土木工程材料第一章材料的基本性质

第1章土木工程材料的基本性质第一节材料的组成、结构和构造第二节材料的基本物理性质第三节材料的基本力学性质第四节材料的耐久性第一节材料的组成、结构和构造一、材料的组成化学组成：-----是指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。-----金属材料常以各化学元素含量表示-----无机非金属材料常以各氧化物含量表示-----有机材料常以各化合物的含量表示矿物组成：矿物是指具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。它是决定无机非金属材料化学、物理、力学等性质的重要因素。材料的化学组成不同，则材料的矿物组成就不同；材料的化学组成相同，可以有不同的矿物组成。相组成：指材料中结构相近、性质相同的均匀部分。如混凝土是多相材料二、材料的结构与构造宏观结构亚微观结构（显微或细观结构）微观结构第一节材料的组成、结构和构造1、宏观结构（构造）指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。精细结构肉眼宏观结构（构造）的分类按孔隙特征分按孔径分按构成形态分宏观结构（构造）的分类按孔隙特征分按孔径分按构成形态分•致密结构•多孔结构•微孔结构宏观结构（构造）按孔隙特征分按孔径分按构成形态分•粗大孔隙结构•细小孔隙结构•极微细孔隙结构宏观结构（构造）按孔隙特征分按孔径分按构成形态分•聚集结构•纤维结构•层状结构•散粒结构2、亚微观结构（显微或细观结构）指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。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和分布。光学显微镜下的影像光学显微镜3、微观结构指通过电子显微镜、X-射线衍射仪等手段来研究的原子级或分子级结构。尺寸范围在10-7-10-10m。扫描电子显微镜下的影像扫描电子显微镜微观结构常见材料主要特征有固定的几何外形和熔点，部分晶体的硬度、强度较高微观结构晶体原子、离子或分子按一定规律排列金刚石、石英、石膏、石灰岩、钢、铁及部分有机化合物。无固定的几何外形和熔点，强度、化学稳定性、导热性较差非晶体原子、离子或分子以共价键、离子键或分子键结合，但为无序排列（短程有序，长程无序）玻璃、粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰晶体非晶体（玻璃体）胶体溶胶结构凝胶结构：干凝胶材料的构造：材料结构单元的搭配与组合第二节材料的基本物理性质一、材料的密度、表观密度、堆积密度二、密实度、孔隙率三、填充率、空隙率四、与水有关的性质一、材料的密度、表观密度、堆积密度密度表观密度堆积密度视密度一、材料的密度、表观密度、堆积密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量。（kg/m3）式中：——密度(g/cm3、kg/m3)m——材料的干质量，kg。v——材料在绝对密实状态下的体积，m3。测定方法：用李氏瓶法、排水法、几何法测体积，天平称干重。密度表观密度堆积密度视密度Vm一、材料的密度、表观密度、堆积密度//Vm块体材料包括封闭孔隙在内的单位体积的质量。式中：′——表观密度，kg/m3。m——材料的质量，kg。v′——包括封闭孔在内的体积，m3。测定：用排液法、排水法或几何法。密度表观密度堆积密度视密度Vm一、材料的密度、表观密度、堆积密度材料在自然状态下单位体积的质量。式中：。—表观密度，kg/m3。m—材料的质量，kg。V。—材料在自然状态下的体积，m3。测定：封闭开口孔隙后，用排液法或几何法测体积。密度表观密度堆积密度视密度00Vm一、材料的密度、表观密度、堆积密度0散粒材料在堆积状态下单位体积的质量。（kg/m3）式中：—堆积密度m—材料的质量，kg。—材料在堆积状态下的体积，m3。用容器法测定体积。材料的密度表观密度堆积密度视密度0V00Vm0二、密实度、孔隙率1、密实度：是指材料体积内被固体物质充实的程度。%100%10000VVD关系：D+P=1%1001%100000）（VVVP2、孔隙率：是指材料体积内孔隙体积所占的比例。孔隙特征：有开口孔与封闭孔、粗孔与细孔之分，孔隙率大小、孔隙特征与材料的强度、抗渗性、抗冻性和导热性等直接相关。材料孔隙率示意图三、填充率、空隙率1、填充率：是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗粒填充的程度。2、空隙率：是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒间的空隙体积所占的比例%1001%10000000）（VVVP′′%100%1000000VVD关系：1PD空隙率大小反映散粒材料颗粒相互填充的密实程度材料空隙率示意图四、与水有关的性质1、亲水性和憎水性2、吸水性和吸湿性3、材料的耐水性4、材料的抗渗性5、材料的抗冻性6、材料的导热性1、亲水性和憎水性a、亲水性材料90º亲水性=0º完全润湿b、憎水性材料90º憎水性=180º完全不润湿润湿角(接触角)：是气、固、液三相的交点沿液面切线与液相和固相相接触的方向所成的角。产生的原因：是由水分子和固体材料表面之间的相互作用不同引起的。a、当水分子的内聚力水分子与固体分子间的吸引力时,材料表现为亲水性。b、当水分子的内聚力水分子与固体分子间的吸引力时,材料表现为憎水性。2、吸水性和吸湿性⑴吸水性：材料与水接触吸收水分的性质。含水率：材料中含水的质量与干燥状态下质量之比。质量吸水率：材料在水中吸水达到饱和时的含水率。体积吸水率：材料吸水达到饱和时，吸入水的体积占材料自然状态下体积的百分率。吸水性大小与其内部孔隙率大小及孔隙特征有关。⑵吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。平衡含水率：材料与空气湿度达到平衡时的含水率。3、材料的耐水性是指材料长期在饱和水作用下，而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数KR表示。材料吸水饱和状态下的抗压强度f(MPa)KR=————————————————材料干燥状态下的抗压强度f0(MPa)通常，KR=0～1，当KR0.85时，为耐水性材料；受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物，则必须选用KR0.85的材料建造。4、材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质。用渗透系数表示：式中QdK—渗透系数，cm/h；A—透水面积，cm2；K=——Q—透水量，cm3；t—时间，h；AtHd—试件厚度，cm；H—静水压力水头，cm。对混凝土和砂浆，常用抗渗等级来表示：S=10H-1式中：S—抗渗等级；H—试件开始渗水时的水压力。抗渗性能与材料内部孔隙率大小及孔隙特征有关，抗渗等级愈高，抗渗性能愈好。5、材料的抗冻性指材料在水饱和状态下，能经受反复冻融循环而不破坏的性能。用冻融循环次数表示6、材料的导热性当材料两面存在温差时，热量从材料的一面通过材料传导到材料的另一面的性质。用热导率（导热系数）表示。材料的抗冻性、导热性均与材料内部结构的孔隙率大小及孔隙特征有关。第三节材料的基本力学性质一、材料的理论强度二、材料的强度三、弹性和塑性四、脆性和韧性一、材料的理论强度材料的理论抗压强度可表示为：式中：ft--理论抗压强度；E--纵向弹性模量；--单位表面能；d--原子间的距离。dEft而材料的实际强度往往远小于其理论强度，主要是由于材料内部构造的不均匀及缺陷造成的。二、材料的强度强度：指材料受外力作用下，抵抗破坏的能力。有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。比强度：单位体积质量材料所具有的强度影响因素：1、内因：指组成、结构的影响。2、外因：包括试件尺寸和形状、加荷速度、环境温湿度等因素。三、弹性和塑性1、弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。如低应力下的钢材等2、塑性：材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。四、脆性和韧性1、脆性：当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时并无明显的塑性变形的性质。如玻璃、石材等2、韧性（冲击韧性）：在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。如钢材、木材等荷载变形弹塑性材料的变形曲线脆性材料的变形曲线变形荷载AA图示第四节材料的耐久性指材料在长期使用过程中，抵抗其自身环境因素长期破坏作用，保持其原有的性能而不变质、不破坏的能力。材料的耐久性可有多项指标表示。它是一个极其复杂的问题，受物理、化学、生物等多种因素影响，同时它也是一项综合性质。思考题与作业1.当某一建筑材料的孔隙率增大时，下表内的其它性质将如何变化？（↑增大，↓下降，—不变，？不定）孔隙率密度表观密度强度吸水率抗冻性导热性↑2.烧结普通砖进行抗压试验，测得浸水饱和后的破坏荷载为185kN,干燥状态的破坏荷载为207kN（受压面积为115×120mm），问此砖的饱水抗压强度和干燥抗压强度各为多少？是否适宜用于常与水接触的工程结构物？3.某岩石的密度为2.75g/cm3，孔隙率为1.5%；今将该岩石破碎为碎石，测得碎石的堆积密度为1560kg/m3.试求此岩石的表观密度和碎石的空隙率。4.何谓材料的耐久性？工程结构设计中如何考虑？本章完谢谢使用！