1土木工程材料基本性质-土木工程材料

第1章土木工程材料基本性质南华大学杨建明教授05:15:232.1材料的组成、结构构造与性质•工程上把能用于结构、机器、器件或其他产品的具有某些性能的物质，称为材料。如金属、陶瓷、超导体、塑料、玻璃等。05:15:23•一、材料的组成•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，指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。•2、矿物组成，具有特定的晶体结构，具有特定的物理力学性质的组织结构的物质称为矿物。矿物组成是构成材料的矿物种类和数量。•3、相组成，固、液、气。05:15:23•二、材料的结构•材料结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构•1、宏观结构•指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。•按其孔隙特征可分为：•（1）致密结构金属材料、石材、玻璃、塑料、橡胶05:15:23•（2）多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料•（3）微孔结构石膏、低温烧结粘土•按其组织特征可分：•（1）堆聚结构如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料•（2）纤维结构木材、玻璃钢、岩棉•（3）层状结构胶合板、蜂窝板、纸面石膏板•（4）散粒结构砂石、粉煤灰、细砂05:15:23•2、细观结构•光学显微镜观察到的结构•只能针对具体材料分•如钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体碳溶于α—Fe晶格中的固溶体，铁素体晶格原子间的间隙较小，其溶碳能力较低，室温下仅能溶入小于0.005%的碳。由于溶碳少而且晶格中滑移而较多，故其强度低，塑性较好。铁与碳的化合物，分子式Fe2C,含碳量为6.67%，其晶体结构复杂，性质硬脆，是钢中的主要强化组分。铁素体和渗碳体相间形成的机械混合物。05:15:23•3、微观结构•指原子、分子层结构•电子显微镜或X射线来分析•按微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体•（1）晶体，原子晶体（金刚石、石英）、离子晶体（氯化钠、石膏、石灰岩）、分子晶体（蜡、斜方硫）、金属晶体（铁、钢、铜、铝及合金）•（2）玻璃体--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。化学活性较高，如火山灰、炉渣、粒化高炉矿渣•能与石灰或水泥在有水条件下起水化、硬化作用。05:15:23•（3）胶体•10-7~10-10m固体颗粒。通常分为溶胶结构、凝胶结构、溶胶－凝胶结构•材料的构造•材料的构造是指特定性质的材料结构单元相互搭配情况。05:15:23•三、材料内部孔隙与性质•1、内部孔隙来源与产生•2、孔隙分类•闭口孔隙、开口孔隙•孔隙、裂隙和溶隙•3、孔隙对材料性质的影响05:15:232.2材料的物理性质•一、材料的体积组成•开口孔、闭口孔•块状材料：•（1）材料绝对密实体积V；•（2）材料孔体积VP（开口VK、闭口VB）；•（3）材料自然状态下体积V0。BKPPVVVVVV005:15:23•散粒材料：•颗粒间体积VjjPjVVVVVV0005:15:23•二、材料的密度、表观密度与堆积密度•密度是指物质单位体积的质量，单位为g/cm3或kg/m3。•1、密度•真实密度是指材料在规定条件（105℃±5℃烘干至恒重，温度20℃）绝对密实状态下（绝对密度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体积的具有的质量。Vm05:15:23•2、表观密度•表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。•气干表观密度，烘干状态下称干表观密度。•3、堆积密度•堆积密度是指粉状、粒状或纤维在自然堆积状态下单位体积（包括了颗粒的孔隙及颗粒之间的空隙）所具有的质量。00Vm00Vm05:15:23•三、材料的密实度与孔隙度•1、密实度•密实度是指材料体积被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积Vs占总体积的比例。•2、孔隙率•孔隙率是指材料孔隙体积（包括不吸水的闭口孔隙，能吸水的开口孔隙）与总体积之比。%100%10000VVD1%100)1(%100000DPVVVP05:15:23•四、材料填充率与空隙率•1、填充率•填充率是指某堆积体积中，被散粒材料颗粒所填充的程度。•2、空隙率•空隙率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%100%1000000VVD1%100)1(%10000000DPVVVP05:15:23•五、材料与水有关的性质•1、亲水性与憎水性•润湿角θ≤90°的材料为亲水性材料。反之θ90°表明该材料为憎水性材料。图2-1材料润湿示意图(a)亲水性材料；(b)憎水性材料05:15:23•2、吸水性•材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。用吸水率表示。•质量吸水率••体积吸水率••如花岗岩等致密岩石的吸水率仅为0.5%~0.7%,普通混凝土吸水率为2%~3%，粘土砖的吸水率为8%~20%，而木材或其他轻质材料吸水率常大于100%。%100ggbmmmmW%10010wgbvVmmW05:15:23•3、吸湿性•材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。用含水率表示。•吸湿作用一般是可逆的，也就是说材料既可吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。•材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。%100ggshmmmW05:15:23•4、耐水性•材料抵抗水的破坏作用的能力称为材料耐水性。•材料耐水性应包括水对材料的力学性质、光学性质、装饰性质等方面的性质的劣化作用。•用软化系数表示。•强度降低的原因：①水分进入材料，材料表面张力作用，产生劈裂破坏作用；•②吸水膨胀，材料开裂破坏；•③物质发生溶解。•对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.85。gbRffK05:15:23•5、抗渗性•材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，可用渗透系数KS表示。•抗渗等级常用Pn表示，P6表示材料最大能承受0.6Mpa水压力而不渗水。•6、抗冻性•材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。通常采用-15℃的温度到20℃水中融化。常用Fn表示。05:15:23)(12TTAtQ•五、材料的热工性质•常用热工性质有导热性、热容量、比热容。•1、导热性•材料传导热量的能力称为导热性。用热导率（λ）表示。热导率在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对表面的温度差为1K时，其单位面积（1m2）单位时间（1s）所通过的热量05:15:23•2、比热容和热容量•材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容量。热容量的大小用比热容（简称比热）表示。比热容表示1g材料升高1K时所吸收的热量，或降低1K时放出的热量。)()(1212TTmQcTTcmQ05:15:23•3、耐火性•指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定，而不损坏的性能。•用耐火度表示。•1）耐火材料•1580℃，耐火砖•2）难熔材料•1350℃~1580℃•3）易熔材料•1350℃，粘土砖、玻璃05:15:23•4、耐燃性•1）不燃材料•2）难燃材料•3）易燃材料•5、温度变形•线膨胀系数05:15:232.3建筑材料的力学性质•一、材料受力状态•压力、拉力、弯曲（折）、剪切•二、材料的强度•1、强度•材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。•抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度05:15:23•2、比强度•指单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值（f/ρ0）•3、材料的弹性与塑性•1）弹性与弹性变形•弹性模量05:15:23•2）塑性与塑性变形•图2-2弹塑性材料变形曲线05:15:23•4、材料的脆性和韧性•在外力作用下，当外力达到一定限度后材料突然破坏，无明显的塑性变形的性质称为脆性。•在冲击、震动荷载作用下，材料能承受较大的变形且不致被破坏的性能称为韧性。用aK表示，冲击韧性值，即材料受冲击时单位断面所吸收能量来衡量。05:15:23•5、材料的硬度与耐磨性•1）硬度•是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。•按刻划法：1、滑石；2、石膏；3、方解石；4、萤石；5、磷灰石；6、正长石；7、石英；8、黄玉；9、刚玉；10、金刚石。•布氏硬度（钢球压入法）HB05:15:23•2）耐磨性•是材料具有的抵抗磨损的能力，常用磨损率（G）表示。AmmG2105:15:232.4建筑材料的耐久性•材料在使用过程中能抵抗周围各种介质侵蚀而不破坏，且不易失去原有性能的性质称为耐久性。•如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性。•1、环境对材料的作用•（1）物理作用05:15:23•（2）化学作用•（3）机械作用•（4）生物作用•2、材料耐久性的测定