第二章土木工程材料的基本性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 土木工程材料,基本性质,本章教学目标,熟悉：主要技术性质的物理意义、影响因素及,对其它性质的影响。,掌握：材料各种基本性质的概念、指标的计算。,了解：材料的各性质在工程实践中的意义,。,本章内容,第一节 材料的,组成、结构和构造,第三节 材料的力学性质,第四节 材料的耐久性,第二节 材料的基本物理性质,第一章 土木工程材料的基本性质,第一节 材料的组成、结构和构造,一、材料的组成,材料的组成是指材料的化学成分、矿物成分和相组成。它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。,第一章 土木工程材料的基本性质,（一）化学组成,：,各种土木工程材料都具有一定的化学成分。材料所含的化学成分及其含量的多少既影响材料的物理力学性质，也影响材料抵抗外界侵蚀作用的化学稳定性。例如建筑钢材主要是由,Fe,元素组成的，容易生锈如果炼钢时加入适量的,Cr,元素和,Ni,元素，就可以提高钢材的防锈能力。,其它材料如受到酸、碱、盐类物质的浸蚀作用，遇到火焰时的耐燃、耐火性能等等都属于化学作用，都是与材料的化学组成有关的。,第一章 土木工程材料的基本性质,（二）矿物组成,将材料中具有特定的晶体结构和特定物理力学性能的组织结构称为,矿物,。,矿物组成,是指构成材料的矿物种类和数量。一般具有相对固定的化学成分，矿物是组成岩石和矿石的基本单元。某些土木工程材料如天然石材、无机胶凝材料等，其矿物组成是决定其材料性质的主要因素。水泥所含的熟料矿物不同或其含量不同，则所表现出的水泥性质就各有差异。例如硅酸盐水泥中，熟科矿物硅酸三钙含量高的，其硬化速度就较快，强度也较高。,第一章 土木工程材料的基本性质,材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。土木工程材料大多数是多相固体。凡由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数可看成复合材料。混凝土材料可认为是集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料。,（三）相组成,第一章 土木工程材料的基本性质,复合材料的性质与材料的相组成和界面特性有密切关系。所谓,界面,是指多相材料中相与相之间的分界面，在实际材料中，界面是一个薄区，它的成分和结构与相内是不一样的，它们之间是不均匀的，可将其作为“,界面相,”来处理。因此，通过改变和控制材料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。,第一章 土木工程材料的基本性质,二、材料的结构,(,一,),宏观结构,指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸在,10,-3,m,级以上。,可按孔隙特征分为：,按存在状态分：,（,1,） 致密结构,（,2,） 多孔结构,（,3,） 微孔结构,（,1,） 堆聚结构,（,2,） 纤维结构,（,3,） 层状结构,第一章 土木工程材料的基本性质,(,二,),细观结构,是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸在,10,-3,10,-6,m,级。,材料的细观结构层次上的各种组织性质各不相同，这些组织的特征、数量和分布和界面性质对材料性能有重要影响。,(,三,),微观结构,微观结构是指原子和分子层次上的结构。其尺寸在,10,-6,10,-10,m,级。材料的许多物理力学性能如强度、硬度、熔点、导热和导电等性能都是由其微观结构决定的。微观结构可以分为晶体、非晶体和胶体三种。,第一章 土木工程材料的基本性质,1,、晶体结构,晶体结构是由质点,(,离子、原子或分子,),按照周期性排列而成的微观结构。晶体本身具有固定的几何外形、由于其各个方向的质点排列情况和数量不同，故晶体具有各向异性的性质。,(1),原子晶体 是由中性原子构成的晶体，其原于之间是由共价键来联系的。原子之间靠数个共同电子对来结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此种晶体的强度、硬度与熔点都是比较高的。如石英、金刚石、碳化硅等都属于原子晶体,。,第一章 土木工程材料的基本性质,(2),离子晶体 是由正、负离子所构成的晶体，因为离子是带电荷的，它们之间是靠静电吸引力,(,即库仑引力,),所形成的离子链来结合的。离子晶体一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是比较高的，但在溶液中离子晶体要离解成离子,。如,NaCl,、,KCl,、,MgCl,等。,(3),分子晶体 中性的分子由于电荷的非对称分布而产生的分子极化或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成的一种结合力，即范德华力。因为此种控力较弱，故其硬度、熔点也低。一般分子晶体大部分属于有机化合物。,第一章 土木工程材料的基本性质,(4),金属晶体 金属晶体是由金属阳离子排列成一定形式的晶格，在晶格间隙中有自由运动的电子,(,这些电子称为自由电子,),，自由电子可使金属具有良好的导热性和导电性。在金属材料中，晶粒的形状和大小也会影响材料的性质。,常采用热处理的方法使金属晶粒产生变化，以收到调节和控制金属材料机械性能,(,强度、韧性、硬度等,),的效果。,第一章 土木工程材料的基本性质,非晶体也称,玻璃体,或无定形体，如无机玻璃。非晶体的结合力为共价链与离于键。,熔融物冷却后可以生成晶体。如果冷却速度较快，将近凝固温度时尚具有很大的粘度质点来不及按一定规则排列便凝固成固体状态，此时即得到非晶体结构。非晶体结构是无定形物质，其质点的排列是没有规律的，因此它没有一定的几何外形而具有备向同性的性质。非晶体没有一定的熔点，只是出现软化现象。非晶体内质点的排列虽然不规则，实际上也是由许多极微小的晶体,微晶集合而成的，微晶与微晶之间则具有无定形结构。,2,、非晶体,第一章 土木工程材料的基本性质,非晶体是化学不稳定结构，容易与其它物质起化学作用。如火山灰质、粉煤灰、粒化高沪矿渣能与石灰在有水的条件下水化反应，而被用作土木工程材料或原料。,3,、胶体结构,胶体结构是一种细小的固体粒子,(,直径,10,-7,10,-9,m),分散在介质中所组成的结构。这是一种亚微观结构。,第一章 土木工程材料的基本性质,由于胶体粒子很微小，其总表面积很大，因而表面能很大，故吸附能力很强。这就是胶体具有很大粘结力的原因。,胶体脱水为质点凝聚而产生,凝胶,。凝胶体具有固体的性质，而在长期应力作用下却又具有粘滞性流动的性质。这是由于固体微粒为很薄的吸附薄膜所包围，这种薄膜越薄凝胶体的刚性越大，吸附膜越厚，则流动性越大。,混凝土的强度与变形等力学性能，都与水泥水化后所形成的凝胶体密切相关。天然岩石中的硅质砂岩也是由硅胶的凝胶体作用将石英砂粒胶结而成的。,第一章 土木工程材料的基本性质,材料的构造是指它的宏观的组织状态而言。例如石料中的孔隙和层理等，就是指石材的构造而言的。材料的性质除与材料的组成和结构有关外，也与材料的构造有着密切的关系。,三、材料的构造,第一章 土木工程材料的基本性质,同一种材料，构造越密实、越均匀其强度越高。如果材料内部含有孔隙则不但减少了有效的受力面积，而且受力时会在孔隙尖端出现应力集中现象，而使强度降低。例如混凝土的孔隙率每增加,1,，其强度就相应地降低,3,一,5,。层状和纤维状构造使材料具有各向异性如木材的物理、力学性质均随木纹方向而改变。疏松、多封闭孔隙的材料表观密度较小，强度较低不容易导热；开口连通的孔隙容易吸水，使侵蚀性介质浸入材料内部，故而耐冻性和耐久性都较差。,第一章 土木工程材料的基本性质,土木工程材料的构造状态常常决定其使用性能。人们常常根据对使用性能的不同要求，做成不同构造状态的材料。例如泡沫塑料相加气混凝土是很好的隔热保温材料、而要求承重的混凝土结构物或高强度混凝土则要求均匀密实。玻璃纤维与塑料复合制成的增强塑料可以大大提高材料的抗拉强度。,综上所述，了解材料的组成、结构、构造与材料性质的关系是很重要的。,第二节 材料的基本物理性质,（一）材料的密度、表观密度与堆积密度,一、材料与质量有关的基本物理性质,堆积体积,：含有孔隙和空隙的体积（,V,0,）,。,表观体积,：含有孔隙但不含空隙的体积,(V,0,),。（用排水法测得的,扣除,了材料内部开口孔隙的体积称为近视表观体积，也称,视体积,。）,密实体积,：不含有孔隙和空隙的体积,(V),。,名称,定义,表达式,单位,备注,密度,表观密度,堆积密度,（一）材料的密度、表观密度与堆积密度,一、材料与质量有关的基本物理性质,材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。,材料在自然状态下，单位体积的质量。,材料在堆积状态下，单位体积的质量。,g/cm,3,/m,3,/m,3,或,g/cm,3,请看密度试验动画,请看堆积密度试验动画,（二）密实度与孔隙率,密实度,图,1-1,材料孔隙率示意图,密实度是指材料体,积内，被固体物质,所充实的程度。,（二）密实度与孔隙率,孔隙率,图,1-1,材料孔隙率示意图,孔隙率是指材料体,积内，孔隙体积占,总体积的百分率。,（三）填充率与空隙率,填充率,图,1-2,材料空隙率示意图,填充率是指散粒材料,在其堆积体积中，被,其颗粒填充的程度 。,空隙率,图,1-2,材料空隙率示意图,空隙率是指散粒材料在,其堆积体积中，颗粒之,间的空隙体积占材料堆,积体积的百分率 。,（三）填充率与空隙率,（一）材料的亲水性与憎水性,(a),亲水性材料,(b),憎水性材料,二、材料与水有关的性质,请看亲水性与憎水性动画演示,（二）吸水性,定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。,质量吸水率,:,体积吸水率,:,影响吸水性的因素,影响吸水性的因素：,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等,。,（三）吸湿性,定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。,影响吸湿性的因素,影响吸湿性的因素：,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；,周围空气的温度和湿度,。,（四）材料的耐水性,定义：材料在长期饱和水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。,材料软化系数的要求,工程对材料软化系数的要求,对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其,K,软,0.85,；,受潮较轻的或次要结构物的材料，其,K,软,0.75,；,K,软,0.80,的材料，一般称为耐水的材料。,衡量指标：,渗透系数,k,，单位,cm/h,k,越大，材料的抗渗性越差。,(,五,),材料的抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。,Q,A,d,H,抗渗等级,Pn,抗渗等级,对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级,(P),表示：,式中,:P,t,6,个试件中,4,个未出,现渗水时的最大水压值（,MPa,）,P,设计要求的抗渗等级值。,影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征,地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。,（六）材料的抗冻性,定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。,衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级,Fn,表示，表示经过,n,次冻融循环次数后，质量损失不超过,5%,，强度损失不超过,25%,。,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水；,水冰，体积膨胀,9,，结冰压力高达,100MPa,，,结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；,裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，,饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；,反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；,严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。,三、材料的热工性质一、导热性,导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用,热导率（,）,表示。,A,t,2,t,1,Q,式中,导热系数（,W/,m.K,）,Q,传导的热量（,J,）,A,热传导面积（,m,2,）,d,材料的厚度（,m,）,t,热传导时间（,s,）,(T,2,-T,1,),材料两侧温差（,K,）,导热系数,的物理意义：,表示单位厚度的材料，当两侧温差为,1K,时，在单位时间内通过单位面积的热量。,材料的组成与结构,孔隙率及孔隙特征,含水情况,影响材料导热系数的因素有：,二、热容性,热容性,材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。其计算公式：,Q=m.C(t,1,-t,2,),式中：,Q,材料的热容量（,kJ,）,m,材料的质量（,kg,）,C,材料的比热容,kJ/,kg.K,t,1,-t,2,材料受热或冷却前后的温度差,比热容,1 kg,材料在温度改变,1K,时吸收或放出的热量。,第三节 材料的力学性质,第三节 材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,请看材料受拉破坏动画演示,第三节 材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,请看材料受压破坏动画演示,第三节 材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,请看材料受弯破坏动画演示,第三节 材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,请看材料受剪破坏动画演示,第三节 材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,强度指材料抵抗破坏的能力。,材料的抗弯强度,材料的抗压、抗拉、抗剪强度。,单位：,MPa,，,1MPa=1N/mm,2,比强度,比强度材料的强度与其表观密度的比值（,f/,o,），,它是评价材料是否轻质高强的指标。,几种材料的强度比较,材 料,表观密度,(kg/m,3,),强度,f,(,MPa,),比强度（,f/,o,）,低碳钢,7860,415,0.053,松 木,500,34.3,0.059,混凝土,2400,60,0.025,二、材料的比强度,衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其,表观密度之比，即：,三、弹性与塑性,材料在外力作用下产生变形，外力撤掉后变形能完全恢复的性质，称为弹性。,材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。,四、材料的脆性与韧性,脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。,2.,韧性在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材、纤维等。,1.,脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，,材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质,。,桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。,请看材料脆性、韧性破坏动画演示,五、硬度和耐磨性,测定方法：刻划法、回弹法、压入法。,1.,硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体,刻划、压入其表面的能力,。,五、硬度和耐磨性,请看压入法测材料硬度动画演示,五、硬度和耐磨性,2.,耐磨性材料表面抵抗磨损的能力,。,用磨损率表示。,m,1,试件磨损前的质量（,g,）；,m,2,试件磨损后的质量（,g,）；,A,试件受磨面积（,cm,2,）。,第四节 材料的耐久性,第四节 材料的耐久性,一、概念,材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的,或外来因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原,有性能不影响使用的性质。这是一个综合性指标。,化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液以及有害气体的侵蚀作用。,生物作用是指虫、菌的作用。,砖、石材、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，同时也可能受到化学破坏作用。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变坏。,二、提高耐久性的措施,减轻介质对材料的破坏作用,提高材料密实度,对材料进行憎水或防腐处理,在材料表面设置保护层,