第1章-土木工程材料的基本性質(zhì)

第一章土木工程材料的基本性質(zhì) 一、材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 1.材料的組成 （1）化學(xué)組成 化學(xué)組成是指材料的化學(xué)成分，即指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類和數(shù)量。一些土木工程材料與環(huán)境中物質(zhì)接觸時(shí)，按化學(xué)變化規(guī)律發(fā)生作用。2011-091 （2）礦物組成 材料中具有特定的晶體結(jié)構(gòu)和特定物理力學(xué)性能的組織結(jié)構(gòu)稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。

礦物組成是決定某些材料性質(zhì)的重要因素。（3）相組成 材料中結(jié)構(gòu)相近、性質(zhì)相同的均勻部分稱為相。 構(gòu)成材料的相的種類和數(shù)量。 2011-092 2.材料的結(jié)構(gòu) （1）宏觀結(jié)構(gòu) 用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。按宏觀結(jié)構(gòu)不同，材料有密實(shí)、多孔、纖維、層狀、散粒和紋理等結(jié)構(gòu)。 各種結(jié)構(gòu)都有其各自的特點(diǎn)，宏觀結(jié)構(gòu)不同的材料具有不同的性質(zhì)。 2011-093密實(shí)結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部基本上無(wú)孔隙，結(jié)構(gòu)致密。多孔結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部存在大體上呈均勻分布的獨(dú)立或部分連通的孔隙，孔隙率較高。纖維結(jié)構(gòu)的材料由纖維狀物質(zhì)構(gòu)成，其內(nèi)部組成具有方向性，縱向較緊密而橫向較疏松，纖維之間存在相當(dāng)多的孔隙。2011-094層狀結(jié)構(gòu)的材料具有疊合結(jié)構(gòu)，即膠結(jié)料將不同的片狀材料膠合成整體。散粒結(jié)構(gòu)是指呈松散顆粒狀的材料。紋理結(jié)構(gòu)是指天然材料在生長(zhǎng)或形成過(guò)程中，自然形成有天然紋理的結(jié)構(gòu)。2011-095（2）細(xì)觀結(jié)構(gòu) 細(xì)觀結(jié)構(gòu)是指在光學(xué)顯微鏡下能觀察到的結(jié)構(gòu)。土木工程材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體材料分類研究。（3）微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)是指用電子顯微鏡或X射線來(lái)分析研究的原子、分子層次的結(jié)構(gòu)。按微觀結(jié)構(gòu)材料可分為晶體、玻璃體和膠體。2011-096①晶體

質(zhì)點(diǎn)（離子、原子、分子）在空間上按特定的規(guī)則，呈周期性排列的固體稱為晶體。

根據(jù)組成晶體的質(zhì)點(diǎn)及化學(xué)鍵的不同，晶體可分為，原子晶體、金屬晶體、離子晶體和分子晶體。2011-097

原子晶體：中性原子以共價(jià)鍵結(jié)合而成的晶體。金屬晶體：金屬陽(yáng)離子排列成一定形式的晶格，由自由電子與金屬陽(yáng)離子間的金屬鍵結(jié)合而成的晶體。離子晶體：正負(fù)離子以離子鍵結(jié)合而成的晶體。分子晶體：以分子間的范德化力即分子鍵結(jié)合而成的晶體。2011-098

②玻璃體 玻璃體是熔融的物質(zhì)經(jīng)急冷而形成的無(wú)定形體。

（a）（b）圖1.1晶體與非晶體的原子排列示意圖（a）晶體；（b）非晶體2011-099 ③膠體 膠體是指以粒徑為10-7～10-10m的固體顆粒作為分散相（稱為膠粒），分散在連續(xù)相介質(zhì)中，形成的分散體系。 依膠粒多少，膠體結(jié)構(gòu)可分為：溶膠結(jié)構(gòu)，凝膠結(jié)構(gòu)，溶-凝膠結(jié)構(gòu)。膠體的分散相（膠粒）很小，比表面積很大。 與晶體及玻璃體結(jié)構(gòu)相比，膠體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較低，變形較大。2011-09103.材料的構(gòu)造 材料的構(gòu)造是指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元的相互搭配情況。構(gòu)造與結(jié)構(gòu)相比，更強(qiáng)調(diào)相同材料或不同材料間的搭配組合關(guān)系。2011-0911 二、材料的基本物理性質(zhì) 1.材料的密度、表觀密度與堆積密度 （1）密度 密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

ρ=m/V

2011-0912（2）表觀密度 表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

ρ0=m/V02011-0913（3）堆積密度堆積密度是指散粒狀材料（如粉狀、顆粒狀材料等）在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

ρ’0=m/V’02011-0914 2.材料的密實(shí)度與孔隙率 （1）密實(shí)度 密實(shí)度是指材料的體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度。按下式計(jì)算：

D=V/V0×100%或D=ρ0/ρ

×100%

2011-0915（2）孔隙率 孔隙率是指材料的體積內(nèi)孔隙體積所占的比例。按下式計(jì)算：

P=(V0－V)/V0×100%或P=(1－ρ0/ρ.)×100% D+P=1 孔隙率或密實(shí)度大小反映了材料的密實(shí)程度。2011-0916 3.材料的填充率與空隙率 （1）填充率

填充率是指散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下，顆粒體積占自然堆積狀態(tài)下體積的百分率。按下式計(jì)算：

D’=V0/V’0×100%或D’=ρ’0/ρ0.×100%

2011-0917（2）空隙率

空隙率是指散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下，顆粒之間的空隙占自然堆積狀態(tài)下體積的百分率。按下式計(jì)算：P’=(V’0－V0)/V’0×100%或P=(1－ρ’0/ρ0.)×100%

P’+D’=1 填充率或空隙率反映了散粒材料顆粒之間互相填充的程度。2011-0918 4.材料與水相關(guān)的性質(zhì) （1）材料的親水性與憎水性 材料與水接觸時(shí)，材料表面能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱為親水性。 材料與水接觸時(shí)，材料表面不能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱為憎水性。 2011-0919潤(rùn)濕邊角：在材料、水和空氣的交點(diǎn)處，沿水的表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角(θ)稱為潤(rùn)濕邊角。

2011-0920 一般認(rèn)為，當(dāng)θ≤90°時(shí)，此種材料稱為親水性材料；當(dāng)θ>90°時(shí)，此種材料稱為憎水性材料。（a）（b）圖1.2材料的潤(rùn)濕邊角（a）親水性材料；（b）憎水性材料2011-0921 （2）材料的吸水性

材料在水中吸收水分的能力稱為材料的吸水性。材料的吸水性常用吸水率表示，有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。 2011-0922質(zhì)量吸水率是指材料吸收的水分質(zhì)量與材料干燥質(zhì)量之比。按下式計(jì)算：體積吸水率是指材料吸收的水分體積與材料自然體積之比。按下式計(jì)算：2011-0923 （3）材料的吸濕性 材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。

材料的吸濕性常以含水率表示。按下式計(jì)算：

W=(m1–m)/m×100% 材料的含水率隨環(huán)境溫度和空氣濕度的變化而變化。

材料與空氣溫、濕度相平衡時(shí)的含水率稱為平衡含水率。2011-0924 （4）材料的耐水性 耐水性是指材料長(zhǎng)期在水的作用下不破壞，而且強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。

材料的耐水性用軟化系數(shù)表示。按下式計(jì)算：

K=f飽/f干. 軟化系數(shù)的范圍在0～1之間。通常將軟化系數(shù)大于0.85的材料稱為是耐水材料。

2011-0925（5）材料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性常用滲透系數(shù)表示。按下式計(jì)算： K=Qd/AtH 抗?jié)B等級(jí)：以規(guī)定的試件、在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法下所能承受的最大水壓力來(lái)確定。 2011-0926（6）抗凍性抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用（凍融循環(huán)）而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。

材料的抗凍性與其強(qiáng)度、孔隙率、孔隙特征、含水率等因素有關(guān)。2011-09275.材料的熱工性質(zhì)（1）導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的一側(cè)通過(guò)材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。2011-0928材料的導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）來(lái)表示，導(dǎo)熱系數(shù)是指一定厚度的材料，兩側(cè)存在溫差時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積材料的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)按下式計(jì)算：

熱導(dǎo)率與材料孔隙構(gòu)造密切相關(guān)。工程中通常把λ≤0.23W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。2011-0929（2）熱容量熱容量是指材料在溫度變化時(shí)吸收和放出熱量的能力，按下式計(jì)算：比熱容是指單位質(zhì)量的材料在溫度每變化1K時(shí)所吸收或放出的熱量，比熱容是反映材料的吸熱或放熱能力大小的物理量。2011-0930三、材料的基本力學(xué)性質(zhì) 1.材料的強(qiáng)度和比強(qiáng)度（1）強(qiáng)度強(qiáng)度是材料抵抗外力破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度等。2011-0931圖1.3材料受力示意圖2011-0932材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算：材料的抗彎強(qiáng)度與受力情況有關(guān)，單點(diǎn)集中加荷和三分點(diǎn)加荷，且構(gòu)件有兩個(gè)支點(diǎn)，材料截面為矩形時(shí)，抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算：（單點(diǎn)集中加荷）（三分點(diǎn)加荷）2011-0933 不同種類的材料，強(qiáng)度差異很大。 相同種類的材料，隨著其孔隙率及構(gòu)造特征等因素的不同，各種強(qiáng)度也有顯著差異。

同種材料抵抗不同類型外力作用的能力不同。試驗(yàn)條件等因素也會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度值的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 材料的強(qiáng)度是大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料劃分等級(jí)的依據(jù)，大部分土木工程材料根據(jù)其極限強(qiáng)度的大小，劃分為若干不同的強(qiáng)度等級(jí)。

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同種材料抵抗不同類型外力作用的能力不同。試驗(yàn)條件等因素也會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度值的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 材料的強(qiáng)度是大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料劃分等級(jí)的依據(jù)，大部分土木工程材料根據(jù)其極限強(qiáng)度的大小，劃分為若干不同的強(qiáng)度等級(jí)。 2011-0935（2）比強(qiáng)度比強(qiáng)度是按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比。 比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的重要指標(biāo)。2011-0936

2.彈性與塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，變形能完全消失的性質(zhì)稱為彈性，這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形。

圖1.4材料的彈性變形曲線2011-0937材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去后，材料仍保留一部分殘余變形且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性,這部分殘余變形稱為塑性變形。圖1.5材料的塑性變形曲線2011-0938材料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系符合虎克定律：σ=Eε彈性模量是材料剛度的度量，反映了材料抵抗變形的能力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一。2011-0939實(shí)際上，完全的彈性材料或完全的塑性材料是不存在的。圖1.6材料的彈塑性變形曲線圖6.3低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變圖2011-0940

3.脆性與韌性

材料在外力作用下，無(wú)明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)，稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。

圖1.7脆性材料的變形曲線材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)，稱為韌性，具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料。2011-09414.硬度與耐磨性（1）硬度硬度是指材料表面抵抗其他物體壓入或刻劃的能力。常用壓入法和刻劃法來(lái)評(píng)價(jià)材料的硬度。（2）耐磨性耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力，材料的耐磨性用磨損率表示。按下式計(jì)算：

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