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土木工程材料 第一章土木工程材料的基本性质湖南大学土木工程学院建材室 湖南大学土木工程学院建材室 2 土木工程材料的基本性质 物理性质力学性质化学性质工艺性质 基本物理常数 密度与孔隙 有关电 磁 热 声 光等性能与水有关的性质 亲水与憎水性 吸水性 耐水性 抗冻性 抗渗性介质中的稳定性 耐久性 安全性 强度与变形 湖南大学土木工程学院建材室 3 学习的主要内容 1 1基本理论材料的组成 结构及构造1 2材料的物理性质1 2 1密度与孔 空 隙1 2 2与水有关的性质1 2 3热物理性质1 3材料的基本力学性质1 4材料的耐久性1 5材料的安全性 学习重点 性能 组成 结构 应用 湖南大学土木工程学院建材室 5 1 1基本理论 重点掌握材料组成 结构与性能的关系1 1 1材料的组成化学组成矿物组成相组成1 1 2材料的结构与构造微观结构亚微观结构宏观结构 湖南大学土木工程学院建材室 6 材料的组成 化学组成化学元素 化合物的种类和数量矿物组成矿物 特定晶体结构 特定性能的组织结构矿物的种类和数量相组成相 结构 性质相同的均匀部分不同相性能存在差异 相与相之间形成界面两相或多相形成复合材料 湖南大学土木工程学院建材室 7 石墨和金刚石 湖南大学土木工程学院建材室 8 材料的结构层次 微观结构10 10m 分子 原子结构层次 决定材料最基本的物理性质亚微观结构10 6m 矿物组织 晶粒大小及晶相组织 孔隙 改善材料性能宏观结构 构造 mm 决定材料的工程性质材料组成 结构和构造与材料性能间的关系 湖南大学土木工程学院建材室 9 质点排列 气态 近程无序 远程无序液态 近程有序 远程无序固态晶体 近程有序 远程有序非晶体 玻璃体 近程有序 远程无序 湖南大学土木工程学院建材室 10 晶体的分类 原子晶体离子晶体分子晶体金属晶体混合晶体 湖南大学土木工程学院建材室 11 晶体结构结合键及其特性 原子的规则排列 14种布拉菲点阵分属7个晶系 湖南大学土木工程学院建材室 13 金属晶体三种常见结构 体心立方 BCC 面心立方 FCC 密排六方 HCP 晶胞原子数2 4 6 湖南大学土木工程学院建材室 14 体心立方 湖南大学土木工程学院建材室 15 面心立方 堆积方式 ABCABCABC 湖南大学土木工程学院建材室 16 密排六方 堆积方式 ABABAB 湖南大学土木工程学院建材室 17 晶体材料 一般单晶体材料具有各向异性 湖南大学土木工程学院建材室 18 工程晶体材料 大多工程材料是由形状不规则和取向不同的晶粒构成的多晶体 宏观上表现为各向同性 多晶体的性质很大程度上由晶粒内部结构和它们的缺陷结构所决定 同时还与晶界结构 数量等因素有关 湖南大学土木工程学院建材室 19 湖南大学土木工程学院建材室 20 硅酸盐晶体结构 在硅酸盐结构中 每个硅 Si 原子一般为四个氧 O 原子包围 构成 SiO4 四面体 即硅氧骨干 它是硅酸盐的基本构造单位 由于Si离子的电价为 4价 配位数为4 因此 在硅酸盐结构中 SiO4 4 四面体既可以孤立地被其它阳离子包围起来 也可以彼此共用角顶的方式连结起来形成各种形式的硅氧骨干 湖南大学土木工程学院建材室 21 硅酸盐晶体结构类型 湖南大学土木工程学院建材室 22 硅氧骨干几种主要类型 1 岛状硅氧骨干 硅氧骨干被其它阳离子所隔开 彼此分离犹如孤岛 包括孤立的 SiO4 单四面体及 Si2O7 双四面体 湖南大学土木工程学院建材室 23 硅氧骨干几种主要类型 2 环状硅氧骨干 SiO4 四面体以角顶联结形成封闭的环 根据 SiO4 四面体环节的数目可以有三环 四环 六环 环还可以重叠起来形成双环 如六方双环 湖南大学土木工程学院建材室 24 硅氧骨干几种主要类型 3 链状硅氧骨干 SiO4 四面体以角顶联结成沿一个方向无限延伸的链 其中常见的有单链和双链 湖南大学土木工程学院建材室 25 硅氧骨干几种主要类型 4 层状硅氧骨干 SiO4 四面体以角顶相连 形成在两度空间上无限延伸的层 层中每一个 SiO4 四面体以三个角顶与相邻的 SiO4 四面体相联结 湖南大学土木工程学院建材室 26 硅氧骨干几种主要类型 5 架状硅氧骨干 SiO4 四面体四个角顶全部与其相邻的四个 SiO4 四面体共用 每个氧与两个硅相联系 形成惰性氧 石英 SiO2 族矿物即具此结构 湖南大学土木工程学院建材室 27 硅酸盐晶体与玻璃 湖南大学土木工程学院建材室 28 玻璃态的特点 结构单元的无序构造和非规则排列各向同性热力学介稳状态具有较高的内能和潜在的结晶趋势晶格的不对称和无周期性 湖南大学土木工程学院建材室 29 亚微观结构 又称材料的细观结构 是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构 是介于宏观和微观之间的结构 其尺度范围在10 3m 10 9m 应根据具体材料分类研究对于水泥混凝土 通常是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 晶界及晶粒尺寸等 对于木材 通常是研究木纤维 管胞 髓线等组织的结构 湖南大学土木工程学院建材室 30 亚微观结构 材料在亚微观结构层次上的差异对材料的性能有显著的影响 钢材的晶粒尺寸越小 钢材的强度越高混凝土中毛细孔的数量减少 孔径减小 将使混凝土的强度和抗渗性等提高 因此 对于土木工程材料而言 从亚微观结构层次上研究并改善材料的性能十分重要 湖南大学土木工程学院建材室 31 湖南大学土木工程学院建材室 32 金属晶体的强化 固溶强化细晶强化弥散强化冷加工强化 湖南大学土木工程学院建材室 33 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 湖南大学土木工程学院建材室 34 宏观结构 宏观结构不同的材料具有不同的特性 玻璃与泡沫玻璃的组成相同 但宏观结构不同 前者为致密结构 后者为多孔结构 其性质截然不同 玻璃用作采光材料 泡沫玻璃用作绝热材料 湖南大学土木工程学院建材室 35 构造 是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况 湖南大学土木工程学院建材室 36 1 2材料的基本物理性质 1 2 1密度与孔 空 隙1 2 2与水有关的性质亲水性与憎水性吸水与吸湿性耐水性抗渗性抗冻性1 2 3热物理性质导热系数比热和热容量 湖南大学土木工程学院建材室 37 1 2 1密度与孔 空 隙 密度的概念 材料单位体积的质量 m v 湖南大学土木工程学院建材室 38 1 2 1密度与孔 空 隙 一密度 表观密度与堆积密度1密度 2表观密度 近似密度 a 3毛体积密度 0 容重 表观密度 0 4堆积密度 0 二密实度与孔隙率三填充率与空隙率 湖南大学土木工程学院建材室 39 1密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 m v测试方法常磨细 干燥后用李氏瓶测定其体积 湖南大学土木工程学院建材室 40 表观密度 本书中 近似密度 a 材料在包含闭口孔隙条件下单位体积的质量 测试方法 采用排液置换法或水中称重法测量 湖南大学土木工程学院建材室 41 毛体积密度 0 容重 本书中 表观密度 0 材料在自然状态下单位体积的质量 包括内部孔隙 开口孔隙和闭口孔隙 在内的体积 0 m V0测试方法 量具测量 排液法 封蜡排液法 湖南大学土木工程学院建材室 42 4堆积密度 0 散粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量 堆积体积包括固体体积 孔隙体积和空隙体积 湖南大学土木工程学院建材室 43 4堆积密度 0 根据堆积时松紧程度不同 分松堆密度和紧堆密度 湖南大学土木工程学院建材室 44 二密实度与孔隙率 密实度材料体积 自然状态 内固体物质的充实程度 称为材料的密实度D 反映材料的密实程度 D越大 材料越密实 湖南大学土木工程学院建材室 45 二密实度与孔隙率 孔隙率材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率孔隙率分为总孔隙率 简称孔隙率 开口孔隙率闭口孔隙率 湖南大学土木工程学院建材室 46 二密实度与孔隙率 总孔隙率开口孔隙率材料内部开口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率由于水可进入开口孔隙 工程中常将材料在吸水饱和状态下所吸水的体积 粗略视为开口孔隙的体积 Vk 湖南大学土木工程学院建材室 47 三填充率与空隙率 填充率散粒材料在堆积状态下颗粒填充的体积占堆积体积的百分率空隙率颗粒间空隙体积 间隙 占堆积体积的百分率 湖南大学土木工程学院建材室 48 1 2 2与水有关的性质 一亲水性与憎水性二吸水与吸湿性三耐水性四抗渗性五抗冻性 湖南大学土木工程学院建材室 49 一亲水性与憎水性 润湿角 900时 材料表现为亲水性 润湿角 900时 材料表现为憎水性 湖南大学土木工程学院建材室 50 固液界面 毛细管下降 毛细管上升 憎液材料 亲液材料 湖南大学土木工程学院建材室 51 二吸水与吸湿性 1 含水率材料所含水的质量与材料在干燥状态的质量之比 湖南大学土木工程学院建材室 52 二吸水与吸湿性 2 吸水性材料与水接触吸收水分的性质 材料吸水饱和时 其含水率称为吸水率 有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法 质量吸水率是材料吸收的水分与材料在干燥状态下的质量之比 湖南大学土木工程学院建材室 53 二吸水性影响因素 材料内部的孔隙率及结构特征有关材料的憎水性和亲水性 湖南大学土木工程学院建材室 54 二吸水与吸湿性 3 吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质 通常 材料的吸湿作用是可逆的 当材料吸收的水分与释放的水分达到平衡时的含水率称为平衡含水率 对材料性能有影响 湖南大学土木工程学院建材室 55 三耐水性 材料长期在水的作用下保持原有性质 不发生破坏 强度也不显著降低 的能力称为材料的耐水性 湖南大学土木工程学院建材室 56 四抗渗性 材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质 可用渗透系数表示 工程上常用抗渗等级来表示 如P2 P4 P6 P8等 分别表示可抵抗0 2 0 4 0 6 0 8MPa的水压力而不渗透 湖南大学土木工程学院建材室 57 四抗渗性 与材料内部的孔隙率及孔结构特征有关 还与材料的憎水性和亲水性有关 地下建筑及水工建筑等所用材料应具有一定的抗渗性 对于防水材料则应具有很好的抗渗性 材料的抗渗性与材料的耐久性 抗冻性 耐腐蚀性等 有着非常密切的关系 湖南大学土木工程学院建材室 58 五抗冻性 指材料在吸水饱和状态下 能经受反复冻融的作用而不破坏 强度也不显著降低的性能 用抗冻等级表示 是材料在吸水饱和状态下 经冻融循环作用 强度损失和质量损失均不超过规定值时 所能经受的最大冻融循环次数 用 Fn 表示 如F25 F50 F100 F150 湖南大学土木工程学院建材室 59 五抗冻性 抗冻等级要根据结构物的种类 使用条件及气候条件来决定抗冻性良好的材料 抵抗大气温度变化 干湿交替等风化作用的能力也较强 是耐久性的一项重要指标 与材料内部的孔隙率及孔结构特征 吸水率 抗渗性有关 湖南大学土木工程学院建材室 60 1 2 3热物理性质 材料传导热量的能力称为导热性 当固体材料两侧表面存在温度差时 热量会从高温的一面传向低温的一面 dQ dA dt dn 湖南大学土木工程学院建材室 61 1 2 3热物理性质 导热系数 是表征材料导热能力的热物理参数 在物理意义上 导热系数为单位厚度的材料 两面温差为1K时 在单位时间内通过单位面积的热量 其单位为W m K或W m 与材料的组成及结构 孔隙率及孔结构特征 含水率 温度等有关 湖南大学土木工程学院建材室 62 1 2 3热物理性质 比热 单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量 热容量 比热与材料质量的乘积 它表示材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量 材料的热容量对保持建筑物内部温度稳定有很大意义 热容量较大的材料或构件 能在热流变动或采暖空调工作不均衡时 缓和室内的温度波动 湖南大学土木工程学院建材室 63 1 2 3热物理性质 热阻 材料层阻止热流通过的能力 R d 热阻的倒数1 R称为材料层的传热系数 传热系数是指材料层两面温差为1K时 在单位时间内通过单位面积的热量 材料的导热系数越小 材料层或围护结构的传热系数越小 保温隔热性越好 增加材料层的厚度也可降低传热系数 但会增加材料的用量和结构物的自重 因此 选用材料时应注意材料热物理参数的综合考虑 湖南大学土木工程学院建材室 64 强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力 变形弹性变形塑性变形粘性变形 材料的基本力学性质 湖南大学土木工程学院建材室 65 不同种类材料强度差别大 同类材料受力形式或方向不同 强度也不一样 同种材料强度与孔隙 含水等有关与试验方法有关 强度 静力强度抗压强度 抗拉强度 抗剪强度及抗弯强度等 湖南大学土木工程学院建材室 66 动力强度疲劳强度 冲击强度其它耐磨 硬度 压碎等土木工程材料常根据强度划分不同等级 强度 湖南大学土木工程学院建材室 67 变形 弹性变形材料在外力作用下产生变形 当外力除去后 能够完全恢复原来形状的性能称为弹性 这种能完全恢复的变形称为弹性变形 塑性变形材料在外力作用下产生显著变形 但不断裂破坏 外力取消后 仍保持变形后的形状的性质称为塑性 这种不可恢复的残余变形称为塑性变形 粘性变形引入时间参数 湖南大学土木工程学院建材室 68 粘性变形 牛顿流体 湖南大学土木工程学院建材室 69 粘性变形 非牛顿流体 湖南大学土木工程学院建材室 70 变形性能 在土木工程材料中 几乎没有完全的弹性材料 塑性材料或粘性材料 湖南大学土木工程学院建材室 71 脆性与韧性 脆性 是材料在外力作用下 在破坏前无明显的塑性变形而突然破坏的性质 韧性 是指材料在外力的作用下 能够吸收较大的能量 同时产生一定的变形而不致破坏的性能 湖南大学土木工程学院建材室 72 抵抗各种内在或外部破坏因素的作用 保持其原有性能 不变质 不破坏的性质是一项综合性质 不同材料耐久性的具体内容因材料组成结构 用途和破坏作用的不同而不同 材料的耐久性 湖南大学土木工程学院建材室 73 材料的耐久性 物理作用光 热 电 温度变化 干湿变化 冻融循环等作用 可使材料的结构发生变化 机械作用疲劳 冲击 磨耗和磨损等 化学作用各种溶液 腐蚀性气体 生物作用菌类 昆虫等的侵害作用 湖南大学土木工程学院建材室 74 材料的耐久性 提高材料的耐久性 对保证工程长期处于正常使用的状态 减少维护费用