土木工程材料基本性质(2).ppt

第1章 土木工程材料基本性质,本章学习指导,本章有4个知识点。本章的学习目标是： 了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。 掌握土木工程材料的基本物理性质。 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。 本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系及其在工程实践中的意义。建议本章课内外学时数各为3学时。,历史回顾,因地制宜用材的万里长城,万里长城飞越崇山峻岭，是我国古代劳动人民的杰作，也是建筑史上的丰碑。万里长城选用材料因地制宜，堪称典范。 居庸关、八达岭一段，采用砖石结构。墙身用条石砌筑，中间填充碎石黄土，顶部再用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚固耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土磊筑长城，将泥土夯打结实，并以锥刺夯打土检查是否合格。在西北玉门关一带，既无石料又无黄土，以当地芦苇或柳条与砂石间隔铺筑，共铺20层。 万里长城因地制宜使用建筑材料，展现了我国劳动人民的勤劳、智慧和创造力。,基础知识,1.1 材料的物理性质,1.1.1 密度、表观密度、体积密度和堆积密度,1.1.2 材料的孔隙率和空隙率,1.1.3 与水有关的性质,1.1.4 热工性质,1固体；2闭口孔隙； 3开口孔隙,1.1.1 密度、表观密度、体积密度和堆积密度,密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。 体积密度是指材料在自然状态下，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。 堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。,1.1.2 材料的孔隙率和空隙率,孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。 空隙率则是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积(开口孔隙与间隙之和)占堆积体积的百分率。材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材料的性质有重要影响，见右图。,1.1.3 与水有关的性质,1亲水性与憎水性 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。 2材料的吸水性与吸湿性 材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。 3. 耐水性 耐水性指材料长期在水的作用下，抵抗其破坏的能力。 4. 抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质。 5. 抗冻性 材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。,亲水性和憎水性,1.1.4 热工性质,1热容量和比热 材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。材料比热容的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。 2导热性 当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。 3. 耐燃性 材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性。建筑材料分为三类：（1）非燃烧材料，如钢铁、石等；（2）难燃材料，如经过防火处理的刨花板；（3）可燃材料 ，如一般木材。,观察与讨论,1.1 材料的物理性质,孔隙对材料性质的影响,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料合适？,A,B,讨论,1.1 材料的物理性质,保温层的目的是减少外界温度变化对住户的影响。材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。,1.1 材料的物理性质,工程实例分析,(1) 加气混凝土砌块吸水分析,(2) 火灾中混凝土的破坏,(1) 加气混凝土砌块吸水分析,某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度仅700 kg/ m3 的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水不少，但实际吸水不多。,1.1 材料的物理性质,加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构。,(2) 火灾中混凝土的破坏,某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析原因。,1.1 材料的物理性质,混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。,基础知识,1.2 材料的力学性质,1.2.1 强度,1.2.2 弹性与塑性,1.2.3 韧性与脆性,1.2.4 硬度,材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。,1.2.1 强度,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。,1.2.2 弹性与塑性,材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。,1.2.3 韧性与脆性,材料另一个重要的力学性质是硬度。它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法刻痕，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。,1.2.4 硬度,压入法实验,刻划法实验,观察与讨论,脆性材料与韧性材料,观察以下两动画，请对比分析韧性材料与脆性材料的差异。,1.2 材料的力学性质,1.2 材料的力学性质,具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土等。 具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。,工程实例分析,1.2 材料的力学性质,(1) 测试强度与加荷速度,(2) 砖浸水后强度下降,(1) 测试强度与加荷速度,人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。,(1) 测试强度与加荷速度,材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷载的增长速度大于材料的变形速度 ，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。,(2) 砖浸水后强度下降,某地发生历史上罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见右图。,(2) 砖浸水后强度下降,这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。,基础知识,1.3 材料的耐久性与环境协调性,1.3.1 材料的耐久性,1.3.2 材料的环境协调性,1.3.1 材料的耐久性,材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点合理地选用。,1.3.2 材料的环境协调性,土木工程材料的环境协调问题日益受到重视。材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高的可回收率。1994年设立中国环境标志产品认证委员会，据此土木工程材料中首先对水性涂料实行环境标志，制定环境标志的评定标准。,观察与讨论,1.3 材料的耐久性与环境协调性,(1) 酸雨腐蚀建筑物,(2) 路面磨损裂纹,(1) 酸雨腐蚀建筑物,下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。,(1) 酸雨腐蚀建筑物,由于吸附了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物使其建筑物表面变黑，而且由于酸雨的冲洗，使石材露出新表面，从而形成流迹线。同时，石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物的表面腐蚀。,(2) 路面磨损裂纹,经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。,(2) 路面磨损裂纹,路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不够。,工程实例分析,1.3 材料的耐久性与环境协调性,(1) 室内空气污染,(2) 放射性污染,(1) 室内空气污染,某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复正常，再进馆又开始哭闹。,(1) 室内空气污染,该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、脲醛树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、恶心，刺激眼和鼻，严重时引起气喘、神志不清、呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量一般为0.134 mg/m30.670 mg/m3，使用各种装修材料后的游离甲醛含量可达2.3 mg/m3。,(2) 放射性污染,某家居装修采用一种超过放射性物质控制要求规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后被迫拆除更换。,(2) 放射性污染,氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学研究表明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时选购石材须索要产品放射性合格证，根据石材的放射性等级作选择。 根据美国环保机构的调查数据，无形杀手导致人类患肺癌的数量每年在700010000人。,基础知识,1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,1.4.1 材料的组成及其对材料性质的影响,1.4.2 材料的结构及其对性质的影响,1.4.3 材料的构造及其对性能的影响,1.4.1 材料的组成及其对材料性质的影响,材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。如下图所示，、为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.2和则为0.20.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。,1.4.2 材料的结构及其对性质的影响,1. 宏观结构,2. 亚微观结构,3. 微观结构,1. 宏观结构,材料的宏观结构是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。 密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃钢等。 多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。,2. 亚微观结构,亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在103109 m。材料的显微结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在103107 m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。,3. 微观结构,材料的微观结构是指物相种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特性。,1.4.3 材料的构造及其对性能的影响,材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的互相搭配组合情况。构造这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。如孔隙是开口、细微且连通的，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。,观察与讨论,A,B,1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,两种石材性能对比,下图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完好如新。请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的原因。,讨论,两种石材性能对比,大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝硅酸盐），为酸性石材，结构致密具有高抗酸腐蚀的能力。,工程实例分析,1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好的施工性能，配合比中要求加入硅粉，并对硅粉的化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，在实际使用中效果不好，水泥浆体成分不均。,材料微观结构对性能的影响,硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为SiO2，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉的化学组成也为SiO2，微观结构为晶体，表面粗糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。硅粉和磨细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观结构不同，导致材料的性能差异明显。,1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,创新能力培养,绿色建材,1988年第一届国际材料科学研究会上，首次提出了“绿色材料”的概念，绿色已成为人