绪论第一章(土木工程材料).ppt

1、土木工程：土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。 它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养维修等技术活动；也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆上或水中 ，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、运输管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水和排水以及防护工程等。,土木工程材料,理论（80分）：(第28周）共40学时 实验（20分）：8个学时，每次实验2个 学时， 每周一次，共4次， 时间： 地点：水电学院B楼后面建 筑材料实验室,绪论,一、建筑材料的定义 二、建筑材料的分类 三、建筑材料在建筑工程中的地位

2、和作用 四、建筑材料的发展概况和发展方向 五、建筑材料的标准化,一、建筑材料的定义,建筑材料指建筑工程中使用的各种材料及制品，它是一切建筑工程的物质基础。 如常见的砖、石材、石灰、木材、水泥、混凝土、钢材、陶瓷砖、沥青、玻璃、涂料等。,二、 建筑材料的分类,1、按材料组成分类,无机材料,有机材料,复合材料,金属材料,非金属材料,天然有机材料,合成有机材料,有机与无机复合,金属与非金属复合,有色金属,黑色金属,无机材料,金属材料： 黑色金属钢铁、不锈钢 有色金属铝、铜、铝合金 非金属材料： 天然石材砂、石等 烧土制品粘土砖、瓦、陶瓷 胶凝材料石灰、石膏、水泥 无机纤维材料玻璃纤维、碳纤维,有 机

3、 材 料,植物材料：木材、竹材、植物纤维等 沥青材料：石油沥青、煤沥青和页岩沥青 合成高分子材料：橡胶、塑料、涂料、胶粘 剂、合成纤维,复 合 材 料,有机无机非金属：树脂混凝土、玻 璃纤维增强塑料 等 金属非金属：钢筋混凝土、钢纤维 混凝土 金属无机材料：PVC钢板、塑钢等,2、按功能和使用部位分类,结构材料构成建筑物受力构件（梁、板、柱、基础、框架）和结构所用的材料。常用石材、混凝土、钢材、钢筋混凝土等。 墙体材料构成建筑物内外和分隔室内空间所用的材料。砖、砌块、复合板材等。 建筑功能材料具有某种特殊功能的非承重材料。如防水材料、吸声材料、装饰材料等。,三、建筑材料在建筑工程中的地位和作用

4、,是一切建筑工程的物质基础 与建筑结构与施工相互促进相互依存 决定建筑物的功能和使用寿命 建筑材料的质量直接关系到建筑工程的质量 决定工程的造价,四、建筑材料的发展概况和发展方向,历史上传统建筑材料的应用 建国以来建材及建材工业的发展 改革开放以后建材工业的发展 我国建材工业的现状及发展方向,历史上我国建筑材料的应用 我国的建筑材料主要是天然石材、木材、砖、石灰等一些材料。古代劳动人民在建筑材料的生产和使用方面，取得了许多重大成就。例如： 万里长城 福建泉州的洛阳桥 山西五台山木结构的佛光寺大殿 河北赵州桥,建国以来建材及建材工业的发展,解放后，建材工业的发展随着国民经济的发展而迅猛发展。,改

5、革开放后建材工业的发展,改革开放后，我国建材工业更是得到突飞猛 进的发展。在世界建材生产中占的比例大幅度地提高。特别是装饰材料的发展，更是日新月异。,发展方向,加强材料的耐久性设计和研究； 建设具有中国特色的新技术结构，发展新技术、新工艺、新产品； 建设高效益的新产业结构，产品的技术含量和档次进一步提高； 建筑材料向轻质、高强、多功能方向发展。充分利用工业废料，能耗低，可循环使用、不破坏生态平衡、有效保护天然资源。,五 建筑材料的标准化 1、 建筑材料的标准及其作用,建材工业企业必须严格按技术标准进行设计、生产、以确保产品质量，生产出合格的产品。 建筑材料的使用者必须按技术标准选择、使用质量合

6、格的材料，使设计、施工标准化，以确保工程质量，加快施工进度，降低工程造价。 供需双方，必须按技术标准规定进行材料的验收，以确保双方的合法权益。,我国的现有标准,建筑材料的技术标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。 国家标准是全国通用标准，是国家指令性技术文件。,标准的表示方法：标准名称、标准 代号、发布顺序号和批准年份等。,建筑材料的技术标准与规范,六、本课程的内容,本课程主要讲述建筑工程中常用建筑材料的原材料及生产工艺、品种与规格、主要技术性质、质量标准、检验方法、应用和保管等基本知识。 掌握建筑材料的性能及其在工程中的应用，是学习本课程的重点，必须懂得如何选择和使用建筑材料。,1

7、 建筑材料基本性质,1、 材料的物理性质 2、 材料的基本力学性质 3、 材料的耐久性 4、 材料的组成、结构、构造对材料性质的影响,1、材料的物理性质 The Physical Properties of Building Materials,（1）材料的基本物理性质 （2）材料与水有关的性质 （3）材料与热有关的性质,（1）材料的基本物理性质,1 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量用表示。按下式计算：,材料的绝对密实体积是指不包括材料孔隙在内的体积。钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。,大多数有孔隙的材料，在测定材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定其体积。材

8、料磨得越细，测得的密度数值就越精确。,2 表观密度 材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度，用 表示。按下式计算：,材料在自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙的体积。,当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积（可以忽略）均有所变化，故测定表观密度时，须注明其含水情况。 按照含水状态分为：干表观密度、气干表观密度和饱和表观密度。,孔隙的分类 按尺寸大小： 微细孔隙（D0.01mm) 细小孔隙（ 0.01mm D 1mm) 粗大孔隙（D1mm) 孔隙的构造： 开口孔隙 闭口孔隙,干表观密度（干燥状态） 气干表观密度 （与空气湿度 平衡时的状态）,饱和表观密度（吸水饱和状态）,3堆积密度 散粒或粉状

9、材料，如砂、石子、水泥等，在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度，用 表示。按下式计算：,由于散粒材料堆积的紧密程度不同，堆积密度可分为疏松堆积密度、振实堆积密度和紧密堆积密度。,3 孔隙率 在材料自然体积内孔隙体积所占的比例，称为材料的孔隙率，用表示。按下式计算：,V,孔隙率=开口孔隙率+闭口孔隙率,开口孔隙率Pk=,闭口孔隙率Pb=,5 空隙率 散粒材料自然堆积体积中颗粒之间的空隙体积所占的比例称为散粒材料的空隙率。用下式计算：,五 材料的压实度与相对密度（较少使用）,（2）材料与水有关的性质,1 材料的亲水性与憎水性 亲水性：材料能被水润湿的性质 亲水性材料：砖、木材、混凝土 憎水性

10、：材料不能被水润湿的性质 憎水性材料：石蜡、沥青、油漆、塑料,（a）亲水性材料 （b）憎水性材料,2 吸水性和吸湿性 吸水性：材料浸入水中吸收水的能力称为材料的吸水性，常用质量吸水率表示：,m材料干燥状态下的质量 m1材料吸水饱和状态下的质量,体积吸水率： 指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占自然状态体积的百分率。,吸水饱和状态时，吸入水的体积等于材料内开口孔隙的体积。 因此体积吸水率等于开口孔隙率。,质量吸水率与体积吸水率的关系为： 工程中常用质量吸水率表示材料的吸水性。 同一材料的吸水率基本是一固定值。,吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性常用含水率来表示。即,平衡含水率

11、：材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡时的含水率，称为平衡含水率。,3 材料的耐水性 材料长期在水作用下不破坏，且其强度也不显著降低的性质称为耐水性，材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算： 耐水性材料要求软化系数大于0.85,1).软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 2).对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85；,4 抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为材料的抗渗性（不透水性）。 渗透系数 ：,抗渗等级 抗渗等级指材料在标准试验方法下进行透水试验，以试件在透水前所能承受的最大水压力（0.1MPa）来确定的。如W

12、6、W8 表示材料能承受0.6、0.8Pa的水压而不渗水。,影响抗渗性的主要因素 （1）亲水性 （2）孔隙率 （3）孔隙特征,5 抗冻性 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称为抗冻性。 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗冻融循环作用的能力。,抗冻等级 将材料吸水饱和后，按规定方法进行-20+20度冻融循环试验，以质量损失不超过5、强度下降不超过25时，所能经受的最大冻融循环次数来确定。用符号“F”和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100,影响材料抗冻性的因素 （1）孔隙率、孔隙特征 （2）材料的强度、韧性 （3）材料的软化系数 （4）冻

13、结条件：冻结温度、冻结速度、冻融循环作用的频繁程度,1. 某轻质板材，其密度为2.80g/cm3，干燥状态时表观密度为800kg/m3，测得其体积吸水率为66.4%，试计算该板的 （1）质量吸水率（Wm） （2）闭口孔隙率（Pb）,（1）质量吸水率Wm为： （2）材料的孔隙率P为： 材料的体积吸水率即为材料的开口孔隙率，因此闭口孔隙率为： Pb=P- Pk=71.4%-66.4%=5%,（3）材料与热有关的性质,1 导热性 材料传导热量的能力称为导热性。其大小用导热系数（）表示。 =Q*a/A(T2-T1)t 式中 导热系数（W/m.K） Q传导的热量（J） A平壁面积（m2） a材料的厚度（

14、m） t传热时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K）,影响导热系数的因素 无机材料的导热系数大于有机材料 晶体的导热系数大于无定形体的导热系数 材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小； 材料的含水率增加,导热系数也增加 大多数材料的导热系数随温度和湿度升高而增加,2 热容量与比热 材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。 大小用比热表示 公式 Q=cm(T2T1) 式中 Q材料吸收或放出的热量（J） c材料的比热(J/g.K) m材料的质量（g） (T2T1) 材料受热或冷却前后的温差（K),3 材料的温度变形性 材料的温度变形性是指温度升高或降低时体积变化的性质。,几种

15、材料的比热和导热系数及线膨胀系数,2、材料的力学性质,材料的力学性质指材料在外力作用下的变形性质和抵抗破坏的能力。 （1）材料的强度、比强度、理论强度和强度等级 （2）弹塑性变形 （3）脆性与韧性 （4）硬度与耐磨性,1 材料的强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。 以外力破坏时单位面积上所承受的外力（拉力、压力、剪力等）表示。,2 材料的抗拉、抗压和抗剪强度,3 影响材料强度的外界因素,1、试件的形状 相同底面积的试件，高度越大，强度值越小。 2试件尺寸,强度测定值逐渐减小,大于,3、加荷速度 加荷速度越快，测定的强度值越大 4、试验环境的温湿度,4 材料的强度等级,按强度值

16、的高低划分为若干等级，即材料的强度等级。 脆性材料按抗压强度划分：如岩石、砖和混凝土等。 钢材按抗拉屈服强度划分。,石材按极限抗压强度分9个等级：MU10MU100； 烧结普通砖按抗压强度分5个等级：MU10MU30 ； 普通混凝土按抗压强度分12个等级：C7.5C60； 碳素结构钢按抗拉屈服强度分5个牌号：Q195Q275。,5 比强度 材料的强度与其表观密度比值，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。,材料的理论强度,1 弹性及弹性变形 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。 材料的这种可恢复的变形称为弹性变形，弹性变形是可逆变形。,（2）弹塑性变形,弹性变

17、形的大小与外力成正比，比例系数称为材料的弹性模量 。 为常数，其值为应力与应变之比，即 弹性模量 E 是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。值愈大，材料愈不易变形，材料的刚度愈好。,2 塑性及塑性变形 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形。 塑性阶段，应力与应变不成正比。,3 弹塑性材料的变形特征,1 脆性 材料在外力作用下，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。 具有这种性质的材料称脆性材料。,（3）脆性和韧性,2 脆性材料特性 抗压强度大于抗拉强度 破

18、坏时应变小 承受冲击和震动能力差 宜做承压构件，如砖、石材、混凝土等,3 韧性 材料在冲击或震动荷载作用下能承受较大变形不致破坏的性质。 韧性材料的变形能力大，且抗拉强度几乎与抗压强度相等。 如低碳钢、低合金钢等属于韧性材料。,1 硬度 硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。 莫氏硬度（HM）：采用刻划法，并与十个硬度标准比较，确定硬度。,（4）硬度与耐磨性,布氏硬度（HB）：采用压入法，用压痕单位面积上所受的压力表示。,肖氏硬度（HS）：采用回弹法，用重锤的回弹高度作硬度的相对值。,2 耐磨性 材料表面抵抗磨损和磨耗的能力叫做材料的耐磨性 。,3 、材料的耐久性 The Durabili

19、ty of Materials,耐久性是材料在长期使用过程中，抵抗自身及环境因素长期破坏作用，保持原有性能而不变质、不破坏的能力。 耐久性是一个综合性概念，针对不同的破坏因素，耐久性有不同的内容。,物理作用：温度变化、干湿变化、冻融循环作用 化学作用：酸、碱、盐等溶液的侵蚀 机械作用：持续荷载 生物作用：菌类、昆虫,金属材料：锈蚀 沥青及高分子材料：老化 木材、植物：腐蚀、腐朽 混凝土：碳化、碱集料反应等,提高耐久性的意义 耐久性良好的建筑材料，才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等均有十分重要的意义。,4 、材料的

20、组成、结构和构造对材料性质的影响 The influence of material composition, structure, constitution to material properties,（1）材料的组成：化学组成、矿物组成 （2）结构：宏观结构、亚微观结构和微观结构 （3）构造：材料的宏观组织状况,（1）材料的组成,1 化学组成 指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。 如锌铝合金：锌 97% 、铝 3% 水泥化合物组成： SiO2 2024% CaO 6267% Fe2O3 2.56.0% AL2O3 47% MgO 5% 化学组成直接决定材料的化学性质、物理性质、力学

21、性质等重要因素,2 矿物组成 矿物：指无机非金属材料中具有特定的化学成分、晶体结构和物理力学性质的物质。 如： 3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 长石 石英 云母 方解石,矿物组成 指构成材料的矿物种类和数量。 如水泥的矿物组成： 花岗岩的矿物组成： 3CaO.SiO2 3760% 长石 石英 云母 角闪石 2CaO.SiO2 1537% 玄武岩的矿物组成： 3CaO.AL2O3 715% 斜长石 橄榄石 辉石 4CaO.AL2O3.Fe2O3 1018%,（2）材料的结构,1 宏观结构 2 亚微观结构 3 微观结构,1 宏观结构 指用肉眼或放大镜能够分辨的材料组织，其尺寸在10-3 m

22、级以上。如材料的孔隙，裂缝以及岩石的节理和木材的纹理等。 致密结构 ：钢材、玻璃 纤维结构：木材、岩棉 多孔材料：加气混凝土、石膏制品 层状结构 ：胶合板、纸面石膏板 散粒结构：砂子、碎石,2 亚微观结构 用光学显微镜能观察到的材料组织，尺寸范围在10-3mm以上。主要研究组成物质的单个粒子的形貌。,3 微观结构 微观结构是指组成材料的原子、分子层次的结构。可用电子显微镜来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在10-610-10 m。 微观结构分为：（1）晶体结构； （2）非晶体结构（玻璃体）； （3）胶体结构 。,（1）晶体结构 内部质点（离子、原子、分子）在空间上按特定规则呈周期性排列时的结构。,（2）晶体结构特点 单晶体： （1）质点在空间上呈周期性排列 （2）具有特定的几何外形 （3）具有各向异性的性质 （4）具有固定的熔点和化学稳定性 多晶