《建筑材料》教学课件-土木工程材料的基本性质

第1章材料的基本性质1-1材料的组成、结构与性质,材料在使用过程中，受到各种不利因素影响(力、介质)。因此，材料需具备抵抗这些不利因素作用的能力，即具备各种性能。决定这些性质的内部因素是材料的组成和结构，要了解材料的性质，必须了解材料的组成、结构与性质间的关系。一、材料的组成(一)化学组成化学组成:化学成分（决定性质的主要因素）。无机非金属材料:氧化物的含量；金属材料:化学元素的含量；有机材料:化合物的含量。,(二)矿物组成具一定化学成分和结构特征的单质或化合物(决定材料的主要性质)。(三)化组与矿组关系1、化组不同，矿组不同；2、化组相同，矿组可不同，且性质不同。例如：石墨和金刚石(四)组成与性质关系依组成可以大致判断出材料的某些性质。,金刚石是典型的原子晶体，每个碳原子以sp3杂化轨道与其他四个碳原子形成共价单键，形成正四面体排布。由于CC键的键能大(346.9kJmol”)，且形成“无限”分子，熔化时要打开所有的CC键的话需要吸收大量热量，故其熔点是所有元素中最高的（3570，略低于石墨)，硬度也是最大的。又因金刚石中碳原子的所有外围电子都参与定域共价键的形成，晶体中没有自由电子，故不导电。而在石墨中，碳原子以sp2杂化轨道与同平面内相邻的三个碳原子形成共价单键，且排成六元环形的网状结构。平面中各碳原子还剩有一与平面垂直的未杂化的p轨道，彼此重叠，形成一不定域的大(ba)键。在大丌键中电子能自由移动，相当于金属晶体中的自由电子，故石墨沿着层的方向能导电、导热。也由于大键的存在，使得石墨的熔点略高于金刚石。各网状平面之间是以范德华力结合的，故石墨极易沿片层方向剥开和滑动，质软，在纸上抹擦都会留下痕迹。不论金刚石或石墨，化学性质都很稳定。,二、材料的结构(一)微观结构原子、分子层次的结构()借助电子显微镜、X-射线衍射仪等研究。决定强度、硬度、熔点等。1、晶体：是质点(原子或分子、离子)按一定规律在空间重复排列的固体，具有特定几何外形和固定熔点。晶体分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体晶体特性：(1)各向异性：因观察方向不同而表现出的差异；(2)最小内能：内部质点规则排列，质点间引力和斥力平衡；(3)最稳定性：化学成分相同而处于不同状态下的物质，以晶体最稳定。,2、非晶体(又称玻璃体或无定形体)是熔融物在急速冷却时，质点来不及按规律排列所形成的内部质点无序排列(短程有序，长程无序)的固体或固态液体。非晶体特性：(1)各向同性，无固定熔点和几何形状；(2)不稳定，内部存在大量的化学能。,微观结构形式及其主要特性,(二)亚微观结构(显微或细观结构)光学显微镜所看到的组织结构(m)。主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。(三)宏观结构(构造)用肉眼或放大镜即可分辨的组织结构(mm)。主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式(或形式)、各组成材料的分布等。如岩石的层理，混凝土中的砂石,材料的宏观结构及其相应的主要性质,(四)组成、结构和性能的关系1、材料的宏观结构不同，即使组成与微观结构相同，材料的性质与用途不同；如玻璃与泡沫玻璃；2、材料的宏观结构相同或相似，即使组成或微观结构不同，材料的性质与用途相同或相似。如泡沫玻璃、泡沫塑料。,三、结构中的孔隙与材料性质的关系(一)孔隙的分类孔隙大小：微孔、毛细孔、大孔。小于20nm的微孔，视为无害孔隙。形状：球形、片状(即裂纹)、管状、墨水瓶状、带尖角的孔隙。常压下水能否进入孔隙：开口孔隙(连通孔隙)闭口孔隙(封闭孔隙)。,(二)孔隙形成1.水分子的占据作用：实际用水量高于理论用水量。2.外加的发泡作用如生产加气混泥土的发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。3.火山爆发作用火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量孔隙。4.焙烧作用材料中掺入的可燃材料在高温下燃烧掉而形成孔隙；由于某些成分的作用产生气体而形成孔隙,(三)孔隙对材料性质的影响一般情况下，孔隙率体积密度堆积密度强度耐磨性抗冻性抗渗性耐腐蚀性耐水性耐久性保温性吸声性吸水性吸湿性,一、不同结构状态下的密度(一)密度(绝对密度、真密度)条件：干燥、绝对密实状态,1-2材料的基本状态参数,式中密度g/cm3；m绝干质量g；V绝对密实体积cm3。,(二)表观密度(视密度)条件：干燥、不含开孔,(三)体积密度条件：自然气干状态,绝干状态：绝干体积密度(0d=m/Vo)其它状态：注明含水状态,(四)堆积密度条件：自然堆积、气干状态,绝干状态：绝干堆积密度，pd=m/Vp其它状态：注明含水状态,二、孔隙率,1开口孔隙率:,2闭口孔隙率:,三、空隙率,密实度,1-3材料的力学性能,一、材料的强度材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，以材料在破坏时的最大应力值来表示。材料的强度取决于结构质点（原子、分子、离子）间的作用力大小，破坏主要是结合键的断裂或质点间的滑移.理论强度（Orowan公式）：,式中材料的表面能，J/m2a原子间距，m,实际强度(材料)内部常含大量缺陷，受力时，在缺陷处形成应力集中导致强度降低。当脆性材料内部含有一长度为2c的微裂纹时，由Griffith断裂理论，其强度为：,Griffith断裂理论成功地解释了材料的实际强度远低于理论强度的原因。并由此可知减少材料内部的缺陷(裂纹、孔隙等)可大幅度提高材料的强度。,(一)强度形式拉、压、弯、剪,(二)影响强度因素：内因：组成与结构外因：形状、大小、表面状况含水率、加荷速度.(三)强度和孔隙率的关系(四)比强度材料强度与体积密度的比值,(五)材料的硬度材料抵抗较硬物体压入或刻划的能力无机矿物材料：莫氏硬度显微硬度金属材料：洛氏硬度布氏硬度维氏硬度高分子材料：绍氏硬度巴氏硬度(六)材料的耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。,二、材料的受力变形(一)弹性变形材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性，材料的这种变形称为弹性变形。(二)塑性变形材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为材料的塑性，这种变形称为塑性变形。(三)弹塑性变形在外力的作用下，既有弹变，也有塑变。,弹变塑变弹塑变变形,应力,三、脆性与韧性1.脆性材料在荷载作用下，破坏前无明显的塑性变形，表现为突发性破坏的性质。脆性材料特点:小，f压f拉(f压/f拉=550)2.韧性(冲击韧性)材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质。韧性材料特点：大，f拉大(f拉f压)。注意：用于桥梁、吊车梁、有振动要求的要考虑材料的韧性。,1-4材料与水有关的性质,(一)材料的亲水性当材料与水接触时，如材料表面可以被水所润湿或浸润。此性质称为材料的亲水性，此材料称为亲水性材料。(二)材料的增水性若水不能在材料的表面上铺展，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此材料称为憎水性材料。,一、材料亲水性与憎水性,(三)润湿角：90材料分子和水分子间引力水分子内聚力,表现为亲水性90材料分子和水分子间引力非金属材料；无机材料有机材料；晶体材料非晶体材料。2.孔隙率P：P，。细小闭隙多，因为减少或降低了热对流。3.含水率：含水或含冰时，。4.温度T:T,(金属除外)。,K传热系数，W/(m2K)；d材料厚度，m。,可见：(1)，K，保温隔热性越好；(2)dK，但会增加材料用量和建筑物自重。民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）中不同地区的K不同，如西安、北京、哈尔滨地区的外墙K分别为1.0、0.90、0.52W/(m2K)(二)热阻：传热系数的倒数称为热阻R1/Kd/R阻止热流通过能力越大，保温隔热性越好。,二、传热系数与热阻(一)传热系数K：墙体或其它围护结构的传热能力.,三、热容量热容量：材料受热或冷却时，吸收或放出的热量热容量cm=q/(t1-t2)材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，可使室内温度相对稳定。四、耐急冷急热性（热震性）材料抵抗急冷急热交替作用，保持其原有性质的能力材料在急冷急热交替作用