变形 弹塑性变形,应力,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,39,1.3.3脆性与韧性,(一)脆性,材料在荷载作用下，破坏前无明显的塑性变形，表现为突发性破坏的性质。,脆性材料的特点：塑性变形很小，且压拉比较大(550倍)。无机非金属材料多属于此类。,(二)韧性,指材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质，即破坏时有非常明显的塑性变形。,韧性材料的特点：变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。常用金属材料、木材、橡胶、局部塑料属于此类。,注意：用于桥梁、吊车梁、有振动要求时要考虑材料的韧性。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,40,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,1.4,材料的热工、声学、光学性质及材料的耐久性,1.4.1,材料的热工性质,材料的导热性能用导热系数（热导率）,表示，,越大，导热性能越强，隔热性能越差。导热系数不大于,0.175W/m.K,的材料，可称为绝热材料。自然界导热系数最小，即隔热性能最好的物质是空气。,热的传递方式：传导、对流和辐射。,影响因素：,41,材料的物质构成化学组成和分子结构比较简单的物质比结构复杂的物质的导热系数要大。,有机高分子 无机材料； 非金属 金属,孔隙率可将孔隙或空隙中的气体视为无对流的静止空气。,孔隙率表观密度,在表观密度相同的情况下，孔隙尺寸,孔隙体积大到一定程度后，由于空气对流的出现，,温度由于辐射热的影响，多孔材料的导热系数一般随温度的升高而增大。,湿度水静止空气湿度,气态 液态 固体,热流方向对于各向异性的材料，不同方向上的导热系数各不相同，有时差异很大。,42,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,热容量,是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性能。材料的热容量大小可用比热,C,表示，即,1g,材料升高,1K,时所需的热量。墙体、屋面或其他部位采用热容量高的材料时，能在热流变动或采暖、空调工作不均衡时缓和室内温度的变化，保持室内温度的稳定。,耐燃性,是指建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。,耐火性,是指材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。,43,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,几种典型材料的热工性质指标,材 料,热 导 率（,W/m.K,）,比 热（,J/g.K,）,材 料,热 导 率（,W/m.K,）,比 热（,J/g.K,）,铜,370,0.38,绝热用纤维板,0.05,1.46,钢,55,0.46,玻璃棉板,0.04,0.88,花岗岩,2.9,0.80,泡沫塑料,0.03,1.30,普通混凝土,1.8,0.88,冰,2.20,2.05,普通粘土砖,0.55,0.84,水,0.60,4.19,松木（横纹）,0.15,1.63,密闭空气,0.025,1.00,44,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,1.4.4,材料的耐久性,一、耐久性,(durability),材料长期抵抗各种内外破坏因素或腐蚀介质的作用，保持其原有性质的能力称为,材料的耐久性,。它是材料的一项综合性质，一般包括有抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、抗碳化性、耐热性、耐溶蚀性、耐磨性、耐光性等许多项。,过去一般按强度设计，现在按耐久性设计。,材料的组成、性质和用途、工程的重要性及所处环境不同，对材料耐久性的主要要求及耐久性年限也不同。,工程上应根据工程的重要性、所处的环境及材料的特性，正确选择合理的耐久性寿命。,45,二、影响耐久性的主要因素,(,一,),内部因素,内部因素是造成材料耐久性下降的,根本原因,。,主要包括材料的组成、结构与性质。,当材料的组成易溶于水或其它液体，或易与其它物质产生化学反应时，则材料的耐水性、耐腐蚀性等较差；,通常,无机非金属材料,的化学稳定性较高，,金属材料,则较差，易发生电化学腐蚀和化学腐蚀。,沥青材料和有机材料,的耐腐蚀性好，但抗老化性能差。,无机非金属在温度剧变时易产生开裂，即耐急冷急热性差；晶体材料较同组成非晶体材料的化学稳定性高；材料的孔隙率较大时，则材料的耐久性往往较差；材料强度较高时，则耐久性往往较好。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,46,(,二,),外部因素,外部因素也是影响耐久性的主要因素，主要有：,(1),化学作用,包括各种酸、碱、盐及其水溶液，各种腐蚀性气体作用或氧化作用。对材料具有化学腐蚀或氧化作用。,(2),物理作用,包括光、热、电、温差、湿差、干湿循环、冻融循环、溶解等，可使材料的结构发生变化，如内部产生微裂纹或孔隙率增加。,(3),机械作用,包括冲击、疲劳荷载，各种气体、液体及固体引起的磨损与磨耗等。,(4),生物作用,包括菌类、昆虫等，可使材料产生腐朽、虫蛀等而破坏。,实际工程中，材料受到的外界破坏因素往往是多种因素共同作用，但有主要和次要因素。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,47,金属材料常由化学和电化学作用引起腐蚀和破坏；,无机非金属材料常由化学作用、溶解、冻融、风蚀、温差、湿差、摩擦等其中某些因素或综合作用而引起破坏；,有机材料常由生物作用、溶解、化学腐蚀、光、热、电等作用而引起破坏。,材料耐久性检测最可靠的方法是在使用条件下进行长期观测，但耗时、费力、本钱较高，工程实际不允许。通常是根据使用条件与要求，在实验室进行快速试验，据此对材料的耐久性做出判断。,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,48,土木工程材料,第,1,章 土木工程材料的基本性质,习题：,1.有卵石经洗净烘干后称1000g，将其浸水饱和后用布擦干外表，称得其质量为1005g。再将其装入盛满水，连盖共重1840g的广口瓶内，然后称得总重为2475g。问上述条件可求出哪些密度？各是多少？（提示：有水溢出，溢出的水的体积等于卵石的体积）,2.一块普通粘土砖尺寸为240*115*53mm，烘干后质量为2420g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3，求该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。,49,3.,某石灰岩的密度为,2.62g/cm,3,，孔隙率,1.2%,。今将石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为,1580kg/m,3,。求此碎石的表观密度和空隙率。,4.,某材料的体积吸水率为,10%,，密度为,3.0g/cm,3,，绝干时的表观密度为,1500kg/m,3,。试求该材料的,质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？,5.,书上思考题,1.5,50,