第1章 土木工程材料的基本性质.ppt

1、第1章 土木工程材料的基本性质,土木工程材料,本 节 内 容,【本章内容导读】,讲述内容,本章主要讲述土木工程材料的基本性质，包括基本物理性质、热工性质、力学性质、化学性质、装饰性质、耐久性以及材料的组成、结构与构造等方面内容 。,学习重点 和要求,要求学生重点熟悉和掌握土木工程材料的基本性质，了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系，以便在工程设计和施工中能够正确地选择和合理地使用各种材料 。,1.1 材料的组成、结构与构造,1.1.1 材料的组成,材料的组成包括化学组成、矿物组成和相组成。,1.化学组成,钢材的锈蚀 材料的可燃性和耐火性 木材的腐蚀 混凝土的碳化及受到酸碱盐类

2、物质的侵蚀,构成材料的化学元素及化合物的种类及数量,2.矿物组成,硅酸盐水泥：硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙水泥易水化成碱性凝胶体，具有凝结硬化的性能,大理石：方解石、白云石，含有少量石英不耐酸腐蚀,花岗岩：长石、石英和少量云母酸性岩石多耐酸性好，但耐火性差,矿物：具有特定晶体结构、特定物理力学性能的组织结构 矿物组成：构成材料的矿物种类和数量。,3.相组成,混凝土：由集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基相）中所组成的两相复合材料,复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切关系,材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相 自然界中的物质:分为气相、液相、固相三种形态 由两相或两相以上的物质组成

3、的材料称为复合材料。,1.1.2 结构与构造,材料的结构 宏观结构 细观结构 微观结构 材料的构造,宏观结构是指用肉眼或低倍放大镜能够分辨的粗大组织，其尺寸在10-3m级以上,1宏观结构（Macrostructure）,按孔隙尺度,密实结构、多孔结构、微孔结构,按构成形态,堆聚结构、纤维结构、层状结构、 散粒结构,基本上无孔隙或孔隙极少，结构致密。 具有吸水率低、抗渗和抗冻性较好、强度和硬度较高等性质 如金属材料、致密岩石和玻璃等。,(1)密实结构,按孔隙尺度分,大理石,多孔结构是指在材料中存在均匀分布的孤立或适当连通的粗大孔隙。 特点：质轻、抗渗性和抗冻性较差、绝热性较好 如加气混凝土、泡沫

4、混凝土等。,(2)多孔结构,加气混凝土砌块,微孔结构：在材料中存在均匀分布的微孔隙,(3)微孔结构,特点：强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。 如石膏制品、烧结普通砖等。,(4)堆聚结构,堆聚结构是指由集料和胶凝材料结合而成的结构 如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等,水泥混凝土,按构成形态分,(5)纤维结构,纤维结构是指纤维状的物质结构 在平行纤维方向和垂直纤维方向上的强度、导热性及其它一些性质明显不同，即各向异性 如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。,竹子的纤维构造,(6)层状结构,层状结构由天然形成或人工粘结等方法将材料叠合而成。 每一层材料的性质不同，但叠合成层状结构后综合性质好，可显著提

5、高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。 如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。,胶合板的层状结构,(7)散粒结构,散粒结构是指松散颗粒状结构。 散粒材料颗粒间存在大量的空隙，可以用来拌制混凝土和用做绝热材料。 如混凝土用集料、陶粒、膨胀珍珠岩等。,陶粒的散粒结构,细观结构是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构，其尺寸范围在10-310-6m。,2.细观结构（Submicroscopical Structure）,水泥混凝土=基相+集料相+界面 天然岩石=矿物+晶体颗粒+非晶体组织 钢材=铁素体+珠光体+渗碳体 木材=木纤维+导管+髓线+树脂道,研究金属材料细观结构的方法称为

6、金相分析 研究非金属材料（岩石、水泥、陶瓷等）细观结构的方法称为岩相分析,微观结构是指用电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等进行研究分析的材料原子、分子层次的结构，其尺寸范围在10-610-10m。,3.微观结构（Microstructure）,按材料组成质点的空间排列或联接方式不同，微观结构分为晶体、玻璃体和胶体结构。,(1)晶体（Crystalline）,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，由自由电子与金属阳离

7、子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。,结构特征：内部质点（原子、离子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性的排列,在复杂的晶体结构中，其原子团可以联结成为空间结构、平面层状结构或链状结构。,空间结构:其整体性良好，也比较坚固，如石英等； 平面层状结构：平面结构本身是比较坚固的，但平面结构之间的联结往往是比较薄弱的，这种结构容易分解成片状物质，如云母、石墨等。 链状结构：链与链之间的联结弱于链本身的联结，容易分解成纤维状物质，如石棉等。,（2）玻璃体（Vitreous body）,玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规则排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。 特点：没有固定的熔点和

8、几何形状，而且各向同性。急冷时大量的化学能储存在材料中，化学稳定性差，容易与其它物质发生化学反应或产生重新结晶 火山灰、粒化高炉矿渣等均属玻璃体,粉煤灰玻璃体,（3）胶体（Colloid）,如硅酸盐水泥的主要水化产物是凝胶体，混凝土 的徐变就是由于水泥凝胶体的粘性流动而产生的。,物质以极微小的质点（粒径为10-710-9m）分散在介质中所形成的结构,由于胶体的质点很微小，其总的表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有较强的粘结力。,水泥凝胶体,4.材料的构造,材料的构造:具有特定性质的材料结构单元间的互相组合搭配情况。 强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。,木材的宏观构造和

9、微观构造 具有特定构造的节能墙板,1.2 材料的物理性质,1.2.1 材料的四种密度,密度 表观密度 体积密度 堆积密度,定义:材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,图1 密度测量仪器,公式:,1.密度（Density）,将该材料磨成细粉，干燥后用密度瓶采用排液法测定其绝对密实体积 要求细粉的粒径至少小于0.20mm。,密度的测定,相对密度,材料的密度与4纯水密度的比值表示，无量纲。,定义:材料单位表观体积（闭口+实体）的干质量。,公式:,2.表观密度（Apparent density）,干表观密度,当材料含水时所测得的表观密度，称为湿表观密度。,工程中砂石材料在包含闭口孔隙条件下的体积采用

10、排液置换法或水中称重法测量。,表观密度的测定,定义:材料单位毛体积（闭口+开口+实体）的干质量。,公式:,3.体积密度（Bulk density）,材料体积密度的大小与其含水情况有关。当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。因此测定材料体积密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。,外形规则的材料，如砖，可直接测量体积得到；,外形不规则的，可采用蜡封法或排液法即水中称重法测定体积；,体积密度的测定,反映散粒堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放空间。,定义:散粒材料在自然堆积状态下单位体积（开口+闭口+实体+间隙）的质量。,公式:,4.堆积密度（Packing density ）,堆积密度的测定

11、,容量筒,砂的堆积密度实验,几种密度的特点： 相同点：均为单位体积质量 区别：体积大小不同，测试方法不同 体积的测试方法： 实体体积 李氏比重瓶法（粉末） 表观体积（实体闭口） 排水法 毛体积（实体闭口开口） 规则试件：计算法； 不规则试件：饱和排水法 堆积体积（实体闭口开口间隙）容量筒法,几种密度的比较,表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度,1.2.2 材料的密实度与孔隙率,1. 材料的密实度（Solidity）,定义： 材料的体积内被固体物质所充实的程度 。 公式 ：,2. 材料的孔隙率（Porosity）,定义： 材料内部孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率 。 公式

12、 ：,孔隙及其对材料性能的影响,材料的总体积是由固体物质及材料内部的孔隙组成的。 孔隙率与密实度的关系：P+D=1,孔隙分类 （1）按孔隙之间是否相互贯通，分为连通孔和封闭孔 （2）按孔隙尺寸大小可分为微孔、细孔和大孔 。,孔隙对材料性能的影响,孔隙率的大小及孔隙特征与材料的许多重要性质都有密切关系，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等 。,孔隙对材料性能的影响,若开口孔的孔体积为VK，闭口孔的孔体积为VB,P=PK+PB,V0=V+VK+VB,则,闭口孔隙率PB,开口孔隙率PK,1.2.3 材料的填充率、空隙率和间隙率,1. 材料的填充率（Fill ratio）,定义： 散粒材料的自然状

13、态体积占堆积体积的百分率 。 公式 ：,2.材料的空隙率（Void ratio）,定义： 散粒材料颗粒间的空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率 。 公式 ：,3. 材料的间隙率,定义： 散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率 。 公式 ：,1.2.4 材料与水有关的性质,1.材料的亲水性与憎水性 （Hydrophilic and Hydrophobic nature）,定义:材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质 。 具有亲水性质的材料称为亲水性材料。 大多数土木工程材料均为亲水性材料，如：砖、木、石材、混凝土等。,（1）亲水性,（2）憎水性,定义：指材料在空气中与水

14、接触时不能被水润湿的性质 具有这种性质的材料称为憎水性材料。 沥青、石蜡等属于憎水性材料，该类材料能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。 憎水性材料用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。,当材料与水接触时，在材料、水和空气的三相交叉点处，沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿角 90，材料能被水润湿而表现出亲水性 90180，材料不能被水润湿而表现出憎水性 角愈小，材料亲水性越强，越容易被水润湿，憎水性越弱。,材料润湿示意图,亲水性材料,（3）润湿角,憎水性材料,干燥状态:材料的孔隙中不含水或含水极微； 气干状态:材料的孔隙中含水时其相对湿

15、度与大气湿度相平衡； 饱和面干状态:材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和； 湿润状态:材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。,亲水性材料的含水状态,干燥状态 气干状态 饱和面干状态 润湿状态,2.材料的吸湿性和吸水性,（1）吸湿性（Moisture absorption）,材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性 自然状态 变值 含水率：自然状态，材料内部所含水分质量占其干燥质量的百分率,当环境湿度增大、温度降低时，材料含水率变大；反之变小。 材料中所含水分与空气中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材料，吸湿性特别强。,材料在水中吸收水分的性质。恒

16、值 饱水状态（吸水饱和） 质量吸水率：材料饱水状态，其内部吸收水分的质量占干燥质量的百分率 体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积百分率,质量吸水率,（2）吸水性 （Water absorption）,体积吸水率,材料的开口孔越多，吸水量越大。 材料吸水达到饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。 材料吸水率与孔隙特征有关。,质量吸水率和体积吸水率的关系,3.耐水性（Water resistance）,材料在长期饱水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质，称为材料的耐水性 指标：软化系数,材料在饱和吸水状态下的抗压强度（MPa）； 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,注意：材料吸

17、水后，随含水量增加，减弱其内部结合力，强度均会有所降低,工程中将KR0.85的材料，称为耐水材料。 在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。,4.抗渗性（Impermeability）,材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。,（1）渗透系数,K材料的渗透系数,cm/h； Q渗透水量,cm3； d试件厚度 ,cm； A渗水面积,cm2； t渗水时间,h； H静水压力水头高度 ,cm。,渗透系数的物理意义是：在一定时间内，在一定水压力作用下，单位厚度的材料在单位渗水面积上的渗水量。,K值越小，表示材

18、料的抗渗性也越好 。,（2）抗渗等级评价材料的抗渗性 以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压 力来确定，以符号“Pn”表示。 如：P4、P6、P8等，分别表示该材料能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa的水压力而不渗水,材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。,5.抗冻性（Frost resistance）,材料在水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质，称为材料的抗冻性 。,抗冻等级评价材料的抗冻性 以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低和质量损失均不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻等级 ，以符号

19、 “F”及材料可承受的最大冻融循环次数表示 。 如：F25、F50、F100等分别表示该材料可承受25次、50次、100次的冻融循环,因素：水、负温度,1.3 材料的热工性质,1.3.1 导热性（Thermal conductivity）,定义,当材料两侧有温差时，热量将由温度高的一侧通过材料向温度低的一侧传递，材料的这种传导热量的能力，称为材料的导热性,导热系数,导热系数（W/（m K）； Q传导的热量（J）； d材料厚度（m）； A材料传热面积（m2）； t1-t2材料两侧温差（K）； Z传热时间（s）。,导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当两侧表面温度差为1K时，在单位时间内通过单

20、位面积的热量 。,材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。,工程中将导热系数0.23 W/（m K）的材料称为绝热材料 。 材料的孔隙率较大者其导热系数较小，隔热绝热性较好；但如果孔隙粗大或贯通，由于对流的作用，材料的导热系数反而增高。因此，增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力。 材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。,表1-2 常用材料的热工性质指标,1.3.2 热容量与比热容 （Heat capacity and Specific heat）,定义,热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力,公式,1.热容量,2.比热容,定义,单位质量的材料在温度升高或降低1K时所吸收或放出的热

21、量,公式,1.3.3 耐燃性（Heat resistance）,定义,材料在高温与火焰的作用下不破坏，强度也不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。,1. 非燃烧材料 在空气中遇火烧或遇高温不起火、不微燃、不碳化的材料称为非燃烧材料，如普通石材、混凝土、砖、石棉等。 2. 难燃材料 在空气中遇火烧或遇高温难起火、难微燃或难碳化的材料称为难燃材料，如沥青混凝土、经防火处理的木材等。 3. 可燃材料 在空气中遇火烧或遇高温即起火或微燃，在火源移去后仍能继续燃烧或微燃的材料称为可燃材料，如木材、沥青等。,1.3.4 耐火性（Fire resistance）,定义,材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作

22、的性能称为材料的耐火性 。,1. 耐火材料 耐火度不低于1580的材料，如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖和铬砖等。 2. 难熔材料 耐火度为13501580的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。 3. 易熔材料 耐火度低于1350的材料，如普通粘土砖、玻璃等。,1.3.5 温度变形性（Temperature deformation）,定义,材料的温度变形性是指材料在温度变化时产生的尺寸变化 。,材料的温度变形在单向尺寸上的变化用线膨胀系数表示,公式,常用土木工程材料的线膨胀系数：钢筋（10.012.0）10-6/，混凝土（5.812.6）10-6/,材料抵抗外力破坏的能力。,1.4 材料的力学性质,

23、1.4.1 材料的强度 （Strength）,1.强度,（1）抗压(Compressive)、抗拉(Tensile)、抗剪(Shearing)强度 （MPa）,F破坏时的最大荷载，N A受力截面面积，mm2,（2）抗弯强度（ Bending strength）,单点加荷：,三分点加荷：,L/2,L/2,压力试验机,压力试验,钢筋拉伸试验,万能试验机,内因材料组成、构造 材料的孔隙率愈大，则强度愈低。 同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相同 砖、石材、混凝土、铸铁等材料的抗压强度较高，而抗拉和抗弯强度却很低；木材和玻璃纤维增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度；钢材的抗拉和抗压强度都很高。 外

24、因试验条件：试件（尺寸、形状、含水率） 温度、加荷速度等,（3）影响强度的因素,（4）强度等级,土木工程材料常按其强度的大小划分成若干个等级，称为强度等级。 对于脆性材料，如混凝土、砂浆、砖和石材等，由于主要用来承受压力，因此，以其抗压强度来划分强度等级； 对于韧性材料，如建筑钢材，主要用于抗拉，故其强度等级按受拉时的屈服强度来划分。,指材料强度与其表观密度之比。 意义：反映材料轻质高强的指标。 比强度越大，材料越轻质高强,2.比强度,表1-3 几种常用材料的比强度,1.4.2 弹性与塑性 （Elasticity and Plasticity）,1. 弹性与弹性变形,弹性外力作用产生变形,外力

25、取消能完全恢复。 弹性变形这种可恢复的变形称为弹性变形,弹性变形,指标：弹性模量,意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越 大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力 越强。,2. 塑性与塑性变形,塑性外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复。 塑性变形这种不可恢复的变形称为塑性变形。,弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。,塑性变形,图 弹塑性材料的变形曲线,弹塑性材料,1.4.3 脆性与韧性（Brittleness and Toughness）,1.脆性,脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变形，突然破坏。,脆性材料：石、砖、混凝土、陶瓷、玻璃、铸铁等,脆性材料抗压强度远大于

26、其抗拉强度 脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力较差，因此只适合用作承压构件。,2.韧性,韧性材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大 的能量，产生一定变形不破坏。,韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。,采用冲击试验测定。,冲击韧性,在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗振要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料都要考虑材料的韧性,1.4.4 硬度和耐磨性 （Rigidity and Abrasion resistance）,1.硬度,抵抗较硬物质压入或刻划的能力。,刻划法:用于测定天然矿物的硬度。莫氏硬度分为10级；递增的顺序为：滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7

27、；黄玉8；刚玉9；金刚石10。 压入法：布氏硬度（金属材料、木材、混凝土等）：是以单位压痕面积上所受的压力来表示。有布氏法、洛氏法和维氏法，相应的硬度称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度 特点：硬度大，强度高，耐磨性强，但不易加工。,材料表面抵抗磨损的能力。,材料的耐磨性与材料的组成、结构、强度和硬度等因素有关。一般材料的硬度越高，越致密，耐磨性越好。在土木工程中，用做路面、台阶、踏步等受磨损部位的材料要求其具有较高的耐磨性。,材料的耐磨性用磨损率（M）表示，其计算公式为 式中:M材料的磨损率（gcm2）； m1、m2分别为材料磨损前、后的质量（g）； A试件受磨损的面积（cm2）。,2.耐磨性,

28、1.5 材料的化学性质和装饰性,1.5.1 材料的化学性质（Chemical property）,在土木工程中，材料的化学性质主要考虑其在使用中的化学变化和化学稳定性,土木工程材料的化学变化主要是指材料在生产或施工过程中所发生的化学反应。如，石灰的煅烧、消化与碳化，水泥的水化及凝结等,化学稳定性是指材料在使用环境中其化学组成和结构是否能保持稳定的性质 。,1.5.2 材料的装饰性（Ornament property）,材料的装饰性是材料在工程中所表现的美观效果 是通过多种技术指标所反映的综合艺术效果 材料的装饰性主要体现在颜色、光泽、透明性、质感、表面组织和形状尺寸、立体造型等几个方面 土木工

29、程中的装饰材料主要是应用于内外墙面、地面、天棚等部位的饰面材料,材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质，称为材料的耐久性 。,材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为： 物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环以及机械摩擦、冲击等，这些作用会使材料体积产生膨胀或收缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏。如水泥混凝土的冻融破坏。 化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等等。 生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽