土木工程材料的基本性质.ppt

1,第1章 土木工程材料的基本性质,1.1 材料的组成与结构 1.2 材料的物理性质 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料的耐久性 1.5 材料的环境负荷性及其使用的健康安全性,2,1.1 材料的组成与结构,1.1.1 材料的组成 1.1.2 材料的结构 1.1.3 结构中的孔隙与材料性质的关系,3,1. 化学组成 化学组成指构成材料的基本元素与化合物。 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。,4,2. 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、物理性质和力学性质等的重要因素。 例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥,5,1. 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。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。,6,7,2. 细观结构 也称显微或亚微观结构，是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。尺寸范围在10-310-6m。 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。,8,3. 微观结构 是指材料原子、分子层次的结构。可借助电子显微镜、SEM、XRD等手段来分析研究该层次上的结构特征。10-610-10m。 材料的许多物理、力学性质，如强度、硬度、熔点、导热性、导电性等都是由材料内部的微观结构所决定的。,9,钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片,10,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,矿渣在3.0K下的SEM照片,11,几种工业废渣的XRD衍射图谱,12,土木工程材料使用状态均为固体，其微观结构可分为晶体、玻璃体和胶体。 晶体：原子与分子的排列具有规则，三维晶格周期性的排列到晶体的表面。具有各向异性。 （石墨、金刚石、“足球烯”C60） 玻璃体：无定形态（短程有序，长程无序） ，化学不稳定性，各向同性，无固定熔点。 胶体：物质以极微小的质点（粒径为1100m）分散在介质中所形成的结构。具有很强的吸附力，在一定条件下可形成凝胶。,13,石墨三维结构,14,15,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，则即使材料的组成或微观结构等不同，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。,16,1. 材料内部孔隙的来源与产生 天然材料在生长或形成过程中产生的孔隙。如木材、天然岩石。 人造材料在其生产过程中引入的孔隙。如生产中过量水的使用。,17,2. 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。 按孔隙的形状，可将孔分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带尖角的孔隙等。 按常压下水能否进入孔隙中，可分为开口孔隙（或称连孔隙）和闭口孔隙（或封闭孔隙）。,18,3. 孔隙特征及其对材料性质的影响 孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力学性质均有显著影响。 一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。,19,材料内孔隙示意图,开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。,20,1.2 材料的物理性质,1.2.1 与质量状态有关的物理性质 1.2.2 与构造状态有关的物理性质 1.2.3 与水有关的性质 1.2.4 与热有关的性质 1.2.5 与声有关的性质,21,1. 密度 又称真密度，是材料在绝对密实状态下(不含内部任何孔隙)，单位体积的质量定义式如下：,材料的密度大小取决于组成物质的原子量和分子结构。 例如：金刚石3.43.5g/cm3； C60为1.68g/cm3；石墨2.212.26g/cm3,22,2. 表观密度 又称视密度、近似密度，是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。,注意测定时材料必须处于绝对干燥状态。,23,3. 容积密度 又称体积密度、容重，是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。,材料在自然状态下的宏观外形体积指包含内部所有孔隙（含开口和闭口孔隙）的体积。 测定时可在任意含水状态下，但应注明含水情况，未特别标明时常指气干状态下的容积密度。在材料对比试验时，则在绝干状态下进行。,24,4. 堆积密度 是指散粒材料或粉状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。,25,1. 孔隙率与密实度 孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积（在自然状态下体积）的百分率 。,密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。,26,2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,27,2. 空隙率与填充率 空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。,填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,28,1. 亲水性与憎水性 材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。 亲水性材料 材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。憎水性材料,润湿 不润湿 全润湿,29,2. 吸水性与吸湿性 1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。用质量吸水率Wm或体积吸水率WV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的百分率，定义式如下：,30,材料的吸水率可直接或间接反映材料的部分内部结构及其性质，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。 材料的吸水率与孔隙构造有很大关系。若材料具有微细而连通的孔隙，则吸水率就较大；若是具有封闭孔隙，则水分就难以渗入，吸水率就较小；若是较粗大开口的孔隙，水分虽容易进入，但不易在孔内保留，仅起到润湿孔壁的作用，吸水率也较小。,31,2）吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，常以含水率表示：,含水率表示材料在某一状态的含水能力，随环境温 度和空气湿度的变化而变化。与空气温湿度相平衡 时的含水率称为平衡含水率（或称气干含水率）。,32,3）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。,33,1. 导热性 材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示：,通常将0.23 W /（mK）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。,34,影响材料导热系数的主要因素有： （1）材料的组成与结构：通常金属材料的导热系数分别大于非金属材料。 （2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越轻（越小），导热系数越小。 （3）含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。 （4）温度：温度越高，材料的导热系数越大（金属除外）。,35,2. 热阻 材料层厚度与导热系数的比值称为热阻R=/（m2K/W），它表明热量通过材料层时所受到的阻力。 多层平壁导热条件下，平壁的总热阻等于各单层材料的热之和。（类似于电阻的串联）,36,3. 热容量 是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，用比热表示：,比热c与材料质量m的乘积，称为热容量。材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，即有利于保证室内温度相对稳定。,37,1. 吸声性 材料能吸收声音的性质称为吸声性，用吸声系数来表示：,38,吸声系数与声音的频率和入射方向有关。因此吸声系数用声音从各个方向入射的吸收平均值，并指出是哪一频率下的吸收值。通常使用的六个频率为125、250、500、1000、2000、4000Hz。 一般将上述六个频率的平均吸声系数 0.20的材料称为吸声材料。,39,最常用的吸声材料为多孔吸声材料，影响其吸声效果的主要因素为： （1）材料的孔隙率或体积密度 对同一吸声材料，孔隙率P越低或体积密度越大，则对低频声音的吸收效果越好，而对高频声音的吸收有所降低。 （2）材料的孔隙特征 开口孔隙越多、越细小，则吸声效果越好。 （3）材料的厚度 增加多孔材料的厚度，可提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大的效果。,40,2. 隔声性 是指材料隔绝声音的性质。 声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现。因而隔声分有隔空气声和隔固体声。,41,（1）隔空气声 透射声能E2与入射声能E0的比值称为声透射系数，该值越大则材料的隔声性越差。材料或构件的隔声能力用隔声量R来表示，定义如下： 由此可见，与声透射系数相反，隔声量R越大，材料或构件的隔声性能越好。 应选择密实、沉重的材料来隔空气声。,42,（2）隔固体声 固体声是由于振源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发声。声能的衰减极少。 对固体声，隔声最有效的措施是采用不连续的结构处理。（结构之间加弹性衬垫）,43,1.3 材料的基本力学性质,1. 强度和比强度 1）强度 材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示，亦称极限强度。 材料的强度取决于结构质点（原子、分子、离子）间的作用力大小，破坏主要是结合键的断裂或质点间的滑移。,44,工程上，材料常受到四种外力作用：,45,材料的抗拉、抗压、抗剪强度可按下式计算：,46,矩形截面条形试件的抗弯强度计算： （1）两支点间的中间作用一集中荷载时，抗弯强度的计算公式为：,47,（2）在试件两支点间的三分点处作用两个相等的集中荷载（P/2）时，抗弯强度的计算公式为：,48,影响强度的因素： 内因：组成与结构。 外因：试件形状、大小、表面状况、含水率、加荷速度。,49,2）比强度（对不同材料的强度进行比较） 比强度是按单位体积的质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其容积密度之比，即用f/0表示。 比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。,50,2. 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变性能完全消失的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形（暂时变形），属可逆变性，其数值大小与外力成正比，此时的比例系数称为材料的弹性模量。 若当外力除去后，材料仍保留一部分残余变形，且不产生裂缝的性质称为塑性。这部分残余变形称为塑性变形（永久变形），属不可逆变形。,51,a,52,3. 材料的脆性与韧性 （1）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，且抗压强度与抗拉强度的比值较大(550倍)。无机非属于此类。 （2）韧性 又称冲击韧性，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。 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、部分塑料属于此类。,53,案例分析 最大的海难泰坦尼克号的沉没,概况 1912年，当时世界上最大的客船泰坦尼克号初航，不幸撞上冰山，35cm厚船钢板在水位线处像拉链拉开一样被撕裂，海水排山倒海般涌向船内，约三小时后沉没。 分析：泰坦尼克号所使用的钢板，其抗压强度比现代钢材还要高，但是做钢材冲击韧性试验时发现，钢材断裂时吸收的冲击功很低，是韧性差的脆性材料。化学分析表明，该钢材的含硫量高，硫致使钢材的脆性增加。,54,案例分析 铸铁造桥酿成灾难,55,4. 材料的硬度和耐磨性 1）硬度 是指材料表面硬物压入或刻画的能力。按试验方法可分为压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度等。 天然矿物：常用莫氏硬度表示，是以两种矿物相互对刻的方法确定矿物的相对硬度，而非材料的绝对硬度等级。分为十级，又软到硬依次为：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。 混凝土、砂浆、烧结粘土等材料：重锤下落回弹高度 金属、木材等材料：压入法（洛氏硬度和布氏硬度）,56,2）耐磨性 是指材料表面在摩擦力、边缘剪切力和冲击力的作用下抵抗磨损的能力。通常用耐磨硬度或磨损率表示：,块体材料,散粒材料,Q材料的耐磨硬度（g/cm2）或磨损率（%） M1、M2材料耐磨性试验前后的质量（g） A试件受磨面积（cm2）,57,1.4 材料的耐久性,耐久性：是指材料在长期使用过程中，抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏的性质。 材料的耐久性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。,58,1. 耐水性 是指材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。用软化系数表示，公式为： K软=f饱/f干 软化系数值一般在01之间。K软越小，表示材料的耐水性越差。工程上，通常将K软0.85的材料称为耐水材料。,59,2. 抗渗性（不透水性） 是指材料抵抗压力水渗透的性质。可用渗透系数K或抗渗等级F表示。 （1）防渗、防水材料,60,（2）砂浆、混凝土等材料 P=10H-1 渗透系数越小或抗渗标号越大，表示材料的抗渗性越好。 材料抗渗性的好坏，与其孔隙率和孔隙特征有关。,61,3. 抗冻性 是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻容循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。多以抗冻等级F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时，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F25、表示在经受25次的冻融循环后仍可满足使用要求。,62,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P、Pk 越大，特别是Pk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Ks来表示：对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态。 （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。,63,提高材料抗冻性的方法：为提高材料的抗冻性，在生产材料时常有意引入部分封闭的孔隙，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。如半径为15的微细孔隙中，水的冰点约为-75)，即这些封闭的孔隙可起到卸压的作用。,64,4. 耐候性 暴露于大气中的材料，常经受阳光、风、雨、露、温度变化和腐蚀气体等因素的侵蚀。材料对这些自然侵蚀的耐受能力称为耐候性。,65,5. 影响材料耐久性的主要因素 （1）内部因素根本原因，主要包括材料的组成、结构与性质。 （2）外部因素包括以下几方面： 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。 物理作用 包括光、热、电、温度差、湿度差、干湿循坏、冻融循坏、溶解等。 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。 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。,66,1.5 材料的环境负荷性及其使用的健康安全性,1.5.1 概述 “绿色材料”概念的提出： 绿色土木工程材料要满足四个目标：基本目标、环保目标、健康目标和安全目标。,67,1.5.2 材料的环境负荷性及其使用的健康安全性 1）满足国家产业政策的要求 2）就地取材 （例如：水泥厂建水泥粉磨站，将熟料生产与水泥生产分开） 3）选材时考虑循环利用性能 3R 原理（Reduce、Reuse、Recycle） 4）采用废弃物生产的土木工程材料,68,作业：,见土木工程材料重点知识与题库。,