同济大学土木工程材料 第一章 土木工程材料的基本性质.ppt

1、第一章土木工程材料的基本特性，第一节材料的物理性质，第二节材料的基本力学特性，第三节材料的耐久性，第四节材料的构成和结构，第五节材料的环境和生态效果第一节材料的物理性质(水相关特性(亲水性、吸水性、耐水性)；热相关特性(导热系数)；音响相关特性(吸声)。基本概念，密度，表观密度，容积密度，累积密度多孔，孔隙特性；空隙润湿角，亲水性；吸收率、含水量；导热、热阻、热容量亲水材料、隔热材料、吸声材料。第一章土木工程材料的基本性质，第一节材料的物理性质，密度():干，绝对压缩状态。测量方法：用干燥、研磨、利瓶测量体积。第一章土木工程材料的基本性质，表观密度():干，在自然状态下(没有开口)。测量方法：

2、根据外观体积和饱和吸收量测量体积。体积密度(0)(体积密度):气体干燥，在自然状态(包括开口)下。测量方法：测量外观体积(不规则样品用蜡排水法测量体积)。累积密度(0):批量粒状材料、气体干、自然累积状态。测量方法：容量缸，用于测量体积。第一材料物理性质(the physical properties of materials)，孔特征(pore structure):孔直径大小(大孔、小孔)，孔连接对(孔、封闭孔)，以及，孔间隙等于开放孔间隙和封闭孔间隙的总和，P=Pk Pb。开放孔隙率用饱和吸收法测量，封闭孔隙率通过常识推算。空心比率(void ratio):累计密度、体积密度之间的关系，

3、可以估计为P=(1 0/0 )*100%。也可以用注水法测量。第一材料物理性质，热导率，w/m.k:正常状态条件0.23 W，第一章土木工程材料的基本特性，热阻(R，m2)。K/W)(thermal resistance):表示信封本身或其中一种材质的阻抗传热能力的物理量。在稳定传热状态下，平面壁材料层的热阻R=/。多层平整壁材料层的热阻等于每个单层材料的热阻总和(连接模型)。使用第一种材料的物理性质(the physical properties of materials)、第一章土木工程材料的基本性质，以及建筑热设计中的传热阻力(R0)或传热系数(k)来评估外墙的隔热效能。r0=r K=1

4、/R0。请参阅GB 50176-93民用建筑的热工设计规范、丰金秋的文章建筑节约能源设计标准和混凝土空心砌块墙的热工性能测试、王惠民的文章影响建筑保温性能的几个茄子性能指标。第一节材料的物理性质(the physical properties of materials)，比热容(c，j/(GK)(specific heat capacity):1公斤材料；热容量C=m*c .第一章土木工程材料的基本性质，常见物质的比热容：理论上水的比热容规模最大，在工业农业生产和日常生活中有广泛的应用。例如水冷系统，温数百加热。，“第一材料物理性质”(the physical properties of ma

5、terials)，“热导率(热扩散系数)”(heat diffusivity):材料的热导率与比热容和密度乘积的比率，a=/(c)将物体加热值越大，温度变化速度越快，热稳定性越差。不稳定的传热过程，例如昼夜温度随时间变化，希望室温波动不大，即材料的传导温度系数要小。第一章土木工程材料的基本特性，注：温度和热是两个茄子概念。第一材料物理性质，轴向系数(s，w/m2 . k)(coefficient of thermal storage):周期性轴向系数越大，材料就越一般来说，加热室的墙壁和天花板需要在内部放置具有较大蓄热系数的材料。第一章土木工程材料的基本性质，围护结构的热塑性(thermal

6、inertia)是指对外部温度波动的阻力。D=S*R其中d是热惰性，S是轴向系数，R是热阻。对于多层结构，D=R1*S1 R2*S2。d值越大，温度波衰减得越快，封套结构的热稳定性越好。第一节材料的物理性质(the physical properties of materials)，第一章土木工程材料的基本特性，在设计墙热时，不仅要考虑隔热性能(防止冬季室内向室外传热)，还要考虑隔热性能(夏季自然通风的情况下在墙内)，隔热性能反映了夏季室外向室内的传热过程，通常考虑24h周期的波动传热，以信封内部表面的最高温度评价，施工措施中热稳定性好的材料放在室内一侧。建筑材料热物理性能计算参数、第二种材料

7、的基本力学特性、载荷(强度)、变形(弹性、塑料、杨氏模量)、断裂(脆性、脆性弹性变形，杨氏模量，刚性脆性材料。第一章土木工程材料的基本特性，第二节材料的基本力学特性，根据受外力的形式，材料的强度分为抗压强度(compressive strength)，通过静态破坏实验进行测量。第一章土木工程材料的基本特性，材料的强度和容积密度的比率称为非强度。非强度是衡量材料轻量化的重要指标。第二种材料的基本动力学属性(the mechanical properties of materials)，材料由外力变形。根据恢复性的不同，变形分为弹性变形、塑性变形、塑性变形。粘性：物体由外力引起的变形与载荷速度和持

8、续时间有关。第一章土木工程材料的基本性质，杨氏模量是测定材料应变能力的指标。值越大，材质越不容易变形。也就是说，“刚度”(rigidity)牙齿很好。蠕变(creep):随着连续载荷的长期作用，变形随着时间的推移而增加的现象。徐变是应力松弛的原因。工件服役期间不允许塑性变形。也就是说，工作应力不能超过弹性极限(“屈服强度”(yield limit)。可塑性对材料加工和使用过程中的安全可靠性具有积极意义。，第2节材料的基本力学特性(the mechanical properties of materials)，硬度(hardness):材料抵抗或压制相对坚硬材料的能力。用划痕(矿物材料)或压痕法

9、(金属，木材)测量。第一章土木工程材料的基本特性，耐磨性：抗磨损材料的能力。以耐磨性(单位面积的重量磨损率)表示。硬度和强度有一定的关系。工程中有时用硬度间接估算强度，例如用对混凝土材料的回弹法估算强度。耐磨性与硬度、强度、材料的内部结构有关。第二节材料的基本力学特性，根据外力作用下的破坏形态，材料分为脆性材料，等等，等等可以表示为载荷-变形曲线下包含的面积。冲击韧性值用有间隙的试样进行冲击破坏实验测量。材料的抗拉强度和抗压强度比(抗拉/压缩比)大致反映了材料的脆性。脆性材料的机械性能比韧性材料差很多。但是为什么它还在工程中被广泛使用呢？脆性材料缺乏承受冲击或振动负载的能力，会影响结构的安全可

10、靠性。第二节材料的基本力学特性，第一章土木工程材料的基本特性，疲劳机械失效中疲劳失效占80%以上。疲劳破坏的基本特征是材料在静载下表现出脆性或韧性，疲劳破坏时没有明显的塑性变形牙齿，导致突发性破裂。疲劳破坏应力低于静态载荷下材料的极限应力。在典型的疲劳断裂中，可以明确区分三个茄子区域：裂纹发生区域(疲劳源)、裂纹扩展区域(贝类形状圆弧)和最终断裂区域(在静态载荷下类似于缺口试样的断裂)。第二节材料的基本力学特性，第一章土木工程材料的基本特性，循环应力和腐蚀介质的共同作用下材料的疲劳强度和疲劳寿命减少现象称为腐蚀疲劳，静态应力和腐蚀介质共同作用，第三节材料的耐久性，环境介质的侵蚀作用包括物理、化

11、学和生物作用。基本概念，耐久性；软化系数渗透系数，防渗等级；抗冻等级耐候性耐水性材料。第一章土木工程材料的基本特性，材料的主导性破坏因素不同。砖、石头、混凝土等矿物材料大部分是物理破坏(在水里的时候也是化学破坏)引起的。金属材料主要被化学和电化学腐蚀腐蚀。木材和其他天然有机物材料经常是生物破坏；柏油、塑料、橡胶等高分子材料在阳光、空气、热的作用下老化破坏。第三节材料的耐久性、第一章土木工程材料的基本特性、耐久性是耐寒性、耐热性、耐光性、大气稳定性、使用过程中材料的破坏作用是物理作用(外力)，提高材料耐久性的措施：缓解环境破坏作用，采取表面保护措施，提高材料密度，合理选择材料等。，第四节材料的构

12、成和结构，材料科学的基本原则之一是材料的性能取决于材料的构成和结构。基本概念、化学成分、矿物组成；宏观结构、细观结构、微观结构；宏观结构晶体，玻璃体，胶体。研究第一章土木工程材料的基本特性，第四节材料的构成和结构(the component and structure of materials)，一般在宏观、细致、微观三层上材料的结构和性能之间的关系。第一章土木工程材料的基本特性、材料的宏观结构(macrostructure)分为孔结构(孔的大小、形状、分布、连接性、体积总和等)、结构(固体材料分为：材料的宏观结构与材料的性质密切相关。例如，致密材料的强度高，渗透性好，多孔材料自重保温性好。材料的宏观结构比较容易变化，采用适当的材料加工手段(进气、取孔、材料复合等)，可以获得所需的材料性能。第四节材料的构成和结构，材料的细观结构，如金属材料的金