第1章 土木工程材料的基本性质.ppt

第1章土木工程材料的基本性质 土木工程材料 本节内容 本章内容导读 讲述内容 本章主要讲述土木工程材料的基本性质 包括基本物理性质 热工性质 力学性质 化学性质 装饰性质 耐久性以及材料的组成 结构与构造等方面内容 学习重点和要求 要求学生重点熟悉和掌握土木工程材料的基本性质 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 以便在工程设计和施工中能够正确地选择和合理地使用各种材料 1 1材料的组成 结构与构造 1 1 1材料的组成 材料的组成包括化学组成 矿物组成和相组成 1 化学组成 钢材的锈蚀材料的可燃性和耐火性木材的腐蚀混凝土的碳化及受到酸碱盐类物质的侵蚀 构成材料的化学元素及化合物的种类及数量 2 矿物组成 硅酸盐水泥 硅酸钙 铝酸钙 铁铝酸钙 水泥易水化成碱性凝胶体 具有凝结硬化的性能 大理石 方解石 白云石 含有少量石英 不耐酸腐蚀 花岗岩 长石 石英和少量云母 酸性岩石多 耐酸性好 但耐火性差 矿物 具有特定晶体结构 特定物理力学性能的组织结构矿物组成 构成材料的矿物种类和数量 3 相组成 混凝土 由集料颗粒 集料相 分散在水泥浆体 基相 中所组成的两相复合材料 复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切关系 材料中结构相近 性质相同的均匀部分称为相自然界中的物质 分为气相 液相 固相三种形态由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料 1 1 2结构与构造 材料的结构宏观结构细观结构微观结构材料的构造 宏观结构是指用肉眼或低倍放大镜能够分辨的粗大组织 其尺寸在10 3m级以上 1 宏观结构 Macrostructure 按孔隙尺度 密实结构 多孔结构 微孔结构 按构成形态 堆聚结构 纤维结构 层状结构 散粒结构 基本上无孔隙或孔隙极少 结构致密 具有吸水率低 抗渗和抗冻性较好 强度和硬度较高等性质如金属材料 致密岩石和玻璃等 1 密实结构 按孔隙尺度分 大理石 多孔结构是指在材料中存在均匀分布的孤立或适当连通的粗大孔隙 特点 质轻 抗渗性和抗冻性较差 绝热性较好如加气混凝土 泡沫混凝土等 2 多孔结构 加气混凝土砌块 微孔结构 在材料中存在均匀分布的微孔隙 3 微孔结构 特点 强度较低 抗渗性和抗冻性较差 绝热性较好 如石膏制品 烧结普通砖等 4 堆聚结构 堆聚结构是指由集料和胶凝材料结合而成的结构如水泥混凝土 砂浆 沥青混合料等 水泥混凝土 按构成形态分 5 纤维结构 纤维结构是指纤维状的物质结构在平行纤维方向和垂直纤维方向上的强度 导热性及其它一些性质明显不同 即各向异性如木材 竹 玻璃纤维 石棉等 竹子的纤维构造 6 层状结构 层状结构由天然形成或人工粘结等方法将材料叠合而成 每一层材料的性质不同 但叠合成层状结构后综合性质好 可显著提高材料的强度 硬度 绝热或装饰等性质 扩大其使用范围 如胶合板 纸面石膏板 塑料贴面板等 胶合板的层状结构 7 散粒结构 散粒结构是指松散颗粒状结构 散粒材料颗粒间存在大量的空隙 可以用来拌制混凝土和用做绝热材料 如混凝土用集料 陶粒 膨胀珍珠岩等 陶粒的散粒结构 细观结构是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构 其尺寸范围在10 3 10 6m 2 细观结构 SubmicroscopicalStructure 水泥混凝土 基相 集料相 界面天然岩石 矿物 晶体颗粒 非晶体组织钢材 铁素体 珠光体 渗碳体木材 木纤维 导管 髓线 树脂道 研究金属材料细观结构的方法称为金相分析研究非金属材料 岩石 水泥 陶瓷等 细观结构的方法称为岩相分析 微观结构是指用电子显微镜 扫描电子显微镜和X射线衍射仪等进行研究分析的材料原子 分子层次的结构 其尺寸范围在10 6 10 10m 3 微观结构 Microstructure 按材料组成质点的空间排列或联接方式不同 微观结构分为晶体 玻璃体和胶体结构 1 晶体 Crystalline 原子晶体 中性原子以共价键而结合成的晶体 如石英等 离子晶体 正负离子以离子键而结合成的晶体 如CaCl2等 分子晶体 以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体 如有机化合物 金属晶体 以金属阳离子为晶格 由自由电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体 如钢铁材料 结构特征 内部质点 原子 离子 分子 在空间上按特定的规则呈周期性的排列 在复杂的晶体结构中 其原子团可以联结成为空间结构 平面层状结构或链状结构 空间结构 其整体性良好 也比较坚固 如石英等 平面层状结构 平面结构本身是比较坚固的 但平面结构之间的联结往往是比较薄弱的 这种结构容易分解成片状物质 如云母 石墨等 链状结构 链与链之间的联结弱于链本身的联结 容易分解成纤维状物质 如石棉等 2 玻璃体 Vitreousbody 玻璃体是熔融物在急冷时 质点来不及按一定规则排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体 特点 没有固定的熔点和几何形状 而且各向同性 急冷时大量的化学能储存在材料中 化学稳定性差 容易与其它物质发生化学反应或产生重新结晶火山灰 粒化高炉矿渣等均属玻璃体 粉煤灰玻璃体 材料微观结构对性能的影响 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 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 相同组成材料的性能为何不一定是相同的 解答 例如同是二氧化硅成分组成的材料 蛋白石是无定型二氧化硅 石英是结晶型二氧化硅 它们的分子结构不同 因而它们的性质不同 3 胶体 Colloid 如硅酸盐水泥的主要水化产物是凝胶体 混凝土的徐变就是由于水泥凝胶体的粘性流动而产生的 物质以极微小的质点 粒径为10 7 10 9m 分散在介质中所形成的结构 由于胶体的质点很微小 其总的表面积很大 因而表面能很大 有很强的吸附力 所以胶体具有较强的粘结力 水泥凝胶体 4 材料的构造 材料的构造 具有特定性质的材料结构单元间的互相组合搭配情况 强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系 木材的宏观构造和微观构造具有特定构造的节能墙板 1 2材料的物理性质 1 2 1材料的四种密度 密度表观密度体积密度堆积密度 定义 材料在绝对密实状态下 单位体积的质量 图1密度测量仪器 公式 1 密度 Density 将该材料磨成细粉 干燥后用密度瓶采用排液法测定其绝对密实体积要求细粉的粒径至少小于0 20mm 密度的测定 相对密度 材料的密度与4 纯水密度的比值表示 无量纲 定义 材料单位表观体积 闭口 实体 的干质量 公式 2 表观密度 Apparentdensity 干表观密度 当材料含水时所测得的表观密度 称为湿表观密度 工程中砂石材料在包含闭口孔隙条件下的体积采用排液置换法或水中称重法测量 表观密度的测定 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时 直接用排水法测定其体积 为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度 解答 表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量 所谓自然状态下的体积包含材料内的孔隙 而直接将含大量开口孔隙的材料放入水中 部分水进入材料的开口孔隙中 故 所测得的体积已不是材料在自然状态下的体积 正确的做法是将材料表面涂蜡将其密封 然后方能用排水法测定其自然状态下的体积 定义 材料单位毛体积 闭口 开口 实体 的干质量 公式 3 体积密度 Bulkdensity 材料体积密度的大小与其含水情况有关 当材料含水率变化时 其重量和体积均有所变化 因此测定材料体积密度时 须同时测定其含水率 并予以注明 外形规则的材料 如砖 可直接测量体积得到 外形不规则的 可采用蜡封法或排液法即水中称重法测定体积 体积密度的测定 反映散粒堆积的紧密 压实 程度及可能的堆放空间 定义 散粒材料在自然堆积状态下单位体积 开口 闭口 实体 间隙 的质量 公式 4 堆积密度 Packingdensity 堆积密度的测定 容量筒 砂的堆积密度实验 几种密度的特点 相同点 均为单位体积质量区别 体积大小不同 测试方法不同体积的测试方法 实体体积 李氏比重瓶法 粉末 表观体积 实体 闭口 排水法毛体积 实体 闭口 开口 规则试件 计算法 不规则试件 饱和排水法堆积体积 实体 闭口 开口 间隙 容量筒法 几种密度的比较 表1 1常用土木工程材料的密度 表观密度和堆积密度 1 2 2材料的密实度与孔隙率 1 材料的密实度 Solidity 定义 材料的体积内被固体物质所充实的程度 公式 2 材料的孔隙率 Porosity 定义 材料内部孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率 公式 孔隙及其对材料性能的影响 材料的总体积是由固体物质及材料内部的孔隙组成的 孔隙率与密实度的关系 P D 1 孔隙分类 1 按孔隙之间是否相互贯通 分为连通孔和封闭孔 2 按孔隙尺寸大小可分为微孔 细孔和大孔 孔隙对材料性能的影响 孔隙率的大小及孔隙特征与材料的许多重要性质都有密切关系 如强度 吸水性 抗渗性 抗冻性和导热性等 孔隙对材料性能的影响 若开口孔的孔体积为VK 闭口孔的孔体积为VB P PK PB V0 V VK VB 则 闭口孔隙率PB 开口孔隙率PK 孔隙率越大 材料的抗冻性是否越差 解答 材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种 材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和 材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致 进入孔隙的水越多 材料的抗冻性越差 水较难进入材料的闭口孔隙中 若材料的孔隙主要是闭口孔隙 即使材料的孔隙率大 进入材料内部的水分也不会很多 在这样的情况下 材料的抗冻性不会差 1 2 3材料的填充率 空隙率和间隙率 1 材料的填充率 Fillratio 定义 散粒材料的自然状态体积占堆积体积的百分率 公式 2 材料的空隙率 Voidratio 定义 散粒材料颗粒间的空隙体积 开口孔隙与间隙之和 占堆积体积的百分率 公式 3 材料的间隙率 定义 散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率 公式 1 2 4材料与水有关的性质 1 材料的亲水性与憎水性 HydrophilicandHydrophobicnature 定义 材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质 具有亲水性质的材料称为亲水性材料 大多数土木工程材料均为亲水性材料 如 砖 木 石材 混凝土等 1 亲水性 2 憎水性 定义 指材料在空气中与水接触时不能被水润湿的性质具有这种性质的材料称为憎水性材料 沥青 石蜡等属于憎水性材料 该类材料能阻止水分渗入毛细管中 因而能降低材料的吸水性 憎水性材料用作防水材料 或用作亲水性材料的覆面层 以提高其防水 防潮性能 当材料与水接触时 在材料 水和空气的三相交叉点处 沿水滴表面作切线 此切线与材料和水接触面的夹角 称为润湿角 90 材料能被水润湿而表现出亲水性90 180 材料不能被水润湿而表现出憎水性 角愈小 材料亲水性越强 越容易被水润湿 憎水性越弱 材料润湿示意图 亲水性材料 3 润湿角 憎水性材料 干燥状态 材料的孔隙中不含水或含水极微 气干状态 材料的孔隙中含水时其相对湿度与大气湿度相平衡 饱和面干状态 材料表面干燥 而孔隙中充满水达到饱和 湿润状态 材料不仅孔隙中含水饱和 而且表面上为水润湿附有一层水膜 亲水性材料的含水状态 干燥状态气干状态饱和面干状态润湿状态 2 材料的吸湿性和吸水性 1 吸湿性 Moistureabsorption 材料在潮湿空气中吸收水分的性质 称为吸湿性 自然状态变值含水率 自然状态 材料内部所含水分质量占其干燥质量的百分率 当环境湿度增大 温度降低时 材料含水率变大 反之变小 材料中所含水分与空气中的湿度相平衡时的含水率 称为平衡含水率 具有微小开口孔隙的材料 吸湿性特别强 材料在水中吸收水分的性质 恒值饱水状态 吸水饱和 质量吸水率 材料饱水状态 其内部吸收水分的质量占干燥质量的百分率体积吸水率 材料饱水状态 所吸收水分体积占干体积百分率 质量吸水率 2 吸水性 Waterabsorption 体积吸水率 材料的开口孔越多 吸水量越大 材料吸水达到饱和时的体积吸水率 即为材料的开口孔隙率 材料吸水率与孔隙特征有关 质量吸水率和体积吸水率的关系 3 耐水性 Waterresistance 材料在长期饱水作用下不破坏 强度也不显著降低的性质 称为材料的耐水性指标 软化系数 材料在饱和吸水状态下的抗压强度 MPa 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 注意 材料吸水后 随含水量增加 减弱其内部结合力 强度均会有所降低 工程中将KR 0 85的材料 称为耐水材料 在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时 必须选用KR 0 85的建筑材料 对用于受潮较轻或次要结构物的材料 其KR值不宜小于0 75 4 抗渗性 Impermeability 材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质 1 渗透系数 K 材料的渗透系数 cm h Q 渗透水量 cm3 d 试件厚度 cm A 渗水面积 cm2 t 渗水时间 h H 静水压力水头高度 cm 渗透系数的物理意义是 在一定时间内 在一定水压力作用下 单位厚度的材料在单位渗水面积上的渗水量 K值越小 表示材料的抗渗性也越好 2 抗渗等级 评价材料的抗渗性以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定 以符号 Pn 表示 如 P4 P6 P8等 分别表示该材料能承受0 4MPa 0 6MPa 0 8MPa的水压力而不渗水 材料的抗渗等级越高 其抗渗性越好 5 抗冻性 Frostresistance 材料在水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏 强度也不显著降低的性质 称为材料的抗冻性 抗冻等级 评价材料的抗冻性以规定的吸水饱和试件 在标准试验条件下 经一定次数的冻融循环后 强度降低和质量损失均不超过规定数值 也无明显损坏和剥落 则此冻融循环次数即为抗冻等级 以符号 F 及材料可承受的最大冻融循环次数表示 如 F25 F50 F100等分别表示该材料可承受25次 50次 100次的冻融循环 因素 水 负温度 1 3材料的热工性质 1 3 1导热性 Thermalconductivity 定义 当材料两侧有温差时 热量将由温度高的一侧通过材料向温度低的一侧传递 材料的这种传导热量的能力 称为材料的导热性 导热系数 导热系数 W m K Q 传导的热量 J d 材料厚度 m A 材料传热面积 m2 t1 t2 材料两侧温差 K Z 传热时间 s 导热系数的物理意义是 厚度为1m的材料 当两侧表面温度差为1K时 在单位时间内通过单位面积的热量 材料的导热系数愈小 表示其绝热性能愈好 工程中将导热系数 0 23W m K 的材料称为绝热材料 材料的孔隙率较大者其导热系数较小 隔热绝热性较好 但如果孔隙粗大或贯通 由于对流的作用 材料的导热系数反而增高 因此 增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力 材料受潮或受冻后 其导热系数会大大提高 表1 2常用材料的热工性质指标 1 3 2热容量与比热容 HeatcapacityandSpecificheat 定义 热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力 公式 1 热容量 2 比热容 定义 单位质量的材料在温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量 公式 1 3 3耐燃性 Heatresistance 定义 材料在高温与火焰的作用下不破坏 强度也不严重下降的性能 称为材料的耐燃性 1 非燃烧材料在空气中遇火烧或遇高温不起火 不微燃 不碳化的材料称为非燃烧材料 如普通石材 混凝土 砖 石棉等 2 难燃材料在空气中遇火烧或遇高温难起火 难微燃或难碳化的材料称为难燃材料 如沥青混凝土 经防火处理的木材等 3 可燃材料在空气中遇火烧或遇高温即起火或微燃 在火源移去后仍能继续燃烧或微燃的材料称为可燃材料 如木材 沥青等 1 3 4耐火性 Fireresistance 定义 材料在长期高温作用下 保持不熔性并能工作的性能称为材料的耐火性 1 耐火材料耐火度不低于1580 的材料 如耐火砖中的硅砖 镁砖 铝砖和铬砖等 2 难熔材料耐火度为1350 1580 的材料 如难熔粘土砖 耐火混凝土等 3 易熔材料耐火度低于1350 的材料 如普通粘土砖 玻璃等 1 3 5温度变形性 Temperaturedeformation 定义 材料的温度变形性是指材料在温度变化时产生的尺寸变化 材料的温度变形在单向尺寸上的变化用线膨胀系数表示 公式 常用土木工程材料的线膨胀系数 钢筋 10 0 12 0 10 6 混凝土 5 8 12 6 10 6 材料抵抗外力破坏的能力 1 4材料的力学性质 1 4 1材料的强度 Strength 1 强度 1 抗压 Compressive 抗拉 Tensile 抗剪 Shearing 强度 MPa F 破坏时的最大荷载 NA 受力截面面积 mm2 2 抗弯强度 Bendingstrength 单点加荷 三分点加荷 L 2 L 2 压力试验机 压力试验 钢筋拉伸试验 万能试验机 内因 材料组成 构造材料的孔隙率愈大 则强度愈低 同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相同砖 石材 混凝土 铸铁等材料的抗压强度较高 而抗拉和抗弯强度却很低 木材和玻璃纤维增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度 钢材的抗拉和抗压强度都很高 外因 试验条件 试件 尺寸 形状 含水率 温度 加荷速度等 3 影响强度的因素 4 强度等级 土木工程材料常按其强度的大小划分成若干个等级 称为强度等级 对于脆性材料 如混凝土 砂浆 砖和石材等 由于主要用来承受压力 因此 以其抗压强度来划分强度等级 对于韧性材料 如建筑钢材 主要用于抗拉 故其强度等级按受拉时的屈服强度来划分 指材料强度与其表观密度之比 意义 反映材料轻质高强的指标 比强度越大 材料越轻质高强 2 比强度 表1 3几种常用材料的比强度 1 4 2弹性与塑性 ElasticityandPlasticity 1 弹性与弹性变形 弹性 外力作用产生变形 外力取消能完全恢复 弹性变形 这种可恢复的变形称为弹性变形 弹性变形 指标 弹性模量 意义 E表示材料抵抗变形的指标 E值越大 材料越不易变形 即抵抗变形的能力越强 2 塑性与塑性变形 塑性 外力作用产生变形 外力取消变形不能恢复 塑性变形 这种不可恢复的变形称为塑性变形 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 塑性变形 图弹塑性材料的变形曲线 弹塑性材料 1 4 3脆性与韧性 BrittlenessandToughness 1 脆性 脆性 材料在外力作用下 无明显塑性变形 突然破坏 脆性材料 石 砖 混凝土 陶瓷 玻璃 铸铁等 脆性材料抗压强度远大于其抗拉强度脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力较差 因此只适合用作承压构件 2 韧性 韧性 材料在冲击或振动荷载作用下 能吸收较大的能量 产生一定变形不破坏 韧性材料 低碳钢 木材 玻璃钢等 采用冲击试验测定 冲击韧性 在土木工程中 对于要求承受冲击荷载和有抗振要求的结构 如吊车梁 桥梁 路面等所用的材料都要考虑材料的韧性 1 4 4硬度和耐磨性 RigidityandAbrasionresistance 1 硬度 抵抗较硬物质压入或刻划的能力 刻划法 用于测定天然矿物的硬度 莫氏硬度分为10级 递增的顺序为 滑石1 石膏2 方解石3 萤石4 磷灰石5 正长石6 石英7 黄玉8 刚玉9 金刚石10 压入法 布氏硬度 金属材料 木材 混凝土等 是以单位压痕面积上所受的压力来表示 有布氏法 洛氏法和维氏法 相应的硬度称为布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度特点 硬度大 强度高 耐磨性强 但不易加工 材料表面抵抗磨损的能力 材料的耐磨性与材料的组成 结构 强度和硬度等因素有关 一般材料的硬度越高 越致密 耐磨性越好 在土木工程中 用做路面 台阶 踏步等受磨损部位的材料要求其具有较高的耐磨性 材料的耐磨性用磨损率 M 表示 其计算公式为式中 M 材料的磨损率 g cm2 m1 m2 分别为材料磨损前 后的质量 g A 试件受磨损的面积 cm2 2 耐磨性 1 5材料的化学性质和装饰性 1 5 1材料的化学性质 Chemicalproperty 在土木工程中 材料的化学性质主要考虑其在使用中的化学变化和化学稳定性 土木工程材料的化学变化主要是指材料在生产或施工过程中所发生的化学反应 如 石灰的煅烧 消化与碳化 水泥的水化及凝结等 化学稳定性是指材料在使用环境中其化学组成和结构是否能保持稳定的性质 1 5 2材料的装饰性 Ornamentproperty 材料的装饰性是材料在工程中所表现的美观效果是通过多种技术指标所反映的综合艺术效果材料的装饰性主要体现在颜色 光泽 透明性 质感 表面组织和形状尺寸 立体造型等几个方面土木工程中的装饰材料主要是应用于内外墙面 地面 天棚等部位的饰面材料 材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏 也不易失去其原有性能的性质 称为材料的耐久性 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 物理作用主要有干湿交替 温度变化 冻融循环以及机械摩擦 冲击等 这些作用会使材料体积产生膨胀或收缩 或导致内部裂缝的扩展 长久作用后会使材料产生破坏 如水泥混凝土的冻融破坏 化学作用主要是指材料受到酸 碱 盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用