土木工程材料的基本性质

第1章 土木工程材料的基本性质第1节 材料的组成、结构和构造 一、 材料的组成（composition）（1）化学组成(chemical) : 指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。如水泥化学组成：（2）矿物组成(mineral) : 将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。如水泥的矿物组成：3CaO.SiO2 3760% 2CaO.SiO2 1537%3CaO.AL2O3 3715% 4CaO.AL2O3.Fe2O3 1018%（3）相组成(phase): 材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相三种形态。土木工程材料大多是多相固体材料，这种由两相或两相以上的物质组成的材料，称为复合材料。二、材料的结构（structure） 1、宏观结构（10-3mm） 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。按其孔隙特征分为： （1）致密结构：指具有无可吸水、透气的孔隙的结构。如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。 （2）多孔结构：指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。 （3）微孔结构：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、低温烧结粘土制品。按其组织构造特征分为： （1）堆聚结构：指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。 （2）纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。例如木材、玻璃钢、岩棉、GRC制品等。 （3）层状结构：指由天然形成或人工粘结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。例如胶合板、蜂窝煤、纸面石膏板、各种新型节能复合墙板等。 （4）散粒结构：指由松散粒状物质所形成的结构。例如混凝土集料、粉煤灰、细砂、膨胀珍珠岩等。2、细观结构(10-3 10-6mm 尺度) 材料的细观结构是指可用光学显微镜观察到的结构。金属材料的金相组织木材的木纤维混凝土内的微裂缝等3、微观结构（10-6 10-10mm原子、分子尺度） 微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜或X射线来进行分析研究。按微观结构，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。 （1）晶体(crystal) 原子晶体(atomic crystal) 离子晶体(ionic crystal) 分子晶体(molecular crystal) 金属晶体(metal crystal) （2）玻璃体(glass) 玻璃体亦称为无定形体或非晶体。 玻璃体是化学不稳定的结构，容易与其他物质起化学反应。 （3）胶体(gel) 溶胶结构 凝胶结构 溶胶-凝胶结构三、材料的构造（constitution）材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的搭配与组合关系。 例如：木材的木纤维管胞按不同形态和方式搭配和组合，形成不同种类的木材，决定了各种木材具有不同的物理力学性质；具有特定构造的节能墙板，因其是由不同性质的材料经一定组合搭配而成的复合材料，故具有良好的隔热保温、隔声、防火抗震、坚固耐久等功能和性质。思考题（1）材料的组成、结构、构造和材料性能之间的关系。（2）材料组成与性能的关系 材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变 材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变 第2节 材料的基本物理性质 一、材料的密度、表观密度与堆积密度1、密度(density)：是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中 密度，g/cm3; m材料的质量，g； V材料在绝对密实状态下的体积，cm3。注：（1）绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。 （2）近似密度（ ）：指在密度测定时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，所求得的密度。 2、表观密度(apparent density)：是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中 表观密度，g/cm3或kg/m3； m材料的质量，g或kg； V0材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3。注：（1）材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。 （2）一般情况下，表观密度是指气干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。 3、堆积密度（散粒体）(bulk density) (for particles)：是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中 堆积密度， kg/m3； m材料的质量，kg； V0材料的堆积体积，m3。材料的堆积体积是包含颗粒之间空隙的体积。密度、表观密度和堆积密度的关系 问题：对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 答：密度表观密度堆积密度 为什么？ 答： 自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积； 堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。 常用的土木工程材料的有关数据见表1-1.材料 密度(g/cm3) 表观密度(kg/m3) 堆积密度(kg/m3) 石灰岩 2.60 18002600 花岗岩 2.8 25002900 碎石（石灰岩） 2.60 1 4001700 砂 2.60 1 4501650 普通粘土砖 2.50 16001800 空心粘土砖 2.50 10001400 水泥 3.20 12001300 普通混凝土 21002600 轻集料混凝土 8001900 木材 1.55 400800 钢材 7.85 7850 泡沫塑料 2050 2、材料的密实度与孔隙率 (1)密实度(Solidity)：是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下式计算： 或 (2)孔隙率(porosity)：是指材料的体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：即 D+P=1 或 密实度+孔隙率=1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。 3、材料的填充率与空隙率（散粒体） (1)填充率(filling ratio)：是指在某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度。按下式计算： 或 (2)空隙率(voids ratio, void content, void volume)：是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算： 即 D+P=1 或 填充率+空隙率=1 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的程度。