1土木工程材料的基本性质PPT教学课件

1、1 本章要点 土木工程材料的基本物理性质、力学性质及耐久性等。 学习目标 熟悉和掌握各种材料的基本性质，在工程设计与施工中正确选择和合理使用各种材料。第1页/共69页21.1 材料的组成与结构1.2 材料的物理性质1.3 材料的基本力学性质1.4 材料的耐久性1.5 材料的环境负荷性及其使用的健康安全性内容提要：第2页/共69页3研究土木工程材料的一般规律 如下图所示：原料生产工艺组成结构构造技术要求性质应用外界环境条件检验与验收运输储存形成了 决定了 (内因) 决定了 提出了要求 依据提出了影响 外因第3页/共69页41.1 材料的组成与结构1.1.1 材料的组成1.1.2 材料的结构1.1

2、.3 结构中的孔隙与材料性质的关系第4页/共69页51. 化学组成 化学组成指构成材料的基本元素与化合物。第5页/共69页62. 矿物组成矿物组成 矿物矿物是具有一定化学成分和结构特征的单是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。质或化合物。矿物组成矿物组成 = 矿物种类矿物种类 + 矿物含量矿物含量例如：例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥 无机非金属材料第6页/共69页7第7页/共69页8宏观结构宏观结构常用材料常用材料主要特性主要特性单单一一材材料料致密结构致密结构钢材、玻璃、沥青、部分钢材、玻璃、沥青、部分塑料塑料高强，或不透水、耐高强，或不透水、耐腐蚀

3、腐蚀多孔结构多孔结构泡沫塑料、泡沫玻璃泡沫塑料、泡沫玻璃轻质、保温、低强度轻质、保温、低强度纤维结构纤维结构木材、竹材、岩棉、玻璃木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维纤维、钢纤维高抗拉、且大多数轻高抗拉、且大多数轻质、保温、吸声质、保温、吸声聚集结构聚集结构陶瓷、砖、某些天然石材陶瓷、砖、某些天然石材强度较高强度较高复复合合材材料料粒状聚集结粒状聚集结构构各种混凝土、钢筋混凝土各种混凝土、钢筋混凝土综合性能好、价格较综合性能好、价格较低低纤维聚集结纤维聚集结构构岩棉板、纤维板、纤维增岩棉板、纤维板、纤维增强塑料强塑料轻质、保温，或高抗轻质、保温，或高抗拉拉多孔结构多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土加

4、气混凝土、泡沫混凝土轻质保温轻质保温叠合结构叠合结构纸面石膏板、胶合板、各纸面石膏板、胶合板、各种加芯板种加芯板综合性能好综合性能好第8页/共69页9木材的细观结构金属的金相组织第9页/共69页10钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片第10页/共69页11粉煤灰在3.0K下的SEM照片矿渣在3.0K下的SEM照片第11页/共69页1201020304050601133 33344444442121112115551 Quartz2 Anhydrite3 f-CaO4 Hematite5 Mullite粉 煤 灰重庆固硫灰内江固硫灰512432-Theta几种工业废渣的XRD衍射图谱第12页/共

5、69页13固态有规则，各向异性无定形态（短程有序，长程无序）微小质点分散于介质中形成的结构（1100m）（石墨、金刚石、“足球烯”C60）第13页/共69页14金刚石晶胞金刚石三维结构石墨三维结构C60比例模型C60球棍模型第14页/共69页15泡沫玻璃玻璃泡沫塑料泡沫混凝土第15页/共69页16第16页/共69页171. 材料内部孔隙的来源与产生天然材料人造材料木材的细观结构锆石的微观结构第17页/共69页18微细孔隙毛细孔较粗大孔隙粗大孔隙球形孔隙片状孔隙管状孔隙墨水瓶状孔隙带尖角的孔隙开口/连孔隙闭口/封闭孔隙2. 孔隙的分类第18页/共69页193. 孔隙特征及其对材料性质的影响 孔隙

6、特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力学性质均有显著影响。 一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。第19页/共69页201固体物质；2开口孔隙；3闭口孔隙 材料内孔隙示意图 开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。第20页/共69页211.2 材料的物理性质 1.2.1 与质量状态有关的物理性质 1.2.2 与构造状态有关的物理性质 1.2.3 与水有关的性质 1.2.4 与热有关的性质 1.2.5 与声有关的性质第21页/共69页221.密度材料在绝对密实状态下，单位体积的质量

7、。Vm密度，g/cm3；m材料的质量，g；V材料在绝对密实状态下的体积，cm3。绝对密实:不包括孔隙。 如何测？磨成细粉，用李氏瓶；排液置换法。李氏密度瓶李氏密度瓶实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似密度）。 第22页/共69页23bmmVVV 是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。2. 表观密度 （视密度、近似密度）如何测？VbVkV2第23页/共69页243. 容积密度0（体积密度、容重）是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固体体积开口孔隙体积闭口孔隙体积。 如何测

8、？形状规则：直接测量并计算形状不规则：蜡封并排液测定00bkmmVVVV00bkmmVVVV第24页/共69页254. 堆积密度0/ 粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。如何测？ 000vmmVVV 堆积体积: 散粒材料填充容器的体积。 固体体积孔隙体积颗粒间空隙。4第25页/共69页26问题？ 对于某一种材料来说，其密度、表观密度、容积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 密度表观密度容积密度堆积密度第26页/共69页271. 孔隙率与密实度 孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积（在自然状态下体积）的百分率 。000100%(1) 100%VVPV密实度密实度，即材料体积内被固

9、体物质充实的程度。，即材料体积内被固体物质充实的程度。00100%100%1VDPV 第27页/共69页28k0100%kVPV2 2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。 bb0100%VPV1 1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。kbPPP第28页/共69页292. 空隙率与填充率 空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。00000100%(1) 100%VVPV填充率填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。0000100%100%1VDPV 第29页/共69页30 练习题： 一块

10、普通粘土砖尺寸为240mm115mm53mm，烘干后质量为2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3，求该砖的密度、表观密度、容积密度、开口孔隙率、闭口孔隙率及密实度。第30页/共69页31解：该砖的宏观外形体积为：3024 11.5 5.31462.8Vcm开口孔的体积为：开口孔的体积为：3264024252151wkWmVcm则该砖的密度为：则该砖的密度为：3502.60/19.2mg cmV表观密度为：表观密度为：30242524251.94/1462.8215kmg cmVVV 容积密度为：容积密度为：30024251.66/1462.8

11、mg cmV第31页/共69页32开口孔隙率为：开口孔隙率为：0215100%100%14.70%1462.8kkVPV总孔隙率为：总孔隙率为：0001.66100%(1) 100%(1) 100%36.15%2.60VVPV闭口孔隙率为：闭口孔隙率为：36.15% 14.70%21.45%bkPPP密实度为：密实度为：11 36.15%63.85%DP 第32页/共69页331. 亲水性与憎水性 90 90 = 0全润湿 润湿 不润湿亲水性材料憎水性：憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。材料与水接触时不能被水润湿的性质。憎水性材料亲水性：亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。材料与水

12、接触时能被水润湿的性质。第33页/共69页342. 吸水性与吸湿性 1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。质量吸水率质量吸水率Wm体积吸水率体积吸水率WV100%BmmmWm01100%BVWmmWV第34页/共69页35材料的吸水率与孔隙特征有何关系？材料的吸水率与孔隙特征有何关系？孔隙特征 吸水率微细而连通封闭 较大较小较小 粗大开口第35页/共69页36 2）吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。含水率表示材料在某一状态的含水能力，随环境温度和空气湿度的变化而变化。与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率（或称气干含水率）。100%HHmmWm含水率含水率第36页/共69页3

13、7 3）含水对材料性质的影响 体积 容积密度 强度 导热性 ， 保温隔热性 吸声性 耐久性第37页/共69页381. 导热性 材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示：AtTTQ)(21通常将通常将0.23 W /（mK）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。珠岩、泡沫塑料等。第38页/共69页39 影响材料导热系数的主要因素有： （1）材料的组成与结构：通常金属材料的导热系数大于非金属材料；固体的大于液体；气体的最小。 （2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越轻（越小），导热系数越小。 （3）含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数

14、急剧增加。 （4）温度：温度越高，材料的导热系数越大（金属除外）。 第39页/共69页402. 热阻 材料层厚度与导热系数的比值称为热阻R=/（m2K/W），它表明热量通过材料层时所受到的阻力。 多层平壁导热条件下，平壁的总热阻等于各单层材料的热阻之和。（电阻的串联）第40页/共69页413. 热容量 是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，用比热表示：)(mc21TTQ比热比热c与材料质量与材料质量m的乘积，称为的乘积，称为热容量热容量。材料的热容量大，则材料在吸。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，即有利于保证室内温收或放出较多的热量时，其自身的温度

15、变化不大，即有利于保证室内温度相对稳定。度相对稳定。第41页/共69页421. 吸声性 材料能吸收声音的性质称为吸声性。被吸收掉的声能E1穿透的声能E2入射声能E0反射声能10EE吸声系数吸声系数 影响因素：频率、入射方向 常用频率：125、250、500、1000、2000、4000Hz。 0.20吸声材料第42页/共69页43 影响多孔吸声材料吸声效果的主要因素：（1）材料的孔隙率或体积密度 对同一吸声材料，孔隙率P越低或体积密度越大，则对低频声音的吸收效果越好，而对高频声音的吸收有所降低。（2）材料的孔隙特征 开口孔隙越多、越细小，则吸声效果越好。（3）材料的厚度 增加多孔材料的厚度，可

16、提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大的效果。 第43页/共69页442. 隔声性 是指材料隔绝声音的性质。声音传播途径 空气声 固体声 隔空气声 隔固体声 密实、沉重的材料 不连续的结构处理第44页/共69页451.3 材料的基本力学性质1.3.1 强度与比强度1.3.2 弹性与塑性1.3.3 脆性与韧性1.3.4 硬度与耐磨性第45页/共69页461. 强度：是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。 按外力作用方式：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。压压 拉拉 弯曲弯曲 剪切剪切1.3.1 强度与比强度强度与比强度 （极限强度）第46页/共69页47材料强度的计算公式（

17、1）抗拉、抗压、抗剪强度：AFfmaxf材料的强度 ，N/mm2或MPa；Fmax材料破坏时的最大荷载，N；A受力截面面积；（2）抗弯强度：单点集中加荷：2max23bhLFf 三 分 点 加 荷 ：2maxbhLFf f材料的抗弯强度 N/mm2或MPa；Fmax破坏时的最大荷载N；L两支点的间距mm ；b、h试件横截面的宽与高mm。 第47页/共69页48常用土木工程材料的强度常用土木工程材料的强度（ N/mm2或或MPa ）材料材料抗压强度抗压强度抗拉强度抗拉强度抗弯强度抗弯强度花岗岩花岗岩100250581014普通粘土砖普通粘土砖10302.65.0混凝土混凝土10100183.01

18、0.0松木（顺纹）松木（顺纹）30508012060100建筑钢材建筑钢材24015002401500材料强度的影响因素： 材料组成与结构、孔隙率、含水率、尺寸、加载速度、表面状况。 第48页/共69页49材料强度与体积密度之比。衡量材料轻质高强性能的主要指标。钢材、木材和混凝土的强度比较钢材、木材和混凝土的强度比较材料材料体积密度体积密度/kgm-3抗拉强度抗拉强度/MPa比强度比强度低碳钢低碳钢78004200.053松木松木50035（顺纹）（顺纹）0.070普通混凝土普通混凝土2400300.012 2. 比强度第49页/共69页501. 弹性：弹性变形：可完全恢复的变形材料的弹性变形

19、曲线材料的弹性变形曲线外力作用变形外力除去 变形保持塑性变形：不能恢复的变形材料的塑性变形曲线材料的塑性变形曲线外力作用变形外力除去变形完全恢复2. 塑性： 1.3.2 弹性与塑性弹性与塑性第50页/共69页51 真实材料中，完全的弹性材料或完全的塑性材料不存在。3. 弹塑性变形：外力作用变形；卸载后弹性变形恢复，塑性变形保留。 第51页/共69页52 b a 变形荷载 0Aabob塑性变形材料的弹塑性变形曲线材料的弹塑性变形曲线第52页/共69页531. 脆性：外力达到一定限度材料突然破坏（无明显塑性变形）脆性材料的变形曲线脆性材料的变形曲线 常见脆性材料：砖、玻璃、铸铁、普通混凝土、陶瓷、

20、石材、砂浆2. 韧性：冲击、振动荷载作用材料吸收较大的能量而不发生破坏1.3.3 脆性和韧性脆性和韧性 第53页/共69页541. 硬度：材料表面抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。1.3.4 硬度与耐磨性硬度与耐磨性天然矿物：刻划（莫氏硬度）金属、木材等：压入法（布氏、洛氏、维氏硬度）混凝土、砂浆等：重锤下落回弹高度 按试验方法可分为压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度等。第54页/共69页5512MMQA块体材料121100%MMQM散粒材料Q Q材料的耐磨硬度（材料的耐磨硬度（g/cmg/cm2 2）或磨损率（）或磨损率（% %）M1M1、M2M2材料耐磨性试验前后的质量（材料耐磨性试验

21、前后的质量（g g）A A试件受磨面积（试件受磨面积（cmcm2 2）2. 耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。 通常用耐磨硬度或磨损率表示：第55页/共69页561.4 材料的耐久性 耐久性：是指材料在长期使用过程中，抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏的性质。 材料的耐久性是材料的一项综合性质，一般包括抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、抗碳化性、耐热性、耐溶蚀性、耐磨性、耐光性等许多项。第56页/共69页571. 耐水性 是指材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。 软化系数：K软=f饱/f干 软化系数值一般在01之间。K软越小，表示材料的耐水性越差。 工程上，通常将K软0.85

22、的材料称为耐水材料。第57页/共69页582. 抗渗性（不透水性） 是指材料抵抗压力水渗透的性质。可用渗透系数K或抗渗等级F表示。（1）防渗、防水材料A试件d静水压力水头/WQdKcm hA t H 渗透系数第58页/共69页59（2）砂浆、混凝土等材料 抗渗等级：P = 10H-1材料透水前所能承受的最大水压力（MPa）材料抗渗性的影响因素： 材料的孔隙率和孔隙特征 亲水性与憎水性第59页/共69页603. 抗冻性 是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。多以抗冻等级F表示。 抗冻等级用材料在吸水饱和状态下（最不利状态），经冻融循环作用，强度损失

23、和质量损失均不超过规定值时，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数来表示。 F25：表示材料在经受25次的冻融循环后仍可满足使用要求。第60页/共69页61 影响材料抗冻性的主要因素有：（1）孔隙率 一般情况下，材料的P、Pk 越大，特别是Pk越大，则材料的抗冻性越差。（2）孔隙的充水程度充水程度以水饱和度Ks来表示：对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态。（3）材料本身的强度 材料强度越高，抵抗冻害的能力越强，即抗冻性越高。 第61页/共69页62 提高材料抗冻性的方法：引入部分封闭的孔隙，如在混凝土中掺入引气剂。 原因：这些引入的闭口孔隙可切断材料内部的毛细孔隙，当开口的毛细孔隙中的水结冰时。所产生的压力可将开口孔隙中尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中（由于毛细作用，微细