建筑工程材料的基本性質(zhì).ppt

1、1,西南交通大學(xué)希望學(xué)院 土木工程系 主講：趙燕,2,建筑工程的功能,要求的材料性能,承受荷載,長期可靠性,強(qiáng)度、剛度,耐久性,物理性能,防水、隔熱、隔聲、防火、采光、絕緣,不污染環(huán)境,環(huán)保性,3,本章要點 土木工程材料的基本物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及耐久性等。 學(xué)習(xí)目標(biāo) 熟悉和掌握各種材料的基本性質(zhì)，在工程設(shè)計與施工中正確選擇和合理使用各種材料。,3,第1章 土木工程材料的基本性質(zhì),4,1.1 材料的組成與結(jié)構(gòu) 1.2 材料的物理性質(zhì) 1.3 材料的力學(xué)性質(zhì) 1.4 材料與水有關(guān)的性質(zhì) 1.5 材料的熱性質(zhì) 1.6 材料的耐久性,5,如下圖所示：,5,原料 生產(chǎn)工藝,組成 結(jié)構(gòu) 構(gòu)造,技術(shù) 要求,

2、性質(zhì),應(yīng)用,外界環(huán)境條件,檢驗 與 驗收,運輸 儲存,形成了,決定了 (內(nèi)因),決定了,提出了要求,依據(jù),提出了,影響 外因,1.1.1 材料的組成 1.1.2 材料的結(jié)構(gòu) 1.1.3 結(jié)構(gòu)中的孔隙與材料性質(zhì)的關(guān)系,6,1. 化學(xué)組成 化學(xué)組成指構(gòu)成材料的基本元素與化合物。,7,材料在使用過程按化學(xué)變化規(guī)律發(fā)生作用，例如： 混凝土碳化 鋼材銹蝕,8,2. 礦物組成 礦物是具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征的單質(zhì)或化合物。,礦物組成 = 礦物種類 + 礦物含量,例如：普通硅酸鹽水泥與快硬硅酸鹽水泥,無機(jī)非金屬材料,9,10,11,木材的細(xì)觀結(jié)構(gòu),金屬的金相組織,12,鈣鈦鋯石在不同放大倍數(shù)下的SEM照片

3、,13,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,礦渣在3.0K下的SEM照片,14,幾種工業(yè)廢渣的XRD衍射圖譜,15,土木工 程材料,晶體,玻璃體,膠體,固態(tài),有規(guī)則，各向異性,無定形態(tài)（短程有序， 長程無序）,微小質(zhì)點分散于介質(zhì)中形成的結(jié)構(gòu) （1100m）,（石墨、金剛石、“足球烯”C60）,16,石墨三維結(jié)構(gòu),17,泡沫玻璃,玻璃,泡沫塑料,泡沫混凝土,18,小結(jié)：材料的組成、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)、用途的關(guān)系 宏觀結(jié)構(gòu)不同，即使組成與微觀結(jié)構(gòu)等相同，材料的性質(zhì)與用途也不同 宏觀結(jié)構(gòu)相同或相似，則即使材料的組成或微觀結(jié)構(gòu)等不同，材料也具有某些相同或相似的性質(zhì)與用途,1. 材料內(nèi)部孔隙的來源

4、與產(chǎn)生,19,天然材料,人造材料,木材的細(xì)觀結(jié)構(gòu),鋯石的微觀結(jié)構(gòu),20,孔隙大小,孔隙形狀,常壓下水 能否進(jìn)入,微細(xì)孔隙 毛細(xì)孔 較粗大孔隙 粗大孔隙,球形孔隙 片狀孔隙 管狀孔隙 墨水瓶狀孔隙 帶尖角的孔隙,開口/連孔隙 閉口/封閉孔隙,2. 孔隙的分類,21,3. 孔隙特征及其對材料性質(zhì)的影響 孔隙特征是指材料內(nèi)部孔隙的大小、形狀、分布、連通與否等構(gòu)造上的特征，對材料的物理、力學(xué)性質(zhì)均有顯著影響。 一般工程應(yīng)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。,22,開口孔隙對材料性質(zhì)的影響較閉口孔隙大，往往使材料的大多數(shù)性質(zhì)降低（吸聲性除外）。,1.2.1 材料的密度、表觀密度

5、和堆積密度 1.2.2 材料的孔隙率與密實度 1.2.3 材料的孔隙率與填充率,23,24,1.密度,材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。,密度，g/cm3； m材料的質(zhì)量，g； V材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，cm3。,絕對密實:不包括孔隙。,如何測？,磨成細(xì)粉，用李氏瓶； 排液置換法。,李氏密度瓶,實際上，自然界完全密實的材料不存在（近似密度）。,25,是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。,2. 表觀密度 （視密度、近似密度）,如何測？,2,26,是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。,宏觀外形體積:包括開口孔隙和閉口孔隙在內(nèi)的體積。即固體體積開口孔隙體積閉口孔隙體積。,如何測？,形狀規(guī)

6、則：直接測量并計算 形狀不規(guī)則：蠟封并排液測定,2. 表觀密度 （視密度、近似密度）,27,3. 堆積密度0/,粉狀或粒狀材料，在自然堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。,如何測？,堆積體積: 散粒材料填充容器的體積。 固體體積孔隙體積顆粒間空隙。,3,對于某一種材料來說，其密度、表觀密度、和堆積密度之間的相互關(guān)系怎樣？ 密度表觀密度堆積密度,1. 孔隙率與密實度 孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積占材料表觀體積的百分率 。,密實度，即材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實的程度。,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。,練

7、習(xí)題： 一塊普通粘土磚尺寸為240mm115mm53mm，烘干后質(zhì)量為2425g，吸水飽和后為2640g，將其烘干磨細(xì)后取50g用李氏瓶測其體積為19.2cm3，求該磚的密度、表觀密度、孔隙率及密實度。,1.3.1 強(qiáng)度與比強(qiáng)度 1.3.2 彈性與塑性 1.3.3 脆性與韌性 1.3.4 硬度與耐磨性,33,1. 強(qiáng)度：是指材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應(yīng)力。, 按外力作用方式：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度。,壓 拉 彎曲 剪切,1.3.1 強(qiáng)度與比強(qiáng)度,（極限強(qiáng)度）,34,材料強(qiáng)度的計算公式,（1）抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度：,（2）抗彎強(qiáng)度：,單點集中加荷：,三分點加荷：,f材料

8、的抗彎強(qiáng)度 N/mm2或MPa；Fmax破壞時的最大荷載N； L兩支點的間距mm ； b、h試件橫截面的寬與高mm。,35,常用土木工程材料的強(qiáng)度（ N/mm2或MPa ）,材料強(qiáng)度的影響因素：, 材料組成與結(jié)構(gòu)、孔隙率、含水率、尺寸、加載速度、表面狀況。,36,材料強(qiáng)度與表觀密度之比。 衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)。,鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較,2. 比強(qiáng)度,37,1. 彈性：,彈性變形：可完全恢復(fù)的變形,材料的彈性變形曲線,外力作用變形 外力除去 變形保持,塑性變形：不能恢復(fù)的變形,材料的塑性變形曲線,外力作用變形 外力除去變形完全恢復(fù),2. 塑性：,1.3.2 彈性與塑性,38, 真

9、實材料中，完全的彈性材料或完全的塑性材料不存在。,3. 彈塑性變形：,外力作用變形；卸載后彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留。,4. 彈性模量E：（衡量材料抵抗變形能力的一個指標(biāo)。）,彈性模量愈大，材料越不容易變形。,39,b a 變形,荷載,0,A,ab彈性變形,ob塑性變形,材料的彈塑性變形曲線,40,1. 脆性：外力達(dá)到一定限度材料突然破壞（無明顯塑性變形）,脆性材料的變形曲線, 常見脆性材料：磚、玻璃、鑄鐵、普通混凝土、陶瓷、石材、砂漿,2. 韌性：沖擊、振動荷載作用材料吸收較大的能量而不發(fā)生破壞（產(chǎn)生較大變形）,1.3.3 脆性和韌性,41,1. 硬度：材料表面抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能

10、力。,1.3.4 硬度與耐磨性,天然礦物：刻劃（莫氏硬度） 金屬、木材等：壓入法（布氏、洛氏、維氏硬度） 混凝土、砂漿等：重錘下落回彈高度, 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。,42,M 材料的耐磨硬度（g/cm2）或磨損率（%） m0、m2 材料耐磨性試驗前后的質(zhì)量（g） A 試件受磨面積（cm2）,2. 耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力。 通常用耐磨硬度或磨損率表示：,1.4材料與水有關(guān)的性質(zhì),1.4.1材料的親水性和憎水性 1.4.2材料的含水狀態(tài) 1.4.3材料的吸水性與吸濕性 1.4.4材料的耐水性 1.4.5材料的抗?jié)B性 1.4.6材料的抗凍性,1. 親水性與

11、憎水,全潤濕 潤濕 不潤濕,憎水性：材料與水接觸時不能被水潤濕的性質(zhì)。,親水性：材料與水接觸時能被水潤濕的性質(zhì)。,親水性材料的含水狀態(tài)可以分為4種基本狀態(tài)： 干燥狀態(tài) 氣干狀態(tài) 飽和面干狀態(tài) 濕潤狀態(tài) 另外，還有兩種基本狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)。,2. 材料的含水狀態(tài),46,3. 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(zhì)。,質(zhì)量吸水率Wm：,體積吸水率WV：,47,材料的吸水率與孔隙特征有何關(guān)系？,孔隙特征,吸水率,微細(xì)而連通,封閉,較大,較小,較小,粗大開口,2）吸濕性： 是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。,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。

12、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）。,3）含水對材料性質(zhì)的影響 體積 強(qiáng)度 導(dǎo)熱性 , 保溫隔熱性 吸聲性 耐久性,4. 耐水性 是指材料長期在飽和水作用下不破壞，而且強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。 軟化系數(shù)：K軟=f飽/f干 軟化系數(shù)值一般在01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。,50,5. 抗?jié)B性（不透水性） 是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。可用滲透系數(shù)K或抗?jié)B等級表示。 （1）防滲、防水材料,51,（2）砂漿、混凝土等材料 抗?jié)B等級：P = 10H-1,52,材料抗?jié)B性的影響因素： 材料的孔隙率和孔隙特征 親水性與憎

13、水性,6. 抗凍性 是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，同時也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)。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(jīng)凍融循環(huán)作用，強(qiáng)度損失和質(zhì)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。 F25：表示材料在經(jīng)受25次的凍融循環(huán)后仍可滿足使用要求。,53,影響材料抗凍性的主要因素： （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）材料本身的強(qiáng)度 材料強(qiáng)度越高，抵抗凍

14、害的能力越強(qiáng)，即抗凍性越高。,54,提高材料抗凍性的方法： 引入部分封閉的孔隙，如在混凝土中摻入引氣劑。 原因：這些引入的閉口孔隙可切斷材料內(nèi)部的毛細(xì)孔隙，當(dāng)開口的毛細(xì)孔隙中的水結(jié)冰時。所產(chǎn)生的壓力可將開口孔隙中尚未結(jié)冰的水?dāng)D入到無水的封閉孔隙中（由于毛細(xì)作用，微細(xì)孔隙中水的冰點低于0。如半徑為15的微細(xì)孔隙中，水的冰點約為-75），即這些封閉的孔隙可起到卸壓的作用。,55,1.5 材料的熱性質(zhì),1.5.1導(dǎo)熱性 1.5.2熱阻 1.5.3熱容量和比熱容 1.5.4熱變形性 1.5.5耐燃性,1. 導(dǎo)熱性 材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，以導(dǎo)熱系數(shù)表示：,通常將0.23 W /（mK）的材料稱為

15、絕熱材料。如：礦棉、膨脹珍珠巖、泡沫塑料等。,影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素有： （1）材料的組成與結(jié)構(gòu)：通常金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬材料；固體的大于液體；氣體的最小。 （2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越輕（越小），導(dǎo)熱系數(shù)越小。 （3）含水率：材料含水或含冰時，會使導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加。 （4）溫度：溫度越高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大（金屬除外）。,2. 熱阻 材料層厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的比值稱為熱阻R=/（m2K/W）。 它表明熱量通過材料層時所受到的阻力。 多層平壁導(dǎo)熱條件下，平壁的總熱阻等于各單層材料的熱阻之和。（電阻的串聯(lián)）,3. 熱容量 是指材料受熱時吸收熱量或者冷卻時放出熱量的性質(zhì)，用熱容量Q表示：,也可以用比熱容c表示。 比熱容指的是單位質(zhì)量的材料升高單位溫度時所需的熱量。 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(nèi)溫度相對穩(wěn)定。,4. 熱變形性 是指材料在溫度變化時的尺寸變化，用線膨脹系數(shù)表示：,5. 耐燃性 是指材料對火焰和高溫的抵抗能力，可分為3類： （1）非燃燒材料