土木工程材料課件：01土木工程材料的基本性質(zhì)

1、OUTLINE土木工程要求材料具備什么性能（What）?土木工程材料如何滿足工程要求（How）?本章學習哪些內(nèi)容（Which）? 第 一 章 土木工程材料的基本性質(zhì)General properties of civil engineering materials不污染環(huán)境安全性一、土木工程要求材料具備哪些性能？強度、剛度耐久性物理性能 承受荷載長期可靠性防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣性能組成結(jié)構(gòu)材料的組成結(jié)構(gòu)性能關(guān)系現(xiàn)代材料科學的核心二、如何使土木工程材料滿足性能要求？1.1 材料的組成結(jié)構(gòu)與性質(zhì)Composition and Structure of Civil Engineering Ma

2、terials 相組成化學組成礦物組成微觀結(jié)構(gòu)細觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)1. 物相組成 (phase composition)固相礦物、化合物連續(xù)相分散相：纖維與顆粒氣相氣孔（分布及含量）液相液體（種類及含量）一、材料的組成2. 化學組成(chemical composition) 例如： 鋼材中四種礦物相所含的化學元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化學組成是：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。 化學組成化學成分是指材料中各物相所含元素或單質(zhì)與化合物的種類和總含量。礦物 具有一定化

3、學組成和結(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)、特定物理力學性能，類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及其含量。例如：3. 礦物組成(mineralogical composition)鋼材中的礦物相有： 奧氏體 鐵素體 滲碳體 珠光體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 鐵鋁酸四鈣化學組成與礦物組成的關(guān)系化學組成相同，其礦物組成不一定相同； 例如：半水石膏的化學成分為CaSO40.5H2O，但它有-、-、- 等3種礦物相。不同的礦物相，其化學組成可能相近。 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成分均是CaO和

4、SiO2。礦物組成相同，其化學組成一定相同。材料組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 可以通過改變材料的組成來改善材料的性能。 土木工程材料的組成不同，其性能可完全不同； 組成相同，性能可能相同，也可能完全不同，還受結(jié)構(gòu)的影響。 組成決定性能，同時受結(jié)構(gòu)的影響。二、 材料的結(jié)構(gòu)什么是材料的結(jié)構(gòu)材料中所含各物相的類型、尺寸、形狀、數(shù)量及其分布。物相或化合物中各離子、原子、分子與超細顆粒等質(zhì)點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：宏觀結(jié)構(gòu)細觀結(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(光學顯微鏡可辯)尺寸為10-6m(電子顯微鏡)1. 宏觀結(jié)構(gòu) macrostruct

5、ure宏觀結(jié)構(gòu)又稱宏觀構(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。注：其尺寸范圍在10-3m以上，肉眼或借助放大鏡可分辨。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；纖維增強復合材料中的纖維分布狀態(tài)等?；炷翑嗝娴暮暧^結(jié)構(gòu)蜂窩狀結(jié)構(gòu)天然石膏的纖維軸向平行結(jié)構(gòu)2 . 細觀結(jié)構(gòu) submicrostructure細觀結(jié)構(gòu)又稱材料的亞微觀結(jié)構(gòu)，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)。 細觀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍為10-610-3m。注： 材料的細觀結(jié)構(gòu)可以觀察：材料晶粒、顆粒的大小形態(tài)、界面、孔隙、微裂紋的大小、形狀及分布等。亞微觀結(jié)構(gòu)與材料的宏觀性能關(guān)系密切。

6、如：晶粒大小，內(nèi)部微孔，界面缺陷等。陶瓷的細觀結(jié)構(gòu)木材的細觀結(jié)構(gòu)鐵碳合金的細觀結(jié)構(gòu)3. 微觀結(jié)構(gòu) (microstructure)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)排列有序與無序，微觀結(jié)構(gòu)分為晶 體有序、重復排列，各向異性。非晶體無序連接，各向同性，如玻璃體。膠 體以極小的質(zhì)點（10-9-10-7）作為分散相，分散于連續(xù)介質(zhì)中，分為溶膠和凝膠。晶體的結(jié)構(gòu)特點 晶體結(jié)構(gòu)中，質(zhì)點（離子、原子或分子）作三維空間有序堆積、并呈周期重復，由此構(gòu)成點陣格子結(jié)構(gòu)（晶格）。 晶體類型 根據(jù)質(zhì)點（離子、原子或分子）間結(jié)

7、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）共價晶體 共價鍵結(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。 硬化水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)石英晶體的微觀結(jié)構(gòu)金屬晶體的微觀結(jié)構(gòu)1 孔隙的分類按大小分微細孔隙（20nm的為無害孔隙）毛細孔隙（ 20 100nm）較粗大孔隙 （100nm 10m）大孔（10m）三、 孔結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系球形：影響不大片狀（裂紋）管狀尖角狀按形狀分常壓能否進水開口孔隙：對性能影響較大閉口孔隙：水壓較高時，水分也可進入2 孔隙與性質(zhì)的關(guān)系 孔隙含量 體積密度 強度 滲透性 保溫,吸聲

8、,吸水,吸濕性總孔隙一定時，開口孔的量對強度、滲透性、保溫、隔聲、吸水等性能的負面影響更大。1.2 材料的基本狀態(tài)參數(shù)General Properties of Civil Engineering MaterialsV0= V+ VcpVop = V+ Vp1. 密度（絕對密度,density）注：取決于組成與微觀結(jié)構(gòu)，一般為常數(shù)，單位：kg/m3 材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。密度的測量：主要設(shè)備： 李氏瓶（Le Chatelier flask） 水（或煤油）、天平等方法： 1.待測物磨細、烘干； 2.向瓶中注入液體至01處，恒溫后讀數(shù)； 3.稱取一定數(shù)量的試樣（6090g），加入李

9、氏瓶，使液體刻度在22附近，并計算加入試樣的重量，恒溫后讀數(shù)； 4. 計算密度 以排開水的體積作為材料體積時所得到的材料的密度。體積固相體積封閉孔2.表觀密度注：表觀密度的大小與開口孔閉口孔的相對含量有關(guān)。試驗方法：試樣烘干稱重,記作m;試樣置于廣口瓶中吸水飽和(開口孔吸滿水)，排除氣泡，加滿水稱重記作m1廣口瓶加滿水稱重記作m2；計算表觀密度的測量主要設(shè)備：天平、廣口瓶、干燥箱、燒杯等說明1. 表征體積密度時，必須注明含水狀態(tài)。說明2：體積的取值即體積輪廓以內(nèi)的所有體積。3 體積密度（bulk specific gravity） 自然狀態(tài)下，體積取值為固相體積所有孔隙時所得密度值。試驗方法1

10、：試樣烘干稱重,記作m;試樣置于廣口瓶中吸水飽和(開口孔吸滿水)，擦去表面水稱重，記作m1用靜水力學天平測其在水中的質(zhì)量，記作m2；體積密度的測量主要設(shè)備：天平、靜水力學天平、干燥箱、燒杯等試驗方法2：試樣烘干、稱重,記作m;表面以熔融石蠟密封，冷卻后稱重，記作m1用靜水力學天平測其在水中的質(zhì)量，記作m2；體積密度的測量主要設(shè)備：天平、靜水力學天平、干燥箱、燒杯等討論：現(xiàn)行多個版本教材對表觀密度的定義有較大出入，表現(xiàn)在對質(zhì)量和體積的度量方面：質(zhì)量測量方面觀點1：質(zhì)量即絕干質(zhì)量；觀點2：所謂自然狀態(tài)，是可能含水的狀態(tài)；體積測量方面：觀點1：材料吸水飽和后，用排水法求得只包含封閉孔的體積。觀點2：

11、規(guī)則材料直接測量，不規(guī)則材料用蠟封，然后用排水法測體積即測得表觀體積通常做法：吸水率小時，二者可以等同；吸水率大的材料不宜用表觀密度作技術(shù)指標。 散粒狀材料或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。4 堆積密度（bulk density ） 氣干狀態(tài)下的，稱為氣干堆積密度，簡稱堆積密度。材料在絕干狀態(tài)時，則稱為絕干堆積密度。bulk density, nof aggregate, the mass of a unit volume of bulk aggregate material, in which the volume includes the volume of the indivi

12、dual particles and the volume of the voids between the particlesbulk specific gravity, nthe ratio of the mass of a volume of a material (including the permeable and impermeable voids in the material, but excluding the voids between particles of the material) at a stated temperature to the mass of an

13、 equal volume of distilled water at a stated temperature. ASTM C 125 00 、 ASTM C 29/C 29M 97材料密度排序：金屬材料無機非金屬材料 高分子材料纖維復合材料木材泡沫材料從以上四個關(guān)于密度的概念延伸出以下三個概念：1) 密實度 (compactness) 定義：材料體積中被固體物質(zhì)充實的程度。 材料的密實度，則強度、吸水率、導熱性。2) 孔隙率 (porosity) 定義：材料中的孔隙體積與總體積的百分比稱為孔隙率。 開口孔隙體積占總體積的百分比開口孔隙率，Po閉口孔隙體積占總體積的百分比閉口孔隙率，Pc隙率

14、的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計算含砂率的依據(jù) 散粒材料顆粒之間的空隙體積所占總體積的百分比例。用P表示：3) 空隙率(void content, voidage )例：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2.4kg重的10升桶，稱得一桶碎石的總質(zhì)量是15.90Kg；再從桶中取出1000g的碎石，讓其吸水飽和后用布擦干，稱其質(zhì)量為1036g；然后放入一廣口瓶中，并用水注滿這廣口瓶，連蓋稱重為1411g，水溫為25C，將碎石倒出后，這個廣口瓶盛滿水連同蓋的質(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、過篩成細粉

15、，稱取50g，用李氏瓶測得其體積為18.8毫升。請問？ 1）該碎石的密度、表觀密度和堆積密度？ 2）該碎石的孔隙率、開口孔隙率和閉口孔隙率？ 3）該碎石的密實度、空隙率和填充率？ 解答：1）堆積密度、表觀密度、體積密度、密度=13.5/0.01=1350kg/m3=1000/(1000+791-1411)=2630kg/m3=1000/(1036+791-1411)=2400kg/m3=50/18.8=2660kg/m32）孔隙率=（1-2400/2660）*100%=9.8%解答：=143.8%=56.2%=(1036-1000)/(1036+791-1411) =8.65%=9.8%-8.

16、65%=1.15%3）密實度、空隙率、填充率=（2400/2660)*100%=90.2%=1-9.8%=90.2%=（1-1350/2400）*100%=43.8%例2 一塊紅磚，自然狀態(tài)下重2590克，吸水飽和后2900克，烘干后2550克，取磨細的粉50克，李氏瓶測得體積為18.62cm3,求引紅磚的體積吸水率、質(zhì)量吸水率、含水率、體積密度、密實度、孔隙率、開口孔隙率，并估計期抗凍性如何解答：吸水率：=（2900-2550）/2550*100%=13.7%=2.550/0.0014628=1743kg/m3V0=0.24*0.115*0.053=0.0014628m3=（2900-255

17、0）/1462.8*100%=23.9%含水率：=（2590-2550）/2550*100%=1.57%體積密度：=50/18.62=2.685g/cm3=2685kg/m3密度：孔隙率：=（1-1743/2685）*100%=35.1%1.3 材料的力學性質(zhì)1. 彈性 (elasticity) 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，能完全恢復到原來狀態(tài)的性質(zhì)稱為材料的彈性，材料的這種變形稱為彈性變形。1.3.1材料的變形性質(zhì)2. 塑性(plasticity) 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，材料仍保持變形后形狀和尺寸的性質(zhì)稱為材料的塑性，材料的這種變形稱為塑性變形。 3.粘彈性變形

18、 (vistoelasitcity) 另：progressive increase in strain under sustained loading 徐變： 材料在恒定荷載（long-lasting constant load）作用下，隨時間而增長的不可恢復變形。應(yīng)力松弛(stress relaxation)材料在恒定應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時間而減小的現(xiàn)象。1.3.2 材料的脆性與韌性1.脆性材料在荷載作用下，在破壞前無明顯的塑性變形表現(xiàn)為突發(fā)性破壞的性質(zhì)。 材料特點：破壞時無明顯變形，抗壓強度與抗拉強度比值大，550； 典型材料：玻璃、陶瓷、石材、普通混凝土注：對于脆性材料，極限強度與破壞強度

19、一致。2.韌性：又稱沖擊韌性，是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(zhì)。 材料特點：塑性變形大，抗壓與抗拉強度之比小。 用單位面積吸收功沖擊韌性值k 典型材料：木材、鋼材、橡膠注：韌性材料，極限強度高于破壞強度。路用骨料抗沖擊性的測量：粒徑9.513.2mm的集料（質(zhì)量m），裝入沖擊杯內(nèi)，以13.75 kg的沖擊錘從380mm處落下，沖擊集料15次，測定2.36mm以下的料的量（質(zhì)量m1），1.3.3 材料的強度和比強度（strength and specific strength）f th材料的理論強度；E材料的彈性模量；材料的表面能；a 原子間距1. 材料的理論強度Orowa

20、n公式Griffith 公式2c 材料內(nèi)部裂縫長度根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。2. 強度1) 抗拉、抗壓強度f 材料強度， MPaFmax材料破壞時的最大荷載，NA試件受力面積，mm2拉伸與抗壓強度計算：劈拉強度計算：F 破壞荷載， Nl試件的高度，md試件直徑，mT劈拉強度MPa 滑移面與水平面夾角2) 抗剪強度抗彎強度：所承受最大彎距與相應(yīng)截面模量的比值。一點加載：兩點加載：3) 抗彎強度（抗折強度）3.強度等級脆性材料：按抗壓強度劃分韌性材料：按抗拉強度劃分4 比強度 衡量材料輕質(zhì)高強性能的一項重要指標 按材料強度值的高低，將強度劃分為若干等級

21、1.3.6 材料的硬度與耐磨性（1）刻化法（莫氏硬度）： 1824年Frederich Mohs首先提出。確定這一標準的方法是，用棱錐型金剛石鉆針刻畫所示礦物的表面而產(chǎn)生劃痕，用測得的劃痕的深度來表示硬度 硬度：材料抵抗較硬物體壓入或刻劃的能力?；喾浇馐炇谆沂L石石英黃玉剛玉金剛石（2）壓入法（布氏硬度）Brinell Hardness 用鋼球或圓錐測定，HBS=PA 應(yīng)用于木材、鋼材、混凝土耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力指標：磨損率1.4 材料與水有關(guān)和物理化學性能 親水性與憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic Properties吸水性與吸濕性 Wat

22、er and Moisture Absorption 1、親水性與憎水性 水與材料表面接觸時，潤濕角（接觸角）的大小有所不同：親水性: 0 90，材料表面可被水所濕潤；憎水性:90 180，材料表面不可被水濕潤。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)：有機材料一般是憎水性，無機材料都是親水性。 水在憎水性材料的表面有自動收縮成珠的趨勢，不能潤濕材料的表面。對工程防水有利。 水在親水性材料的表面是自動散開和鋪展，并自發(fā)地潤濕表面。2. 吸水性與吸濕性1)吸水性：材料在水中吸收水分的性質(zhì)吸水性用吸水率表示，分為質(zhì)量吸水率和體積吸水率質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時

23、，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比，并以m 表示 體積吸水率：材料在吸水飽和時，所吸水體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分比，并以v 表示 2) 吸濕性：材料在空氣中吸收水蒸氣的性質(zhì) 吸濕性用含水率表示平衡含水率：材料長期處于某環(huán)境下，含水率與環(huán)境濕度達到平衡狀態(tài)注1：材料的吸水性與吸濕性與其孔隙率有關(guān)，更與其孔特征有關(guān)。注2：材料吸水或吸濕后，幾乎所有性能指標都下降。3. 耐水性軟化系數(shù)：飽水與干燥狀態(tài)下的強度之比，以Kw表示Kw介于01之間 注：孔隙率較大或組成 中有可溶成分時耐水性差，如石灰、石膏等。 w0.85的材料稱為耐水性材料;可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。如混凝土 w 在0

24、.75 0.85時，用于一般受潮較輕或次要的工程部位時材料長期處于水的作用下，保持原有性質(zhì)的能力。4. 干縮與濕漲干縮的原因：材料失水時，孔隙由完全充滿狀態(tài)變?yōu)椴糠殖錆M狀態(tài)注：大孔失水收縮不明顯； 1. 5 材料的熱物理性質(zhì)1. 導熱性當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質(zhì)，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù) 表示。 導熱系數(shù)，()Q傳導的熱量，材料厚度，；A熱傳導面積，m2t熱傳導時間， s；T2-T1材料兩面溫度差，K(4) 溫度溫度越高，材料的導熱系數(shù)越大(金屬材料除外)。(3)含水率：材料含水或含冰時，會使導熱系數(shù)急劇增加。(1)材料的組成與結(jié)構(gòu) (2)材料的

25、孔隙率及孔隙特征注：1)導熱系數(shù)是材料固定的參數(shù)，與形狀無關(guān)。導熱系數(shù)的影響因素：常用材料的導熱系數(shù)：聚苯泡沫：0.0350.042 混凝土：0.91.2木材： 0.15-0.30 燒結(jié)磚：0.55鋼材： 55材料層（墻體等圍護結(jié)構(gòu)）的傳熱能力用傳熱系數(shù)表示。傳熱系數(shù)：是指材料兩面溫度差為1時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量。單位：(2K)2. 傳熱系數(shù)和熱阻傳熱系數(shù)的倒數(shù)熱阻，單位： (2K) 材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。 單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱：3. 熱容量和比熱熱容量大或材料比熱大時，材料溫度隨環(huán)境溫度變化遲緩材

26、料的熱惰性 由于溫度升高或降低造成的材料的體積變化。 多數(shù)材料表現(xiàn)出熱脹冷縮的性質(zhì)，這種變化表現(xiàn)在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮 技術(shù)指標：線膨脹系數(shù)（）。材料的單向線膨脹量或線收縮量計算公式為：材料溫度變形在工程中常表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)開裂預防措施：設(shè)伸縮縫4. 材料的溫度變形性 1. 6 材料的聲學性質(zhì)1. 吸聲性 聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)，指標：吸聲系數(shù)平均值 0.20 的為吸聲材料影響吸聲系數(shù)測量的因素：1. 聲音頻率 2. 入射方向吸聲系數(shù)取六個頻率的平均值：125,250,500,1000吸聲效果的影響因素：（1）孔隙率：同一材料，P，低頻聲音的吸收效果，高頻聲音吸收（2）孔隙特征： 開口孔隙越多，孔隙越細，吸聲效果越好如：纖維制品、膨脹珍珠巖 （3）材料的厚度：厚度，低頻聲音的吸收效果，而對高頻聲音影響不大。吸聲原理：聲能與孔壁和空氣產(chǎn)生摩擦，轉(zhuǎn)化成熱能2. 隔聲性1. 隔空氣聲提高輕質(zhì)材料隔聲性的措施：夾層結(jié)構(gòu)阻隔聲能透射的能力聲透射系數(shù)隔聲量：材料密度越大，隔聲性能越好；單位：dB2.隔固體聲 a. 表面設(shè)置彈