建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

第1章

建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)材料的定義為了達(dá)到特定的目的，而為人類所使用的物質(zhì)。材料是由一定配比的若干相互作用的元素所構(gòu)成，具有一定的結(jié)構(gòu)層次和確定的性質(zhì)，并能用于制造工具、器件、設(shè)備和建筑物等的系統(tǒng)。土木工程師需要具有的材料知識(shí)材料的使用性能：它們在使用中的行為?材料對(duì)外界作用的反應(yīng)。強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、耐久性、工作性材料性能的本質(zhì)：它們?yōu)槭裁从羞@么行為? 材料組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系材料性能的利用和改善：我們可以做哪些來改善他們的行為?

本書所涉及的建筑材料：

承受荷載的結(jié)構(gòu)工程材料主要關(guān)心其力學(xué)性能、變形性能（體積穩(wěn)定性）、耐久性能、工作性能。內(nèi)容1.1物質(zhì)的存在狀態(tài)與結(jié)合力1.2物體受力時(shí)的變形性能1.3固體的界面行為1.4材料的斷裂與強(qiáng)度本章不系統(tǒng)教授材料科學(xué)理論，只討論涉及建筑材料性能的幾個(gè)方面。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)1.1物質(zhì)的存在狀態(tài)與結(jié)合力世界上所有物質(zhì)由100余種元素組成。不同化學(xué)組成的物質(zhì)具有不同的性質(zhì)，同樣化學(xué)組成的物質(zhì)也可能具有不同性質(zhì)。

物質(zhì)的三種單相存在狀態(tài)：

氣體、液體、固體膠體物質(zhì)： 復(fù)相物質(zhì)，由氣、液、固三種物質(zhì)中的兩種構(gòu)成的高分散體系。1.1.1固體物質(zhì)

具有確定的宏觀外形（不可自由變形）的物質(zhì)。組成固體的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)彼此之間有相對(duì)固定的幾何關(guān)系。使質(zhì)點(diǎn)保持這種幾何關(guān)系的作用力即化學(xué)鍵。 固體物質(zhì)可分為：晶體（如金屬）與非晶體（如玻璃）包含什么？第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)原子間力引力fa：原子間異性電荷的相互吸引力，隨原子間距的減小而呈指數(shù)增長。斥力fr：原子間同性電荷的相互排斥力及電子云相互重疊所引起的斥力。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)rrrFU斥力引力r0fafrftUaUrUt原子間相互作用力（F）、能量（U）與原子間距（r）的關(guān)系dU/dr=0當(dāng)IfaI=Ifr

I，合力為零，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，體系的能量最低。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的能量E0為物質(zhì)中原子的結(jié)合能。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)

從物質(zhì)內(nèi)部原子間作用力與間距，原子間結(jié)合能與間距的關(guān)系，可得出如下結(jié)論：1）當(dāng)材料受拉或受壓時(shí)，外力和材料長度成正比，即著名的虎克定律（F=kr），F(xiàn)~r曲線在r=r0時(shí)的斜率即為通常定義的材料彈性模量（剛度）。2）F~r曲線在平衡位置兩側(cè)是對(duì)稱的，所以材料的剛度在拉伸和壓縮時(shí)相同。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)3）原子間引力存在最大值，即材料受拉應(yīng)力有極限值。4）原子間斥力可以無限增大，所以材料不會(huì)受壓破壞，在壓力作用下材料破壞仍由材料內(nèi)拉應(yīng)力或剪切應(yīng)力達(dá)到其極限值而引起。5）溫度升高，原子震動(dòng)加劇，其間距增大，因而材料受熱時(shí)向各向膨脹；由于原子震動(dòng)將削弱原子間的結(jié)合強(qiáng)度，因此溫度升高，材料抗拉強(qiáng)度降低。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)1.1.2膠體物質(zhì) 由具有物質(zhì)三態(tài)(固、液、氣）中某種狀態(tài)的高分散粒子作為分散相，分散于另一相（分散介質(zhì)）中所形成的系統(tǒng)。

特性：流變性；聚結(jié)不穩(wěn)定性；觸變性常見固液兩相膠體種類：

溶膠，凝膠第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)問題：試舉出生活中常見膠體的例子？瀝青，果凍，水泥漿，泥漿膠體的例子分散相周圍相類型例子氣體液體固體泡沫固體泡沫肥皂水引氣混凝土液體氣體液體氣霧乳狀液煙霧,噴霧乳化瀝青固體氣體液體固體煙霧固體分散的固體硅灰,粉煤灰水泥漿土懸浮液氧化釷－鎳合金觸變性與反觸變性觸變性：泥漿在靜置以后變稠和凝固，但再次攪拌則可恢復(fù)原來的流動(dòng)狀態(tài)。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而減小。反觸變性：泥漿在攪拌時(shí)變稠和凝固，靜止以后又可恢復(fù)原來的流動(dòng)狀態(tài)。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而增大。第1章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ) 混凝土路面攤鋪 鉆井泥漿 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下的流砂和土壤液化觸變性的應(yīng)用：滑模攤鋪滑模攤慨鋪土壤液化液化就洋是飽和海砂質(zhì)土靈壤由地疼震導(dǎo)致沉突然失鐘去強(qiáng)度.搖動(dòng)引起持飽和的土題壤沉淀下感來,占有更妥小的體楚積.土地“液琴化”，缸結(jié)構(gòu)物就膠處在水層歉上.引起建筑兔物沉降，互傾斜，土艇壩失效.為了探測雹一個(gè)地區(qū)誓是否易于邊液化,必須鉆深賣達(dá)30m的孔洞分彩析土壤的咐地質(zhì)概況父。費(fèi)用腎的原因，焰這項(xiàng)工作客很少去做省。土壤液矮化

日帽本，新滹,196軍4流體能自奶由變形固體不內(nèi)能自由耕變形理想剛碗體與實(shí)際材宏料的差異第1指章建眼筑材料科帶學(xué)基礎(chǔ)1.2幅物線體受力揪時(shí)的變障形性能彈模無限大內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位置固定有限彈模內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位置可變第1肯章罩建筑備材料科膚學(xué)基礎(chǔ)1.2.封1.彈碧性體1）應(yīng)力正應(yīng)力：剪切應(yīng)力視：應(yīng)力單位玩：N/m2(Pa)釀,N/雙mm2(MP屯a)FFA1A2FA第1妻章擾建筑黨材料科護(hù)學(xué)基礎(chǔ)2)映應(yīng)變正應(yīng)變:剪切應(yīng)變:應(yīng)變無值量綱LLLL第1臨章建搬筑材料科襖學(xué)基礎(chǔ)3)應(yīng)力與應(yīng)輝變的關(guān)系E稱為楊氏杠彈性模量G稱為剪賣切模量E，G的量綱：Pa,伶MPa,救GPa只發(fā)生彈咱性變形的陡物體稱為棕彈性體。0E虎克定律第1陵章建潮筑材料科直學(xué)基礎(chǔ)4)材料的泊頌松比（Poi宵sso慚n’s鬼Ra愿tio)：材料的廣泊松比L’LL’LL’第1掏章印建筑齒材料科音學(xué)基礎(chǔ)幾種典會(huì)型材料的旬彈性模量及泊松比第1旨章洋建筑諷材料科傾學(xué)基礎(chǔ)5)材料的體饒積模量在彈性減范圍內(nèi)董，固體以在各向綠相同的旋應(yīng)力（）作用下，屑其自身的遲體積變化（V=V2-V1）與所加應(yīng)揚(yáng)力之間服懼從如下關(guān)系徹：K稱為材料的體謝積模量第1桌章建石筑材料科境學(xué)基礎(chǔ)6)固擔(dān)體材料蔬常數(shù)之拾間的關(guān)鑰系四個(gè)材料詳常數(shù)（E，G困，K，）中，只有歉兩個(gè)是獨(dú)趕立的，對(duì)滑各向同性蝕材料，有因?yàn)闉榱嗽跇亲冃芜^叼程中使路物體體哄積不變稀，應(yīng)有ν=0浴.5，此為理陳想流體付。只有橡濃膠的泊松比接近0瞎.5。第1舟章移建筑庭材料科測學(xué)基礎(chǔ)一般金屬領(lǐng)材料的泊松比為0.2牧9～0.菜33。大多數(shù)無壇機(jī)非金屬遲材料的泊松比為0克.2～藍(lán)0.2棕5。這些材料哪在單向拉藝伸時(shí)體積徑增大。因?yàn)槔詰?yīng)力作用管方向上原宋子間距地井增加會(huì)促悶使側(cè)向收穴縮，但原暈子之間的繳排斥力又悟會(huì)限制這鞠種收縮，辯使其達(dá)不迅到維持體剃積不變所滾必需的收言縮量。第1想章建忽筑材料科懷學(xué)基礎(chǔ)7)彈汗性變形龜能1.2然.2.灑理想替流體（努牛頓流浩體）組成流雨體的微化粒可以焰自由運(yùn)自動(dòng)，所磁以即使雕很小的鄙外力也腥可以引犬起流體薪的不可隨逆流動(dòng)纏。對(duì)于理想流體：第1醒章恨建筑粗材料科勻?qū)W基礎(chǔ)η：粘性系答數(shù)（粘抄度）液體具有體積末模量，但著沒有剪切僅模量。固體既具有隔體積模星量，也棒有剪切沙模量。是否具狂有剪切貓模量，快是固體招與液體足的區(qū)別蜘所在。1.2.渴3.塑嫌性體剪切應(yīng)力鄰小于屈服應(yīng)喪力時(shí)不發(fā)繞生變形匆；當(dāng)剪妖切應(yīng)力獎(jiǎng)達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)立即發(fā)鹿生極大剪橡切變形。這種在埋瞬間發(fā)賺生的極伐大變形瓜，稱為塑性流濫動(dòng)。具有這升種性質(zhì)冒的理想情物體稱駕為塑性體。第1桿章聯(lián)建筑傷材料科汪學(xué)基礎(chǔ)1.2把.4.輛真火實(shí)物體同時(shí)具有耕彈性、粘嗽性和塑性倍。真實(shí)物體輝在外力的煉作用下產(chǎn)定生的變形測，特別是盤與作用時(shí)海間有關(guān)的撕變形，是流變學(xué)研究的夢內(nèi)容。第1給章建國筑材料科取學(xué)基礎(chǔ)第1籌章建娃筑材料科私學(xué)基礎(chǔ)第1斗章赴建筑歷材料科志學(xué)基礎(chǔ)1.2筐.5.燥粘彈雀性應(yīng)變隨時(shí)內(nèi)間逐漸增才加，趨近時(shí)極限徐變應(yīng)力松右弛粘性迄今為返止討論同的材料揉性能均紋為材料埋對(duì)應(yīng)力優(yōu)的短期響應(yīng)。如果材料扇是理想的晌彈性體，已只需要考片慮一種響敗應(yīng)。但大頓多數(shù)建筑嘉材料存在辯對(duì)應(yīng)力的酷附加響應(yīng)繩成分，它葉是隨時(shí)間奮變化的。材料的逃變形隨可受力時(shí)處間延長調(diào)而增加友，這種足性能叫先材料的粘性。第1列章建賢筑材料科路學(xué)基礎(chǔ)混凝土徐皺變tt=00t不可恢復(fù)變形-塑性粘性系數(shù)或粘度第1乖章度建筑額材料科芒學(xué)基礎(chǔ)新拌水吼泥漿剪劃切變形鍋與時(shí)間打的關(guān)系tt=00t粘性系數(shù)羞或粘度第1持章神建筑咱材料科奴學(xué)基礎(chǔ)粘彈性材料既具勻有彈性性卡質(zhì)，又具群有粘性性哲質(zhì)，我們巧稱該材料則為具有粘路彈性的材層料。問題：如礙何用流變猾學(xué)模型來描述衛(wèi)材料的啊粘彈性嫌？t0t第1們章誘建筑蠟材料科程學(xué)基礎(chǔ)描述材料瓶粘彈性的櫻基本流變?nèi)獙W(xué)模型a)彈性元件b)粘性元件c)塑性元匆件abcf為兩滑坦塊間的穿最大摩嘆擦力第1錄章建名筑材料科愿學(xué)基礎(chǔ)麥克斯流韋（Max吸wel羨l）模型（株通常用君來描述臨混凝土盒徐變及鮮應(yīng)力松略弛）SF因?yàn)椋河校旱?膠章?lián)u建筑東材料科克學(xué)基礎(chǔ)兩式相加眨，得到Max幻玉wel羽l流變方程Max秒wel油l模型同貫時(shí)具有貍彈性和隔粘性。左由于串恒聯(lián)粘性油元件，僚在微小籮外力作撈用下，浴變形將遵持續(xù)增輔加。Max揭wel青l(xiāng)模型本質(zhì)納上是液體巡壽。對(duì)恒定荷餓載：=還0時(shí)E，純粘性家體爪，純彈性悉體第1洪章建盜筑材料科哥學(xué)基礎(chǔ)tt=00/E當(dāng)應(yīng)力駐不變時(shí)世應(yīng)變逐痕漸增加臘的現(xiàn)象墊稱為徐變問題：當(dāng)t時(shí)，，是否合塔理？例如混隨凝土徐灑變tt=00/E第1纏章醬建筑勸材料科厲學(xué)基礎(chǔ)對(duì)恒定笑變形：=0時(shí)解此微分陡方程，并雜注意當(dāng)t=0時(shí)=檢0，有t0t=0應(yīng)力松弛笨公式在一定時(shí)梯間內(nèi)，應(yīng)薪力松弛程父度取決于崇材料參數(shù)E與的比值警。第1緣瑞章建抹筑材料科徐學(xué)基礎(chǔ)開爾文夢（Kel弊vin悼）模型=0時(shí),鉛解此微分宿方程，并暖注意當(dāng)t=0時(shí)=0，有當(dāng)t時(shí)，=0/EEt0/E開爾文模引型——推凡遲模型如果只住有彈性戶元件，凱當(dāng)應(yīng)力始作用時(shí)絮，應(yīng)變養(yǎng)立即達(dá)帶到最大黎值。當(dāng)貫并聯(lián)粘笛性元件朽后，應(yīng)農(nóng)變被推熄遲了。如果開最爾文模懂型在發(fā)庭生應(yīng)變0后突然耳卸載，足=0柜，有：即卸載后蛙應(yīng)變逐漸絡(luò)減小，稱觸為彈性后飲效。Max盛wel褲l模型--松弛時(shí)間理想固趣體:能夠無掃限的承寬受應(yīng)力,即=。理想流麗體:松弛與弟加載同鼻時(shí)完成,例如水窮的松弛育時(shí)間為=10-11s。短長理想固體理想流體Max驅(qū)wel哭l模型--松弛時(shí)間松弛時(shí)計(jì)間恒定，如果加載恭速度足夠前快,t<,那么材墊料呈現(xiàn)勒彈性。如果加荷載速度疾足夠慢,t>,那么材料慨呈現(xiàn)流動(dòng)廊性。例如，許多聚悄合物如瀝棉青。徐變與加載速度Rap沉hae量l在大捷壩混凝稍土的試語驗(yàn)研究奔中認(rèn)為撿，提高炮壓應(yīng)力僻的加載匯速率3醉個(gè)數(shù)量嚇級(jí)(地膝震中可朱能出現(xiàn)族的情況芬)強(qiáng)卷度提高羽大約3鎮(zhèn)0%。相對(duì)于現(xiàn)加載速敲度為0.2玻MP炒a/s時(shí)的百貍分比應(yīng)用麥克饞斯韋模型與開墳爾文模型出模擬徐變烘現(xiàn)象時(shí)的維異同。t0/Ett=00/E第1嗽章謙建筑榮材料科禿學(xué)基礎(chǔ)f賓漢姆姐（Bing店ham）模型:某些材料夸，如油漆倡，從流動(dòng)礦性方面看奸似乎是粘邀性液體；羨但將其刷去在垂直墻部面，卻可魔以承受一僻定的剪應(yīng)喪力而不流抄走，又具親有固體的艦性質(zhì)?？捎糜覉D采所示模型嫂表示：第1編章建緊筑材料科賣學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)f時(shí)，=0，所以d/dt=0當(dāng)f時(shí)，d/dtf第1牽章建闊筑材料科逮學(xué)基礎(chǔ)2）求解如圖算所試體系的流變方冒程，并分游析恒定應(yīng)餅力及恒定控應(yīng)變兩種嗎特例，做t及t圖。E1E2第1鎮(zhèn)章刷建筑犬材料科破學(xué)基礎(chǔ)1.3渾固體界面別行為任何材輪料都是安以各種位性質(zhì)的偉界面相馳臨接的軍。固固徒界面；固氣拼界面；固液棍界面（表面）界面：兩個(gè)相漠之間的分旗界面。表面：界面澆的一種筋，固-堤氣界面表面的特姻殊性：化學(xué)鍵不潮飽和，具竹有表面能露。納米材簡料科學(xué)四的發(fā)展浴。第1貞章建撕筑材料科灣學(xué)基礎(chǔ)考慮邊長訓(xùn)分別為1叢000個(gè)揚(yáng)和10個(gè)染原子的立眼方體，表貸面原子數(shù)臺(tái)占總原子囑數(shù)的比例秒。第1劉章奶建筑尖材料科表學(xué)基礎(chǔ)1.3鉗.1泡表面能蹄與表面箱張力1）表面擱張力：液證體或固體表面上朝存在著所一種力油圖縮小表面的倘張力，版我們稱沉這種張力為材料纖的表面張筑力。通常用單位跳長度上僻的力來姿表示(N/m資）。2）表面艦?zāi)埽喊巡幕@料內(nèi)部的鉤原子移到表敏面，需要蔑克服原子略間的引力而要做功。形暢成單位表嗚面所做的祥功即為潑材料的掙表面能笑(J/m2)。第1部章建榮筑材料科蛋學(xué)基礎(chǔ)3)戰(zhàn)表面能萬與表面貨張力的殿關(guān)系在液體狀秀態(tài)下，表駐面能與表互面張力等呢值。可擴(kuò)展瞞框中的腰肥皂膜非實(shí)驗(yàn)表面能改，U肥皂膜xfL固體表面靈能與表面彎張力不等第1望章建詠筑材料科恭學(xué)基礎(chǔ)1.3寫.2它吸附、架濕潤與齒粘附1）吸功附由于固體引或液體表炸面存在著禍大量具有不呈飽和鍵的召原子或離涂子，它們都能泄吸引外來丸的原子或減分子而產(chǎn)版生吸附據(jù)。吸附的作動(dòng)用：可改積變固體表旱面的結(jié)構(gòu)鉤和性質(zhì)，膜如降低材叔料的表留面能及恰強(qiáng)度（萬由于吸檔附使微窩裂紋表面能下烤降。第1界章勒建筑馳材料科頸學(xué)基礎(chǔ)2）潤瘋濕當(dāng)液體與敲固體表面惑相結(jié)觸時(shí)厭，能使固膝體的表面直能降低，顧這種現(xiàn)象玩稱為潤濕伸。潤濕的嘉程度與兩輔相之間的珠表面張力示有關(guān)。Alvslsv蒸氣液體固體（1）0<sv-sl<lv則<9估0o,固體能被甜液體潤濕（2）sv-sl=lv則=0，緞固體完全值被液體潤濕（3）sv<sl則>9粘0o，固體不旋能被液布體潤濕毛細(xì)作用祝：毛細(xì)管半凡徑為r，表面張接力為γLV，則有：第1近章供建筑赤材料科代學(xué)基礎(chǔ)第1籌章建應(yīng)筑材料科虛學(xué)基礎(chǔ)1.4局材料站的斷裂與唯強(qiáng)度材料抵株抗外力便破壞的遭能力稱照為材料賺的強(qiáng)度未，通常澇用材料滲所受極拆限應(yīng)力減來表達(dá)傍。1.4扣.1呆材料塞的實(shí)際材強(qiáng)度與籮理論強(qiáng)談度(1)定炎義:理論強(qiáng)度：克服贏固體內(nèi)板部質(zhì)點(diǎn)獎(jiǎng)間的結(jié)桂合力，絹形成兩殺個(gè)新表剛面時(shí)所礙需應(yīng)力戒的大小縮慧。實(shí)際強(qiáng)冒度：通過彎試驗(yàn)測斯得的強(qiáng)花度為材吵料的實(shí)涂際強(qiáng)度挖。第1警章注建筑拐材料科確學(xué)基礎(chǔ)第1萄章建六筑材料科馬學(xué)基礎(chǔ)(2)遵理論他強(qiáng)度的肥推算Orow饅an原子間力營與原子間宵距的關(guān)系碎模型th為理論結(jié)豪合強(qiáng)度,璃為正弦曲線責(zé)的波長渠。分開單萬位面積原子心平面所龍做的功W為xoa0/2th設(shè)材料危表面能懂為U（形成基單位表村面積所勒需要的槐能量）某，則W＝2U。有：第1言章建逃筑材料科愉學(xué)基礎(chǔ)如何求呀解？由虎克甩定律：a為晶格間每距第1丘章建媽筑材料科舊學(xué)基礎(chǔ)實(shí)際材堆料中只傘有一些貍極細(xì)的奶纖維和扇晶須，溉其實(shí)際厭強(qiáng)度接叮近理論原強(qiáng)度，孕例如：弦熔融的消石英玻相璃纖維謠的強(qiáng)度火可達(dá)24.攤1GPa，約為E/4。實(shí)際尺寸挪較大的材顯料的實(shí)際乎強(qiáng)度遠(yuǎn)比沾理論強(qiáng)度簡低。那么，臂這是為碌什么？第1女章都建筑辮材料科廈學(xué)基礎(chǔ)1.4.絮2微裂紋理論1）應(yīng)姑力集中Ingl桌is結(jié)果：2a2bxyxy,maxx,maxyx第1負(fù)章攪建筑腦材料科糞學(xué)基礎(chǔ)2）斷裂樂模式（裂爭紋尖端過雖程區(qū)的概悅念）小中大脆性亞脆性塑性第1淺章建蹦筑材料科柿學(xué)基礎(chǔ)3）Grif底fith能量理論君（適用于據(jù)脆性材料桐）設(shè)有一塊惰無限大的銳單位厚度狗的薄板，在均勻外按力作用下震產(chǎn)生一條塞長度為2a的微裂甚紋，生幕成微裂姿紋時(shí)，矩其周圍材料彈文性應(yīng)變能殼減少量為夕：形成裂銷紋所需摩的表面諷能：2a第1餃章建爐