01 土木工程材料的基本性质

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

01土木工程材料的基本性质土木工程结构:荷载并经受周围介质的作用。-静荷载,动荷载-温度,湿度,酸碱介质,海水,地下水土木工程材料的基本性质-物理性质;-力学性质-耐久性质1.1材料的组成与结构1.1.1材料的组成-材料的组成不仅影响材料的化学性质,也是决定材料物理、力学性质的重要因素。-材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。(1)化学组成(chemicalcomposition)-指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。-当与外界自然环境以及各类物质相接触时,要按化学变化规律发生作用。-根据化学组成可大致地判断出材料的一些性质,如耐久性、化学稳定性等。(2)矿物组成(mineralcomposition)-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。-矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。-水泥因所含有的熟料矿物的不同或其含量的不同,则所表现出的水泥性质就各有差异。例如水泥熟料的矿物组成为:硅酸三钙(3CaO.SiO2)37~60%、硅酸二钙(2CaO.SiO2)15~37%、铝酸三钙(3CaO.AL2O3)7~15%、铁铝酸四钙(4CaO.AL2O3.Fe2O3)10~18%,若其中硅酸三钙含量提高,则水泥硬化速度较快,强度较高。(3)相组成(phasecomposition)-材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。-自然界物质可分为气相、液相、和固相。-同种物质在温度、压力等条件发生变化时常常会转变其存在的状态,如由气相转变为液相或固相。-土木工程材料大多数是多相固体。-凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。例如,混凝土可认为是集料颗粒(集料相)分散在水泥浆基体(基相)中所组成的两相复合材料。1.1.2材料的结构-材料的结构是决定材料性质的极其重要因素。-分为:宏观结构、细观结构和微观结构。(1)宏观结构(macrostructure)-土木工程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。其尺寸在10-3m级以上。-按其孔隙特征可分为:1)致密结构:可以看作无宏观层次的孔隙存在,如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。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:是指具有微细孔隙的结构,如石膏制品、烧粘土制品等。-按存在状态或构造特征分为:1)堆聚结构:由集料与胶凝材料胶结成的结构。如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。2)纤维结构:由纤维状物质构成的材料结构。如木材、玻璃钢、岩棉、钢(玻璃)纤维增强水泥混凝土与制品等。3)层状结构:天然形成或人工采用粘结等方法将材料迭合而成层状的材料结构。如胶合板、纸面石膏板、蜂窝夹芯板、各种新型节能复合墙板等。4)散粒结构:如指松散颗粒状结构。如混凝土集料、膨胀珍珠岩等。(2)细观结构(submicroscopicalstructure)细观结构(原称亚微观结构)是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。-土木工程材料的细观结构。只能针对某种具体材料来进行分类研究。-混凝土可分为基相、集料相、界面;-天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织;-钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体;-木材可分为木纤维、导管髓线、树脂道;-材料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、分布和界面性质对材料性能有重要影响。(3)微观结构(microstructure)微观结构是指原子分子层次的结构。-可用电子显微镜或X射线来分析研究该层次上的结构特征。-微观结构的尺寸范围在10-6~10-10m。-材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导电性都是由其微观结构所决定的。在微观结构层次上,材料可分为晶体、玻璃体、胶体。1)晶体(crystal)-质点(离子、原子、分子)在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构称晶体结构。晶体具有如下特点:-特定的几何外形,这是晶体内部质点按特定规则排列的外部表现。-各向异性,这是晶体的结构特征在性能上反映。-固定的熔点和化学稳定性,这是晶体键能和质点所处最低的能量状态所决定的。-结晶接触点和晶面是晶体破坏或变形的薄弱部分。根据组成晶体的质点及化学键的不同,晶体可分为:-原子晶体:中性原子以共价键而结合成的晶体,如石英等。-离子晶体:正负离子以离子键而结合成的晶体,如CaCl2等,-分子晶体:以分子间的范围德华力即分子键结合而成的晶体,如有机化合物。-金属晶体:以金属阳离子为晶格,由自由电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体,如钢铁材料。材料在微观结构上的差异,强度、变形、硬度、熔点、导热性等各不相同。可见微观结构对其物理力学性质影响巨大。土木工程材料中占有重要地位的硅酸盐,其结构是由硅氧四面体单元SiO4(图1-1)与其它金属离子结合而成,其中就是由共价键与离子键交互构成的。图1.1硅氧四面体示意图SiO4四面体可以形成链状结构,如石棉。其纤维与纤维之间的键合力要比链状结构方向上的共价键弱得多。所以容易分散成纤维状。粘土、云母、滑石等则是由SiO4四面体单元互相连结成片状结构,许多片状结构再迭合成层状结构。层与层之间是由范德华力结合的,故其键合力弱,此种结构容易剥成薄片。石英是由SiO4四面体形成的立体网状结构,所以具有坚硬的质地。2)玻璃体(vitreousbody)玻璃体也称无定形体或非晶体。玻璃体的结合键为共价键与离子键。其结构特征为构成玻璃体的质点在空间上呈非周期性排列。如图1-2所示。具有一定化学成分的熔融物质,若经急冷,则质点来不及按一定规则排列,便凝固成固体,此时则得玻璃体结构。玻璃体是化学不稳定的结构,容易与其它物质起化学作用。如火山灰、炉渣、粒化高炉矿渣与石灰在有水的条件下起硬化作用,而被利用作土木工程材料。玻璃体在烧土制品或某些天然岩石中起着胶粘剂的作用。图1.2晶体与非晶体原子排列示意图3)胶体(colloid)粒径为10-7~10-9m的固体颗粒作为分散相,称为胶粒,分散在连续相介质中形成的分散体系被称为胶体。溶胶结构--胶体结构中胶粒较少,液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响较大。凝胶结构--若胶粒数量较多,胶粒在表面能的作用下发生凝聚作用,或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相联,形成空间网络结构,从而使胶体结构的强度增大,变形性减小,形成固态或半固状态。与晶体及玻璃体结构相比,胶体结构强度较低、变形较大。1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度(1)密度(density)密度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:ρ-密度(g/cm³)m-材料在干燥状态下的质量(g)v-材料在绝对密实状态下的体积(cm³)vm密度测量仪器绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数材料外,绝大多数材料都有一些孔隙。在测定有孔隙材料的密度时,应把材料磨成细粉,干燥后,用李氏瓶测定其密实体积。材料磨得越细,测得的密度就越精确。砖、石材等块材料的密度即用此法测得。李氏瓶在测量某些致密材料(如卵石等)的密度时,直接以块状材料为试样,以排液置换法测量其体积,材料中部分与外部不连通的封闭孔隙无法排除,这时所求得的密度称为近似密度。混凝土配合比中,砂、石用量计算时往往需要知道的是砂、石的近似密度。(2)表观密度(apparentdensity)表观密度是指材料在自然状态下,单位体积的质量,按下式计算:式中:ρ0-表观密度m-干燥材料的质量v0-材料自然状态下的体积材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料孔隙内有水分时,其重量和体积均将有所变化,故测定表观密度时,须注明其含水情况。一般是指材料在气干状态(长期在空气中干燥)下的表观密度。在烘干状态下的表观密度,称为干表观密度。(3)堆积密度(bulkdensity)堆积密度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:'0'0vm式中:ρo´-堆积密度(松散密度)(Kg/m³)m-干燥质量(Kg)vo´-材料的堆积体积(m³)测定散粒材料的堆积密度时,材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量,其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此,材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙体积。1.2.2材料的密实度与孔隙率(1)密实度(densecondition)密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度;(2)孔隙率(porosity)孔隙率是指材料体积内,孔隙体积所占的比例。密实度(densecondition)定义:材料体积中固体物质充实的程度。公式:%100(%)/00VVD孔隙率定义:材料体积中孔隙体积所占的比例。公式:%100)1(%100)1(00VVP②孔隙分类(1)连通孔和封闭孔(2)按孔隙尺寸大小可分为粗孔、细孔和微孔。孔隙及其对材料性能的影响①孔隙率与密实度的关系:P+D=1材料的总体积是由固体物质及材料内部的空隙组成的。封闭孔连通孔材料的孔隙示意图孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材料内部孔隙的构造,可分为连通的与封闭的两种,如图所示,连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通。而封闭孔隙则不仅彼此不连通且与外界相隔绝。散粒材料孔隙构造示意图孔隙对材料性能的影响孔隙率与强度的关系见右图:随着孔隙率增大,表观密度提高,吸水率降低,强度和耐久性提高。吸水率强度耐久性表观密度孔隙率孔隙对材料性能的影响(1)填充率(fillratio)填充率是指散粒材料在某堆积体积中,被其颗填充的程度。(2)空隙率(voidratio)空隙率是指散粒材料在某堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。1.2.3材料的填充率与空隙率空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。空隙率1.2.4材料的亲水性和憎水性(hydrophilicandhydrophobicnature)材料与水接触,首先遇到的问题就是材料是否能被水润湿。润湿是水被材料表面吸附的过程。它和材料本身的性质有关。当水与材料在空气中接触时,将出现几种情况,在材料、水和空气的交界处,沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角(润湿边角)愈小,浸润性愈好。材料润湿角(θ)示意图θ90o90°≤θ≤180°亲水性和憎水性如果润湿边角θ为零,则表示该材料完全被水所浸润;当润湿边角θ≤90°时,如图所示,水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力,此种材料称为亲水性材料;当>90°时。如图所示,水分子之间的内聚力大于水分了与材料分子间的吸引力,则材料表面不会被浸润,此种材料称为憎水性材料。这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情况,相应地称为亲液性材料或憎液性材料。1.2.5材料的吸水性与吸湿性(1)吸水性(waterabsorption)材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。吸水率再以下两种表示方法:1)质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时,内部所吸不分的重量占材料干重的百分率。2)体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时,其内部所吸水分的体积占干燥材料在自然状态下的体积的百分率。质量吸水率体积吸水率m1-材料在吸水饱和状态下的质量(g)m2-材料在干燥状态下的质量(g)V-材料在自然状态下的体积(cm3)221Wmmmmvmm21Wv材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的。故开口孔隙率愈大,则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率,即为材料的开口孔隙率。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙,孔隙率愈大,则吸水率愈大,闭口孔隙水分不能进去,而开口大孔虽然水分易进入,但不能存留,只能润湿孔壁,所以吸水率仍然较小。花岗岩的吸水率只有0.5%~0.7%,混凝土的吸水率为2%~3%,粘土砖的吸水率达8%~20%,而木材的吸水率可超过100%。(2)吸湿性(moistureabs

1 / 68
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功