材料的基本性质

第一章材料的基本性质北京科技大学刘娟红材料的组成、结构和构造4材料的耐久性3材料的基本力学性质21材料的基本物理性质1材料的基本性质材料的组成、结构和构造4材料的耐久性3材料的基本力学性质21材料的基本物理性质1材料的基本性质材料与水相关的性质4材料的填充率与空隙率3材料的密实度与孔隙率21材料的密度、表观密度、堆积密度1.1材料的基本物理性质材料的热工性质51.1.1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密度材料在自然状态下单位体积的质量表观密度粉状或散粒材料在自然状态下单位体积的质量堆积密度Vm00Vm00Vm材料的绝对密实体积是指材料内部没有孔隙时的体积，或不包含内部孔隙材料的表观体积是包含内部孔隙的体积材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙1.1.1材料的密度、表观密度、堆积密度材料名称密度（g/cm³）表观密度（kg/m³）堆积密度（kg/m³）钢材7.85--铝合金2.7--石灰石2.4～2.61600～24001400～1700（碎石）花岗石2.7～3.02500～2900-砂2.5～2.6-1450～1650粘土2.5～2.7-1600～1800粉煤灰1.95～2.40-550～800水泥2.8～3.1-1250～1600普通混凝土-1900～2500-空心砖2.6～2.7-1000～1400玻璃2.45～2.552450～2500-红松木1.55～1.60400～500-石油沥青0.96～1.04--泡沫塑料-20～50-333土木工程中常用材料密度1.1.2材料的密实度与孔隙率材料的体积内被固体物质填充的程度密实度材料内部孔隙的体积占其总体积的百分率孔隙率%100%10000VVD%100)1(%100000VVVP1DP孔径大小、孔隙特征对材料的性能也具有重要的影响1.1.2材料的密实度与孔隙率材料孔隙特征直接影响材料的多种性质吸水、透水、吸声强度、抗渗抗冻、耐久性1.1.3材料的填充率与空隙率在某堆积体积中，被散粒状所填充的程度填充率散粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙的体积占其总体积的百分率空隙率%100%1000000VVD%100)1(%10000000VVVP1DP粗集料空隙被细集料填充，细集料空隙被细粉填充，细粉空隙被胶凝材料填充，以达到节约胶凝材料的效果。计算配合比1.1.4材料与水相关的性质耐水性抗冻性材料与水相关的性质抗渗性吸水性与吸湿性亲水性与憎水性1.1.4材料与水相关的性质亲水性与憎水性当θ90°时为亲水性材料亲水性材料憎水性材料当θ90°时为亲水性材料θ亲水性材料憎水性材料亲水性和憎水性1.1.4材料与水相关的性质当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。亲水性和憎水性1.1.4材料与水相关的性质吸水性与吸湿性材料与水接触时吸收水分的性质吸水性质量吸水率体积吸水率%1001mmmWm%100101WVVmmWOWVmWW材料吸水会使材料的强度降低，表观密度和热导率增大，体积膨胀，往往对材料性质产生不利影响。1.1.4材料与水相关的性质吸水性与吸湿性材料吸水率的大小，主要决定于孔隙的孔隙特征吸湿性含水率材料所含水的质量占材料干燥质量的百分率%100mmmWkk1.1.4材料与水相关的性质耐水性材料在饱和水的长期作用下维持不破坏而且强度也不明显降低的性质软化系数01ffKR1.1.4材料与水相关的性质抗渗性渗透系数抗渗等级材料抵抗压力水渗透的性质AtHQdK110HP渗透系数越小，材料抗渗性也越好与材料的孔隙率、孔隙特征及亲水性、憎水性有密切关系1.1.4材料与水相关的性质抗冻性材料在吸水饱和状态下，能抵抗多次冻融循环作用而不破坏，同时强度也不严重降低的性质。抗冻等级强度损失率不超过25%且质量损失率不超过5%高抗冻性混凝土快冻法相对动弹性模量质量损失率202ffPn10000GGGWnn冻融破坏的大坝坝面使用20年的高速公路桥梁1.1.5材料的热工性质材料的热工性质导热性热阻热容量材料将热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧的能力，用导热系数表示。材料将热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧的能力，用导热系数表示。热量通过材料层时所受到的阻力)(12TTAtQR=δ/λ(m2·K/W))(21TTmQc材料的热容量对保持室内温度的稳定、减少能耗、冬季施工等有很重要的作用。1.1.4材料的热工性质材料名称导热系数W/(m·k)比热kJ/(kg·k)钢550.46普通混凝土1.800.88加气混凝土0.16-松木（横纹）0.151.63花岗石2.900.80大理石3.400.88泡沫塑料0.0351.30静止空气0.0251.00水0.604.19冰2.202.05粘土砖0.550.84常用土木工程材料的导热系数和比热材料的组成、结构和构造4材料的耐久性3材料的基本力学性质21材料的基本物理性质1材料的基本性质材料的韧性与脆性4材料的弹性与塑形3材料的硬度与耐磨性21材料的强度和比强度1.2材料的基本力学性质1.2.1材料的强度和比强度强度材料在荷载作用下抵抗破坏的能力材料内部抵抗破坏的极限应力AFf抗压、抗拉、抗剪强度抗弯强度223bhFlfm2bhFlfm两支点中心加载三分点处加载1.2.1材料的强度和比强度与其组成、构造等因素有关与其含水状态及温度有关测试条件和方法等外部因素有很大关系强度孔隙率强度1.2.1材料的强度和比强度强度材料抗压强度抗拉强度抗弯强度建筑钢材215～1500215～1500215～1500普通混凝土7.5～601～43.0～10.0烧结普通砖10～30-1.8～4.0松木（顺纹）30～5080～12060～100花岗岩100～2505～810～14常用土木工程材料的强度(MPa)1.2.1材料的强度和比强度比强度按单位体积质量计算的材料强度，其值等于材料的强度与其表观密度的比值。比强度是衡量材料轻质高强的重要指标，比强度值越大，材料轻质高强的性能越好。材料强度MPa表观密度比强度低碳钢42078500.054普通混凝土（抗压）4024000.017松木（顺纹抗拉）1005000.200玻璃钢（抗弯）45020000.2253kg/m常用结构的比强度环箍效应作用示意图（a）因环箍效应引发的试件内应力分布;（b）立方体试件破坏后形状（a）（b）1.2.1材料的强度和比强度混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验钢筋抗拉强度试验1.2.2材料的弹性与塑形弹性塑形材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全恢复的性质弹性体的变形曲线是一条闭合曲线，即弹性变形属于可逆变形E值越大，表明材料越不容易变形，即刚性好。E物体在外力作用下产生变形，当取消外力后，有一部分变形不能恢复1.2.2材料的弹性与塑形a图1-4弹性材料的变形曲线a荷载AO变形bO荷载AB变形图1-5塑性材料的变形曲线a图1-6弹塑性材料的变形曲线变形荷载Ob1.2.2材料的韧性与脆性外力作用于材料，并达到一定值时，材料并不产生明显变形即发生突然破坏的性质脆性韧性材料在冲击、振动荷载作用下能吸收大量能量并能承受较大的变形而不突然破坏的性质荷载图1-7脆性材料的变形曲线变形A材料的组成、结构和构造4材料的耐久性3材料的基本力学性质21材料的基本物理性质1材料的基本性质耐久性试验方法原理3材料的耐久性与经济21材料的耐久性与安全1.3材料的耐久性1.2.2材料的弹性与塑形材料在长期使用过程中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能不破坏的能力称为材料的耐久性。机械作用物理作用生物作用化学作用耐久性1.3.1材料的耐久性与安全北京地区的立交桥，由于冻融循环和除冰盐腐蚀破损严重。国内最早建成的北京西直门立交桥就因此被迫拆除，使用时间不到19年；北京东直门、大北窑桥等二十座立交桥已不得不提前进行大修加固。天津中环路上的众多立交桥，在运行十余年后，也因钢筋锈蚀和混凝土冻蚀陆续进行大修或部分更换。耐久性是影响结构物长期安全性的重要性质案例结论1.3.2材料的耐久性与经济材料的耐久性与结构物的使用年限直接相关，耐久性好，就可以延长结构物的使用寿命，减少维修费用，土木工程所消耗的材料数量巨大，生产这些材料不但破坏生态、污染环境、资源枯竭。我国东北寒冷地区的路面常有很严重的剥落现象。有许多大型水电站如丰满、云峰等也遭受到严重的冻融破坏，有些防波堤的混凝土块受海水侵蚀，不到几年时间就严重破坏。案例1.3.3耐久性试验方法原理材料在实际环境中的耐久性指标需要经过长期观察或测定才能获得，不可能像强度指标那样由破坏试验直接获得强度值。同时，材料耐久性包括多方面内容，是一个综合性质。耐久性包括的内容很多，许多性能指标的试验方法还不成熟，对于试验结果与实际环境中材料耐久性能之间的关系研究还不深入。材料的组成、结构和构造4材料的耐久性3材料的基本力学性质21材料的基本物理性质1材料的基本性质1.4.1材料的组成化学组成矿物组成相组成指构成材料的基本化合物或化学元素的种类和数量构成材料的矿物种类和数量将材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相决定材料性质的主要因素凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料1.4.2材料的结构致密结构多孔结构微孔结构致密结构指孔隙率很低或趋近为零、结构致密的材料多孔结构指材料内部有粗大孔隙的结构微孔结构指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构宏观结构孔隙特征1.4.2材料的结构聚集结构纤维结构散粒结构由集料与具有胶粘性或粘结性物质胶结而成的结构由纤维状物质构成的材料结构材料呈松散颗粒状结构宏观结构组织结构层状结构天然形成或人工粘结等方法将材料叠合成层状的结构大理岩的致密表面加气混凝土砌块的多孔构造竹的纤维构造胶合板的层状构造陶粒的粒状构造1.4.2材料的结构细观结构微观结构玻璃体指在光学显微镜下能观察到的结构指用电子显微镜、扫描电子显微镜或x射线来分析研究材料的原子、分子层次的结构特征。晶体胶体原子晶体离子晶体分子晶体金属晶体晶体结构与玻璃结构的差别石英晶体结构石英玻璃结构近程有序，远程无序[SiO4]4-OSi玻璃态物质的化学活性玻璃态处于介稳状态，含过剩内能，具活性，有助于化学反应。化学反应是破坏作为反应物的化学物质的化学键，重新建立新的化学键从而形成新的化学物质的过程。建筑材料中涉及到的玻璃态物质火山灰pozzolana粉煤灰flyash水淬高炉矿渣granulatedblast-furnaceslag练习1、无机非金属材料一般均属于脆性材料，最适宜承受__________力。答案静压力2、比强度是衡量材料__________的指标。答案轻质高强3、材料的强度的确定视材料的种类不同而不同，对于脆性材料常以_________作为该材料的强度；对于韧性材料而言则以__________作为该材料的强度。答案极限应力值屈服应力值4、材料在进行强度试验时，大试件较小试件的试验结果值；加荷速度快者较加荷速度慢者的试验结果值。答案小大5、弹性材料具有()的特点。A.无塑性变形B.不变形C.塑性变形小D.恒定的弹性模量6、下列性质属于力学性质的是()。A.强度B.硬度C.弹性D.脆性E.比强度答案AD答案ABCDE【例题】有一石材试样，质量为256g，把它浸水；吸水饱和排出水体积115cm3，将其取出后擦干表面，再次放入水中，排出水体积为118cm3，若试样体积无膨胀，求此石材的表观密度、近视表观密度、质量吸水率和体积吸水率。近视表观密度：g/cm3表观密度：g/cm3饱和吸水时，m水＝V水·ρW=Vk·ρW=(V0－V′)·ρW＝(118－115)×1＝3gWm＝m水/m×100%＝3/256×100%＝1.2%WV＝V水/V0×100%＝3/118×100%＝2.54%2562.23115mV002562.1