建筑与土木工程领域

土木工程材料基本性质材料的组成、结构与性质材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性材料的装饰性机械作用（外力、自重力等）周围各种介质作用（水、蒸汽、腐蚀性气体和液体等）物理作用（声、光、电、热、磁等）第一节材料组成、结构与性质一、材料的组成化学组成化学组成即化学成分（决定性质的主要因素）。无机非金属材料以各氧化物的含量来表示；金属材料以各化学元素的含量表示；有机材料用各化合物的含量来表示。矿物组成矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物(决定材料的主要性质)。化学组成和矿物组成的关系1、材料的化学组成不同，则矿物组成不同；2、材料的化学组成相同，可以有不同的矿物组成(即微观结构不同)，且材料的性质也不同。例如：石墨和金刚石。材料的组成、结构与性质二、材料的结构微观结构指物质的原子、分子层次的结构(Ǻ)，主要借助于电子显微镜、X-射线衍射仪等研究。主要决定材料的强度、硬度、熔点等。1、晶体是质点(原子或分子、离子)按一定规律在空间重复排列的固体，具有特定几何外形和固定熔点。晶体分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体晶体特性：(1)各向异性：因观察方向不同而表现出的差异；(2)最小内能：内部质点规则排列，质点间的引力和斥力达平衡；(3)最稳定性：化学成分相同而处于不同状态下的物质，以晶体最稳定。材料的组成、结构与性质2、非晶体(又称玻璃体或无定形体)是熔融物在急速冷却时，质点来不及按规律排列所形成的内部质点无序排列(短程有序，长程无序)的固体或固态液体。非晶体特性：(1)各向同性，无固定熔点和几何形状；(2)不稳定：内部存在大量的化学能。材料的组成、结构与性质微观结构形式及其主要特性微观结构常见材料主要特性晶体原子离子分子有规律排列原子晶体(以共价键结合)金刚石、石英、刚玉强度、硬度、熔点高，密度小离子晶体(以离子键结合)氯化钠、石膏、石灰岩强度、硬度、熔点较高，但波动较大。分子晶体(以分子键结合)石蜡及部分有机化合物强度、硬度、熔点较低。大部分可溶，密度小金属晶体(以金属键结合)铁、钢、铝及其合金强度、硬度变化大，密度大非晶体质点无规律排列玻璃、火山灰、粉煤灰与同组成晶体相比强度、硬度密度化学稳定性、导热性、导电性差，各向同性材料的组成、结构与性质3.胶体以极小质点（10-7~10-9m）作分散相，分散于连续介质（气、水或溶剂）中形成的体系（与晶体和非晶体结构的材料相比）具有胶体结构的物质或材料-强度低、变形大溶胶结构凝胶结构-具有触变性溶胶-凝胶结构亚微观结构(显微或细观结构)由光学显微镜所看到的组织结构(μm)。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。材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。宏观结构(构造)用肉眼或放大镜即可分辨的组织结构(mm)。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。如岩石的层理，混凝土中的砂石的多少与分布等。材料的组成、结构与性质材料的宏观结构及其相应的主要性质材料的宏观结构常用材料主要特性单一材料致密结构钢材、玻璃、沥青、部分塑料高强，或不透水、耐腐蚀多孔结构泡沫塑料、泡沫玻璃轻质、保温、低强度纤维结构木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维高抗拉、且大多数轻质、保温、吸声聚集结构陶瓷、砖、某些天然石材强度较高复合材料粒状聚集结构各种混凝土、钢筋混凝土综合性能好、价格低纤维聚集结构岩棉板、纤维板、纤维增强塑料轻质、保温，或高抗拉多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土轻质保温叠合结构纸面石膏板、胶合板、各种加芯板综合性能好材料的组成、结构与性质材料组成、结构和性能的关系1、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；2、材料的宏观结构相同或相似，即使材料的组成或微观结构不同，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。材料的组成、结构与性质三、结构中的孔隙与材料性质的关系大多数土木工程材料在宏观层次上或亚微观层次上均含有一定大小和数量的孔隙，甚至是相当大的孔洞，这些孔隙几乎对材料的所有性质都有相当大的影响。(一)孔隙的分类按孔隙大小微细孔、细小孔（毛细孔）、较粗大孔、粗大孔（孔径小于20nm的微孔，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔隙）按孔隙形状球形、片状(即裂纹)、管状、墨水瓶状、带尖角的孔隙按常压下水能否进入孔隙开口孔隙(或称连通孔隙)、闭口孔隙(或封闭孔隙)。材料的组成、结构与性质(二)孔隙形成水分子的占据作用土木工程材料加水拌和,用水量通常超过理论上的用水量,多余的水分占据的空间即为孔隙。外加的发泡作用如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。火山爆发作用火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙。焙烧作用材料中掺入的可燃材料在高温下燃烧掉而形成孔隙；由于某些成分的作用产生气体而形成孔隙材料的组成、结构与性质(三)孔隙对材料性质的影响一般情况下：材料的组成、结构与性质材料性质的变化与孔结构密切相关！体积密度、堆积密度、强度、耐磨性、抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性、耐久性保温性、吸声性、吸水性、吸湿性孔隙率第二节基本物理性质一、材料与结构状态有关的基本参数（一）不同结构状态下的密度1．密度（绝对密度、真实密度）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（g/cm3）2．表观密度（视密度）材料在密实状态下（不含开口孔隙时），单位体积的质量（g/cm3）VmaacpmmVVV材料的基本物理性质3．体积密度材料在自然状态下，单位体积的质量（kg/m3）*描述材料体积密度时，须注明其含水情况：绝干（烘干）、风干（气干）、吸水饱和、润湿4．堆积密度散粒材料或粉末状材料在堆积状态下，单位体积的质量（kg/m3）00'''0''wwppvmmVVV材料的基本物理性质1．孔隙率（P）与密实度（D）◆孔隙率（P）材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率一般情况下，孔隙率指的是总孔隙率，其包括开口孔隙率（Pa）与闭口孔隙率（Pc）◆密实度材料(自然状态)体积内固体物质的充实程度100%100%(1)100%apoodooVVVPVV%100%100odoVVD材料的基本物理性质（二）孔隙率与空隙率100%100%opswaooVVPVV100%100%cpapopcaooVVVPPPVVacPPP◆空隙率（P´）散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙的体积Vv，占堆积体积V´0的百分率◆填充率（D´）散粒材料自然体积之和占其自然堆积体积的百分比'100%100%(1)100%popdvppodVVVPVV'100%100%pdopodVDV2.空隙率与填充率（一）亲水性与憎水性当材料与水接触时，（如果材料与空气接触面上的表面能大于材料与水接触面上的表面能，与水接触后，其表面能降低，）水可以在材料表面上铺展开，亦即材料表面可以被水所润湿或浸润。此种性质称为材料的亲水性，具备这种性质的材料称为亲水性材料。若水不能在材料的表面上铺展开，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此种材料称为憎水性材料。材料的亲水性与憎水性可用其润湿角θ衡量：θθ材料的基本物理性质二、材料与水有关的性质若θ≤900，材料表现为亲水性；若：θ900，材料表现为憎水性1．吸水性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）表示。'100%100%swswmmmmwmm0'1100%100%swswdvmoowwVmmmwwVmV%100mmwwm2．吸湿性材料在空气中吸收水蒸气的性质用含水率表示材料的基本物理性质（二）吸水性与吸湿性材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力对于结构材料，耐水性主要指强度变化；对装饰材料则主要指颜色的变化、是否起泡、起层等结构材料的耐水性用软化系数（Kp）表示swdwfKf材料的基本物理性质Kw≥0.85时称为耐水性材料经常受到潮湿或水作用的结构，须选用Kw≥0.75的材料，重要结构须选用Kw≥0.85的材料（三）耐水性（四）抗渗性材料抵抗压力水（或其它液体）渗透的性质用渗透系数（Kp）或抗渗等级（Pn）等表示（五）抗冻性材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质的能力（对结构材料主要指保持强度的能力）多以抗冻等级（Fn）表示材料孔隙率及孔隙状态孔隙充水程度材料本身强度影响材料抗冻性主要因素材料的基本物理性质swopvasapapVVwPKVVPP（六）干缩与湿胀干缩含孔材料干燥时产生的收缩（大孔失水不会引起收缩，毛细孔失水会产生收缩）湿胀含孔材料吸湿时产生的膨胀材料中的毛细孔越多干缩湿胀越明显产生裂纹干湿交替作用2LVPr（一）导热性材料传导热量的性质。以导热系数（λ）表示影响材料导热系数的因素组成与结构通常金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。孔隙率孔隙率P越大，即材料越轻(越小)，导热系数越小。细小孔隙、闭口孔隙比粗大孔隙、开口孔隙对降低导热系数更为有利。含水率材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。因为水和冰的导热系数分别是空气的20倍和80倍。环境温度温度越高，材料的导热系数越大(金属材料除外)材料的基本物理性质三、材料与热有关的性质（二）传热系数（K）与热阻（R）墙体或其它围护结构的传热能力常用传热系数表示热阻：（三）热容量（c.m）材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质（四）热震稳定性（耐急冷急热性）材料抵抗急冷急热交替作用，保持其原有性质的能力dK1RK材料的基本物理性质耐火性：材料抵抗高热或火的作用，保持其原有性质的能力易燃性材料(B3级)不燃性材料(A级)难燃性材料(B1级)可燃性材料(B2级)材料按其燃烧性质分材料的基本物理性质（五）耐热性、耐燃性与耐火性耐热性：材料在高温环境下，保持其原有性质的能力耐燃性：材料抵抗燃烧的性质（影响建筑物防火和耐火等级的重要因素）四、材料与声有关的性质物体振动声波吸声性隔声性听到的声音穿透E材料oE反射E集中反射漫反射材料的基本物理性质吸收E声能穿透材料和被材料消耗的性质用吸声系数（α）表示孔隙率或体积密度孔隙特征厚度（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）（开口孔隙越多、越细小，则吸声效果越好）（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）oEEE影响吸声效果的主要因素材料的基本物理性质（一）吸声性（二）隔声性声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现隔声分有:隔空气声和隔固体声1．隔空气声材料或构件的隔声能力用声透射系数（τ）或隔声量（Rs）表示声透射系数：隔声量：Rs=10lg对于均质材料，隔声量符合“质量定律”，即材料单位面积的质量越大或材料的体积密度越大，隔声效果越好oEE1材料的基本物理性质轻质材料的质量较小，隔声性较密实材料差。提高隔声性可在构造上采取措施：将密实材料用多孔弹性材料分隔，做成夹层结构对多层材料，应使各层厚度相同质量不同，防止引起结构谐振将空气层增加到7.5cm以上,并在空气层中填充松软的吸声材料密封门窗等结构缝隙材料的基本物理性质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固体声在传播过程中，声能的衰减极少在固体材料表面设置弹性层在构件面层与结构层间设置弹性垫层在楼板下做吊顶处理材料的基本物理性质第三节基本力学性质一、材料的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。(一)材料基本受力形式－拉、压、弯、剪材料的基本力学性质内因：组成与结构外因：试件形状、大小、表面状况、含