第 一 章 土木工程材料导论

1、第 一 章 土木工程材料导论第1页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六1三问：What ? How ? Which ? 土木工程要求材料具备什么性能（What）?土木工程材料如何满足工程要求（How）?本章学习哪些内容（Which）?第2页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六2 土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具备哪些性能？第3页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六3土木工程材料如何满足性能要求？材料的组成材料的结构材料的构造材

2、料的复合第4页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六4性能组成结构材料的组成结构性能关系材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心第5页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六5本 章 主 要 内 容材料的组成与结构材料的技术性能及其测试方法第6页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六6土木工程材料的组成与结构Composition and Structure of Civil Engineering Materials 组成 化学组成 物相组成结构微观结构细观结构宏观结构材料的的构造第7页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六

3、7土木工程材料的组成与结构Composition and Structure of Civil Engineering Materials 组成 化学组成 相组成结构微观结构细观结构宏观结构材料均由各种物相组成每种物相由化合物组成化合物由分子组成分子由原子组成材料的化学组成： 元素 化合物材料的物理状态： 固态连续相分散相：纤维与颗粒 气态 液态胶态分布的孔隙及其含量包含的液体种类与含量矿 物化合物沥青类材料、油漆等材料的物理状态可以互相转变水（液态）冰（固态）水晶（晶体SiO2 ）玻璃（非晶态SiO2 ）第8页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六8化学组成 化学组成指材料中

4、所含化学成分（元素、单质或化合物）的种类和含量。例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； 硅酸盐水泥所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、CaCO3等。第9页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六9物相：材料中所含的物理和化学性质完全均匀的组分称为物相，在指定条件下各物相间有明显的界面，在界面上宏观性质发生跳跃式改变。物相组成 土木工程材料中的物相种类及其含量。例如：物相组成

5、硅酸盐水泥熟料中的主要矿物相有： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙钢材中的物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体气体：不论混有多少种气体，只有一个物相，气相液体：按互溶程度可以有一相、两相或多相共存（水-油）固体：与种类相同第10页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六10化学组成与物相组成的关系化学组成相同，其物相组成不一定相同；例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O，但它有-、-、- 等3种物相。不同的物相，其化学组成可能相同。例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。物相组成相同，其化学组成一定相同。第11页，共

6、61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六11材料组成与性能的关系材料化学组成微小差异，可导致性能很大或根本性改变聚氯乙烯树脂-CH2-CHCl-n ，不溶于水聚乙烯醇-CH2-CHOH-n ，水溶性材料物相组成的变化可导致材料发生质的突变纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆， 原因是含C量的微小差别导致物相改变，同理，钢不锈钢石墨-金刚石，C的同素异形体两条基本原则： 在选用材料时，必须了解材料的化学组成和物相组成； 可以通过改变材料的组成来改善材料的性能。第12页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六12二、 材料的结构材料的结构材料中所含各物相的类型、尺寸

7、、形状、数量及其分布。物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。材料结构层次：宏观构造细观结构微观结构尺寸为 10-3m(肉眼可分辩)尺寸为10-6 10-3m(光学显微镜可辩)尺寸为10-6m(电子显微镜)尺寸为10-1010-8m(高倍电镜)第13页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六131. 宏观构造 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性质的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10-3m以上，肉眼可分辨。如：材料内部的孔隙特征和孔结构；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。混凝土的宏观结构

8、天然石膏晶体颗粒的堆积结构纤维轴向平行气泡堆积结构蜂窝结构第14页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六142 . 细观结构 材料是由多物相和多晶体构成的。细观结构的尺寸范围为10-610-3m，它是指材料内部组织结构和各物相的堆积结构。如：钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相 的堆积结构等；高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。铁碳合金的细观组织结构照片天然岩石的细观结构木材的细观结构第15页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六153. 微观结构微观结构指尺寸范围在10-1010-6m内，组成材料的化合物或 矿物的组织状

9、态，是分子、原子与离子排列、连接的结构状态。根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体第16页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六16 晶 体结构特点 晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。 晶体类型 根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为：1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等；2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；3）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等；4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。 第17页，共61页，2022

10、年，5月20日，2点22分，星期六17晶体矿物具有规则的几何外形石英晶体第18页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六18晶体中原子排列的作用原子排列 研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径；才能根据工程结构要求，选择合适的材料。组织性能 第19页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六19 非晶态结构 也称无定型结构。结构特点：质点排列无序，且无周期性；没有固定的几何外形。种类：玻璃体结构胶体结构如硅酸钠玻璃是典型的玻璃体结构，其结构中，Na、Si、和O离子无序堆积。而石英玻璃是晶体，其结构中S

11、i、和O离子有序堆积。 胶体结构只由微细的固体粒子和分散介质（液体）组成的结构当固体粒子含量较少，并分散在介质中则构成溶胶结构；当固体粒子含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。如：CSH凝胶、沥青、塑料、密封材料胶体的微观结构针状晶体的微观结构第20页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六20材料的构造定义：指多物相材料所含各种单相材料的宏观堆积织构。分类：堆聚结构、纤维结构、层状结构、多孔结构、散粒结构等典型工程材料的结构与构造复合材料：第21页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六21土木工程材料的技术性能及其测试方法物理性质 Physical Proper

12、ties密度 Density热学性质 Thermal Properties电与磁性质 Electrical and magnetic Properties声学性质 Acoustical Properties光学性质 Optical Properties力学性质 Mechanical Properties耐久与安全性质 Durability and innoxious第22页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六22土木工程材料的物理性质General Properties of Civil Engineering Materials基本性质 General Properties

13、密度 Density or Relative Density孔隙率 Porosity与水有关的性质热学性质 Thermal Properties声学性质 Acoustical Properties光学性质 Optical Properties第23页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六231、质量与体积 密度 表观密度0 堆积密度0 密 度 单位体积材料的质量密度 体积与质量是可变的，密度是不变的 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状态有关 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。 材料在自然状态下，单位体积的质量。散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。绝对密实状态 下，m

14、/V自然堆聚状态下，m/V0松散堆积状态下，m/V0第24页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六24密度、表观密度和堆积密度测量方法密度 试样 粉末；体积测量排液法。表观密度 试样 块体；体积测量直接测、蜡封排液法。堆积密度 试样颗粒；质量测量固定体积法排除任何孔隙后，材料的绝对密实体积自然状态下体积绝对密实体积孔隙(开口与闭口)体积堆积体积自然状态体积堆积空隙体积为什么要蜡封？第25页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六25材料密度与组成、结构的关系原子的质量固体相的摩尔质量固体相的微观结构固体相的堆聚结构孔隙率颗粒的堆积结构空隙率轻原子组成的材料，其密度

15、较小，如铝Al重原子组成的材料，其密度较大，如铁Fe组成材料的化合物或矿物的摩尔质量越大，其密度越大晶体相的密度大于非晶体相胶体相的密度小于玻璃体晶体相的密度取决于晶体结构孔隙率越大，材料的表观密度越小反之亦然空隙率越大，材料的堆积密度越小，反之亦然第26页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六26问题 ？对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 答：密度表观密度堆积密度原因：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。什么是视密度？如何测量？第27页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六272、孔隙率（P）

16、与密实度（D）的计算 1) 孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态： P=1 100% V0-V100%0V0图1-1 材料孔隙率示意图 孔隙率测试方法：体积/密度法：分别测量材料的表观何种与密实体积，或表观密度与密度，由孔隙率公式计算饱和吸水法：已知体积或质量的材料浸入装有足量水的烧杯中，让材料饱和吸水，测量所吸水的何种，可计算开口孔隙率压汞法：试样在压汞仪中抽真空，在一定压力下使液态汞进行材料孔隙，通过测量不同压力下压入孔隙中汞的何种，可计算孔隙率、孔径分布等氮吸附法：测量材料内部小孔的孔隙率第28页，共61页，2022年，5月20日，2点

17、22分，星期六282) 密实度 定义：材料体积中被固体物质充实的程度D， D= 100% = 1P 材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越小、导热性越大。VV0第29页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六29孔隙对材料性能的影响 空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材料性能的影响第30页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六30例 题 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让

18、其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？ 第31页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六31解答：1） Vo=10L, m0=13.5kg; 0 =（m0/V0）= 13.5/10 = 1.3513.5 kg/m3

19、m=1000g, 吸水后质量=1036g. 水的密度1。 则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.404 V=18.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.662) P = 10/ 100% =(12.404/2.66)=9.624% 其中： P开= 36/416=8.653% P闭= 9.6248.65=0.974%3) D=1P=90.376% P=10/0 100% =(11.35/2.404)=43.8% D=1P=143.8%=56.2%碎石在水中吸水的质量开口孔隙体积第32页，共61页，2022

20、年，5月20日，2点22分，星期六32材料与水有关的性质与水有关的性质（材料的表面性质） 表面能与表面张力亲水性和憎水性 吸水性 耐水性 吸湿性第33页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六33表面能与表面张力表面层分子的势能大于本体分子，材料表面有富余的势能表面能（表面张力）表面活性：物质甲能显著降低物质乙的表面张力，常称甲对乙有表面活性，能显著降低表面活性的物质称为表面活性剂第34页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六34固体表面的润湿性亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic Properties第35页，共61页，2022

21、年，5月20日，2点22分，星期六351、亲水性与憎水性 根据水与材料表面的润湿角（接触角）的大小，有： cos=(sg-sl)/lg亲水性 0 90时，材料表面可被水所湿润；材料表面被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲水性材料。憎水性 90 180时，材料表面不可被水湿润，材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性。第36页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六36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

22、。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。第37页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六37吸水性和吸湿性 吸水性材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。吸湿性材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用平衡含水率表示。 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： 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。 亲水性材料的吸水（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

23、使水吸入。第38页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六38含水率、吸水率、平衡含水率含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比： w = 100% 式中：m材料干燥状态下的质量，g; m1材料在含水状态下的质量，g。吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 100%式中： m2材料在吸水饱和状态下的质量，g。平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环境中湿度达到平衡时的含水率。m2mmm1mm第39页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六39创新思维？1、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法阻

24、塞毛细通道，技术措施？对材料中的毛细管壁进行憎水处理第40页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六40二、热学性质 热传导性与导热系数 比热容与热容 线膨胀系数 最高使用温度材料线膨胀系数的测量线膨胀系数的单位：/C材料的线膨胀系数与组成和结构有关：有机材料金属材料无机非金属材料非晶体材料晶体材料材料导热性的测量材料的导热性用导热系数或热阻表示导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙特征有关：金属非金属；多孔材料密实材料封闭孔隙开口连通孔隙第41页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六41三、声学性质吸声性与吸声系数声能穿透材料和被材料消耗的性质称为吸声性；工程材料的

25、吸声性用吸声系数表示。隔声性隔空气声 隔绝由空气传播的声能隔固体声 隔绝由于声源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发出的声能。材料的隔声能力用隔声量R表示，单位为dB。第42页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六42四、光学性质光吸收比 材料吸收的光通量与入射光通量之比。光反射比 材料反射的光通量与入射光通量之比。光透射比 透过材料的光通量与入射光通量之比。透明性 材料的透明性也是与光线有关的性质。既能透光又能透视的物体称为透明体；只能透光不能透视的物体称为半透明体；既不能透光又不能透视的物体称为不透明体。 光泽 光泽主要是材料的镜面反射所产生的反射光。 第43页，共61页

26、，2022年，5月20日，2点22分，星期六43工程材料的力学性质Mechanical Properties of Engineering materials强度与比强度弹性与塑性脆性与韧性第44页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六44强度定义： 强度指材料抵抗外力作用下产生破坏的能力。 强度分类及公式:请点击右键选择“播放”观看Flash动画第45页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六451、强度与比强度强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度工程设计所涉

27、及的材料强度。强度等级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“强度等级”比强度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)时的强度第46页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六46弹性及弹性材料 弹性：外力的作用下产生变形,外力取消后,能够完全恢复原来形状的性质。弹性材料：具有弹性的材料。塑性及塑性材料 塑性：作用下产生变形,外力取消后,仍保持变形后的形状和尺寸,并且不产生裂纹的性质。 塑性材料：具有塑性的材料

28、。常见塑性材料:砼拌合物,水泥浆,石灰膏,沥青等。弹性和塑性第47页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六47 b a 变形荷载 0Aab弹性变形弹塑性材料的变形曲线ob塑性变形第48页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六48脆性：材料受外力达到一定程度后突然破坏,破坏时无明显的塑性变形的性质。脆性材料：具有脆性的材料。石材、水泥混凝土、砂浆、玻璃和陶瓷等属于脆性材料。荷载A变形脆性与韧性脆性材料的变形曲线第49页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六49 韧性：在冲击外力和震动荷载作用下,材料能吸收大量的能量，产生一定变形而不致破坏的性质。

29、韧性材料：具有韧性的材料 钢材和木材等材料均属于韧性材料。 特点：有较高的抗拉和抗压等强度。钢材以抗拉强度极限划分等级。利用之可制备复合材料。 脆性与韧性对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。第50页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六50（1）硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。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、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10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

30、的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。硬度和耐磨性第51页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六51 耐磨性 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：式中： G 材料的磨耗率， （g/cm2）；m1材料磨损前的质量，（g）；m2 材料磨损后的质量，（g）； A材料试件的受磨面积 （cm2）。第52页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六52材料的耐久性Durability of Civil Engineering Mterials材料耐久性与土木工程的服役寿命影响材料耐久性的因素材料的耐久性能及其测试方法第53页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六53一、材料的耐久性与工程服役寿命 耐久性 材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因素的作用或影响，持久保持外观和使用性能不变的能力。 工程服役寿命 因材料性能的劣化，使得工程在使用环境下服役到功能的最低要求时所经历的时间服役寿命。材料耐久性与工程服役寿命息息相关。第54页，共61页，2022年，5月20日，2点22分，星期六54二、影响材料耐久性的因素 材料在使用中会被破坏的原因有两方面：内因，材料自身的内部因素因：材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH)2、挥发份、杂质等；