土木工程材料(材料基本性质)

土木工程材料第一章土木工程材料的基本性质本章重点及难点•材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、力学性质、耐久性等的影响思考题？1.为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学性质、耐久性）？2.建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？⑴物理性质：与质量有关的基本物理参数★与水有关的若干性质★与热有关的若干性质与声音有关的性质⑵力学性质：材料在应力作用下有关抵抗破坏和变形的能力，包括强度、比强度、弹性塑性、韧性及脆性。⑶化学性质：材料发生化学变化的能力及抵抗化学腐蚀的稳定性。⑷耐久性：材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力材料的性质分四个方面材料性质（性能）（特性）合理应用技术要求物理性质掌握目的化学性质力学性质耐久性取决于材料组成材料结构试验条件土木工程材料的基本性质检验检测常用规格材料组成化学组成矿物组成相组成材料结构宏观结构细观结构微观结构纳观结构晶体结构玻璃体结构胶体结构试验条件试件形状、尺寸试件表面状况、含水状态试验温、湿度；加荷速度1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响•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。•1.化学组成化学组成是指材料的化学元素及化合物的种类和数量。无机非金属材料的化学成分常用各氧化物的含量来反映。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关，如耐火性、力学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等。•2.物相组成物相是指具有相同物理、化学性质，以及一定化学成分和结构特征的物质。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料，土木工程材料大多数是多相固体。•3.矿物组成矿物是指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。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响•1.1.2材料的结构与构造通常，按材料的结构和构造的尺度范围，可分为微观结构、细观结构和宏观结构。•1.微观结构指可用电子显微镜或X射线来分析研究的原子或分子层次的结构。土木工程材料的使用状态一般为固体，固体的微观结构可分为晶体和非晶体两大类。•（1）晶体结构晶体是质点(原子、分子、离子)按一定规律在空间呈周期性排列所形成的结构体，晶体具有特定的几何形状、固定的熔点和化学稳定性。1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响•(2)非晶体非晶体是相对晶体而言的，又称玻璃体、无定形体。非晶体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列，而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。非晶体没有固定的熔点和几何形状，且各向同性，其强度、导电性、导热性等低于晶体。•2.细观结构细观结构（亚微观结构）是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围介于宏观和微观之间。材料的细观结构对材料的性质影响很大。通常，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，其受力越均匀、强度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料组成之间的界面粘结越好，则其强度和耐久性越好。1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响•3.宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上的材料结构。材料的宏观结构形式主要有以下几种：（1）按其孔隙特征可分为①致密结构②微孔结构③多孔结构（2）按存在状态或构造特征可分为①纤维结构②层状结构③散粒结构④堆聚结构宏观结构不同的材料具有不同的性质和用途。工程上常用改变材料的密实度、孔隙结构，应用复合材料等方法，来改善材料的性能，以满足不同的需要。1.1材料的组成、结构与构造对材料性质的影响1.2材料的基本状态参数(与质量有关的性质）1.2材料的基本状态参数1、密度ρ2、表观密度ρ03、堆积密度ρ0′4、孔隙率P5、空隙率P′材料在绝对密实状态下单位体积重量材料在自然状态下单位体积重量散粒材料在堆积状态下单位体积重量材料与质量有关的性质材料内部孔隙体积占表观体积的百分率材料之间空隙体积占堆积体积的百分率体积密度毛体积密度比重容重松散容重材料的体积组成闭口孔隙开口孔隙实体开口孔隙闭口孔隙实体V实V闭V开Vo孔隙体积V孔=V开+V闭空隙V空堆积体积Vo'=Vo+V空=V实+V开+V闭+V空表观体积Vo=V实+V孔=V实+V开+V闭Vo'V孔V空=ΣV空V0=ΣV0i)(3cmgVm)(3300mkgcmgVVVmVm或闭开实)(3300mkgcmgVVVVmVm或空闭开实1.密度2.表观密度3.堆积密度式中：V—实体体积,李氏密度瓶测V式中：V0—表观体积，表面封蜡测V0表观密度又称容重，分000Vm干干00Vm饱饱00Vm湿湿式中：V0′—堆积体积，容量筒测V0′00经比较可得：VVV00或得：干容重湿容重饱水容重某些致密材料，如卵石等，可用直接排液法，用这种方法测量的体积，由于无法排除内部封闭的孔隙，所以称这样测得的密度为近似密度(′)。工程中砂石材料，直接用排水法测定其视体积颗粒材料空隙•砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积•几种密度的比较比较项目实际密度视密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实近似绝对密实状态自然状态堆积状态材料体积VV0计算公式应用判断材料性质、配料用量计算、储运体积计算''00Vm''VmVm00VmV0V1.2材料的基本状态参数材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响：一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。•材料的孔隙对材性的影响大孔尺寸大小细孔微孔②孔隙孤立孔三大是否相互贯通特征连通孔开口孔与外界是否连通闭口孔①孔的多少：孔隙率材料的内部孔隙示意1.2材料的基本状态参数孔隙、孔隙率与孔隙(形态)特征对材性的影响粗孔与细孔——毛细孔使材料吸水率增大、耐久性降低。一般来说粗孔不易吸满水，微细孔隙吸水率非常大.开孔与闭孔——开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性更不利.或增加闭口孔隙，可提高材料保温性、耐久性.1.一般来说,(单个)孔隙尺寸增大,材料强度降低,导热系数增大2.孔隙率增大，材料表观密度减小；强度降低；导热系数减小；吸水率增大；透气、透水性变大。抗冻性是否降低，要视孔隙大小和形态特征而定3.孔隙(形态)特征4.孔隙率%1001100000孔VVVVVVVP实实5.开口孔隙率%10010O2H0VMMVVPPk干饱开开6.闭口孔隙率kBPPVVVVVVVVVPP0000开孔开孔闭闭7.空隙率%1001100000000VVVVVVVP空常用材料密度与体积密度值材料密度毛体积密度堆积密度（g/cm3)(kg/m3)(kg/m3)钢材7.857850-花岗岩2.6-2.92500-2800-石灰岩2.61800-2600-普通砼2.72000-2600-砂2.6-1450-1650水泥3.1-1200-1300粘土空心砖2.51000-1400-木材1.55400-800-思考题1.上面几种密度有何区别？如何测定？材料含水对四者有何影响？2.测知各种材料的几种密度有何用途？3.材料的孔隙、空隙、间隙的区分，孔隙率与空隙率、间隙率的区别？4.材料的密实度和填充率有何区别？密实度和孔隙率有何关系？填充率和间隙率有何关系？5.材料密度、体积密度、孔隙率之间有何关系？6.材料的堆积密度和间隙率有何关系？7.材料内部孔隙对材性的影响应从哪两方面分析？某材料干燥试样重450g，浸入水中吸水饱和后，排出水的体积为190cm3；取出后用湿布抹干再浸入水中，排出水的体积为230cm3；试样磨细后烘干再浸入水中，排出水的体积为170cm3。求该材料的密度ρ,表观密度ρ0,开口孔隙率PK,闭口孔隙率PB。练习题V实=170cm3V实+V闭=190cm3V实+V开+V闭=230cm3思路：∵0VVPk开0VVPB闭∴同理：Vm00Vm1.3材料的力学性质1.3.1强度与比强度（1）材料的强度定义材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。LLF/2F/2FFL/3FFL/3L/3(a)压力(b)拉力(c)弯曲(d)剪切材料所受外力：混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验各种强度的计算公式如下：抗压、抗拉、抗剪的强度APff––––强度，Mpa；P––––破坏时最大荷载，N；A––––受力截面面积，mm2。抗弯强度223bhPLff1）(中点集中荷载)2）2bhPLff(三分点两相等集中荷载)ff––––抗弯强度，Mpa；P––––弯曲破坏时最大荷载，N；L––––两支点的间距，mm；b––––试件横截面积宽度，mm；h––––试件横截面积高度，mm。土木工程材料常以其强度大小划分为若干等级，俗称“标号”。材料强度受以下三个因素的影响：材料内部结构和构造材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等)（2）材料的比强度定义单位体积重量的材料强度,等于材料的强度与其表观密度之比衡量材料是否轻质、高强的指标玻璃钢：0.225；低碳钢：0.054；铝合金：0.160；砼：0.0561.3.2材料的弹性与塑性弹性与塑性材料在承受外力时，如撤除外力的作用后，材料的几何形状能恢复原状，材料的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复变形，而残留一部分不能消失的变形，该残留部份称为塑性变形。•【分析与讨论】（a）弹性变形曲线（b）塑性变形曲线弹性变形与塑性变形的区别材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公式：σ＝Εεσ——应力；ε——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比；Ε——弹性模量；弹性模量E：材料刚度的度量，反映材料抵抗变形的能力，是结构设计中变形验算的主要参数之一。低碳钢：21砼：1.45~3.60花岗岩200~600（104MPa）弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。（土木工程用材料多为弹塑性材料）1.2.3材料的徐变和应力松弛当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而缓慢增加的过程，称为徐变。（属塑性变形）当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变，由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程，称为应力松弛。徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。分析徐变对结构的影响？1.3.4脆性和韧性（1）脆性材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质。具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。从应力应变图中看材料的脆性（2）韧性材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性。一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的能量作为指标。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉部位，只适用于承压构件。大多无机非金属材料为脆性材料，如：天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土、烧结普通砖等；受冲击或振动荷载下的结构，如：吊车梁、桥梁、路面等，应选用韧性材料，常用的如低碳钢、有色金属等，不应用脆性材料。【分析与讨论】对比分析韧性材料与脆性材料的差异及工程应用。1.3.5硬度和耐磨性硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力常用刻划法和压入法测定。刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示1.4材料与水有关的性质亲水性与憎水性吸水性与吸湿性耐水性与抗渗性抗冻性（概念区分、评价指标及应用分析）1.3材料与水有关的性质(a)亲水性材料(b)憎水性材料90亲水材料90憎水材料1.3.1材料的亲水性与憎水性润湿边角:在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，切线与材料和水接触面的夹角。评价指标应用分析土木工程材料多为亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等，少数材料