第3讲土木工程材料的基本性质(2)

1、1v一、材料的组成一、材料的组成 v化学组成、矿物组成化学组成、矿物组成 、相组成、相组成v二、材料的结构二、材料的结构 v宏观结构、亚微观结构、微观结构宏观结构、亚微观结构、微观结构 v三、表示材料物理状态特征的性质三、表示材料物理状态特征的性质 v 密度表观密度堆积密度密度表观密度堆积密度自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积；自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积；堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。复习：土木工程材料的基本性质(1) 2土木工程材料的基本性质(2) 3 1.2.3 材料与水有关的性质 1.亲水性与憎水性 亲水性材料：润湿角90水分子间内聚力材

2、料分子间吸引力憎水性材料：润湿角90水分子间内聚力材料分子间吸引力4亲水性与憎水性材料的特征： 材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。 水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。 水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。5NoImage材料的吸水性: 材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率来表示。 （1） 含水率 材料中所含水的质量与干燥状态时材料的质量之比，称为材料的含水量。以 表示。材料含水率的计算公式为： 式中： m材料在吸湿状态下的质量（g或kg）； W材

3、料含水率。 %100mmmW2. 2. 吸水性吸水性6NoImage 吸水性的大小以吸水率来表示。 （2 2） 吸水率吸水率 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分数，并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为： 式中： mb材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）； mg材料在干燥状态下的质量（g或kg）。 %100ggbmmmmW吸水饱和状态吸水饱和状态7吸水性和吸湿性 材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料的亲水性或憎水性密切相关：u 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水开口孔隙越多，材料吸水率越大；开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。u 亲水

4、性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性孔壁使水自动吸入；憎水性孔壁难以使水吸入。材料的吸水率的大小材料的吸水率的大小主要取决于主要取决于孔隙率孔隙率孔隙特征孔隙特征8 3. 3. 材料的吸湿性材料的吸湿性 材料的吸湿性是指材料材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中在潮湿空气中吸收水吸收水分的性质。用含水率分的性质。用含水率表示表示。 材料含水率受环境影响，随空气的温度和湿材料含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化度的变化而变化，当材料的湿度与空气中湿度当材料的湿度与空气中湿度达到平衡状态时的含水率称为达到平衡状态时的含水率称为平衡含水率平衡含水率。9吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含

5、水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比特征达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率10创新思维？创新思维？1、为什么房屋一楼潮湿？、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决？、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法、解决问题的原理与办法阻塞毛细通道。阻塞毛细通道。对材料中的毛细管壁进行憎水处理对材料中的毛细管壁进行憎水处理114.4.耐水性耐水性材料长期在水的作用下既不破坏，强度又不显著下降的性质 表示指标：软化系数f f1 1-材料饱水状态抗压强度，材料饱水状态抗压

6、强度，MPaMPaf f0 0-材料干燥状态抗压强度，材料干燥状态抗压强度，MPa MPa 01ffKp注意：注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。Kp0.80Kp0.80，称为耐水材料，称为耐水材料 12|例:某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。|解: 该石材的软化系数为:93.0178165gbRffK 由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。13工程实例：某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖工程实例

7、：某地发生历史罕见的洪水。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，见图。房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。请分析原因。 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸这些红砖没有烧透，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。导致房屋倒塌。 145.5.抗渗性抗渗性抵抗压力水渗透的性质 用渗透系数Ks或抗渗等级Pn表示 （1 1）渗透系数

8、）渗透系数dAtHKQS渗透系数：渗透系数： AtHQdKS透水量：透水量：K Ks s的意义：一定时间内，在一定水压作用下，单位厚度的材的意义：一定时间内，在一定水压作用下，单位厚度的材料，单位截面上的透水量。料，单位截面上的透水量。抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。Q Q透水量透水量H H水头高度水头高度A A透水面积透水面积d-d-试件厚度试件厚度t-t-时间时间,h,h15（2） 抗渗等级 （常用于混凝土和砂浆等材料） 在规定的试验条件下，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力。 以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P

9、6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。 （3）影响材料抗渗性的因素 材料亲水性和憎水性： 通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料； 材料的密实度：密实度高（或孔隙率小）的材料其抗渗性也较高； 材料的孔隙特征 ：开口、连通、孔径较大充满水的材料其抗渗性较差16 6. 6. 抗冻性抗冻性材料吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，材料吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，强度又不显著降低的性质。强度又不显著降低的性质。因素：因素：水、负温度水、负温度材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰

10、，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。 材料的抗冻性用抗冻等级表示材料的抗冻性用抗冻等级表示17NoImage抗冻等级：吸水饱和后的材料在冻融后，其试件的质量损失或相对动弹性模量损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示。材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。如如F100F100表示所承受的最大冻融循环次数不小于表示所承受的最大冻融循环次数不小于100100次，试件的相对动弹性模量下降至次，试件

11、的相对动弹性模量下降至6060或质量损失不超过或质量损失不超过5 5。18NoImage影响抗冻性的因素 1）.材料的密实度（孔隙率）：密实度越高则其抗冻性越好。 2）.材料的孔隙特征：开口孔隙越多则其抗冻性越差。 3）.材料的强度：强度越高则其抗冻性越好。 4）. 材料的吸水量大小 ： 吸水量越大则其抗冻性越差5）.外界条件的影响：冰冻破坏的程度与冻融温度、结冰速度、冻融次数等因素有关。191.导热性 当材料两面存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传递热量的能力，称为材料的导热性。导热性用导热率表示： 式中：导热系数，W/（mK）； Q传导的热量，J； a材

12、料厚度，m； A热传导面积，m2； F热传导时间，h；（t2t1）材料两面温度差，K。 物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1 m2 ）的热量。）（12ttFAQa1.2.4 1.2.4 材料的热工性质材料的热工性质20 材料的密度一定时，孔隙率越大，其表观密度越材料的密度一定时，孔隙率越大，其表观密度越小，其导热率也越小。小，其导热率也越小。选用选用：作为保温、隔热材料的选用指标。材料的导作为保温、隔热材料的选用指标。材料的导热热率率越小，材料的绝热性能越好，保温隔热性能越越小，材料的绝热性能越好，保温隔热性能越好。好。 工程中通常把导热系

13、数工程中通常把导热系数0.23W/0.23W/（MKMK）的材料称）的材料称为绝热材料。为绝热材料。 21 2. 2.热容量和比热热容量和比热 热容量：热容量：材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。用热容量系数或比热容表示。比热容的计算式如下所示： 式中：C材料的比热容，J/（gK）； Q材料吸收或放出的热量(热容量)； m材料质量，g； （t2 t1）材料受热或冷却前后的温差，K。 ）（12ttmQC22NoImageNoImage v应用：设计建筑物围护结构进行热工计算时的重要参数。v 设计时选用导热率较小而热容量较大的建筑材料，以使设计时选用导热率较小而热容量较大的建筑材料，以使建

14、筑物保持室内温度的稳定性。建筑物保持室内温度的稳定性。3、热膨胀系数 材料由于温度升高或降低，体积或长度会有所膨胀或收缩，其比率若以两点之间的距离计算，称为线膨胀系数；若以材料体积变化计算，则称为体积膨胀系数。231.3.1强度与比强度强度与比强度v强度强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(不发生不发生形变形变)或抵抗破坏的性能量度或抵抗破坏的性能量度v根据荷载种类与作用方向，强度有：根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗压强度抗拉强度抗拉强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度v工程设计所涉及的材料强度。工程设计所涉及的材料强度。v强度等级强度等级

15、土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干为划分的若干“强度等级强度等级”v比强度比强度材料强度与材料的表观密度之比材料强度与材料的表观密度之比抗压强度测试直接拉伸测试劈裂拉伸测试四点弯曲试验弹性极限强度：材料应力应变曲线上的弹性区最大应力极限强度: 材料应力应变曲线上的最大应力破坏(断裂)强度: 材料破坏(断裂)时的强度f1.3 1.3 材料的力学性质材料的力学性质241.3.2 1.3.2 弹性和塑性弹性和塑性1.1.弹性弹性外力作用产生变形外力作用产生变形, ,外力取消能外力取消能完全恢复完全恢复。指标：指标：弹性模量弹性模量 E意义：意

16、义：E E表示材料抵抗变形的指标，表示材料抵抗变形的指标，E E值越大，材料值越大，材料 越不易变形，即抵抗变形的能力越强。越不易变形，即抵抗变形的能力越强。2.2.塑性塑性外力作用产生变形外力作用产生变形, ,外力取消变形外力取消变形不能恢复不能恢复25 1.3.3 1.3.3 韧性和脆性韧性和脆性 1. 1.脆性脆性无明显塑性变形，突然破坏。无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等 2. 2.韧性韧性产生一定变形不破坏产生一定变形不破坏, ,能吸收较大的能量。能吸收较大的能量。 韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。韧性材料：

17、低碳钢、木材、玻璃钢等。 采用采用冲击试验冲击试验测定。测定。26 1.3.4 硬度和耐磨性 1.硬度抵抗外物压入或刻划的能力。 通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为分为1010个硬度等级。个硬度等级。 回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬也用于测定陶瓷、砖。砂浆、

18、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。度并间接推算其强度。 27NoImage2、耐磨性 是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下： 式中：式中： G G 材料的磨耗率，材料的磨耗率， （g/cmg/cm2 2）；）； m m1 1材料磨损前的质量，（材料磨损前的质量，（g g）；）； m m2 2 材料磨损后的质量，（材料磨损后的质量，（g g）；）； A A材料试件的受磨面积材料试件的受磨面积 （cmcm2 2）。）。 AmmG21281.4 耐久性与环境协调性 1.4.1 耐久性泛指材料在使用条件下，受各种内泛指材料在使用条件下，受各种内在或外