土木工程材料基本性质土木工程材料

1、第1章 土木工程材料基本性质,南华大学杨建明教授,2020/6/30,2.1 材料的组成、结构构造与性质,工程上把能用于结构、机器、器件或其他产品的具有某些性能的物质，称为材料。如金属、陶瓷、超导体、塑料、玻璃等。,2020/6/30,一、材料的组成 材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成 1、化学组成，指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。 2、矿物组成，具有特定的晶体结构，具有特定的物理力学性质的组织结构的物质称为矿物。矿物组成是构成材料的矿物种类和数量。 3、相组成，固、液、气。,2020/6/30,二、材料的结构 材料结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构 1、宏观结构 指

2、用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 按其孔隙特征可分为： （1）致密结构 金属材料、石材、玻璃、塑料、橡胶,2020/6/30,（2）多孔结构 加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料 （3）微孔结构 石膏、低温烧结粘土 按其组织特征可分： （1）堆聚结构 如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料 （2）纤维结构 木材、玻璃钢、岩棉 （3）层状结构 胶合板、蜂窝板、纸面石膏板 （4）散粒结构 砂石、粉煤灰、细砂,2020/6/30,2、细观结构 光学显微镜观察到的结构 只能针对具体材料分 如钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体,碳溶于Fe晶格中的固溶 体，铁素体晶格原子间的间 隙较小，其溶碳能力较低， 室温下仅能溶

3、入小于0.005% 的碳。由于溶碳少而且晶格 中滑移而较多，故其强度 低，塑性较好。,铁与碳的化合物，分子式 Fe2C,含碳量为6.67%， 其晶体结构复杂，性质 硬脆，是钢中的主要强 化组分。,铁素体和渗碳体相间形成的 机械混合物。,2020/6/30,3、微观结构 指原子、分子层结构 电子显微镜或X射线来分析 按微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体 （1）晶体，原子晶体（金刚石、石英）、离子晶体（氯化钠、石膏、石灰岩）、分子晶体（蜡、斜方硫）、金属晶体（铁、钢、铜、铝及合金） （2）玻璃体-非晶体 玻璃体是化学不稳定的结构，容易与其他物质起化学反应。化学活性较高，如火山灰、炉渣、粒化高炉矿渣

4、能与石灰或水泥在有水条件下起水化、硬化作用。,2020/6/30,（3）胶体 10-710-10m固体颗粒。通常分为溶胶结构、凝胶结构、溶胶凝胶结构 材料的构造 材料的构造是指特定性质的材料结构单元相互搭配情况。,2020/6/30,三、材料内部孔隙与性质 1、内部孔隙来源与产生 2、孔隙分类 闭口孔隙、开口孔隙 孔隙、裂隙和溶隙 3、孔隙对材料性质的影响,2020/6/30,2.2 材料的物理性质,一、材料的体积组成 开口孔、闭口孔 块状材料： （1）材料绝对密实体积V； （2）材料孔体积VP（开口VK、闭口VB）； （3）材料自然状态下体积V0。,2020/6/30,散粒材料： 颗粒间体积

5、Vj,2020/6/30,二、材料的密度、表观密度与堆积密度 密度是指物质单位体积的质量，单位为g/cm3或kg/m3。 1、密度 真实密度是指材料在规定条件（1055烘干至恒重，温度20）绝对密实状态下（绝对密度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体积的具有的质量。,2020/6/30,2、表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。 气干表观密度，烘干状态下称干表观密度。 3、堆积密度 堆积密度是指粉状、粒状或纤维在自然堆积状态下单位体积（包括了颗粒的孔隙及颗粒之间的空隙）所具有的质量。,2020/6/30,三、材料的密实度与孔隙度 1、密实度 密实度是指材料体积被固体物质所

6、充实的程度，也就是固体物质的体积Vs占总体积的比例。 2、孔隙率 孔隙率是指材料孔隙体积（包括不吸水的闭口孔隙，能吸水的开口孔隙）与总体积之比。,2020/6/30,四、材料填充率与空隙率 1、填充率 填充率是指某堆积体积中，被散粒材料颗粒所填充的程度。 2、空隙率 空隙率是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体积所占的比例,2020/6/30,五、材料与水有关的性质 1、亲水性与憎水性 润湿角90的材料为亲水性材料。反之90表明该材料为憎水性材料。,图2-1 材料润湿示意图 ( a )亲水性材料；(b)憎水性材料,2020/6/30,2、吸水性 材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。用

7、吸水率表示。 质量吸水率 体积吸水率 如花岗岩等致密岩石的吸水率仅为0.5%0.7%,普通混凝土吸水率为2%3%，粘土砖的吸水率为8%20%，而木材或其他轻质材料吸水率常大于100%。,2020/6/30,3、吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。用含水率表示。 吸湿作用一般是可逆的，也就是说材料既可吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。 材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。,2020/6/30,4、耐水性 材料抵抗水的破坏作用的能力称为材料耐水性。 材料耐水性应包括水对材料的力学性质、光学性质、装饰性质等方面的性质的劣化作用。 用软化系数表示。 强度降低的原

8、因：水分进入材料，材料表面张力作用，产生劈裂破坏作用； 吸水膨胀，材料开裂破坏； 物质发生溶解。 对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.85。,2020/6/30,5、抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，可用渗透系数KS表示。 抗渗等级常用Pn表示，P6表示材料最大能承受0.6Mpa水压力而不渗水。 6、抗冻性 材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。通常采用-15的温度到20水中融化。常用Fn表示。,2020/6/30,五、材料的热工性质 常用热工性质有导热性、热容量、比热容。 1、导热性 材

9、料传导热量的能力称为导热性。用热导率（）表示。热导率在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对表面的温度差为1K时，其单位面积（1m2）单位时间（1s）所通过的热量,2020/6/30,2、比热容和热容量 材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容量。热容量的大小用比热容（简称比热）表示。比热容表示1g材料升高1K时所吸收的热量，或降低1K时放出的热量。,2020/6/30,3、耐火性 指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定，而不损坏的性能。 用耐火度表示。 1）耐火材料 1580，耐火砖 2）难熔材料 13501580 3）易熔材料 1350，粘土砖、玻璃,2020/6/3

10、0,4、耐燃性 1）不燃材料 2）难燃材料 3）易燃材料 5、温度变形 线膨胀系数,2020/6/30,2.3 建筑材料的力学性质,一、材料受力状态 压力、拉力、弯曲（折）、剪切 二、材料的强度 1、强度 材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。 抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度,2020/6/30,2、比强度 指单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值（f/0） 3、材料的弹性与塑性 1）弹性与弹性变形 弹性模量,2020/6/30,2）塑性与塑性变形 图2-2 弹塑性材料变形曲线,2020/6/30,4、材料的脆性和韧性 在外力作用下，当外力达到一定限度后材料突然破坏，无明显的塑性变形的性质称为脆性。 在冲击、震动荷载作用下，材料能承受较大的变形且不致被破坏的性能称为韧性。用aK表示，冲击韧性值，即材料受冲击时单位断面所吸收能量来衡量。,2020/6/30,5、材料的硬度与耐磨性 1）硬度 是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。 按刻划法：1、滑石；2、石膏；3、方解石；4、萤石；5、磷灰石；6、正长石；7、石英；8、黄玉；9、刚玉；10、金刚石。 布氏硬度（钢球压入法）HB,2020/6/30,2）耐磨性 是材料具有的抵抗磨