01 土木工程材料的基本性质ppt课件

1、01 土木工程资料的根本性质.土木工程构造：荷载并经受周围介质的作用。静荷载，动荷载温度，湿度，酸碱介质，海水，地下水土木工程资料的根本性质物理性质；力学性质耐久性质.1.1 资料的组成与构造1.1.1资料的组成资料的组成不仅影响资料的化学性质，也是决议资料物理、力学性质的重要要素。资料的组成包括资料的化学组成、矿物组成和相组成。1化学组成(chemical composition)指构成资料的化学元素及化合物的种类和数量。当与外界自然环境以及各类物质相接触时，要按化学变化规律发生作用。根据化学组成可大致地判别出资料的一些性质，如耐久性、化学稳定性等。.2矿物组成(mineral compos

2、ition)无机非金属资料中具有特定的晶体构造、特定的物理力学性能的组成构造称为矿物。矿物组成是指构成资料的矿物的种类和数量。水泥因所含有的熟料矿物的不同或其含量的不同，那么所表现出的水泥性质就各有差别。例如水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙(3CaO.SiO2) 3760%、硅酸二钙2CaO.SiO21537%、铝酸三钙3CaO.AL2O3715%、铁铝酸四钙4CaO.AL2O3.Fe2O31018%，假设其中硅酸三钙含量提高，那么水泥硬化速度较快，强度较高。.3相组成phase composition资料中具有一样物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界物质可分为气相、液相、和固相。同种物质在温

3、度、压力等条件发生变化时经常会转变其存在的形状，如由气相转变为液相或固相。土木工程资料大多数是多相固体。凡由两相或两相以上物质组成的资料称为复合资料。例如，混凝土可以为是集料颗粒集料相分散在水泥浆基体基相中所组成的两相复合资料。.1.1.2资料的构造资料的构造是决议资料性质的极其重要要素。分为：宏观构造、细观构造和微观构造。1宏观构造(macrostructure)土木工程资料的宏观构造是指用肉眼或放大镜可以分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。按其孔隙特征可分为：1致密构造：可以看作无宏观层次的孔隙存在， 如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。2多孔构造：指具有粗大孔隙的

4、构造， 如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔资料。3微孔构造：是指具有微细孔隙的构造， 如石膏制品、烧粘土制品等。 .按存在形状或构造特征分为：1堆聚构造：由集料与胶凝资料胶结成的构造。 如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。2纤维构造：由纤维状物质构成的资料构造。如木材、玻璃钢、岩棉、钢玻璃纤维加强水泥混凝土与制品等。3层状构造：天然构成或人工采用粘结等方法将资料迭合而成层状的资料构造。 如胶合板、纸面石膏板、蜂窝夹芯板、各种新型节能复合墙板等。4散粒构造：如指松散颗粒状构造。如混凝土集料、膨胀珍珠岩等。.2细观构造(submicroscopical structure)细观构造原称

5、亚微观构造是指用光学显微镜所能察看到的资料构造。其尺寸范围在10-310-6m。土木工程资料的细观构造。只能针对某种详细资料来进展分类研讨。混凝土可分为基相、集料相、界面；天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织；钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体；木材可分为木纤维、导管髓线、树脂道；资料细观构造层次上的各种组织性质各不一样，这些组织的特征、数量、分布和界面性质对资料性能有重要影响。.3微观构造(microstructure)微观构造是指原子分子层次的构造。可用电子显微镜或X射线来分析研讨该层次上的构造特征。微观构造的尺寸范围在10-610-10m。资料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导

6、电性都是由其微观构造所决议的。在微观构造层次上，资料可分为晶体、玻璃体、胶体。.1晶体(crystal)质点离子、原子、分子在空间上按特定的规那么呈周期性陈列时所构成的构造称晶体构造。晶体具有如下特点：特定的几何外形，这是晶体内部质点按特定规那么陈列的外部表现。各向异性，这是晶体的构造特征在性能上反映。固定的熔点和化学稳定性，这是晶体键能和质点所处最低的能量形状所决议的。结晶接触点和晶面是晶体破坏或变形的薄弱部分。.根据组成晶体的质点及化学键的不同，晶体可分为：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：以分子间的范围

7、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，由自在电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁资料。.资料在微观构造上的差别，强度、变形、硬度、熔点、导热性等各不一样。可见微观构造对其物理力学性质影响宏大。土木工程资料中占有重要位置的硅酸盐，其构造是由硅氧四面体单元SiO4图1-1与其它金属离子结合而成，其中就是由共价键与离子键交互构成的。.图1.1 硅氧四面体表示图SiO4四面体可以构成链状构造，如石棉。其纤维与纤维之间的键合力要比链状构造方向上的共价键弱得多。所以容易分散成纤维状。.粘土、云母、滑石等那么是由SiO4四面体单元相互连结成片状构造，许多片状构

8、造再迭合成层状构造。层与层之间是由范德华力结合的，故其键合力弱，此种构造容易剥成薄片。石英是由SiO4四面体构成的立体网状构造，所以具有巩固的质地。 .2玻璃体(vitreous body)玻璃体也称无定形体或非晶体。玻璃体的结合键为共价键与离子键。其构造特征为构成玻璃体的质点在空间上呈非周期性陈列。如图1-2所示。具有一定化学成分的熔融物质，假设经急冷，那么质点来不及按一定规那么陈列，便凝固成固体，此时那么得玻璃体构造。玻璃体是化学不稳定的构造，容易与其它物质起化学作用。如火山灰、炉渣、粒化高炉矿渣与石灰在有水的条件下起硬化作用，而被利用作土木工程资料。玻璃体在烧土制品或某些天然岩石中起着胶

9、粘剂的作用。.图1.2 晶体与非晶体原子陈列表示图.3胶体(colloid)粒径为10-710-9m的固体颗粒作为分散相，称为胶粒，分散在延续相介质中构成的分散体系被称为胶体。溶胶构造-胶体构造中胶粒较少，液体性质对胶体构造的强度及变形性质影响较大。凝胶构造-假设胶粒数量较多，胶粒在外表能的作用下发生凝聚作用，或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相联，构成空间网络构造，从而使胶体构造的强度增大，变形性减小，构成固态或半固形状。与晶体及玻璃体构造相比，胶体构造强度较低、变形较大。.1.2 资料的根本物理性质1.2.1 资料的密度、表观密度与堆积密度1密度density密度是指资料在绝对密实形状下，

10、单位体积的质量。按下式计算：.式中: -密度(g/cm) m-资料在枯燥形状下的质量(g) v-资料在绝对密实形状下的体积(cm)密度丈量仪器.绝对密实形状下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数资料外，绝大多数资料都有一些孔隙。在测定有孔隙资料的密度时，应把资料磨成细粉，枯燥后，用李氏瓶测定其密实体积。资料磨得越细，测得的密度就越准确。砖、石材等块资料的密度即用此法测得。李氏瓶.在丈量某些致密资料如卵石等的密度时，直接以块状资料为试样，以排液置换法丈量其体积，资料中部分与外部不连通的封锁孔隙无法排除，这时所求得的密度称为近似密度。混凝土配合比中，砂、石用量计算时往往需求知道的是

11、砂、石的近似密度。.2表观密度apparent density表观密度是指资料在自然形状下，单位体积的质量，按下式计算：式中:0- 表观密度 m-枯燥资料的质量 v0-资料自然形状下的体积.资料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当资料孔隙内有水分时，其分量和体积均将有所变化，故测定表观密度时，须注明其含水情况。普通是指资料在气干形状长期在空气中枯燥下的表观密度。在烘干形状下的表观密度，称为干表观密度。.3堆积密度bulk density堆积密度是指粉状或粒状资料，在堆积形状下，单位体积的质量，按下式计算：式中: o-堆积密度松散密度(Kg/m) m -枯燥质量(Kg) vo-资料的堆积体积(m

12、).测定散粒资料的堆积密度时，资料的质量是指填充在一定容器内的资料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，资料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙体积。1.2.2资料的密实度与孔隙率1密实度(dense condition)密实度是指资料体积内被固体物质充实的程度; 2孔隙率(porosity)孔隙率是指资料体积内，孔隙体积所占的比例。.密实度(dense condition)定义： 资料体积中固体物质充实的程度。公式 ：孔隙率定义： 资料体积中孔隙体积所占的比例。公式 ：.孔隙分类 1连通孔和封锁孔 2按孔隙尺寸大小可分为粗孔、细孔和微孔。 孔隙及其对资料性能的影响 孔隙率与密实度的关系：P

13、+D=1 资料的总体积是由固体物质及资料内部的空隙组成的。封锁孔连通孔资料的孔隙表示图.孔隙率的大小直接反映了资料的致密程度。资料内部孔隙的构造，可分为连通的与封锁的两种，如下图，连通孔隙不仅彼此贯穿且与外界相通。而封锁孔隙那么不仅彼此不连通且与外界相隔绝。散粒资料孔隙构造表示图.孔隙对资料性能的影响孔隙率与强度的关系见右图：随着孔隙率增大，表观密度提高，吸水率降低，强度和耐久性提高。吸水率强度耐久性表观密度孔隙率孔隙对资料性能的影响.1填充率(fill ratio)填充率是指散粒资料在某堆积体积中，被其颗填充的程度。2空隙率(void ratio)空隙率是指散粒资料在某堆积体积中，颗粒之间的

14、空隙体积所占的比例。1.2.3 资料的填充率与空隙率.空隙率的大小反映了散粒资料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的根据。空隙率.1.2.4资料的亲水性和憎水性(hydrophilic and hydrophobic nature)资料与水接触，首先遇到的问题就是资料能否能被水润湿。润湿是水被资料外表吸附的过程。它和资料本身的性质有关。 当水与资料在空气中接触时，将出现几种情况，在资料、水和空气的交界处，沿水滴外表的切线与水和固体接触面所成的夹角润湿边角愈小，浸润性愈好。 .资料润湿角表示图90o 90180亲水性和憎水性.假设润湿边角为零，那么表示该资料完全

15、被水所浸润；当润湿边角90时，如下图，水分子之间的内聚力小于水分子与资料分子间的相互吸引力，此种资料称为亲水性资料;当90时。如下图，水分子之间的内聚力大于水分了与资料分子间的吸引力，那么资料外表不会被浸润，此种资料称为憎水性资料。这一概念也可运用到其他液体对固体资料的浸润情况，相应地称为亲液性资料或憎液性资料。.1.2.5资料的吸水性与吸湿性1吸水性(water absorption)资料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。资料的吸水性用吸水率表示。吸水率再以下两种表示方法：1质量吸水率质量吸水率是指资料在吸水饱和时，内部所吸不分的分量占资料干重的百分率。2)体积吸水率体积吸水率是指资料在吸水

16、饱和时，其内部所吸水分的体积占枯燥资料在自然形状下的体积的百分率。 .质量吸水率 体积吸水率 m1资料在吸水饱和形状下的质量(g) m2资料在枯燥形状下的质量g V 资料在自然形状下的体积cm3 .资料中所吸水分是经过开口孔隙吸入的。故开口孔隙率愈大，那么资料的吸水量愈多。资料吸水达饱和时的体积吸水率，即为资料的开口孔隙率。资料的吸水性与资料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，那么吸水率愈大，闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率依然较小。花岗岩的吸水率只需0.5%0.7%，混凝土的吸水率为2%3%，粘土砖的吸水率达8%20%，而

17、木材的吸水率可超越100%。.2吸湿性(moisture absorption)资料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿资料在枯燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。资料的吸湿性用含水率表示。含水率系指资料内部所含水量总重占资料干重的百分率。 资料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改动。资料中所含水分与空气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资料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热资料，在潮湿空气中能吸收很多水分。这是由于这类资料的内外表积大，吸附水的才干强所致。.资料的吸水性和吸湿性均会对资料的性能产生不利影响。资料吸水后会导致其本身质量增大，绝热性降低，强度和耐久

18、性将产生不同程度的下降。资料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响运用。不过利用资料的吸湿可起降湿作用，常用于坚持环境的枯燥。.1.2.6资料的耐水性(water resistance)资料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。资料的耐水性用软化系数表示 。普通来说，资料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是由于水分被组成资料的微粒外表吸附，构成水膜，减弱了微粒间的结合烽所致。KR值愈小，表示资料吸水饱和后强度下降愈大。如粘土KR =0，而金属KR =1，工程中将 KR0.85的资料，称为耐水的资料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要构造时，必需选用 KR0.85的建筑资料。对用于

19、受潮较轻或次要构造物的资料，其KR值不宜小于0.75。.定义： 抵抗压力水浸透的性质。 目的： 浸透等级 式中：W-渗水量；d-试件厚度；A-渗水面积；H-水头差；t-渗水时间 抗渗等级(P)：能抵抗最大水压力 1.2.7资料的抗渗性(impermeability).资料抵抗压力水浸透的性质称为抗渗性，或称不透水性。资料的抗渗性通常用浸透系数表示。浸透系数既为一定厚度的资料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。资料浸透的水量愈多，即抗渗性愈差。抗渗等级是以规定的试件，在规范实验方法下所能接受的最大水压力来确定，以符号“Pn表示，如P4、P6、P8等分别表示资料能能抵抗的最大水

20、压力0.4、0.6、0.8Mpa的水压而不渗水。.资料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。细微连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙愈多，资料的抗渗性愈差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙率大的资料，其抗渗性依然良好。开口大孔水最易渗入，故其抗渗性最差。抗渗性是决议资料耐久性的重要要素。在设计地下建筑、压力管道、容器等构造时，均需求求其所用资料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水资料质量的重要目的 .1.2.8资料的抗冻性(frost resistance)资料在水饱和形状下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。称为资料的抗冻性。资料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在

21、规定实验条件下，测得其强度损失不超越25%，并无明显损坏和剥落，质量损失不超越5%，所能经受的冻融循环次数在-15的温度下冻结后，再在20的水中融化，为1次循环，以此作为抗冻等级，用符号“Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等，.资料抗冻等级的选择，是根据构造物的种类、运用条件、气候条件等来决议的。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体资料，普通要求其抗冻等级为F15、F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200而水工混凝土要求高达F500。从外界条件来看，资料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等要素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁

22、，那么资料受冻破坏愈严重。资料的冻融破坏作用是从外外表开场产生剥落，逐渐向内部深化开展。抗冻性良好的资料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的才干较强。所以抗冻性常作为调查资料耐久性的一项目的。在高计冰冷地域及冰冷环境如冷库的建筑物时，必需求思索资料的抗冻性。处于暖和地域的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的内化作用，大确保建筑物的耐久性，也常对资料提出一定的抗冻性要求。.资料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致(水结冰时体积增大约9%)。资料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。极细的孔隙，虽可充溢水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁不的水其冰点很低，它在普通负温下会结冰；

23、粗大孔隙普通水分不会充溢其中，对冰胀破坏可起缓冲作用；闭口孔隙水分不能渗入；而毛细管孔隙既易充溢水分，又能结冰，故其对资料的冰冻破坏作用影响最大。资料的变形才干大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高。普通以为软化系数小于0.80的资料，其抗冻性较差。.1.2.9资料热工性能1资料的导热性(thermal conduction)当资料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧经过资料传送到温度低的一侧，资料的这种传导热量的才干，称为导热性。资料的导热性用导热系数来表示。导热系数的物理意义即为厚度为1m的资料，当温度改动1K时，在1s时间内经过1m2面积的热量。 .资料传送热量的性质称为导热性，以导热

24、系数表示，即 式中：资料的导热系数，w/mK； Q 总传热量，J； a 资料厚度，m； A 热传导面积，m2； .资料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种资料的导热系数差别很大，如泡沫塑料=0.03 W/(mK)，而花岗石=2.9 W/(mK)。工程中通常把0.23 W/(mK)的资料称为绝热资料。为降低建筑物的运用能耗，保证建筑物室内气候宜人，要求建筑物有良好的绝热性。.2资料的热容量(heat capacity)资料受热或冷却时吸收或放出热量的性质称为资料的热容量，用比热容表示。比热容的物理意义即为质量为1g的资料，当温度升高或降低1K时所吸收或放出热量。式中C 资料的比热容，kJ(k

25、gK)。 Q 资料的热容量，kJ； m 资料的分量，kg； t1-t2 资料受热或冷却前后的温度差 K；.比热容与资料质量之积为资料的热容量值，它表示当温度升高或降低1K时，资料所吸收或放出热量。热容量值大，资料本身能吸收或储存多较的热量，对于降低能耗，坚持室内温度有良好的作用。资料中热容量最大的是水，其比热容C=4.19 J/gK，因此蓄水的平屋顶能使室内冬暖夏凉。.1.3 资料的根本力学性质1.3.1资料的实际强度(theoretical strength)固体资料的强度多取快于构造质点原子、离子、分子之间的互作用力。以共价键或离子键结合的晶体，其结合力比较强，资料的弹性模量值也较高。而以

26、分子键结合的晶体，其结合力较弱，弹性模量值也较低。资料受外力荷载作用而产生破坏的缘由，主要是由于拉力呵斥结合键的断裂，或是由于剪力呵斥质点间的滑移而破坏。资料受压力破坏，实践上也是由压力引起内部产生拉应力或剪应力而呵斥了破坏。 .资料的实际强度远大于资料的实践强度,这是由于资料实践构造中都存在着许多缺陷,如晶格的位错、杂质、孔隙、微裂痕等。当资料受外力作用时，在裂痕端部产生应力集中，其部分应力将大大超越平均应力，引起了裂痕不断扩展、延伸以致相互连通起来，最后导致资料的破坏。.1.3.2资料的强度(strength)这里所讲的是资料的实践强度。资料在外力荷载作用下低抗破坏的才干称为强度。当资料接

27、受外力作用时，内部就产生应力。外力逐渐添加，应力也相应地加大。直到质点间作用力不再可以接受时，资料即破坏，此时极限应力值就是资料的强度。根据外力作用方式图1.6 资料受力表示图a压力 b拉力 c弯曲 d剪切。 Compressive strength、tensile strength、bending strength、shear strength等 .a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切.一样种类的资料，随着其孔隙率及构造特征的不同，使资料的强度也有较大的差别。普通孔隙率越大的资料强度越低，其强度与孔隙率具有近似直线的比例关系。砖、石材、混凝土和铸铁等资料的抗压强度较高，而其抗拉及抗弯强度很低

28、。因此，砖、石材、混凝土等多用在房屋的墙和根底。木材那么顺纹抗拉强度高于抗压强度。钢材的抗拉、抗压强度都很高。钢材那么适用于接受各种外力的构件。 .1.3.3 弹性与塑性(elasticity and plasticity)资料在外力作用下产生变形，当外力取消后，可以完全恢复原来外形的性质称为弹性，这种完全恢复的变形称为弹性变形或瞬时变形在外力作用下资料产生变形，假设取消外力，仍坚持变形后的外形和尺寸，并且不产生裂痕的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形或永久变形。单纯的弹性资料是没有的。建筑钢材在受力不大的情况下，表现为弹性变形，但受力超越一定限制后，那么表现为塑性变形。混凝土在受力后，弹性变形及塑性变形同时产生(图1