第1章土木工程材料的基本性质

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1、第1章 土木工程材料的基本性质,1 材料的组成、结构和构造 2 材料的物理性质 3 材料的力学性质 4 材料的耐久性,学习目标： 了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。 掌握土木工程材料的基本物理性质。 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。 难点：材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习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及其在工程实践中的意义。,材料的组成是指材料的化学成分、矿物组成及相组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。,1 材料的组成、结构和构造,1.1 材料的组成,材料的组成

2、、结构和构造是决定材料性能最主要的内因。,化学组成化学元素、化合物种类和数量 （金属、无机非金属、有机物。例：不锈钢） 矿物组成晶体和非晶体结构及种类 （例：水泥中的硅酸三钙和硅酸二钙） 相 组 成材料中结构相近、性质相同的均匀 部分。气相、液相、固相，土木工程材料大都 为多相固体。（例：混凝土骨料相和基相）,宏观结构：（10-3m以上 ）指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 按空隙特征分为： 致密结构：指具有无可吸水、透气的空隙的结构。 多孔结构：指具有粗大空隙的结构。 微观结构：指具有微细空隙的结构。,1.2 材料的结构,结构：宏观结构、细观结构、微观结构,致密结构：,致密结构的材料内部基

3、本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。,大理岩的致密表面,含孔率较高，并且空隙尺寸较大。具有多孔构造的材料，一般来说，材料的强度较低，抗渗性较差。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造轻质多孔材料等。,加气混凝土砌块的多孔构造,多孔结构：,含孔率较高，孔隙尺寸较小。具有微孔构造的材料，一般来说，保温隔热性能较好，吸湿性较强。如石膏制品、低温烧结黏土制品等。,微孔结构：,宏观结构按组织结构特征分为： 1堆聚结构 2 纤维结构 3层状结构 4 散粒结构,指由骨料与具有凝胶性或黏结性物质胶结而成的结构。材料

4、的性能与堆聚结构中组分的相对含量有关 。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料。,堆聚结构：,指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。这类材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、玻璃钢、岩棉等。,竹的纤维构造,纤维结构：,指由天然形成或人工粘结等方法将材料叠合而成的双层或多次结构。层状结构材料每一层的材料性质不同，但叠合后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、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、各种新型节能复合墙板等。,胶合板的层状构造,层状结构：,散

5、粒状结构指松散粒状物质所形成的结构，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。,陶粒的粒状构造,散粒结构：,从宏观组成层次讲，人工复合的材料如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。,土木工程材料的细观结构只能根据具体材料来进行分析研究。 对于水泥：水化产物、空隙、未水化的水泥颗粒；对于钢材：铁素体、渗碳体、珠光体。 对于同样组成的材料，细观结构层次上各组成的数量、分布不同，也会对材料的性能带来很大影响。,细观结构：（10-31

6、0-6m ）可用光学显微镜观察到的结构。,微观结构：（10-610-10m ）指原子、分子层次上的结构，可用电子显微镜或X射线来进行分析研究。,微观结构上材料分为,晶体,非晶体,玻璃体,胶体,微观结构上材料分为,晶体 材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。具有各向异性、固定熔点等特点。分为原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体四种。 硅酸盐矿物晶体由硅氧四面体单元与其它金属离子的结合。有链状结构的石棉、层状结构的云母及立体网状结构的石英。,材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构的缺

7、陷，对材料性质的影响很大。,玻璃体 又称为无定形体。 熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体（如无定形SiO2） 特点：质点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等）,胶体 作为分散相的粒子粒径在10-1010-7 m，分散在连续相介质中形成的分散体系称为胶体。 胶体因比表面积大，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等）,溶胶：胶体结构中胶粒较少，悬浮、分散在液体连续相之中，液体性质对胶体性质的影响较大，该结构为溶胶结构。溶胶具有较大的流动性，建筑材料中

8、的涂料就是利用这一性质配制而成的。 凝胶：胶体结构中胶粒较多并在表面能作用下发生凝聚，彼此相连形成空间网络结构，胶体强度增大、变形减小，形成固体或半固体状态，该结构为凝胶结构。硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是凝胶体。,水泥凝胶体,2 材料的基本物理性质,2.1 材料的密度 、表观密度和堆积密度 密度: 材料在绝对密实状态下单位体积的 质量。 单位g/cm3。 式中 密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V材料在绝对密实状态下的体积（cm3）,密度的测量,绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙在内的体积。 材料体积的测量： 1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等 测试： 量测几何体

9、积称重代入公式,V,Vk,Vb,V0,V0=V+Vb+Vk,2）对有孔隙的材料：砖、石材 测试：磨细烘干排液法,=,m,V+Vb,近似密度：,表观密度：材料在自然状态下单位体积的质量。 单位g/cm3或kg/m3。 式中 0 表观密度， g/cm3或kg/m3 m材料的质量，g或kg Vo材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3 或m3,有关表观密度：,自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。 材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化，所以应注意含水情况 。 一般情况下，表观密度是指气干状态下的密度，而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。,堆积密度：粉状或粒状材料在自然堆

10、积状态下单位体积的质量。 单位kg/m3。 式中 0， 堆积密度（kg/m3 ） m 材料的质量（kg） Vo ，材料的堆积体积（m3）,有关堆积密度：,堆积体积一般指所用容器的体积，因此是指包含颗粒之间的空隙在内的体积。可以反映材料颗粒之间空隙的大小。,2.2 材料的密实度与孔隙率 密实度：指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的程度。 公式 影响材料的：强度、吸水性、耐久性、导热性,孔隙率：指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。 公式 孔隙率与密实度的关系 P+D=1 影响材料的：强度、 吸水性、耐久性、 导热性,孔隙对材料性质的影响 材料的特性不仅与孔隙率大小

11、有关，还与材料的空隙特征有关。 孔隙的类型 常压下水可以进入的孔隙称为开口孔隙。 常压下水不能进入的孔隙称为闭口孔隙。,孔隙的影响,一般随材料内部孔隙的增加，表现为： 表观密度； 强度、耐磨性； 抗冻性、抗渗性、耐水性、耐腐蚀性、其它耐久性； 吸水性、吸湿性； 保温性、吸声性；,2.3 材料的填充率和空隙率,填充率指散粒材料在堆积体积中，被其颗粒填充的程度。 公式,空隙率散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。 公式 空隙率与填充率的关系,反映散粒材料颗粒之间互相填充的程度。,2.4 材料与水相关的性质,材料的亲水性与憎水性 材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料

12、分为亲水性和憎水性两大类。 表现方式：为水在材料表面的铺展程度 表达方式：常用润湿角表示。,润湿角,亲水性材料 ：90，越小，亲水性越强； 憎水性材料 ：90，越大，憎水性越强。（防水材料）,亲水性：自洁净玻璃具有超亲水性，膜层受太阳光中的紫外线激发后，对水的接触角减少到5度以下（普通玻璃对水的接触角约为46度），甚至可以达到0度，使水铺展在玻璃表面上并把污物带走，水在玻璃表面形成水幕，水滴和水痕降最少。 通常，自然的雨水就能够使自洁净玻璃保持清洁。若气候干旱，只需要用自来水冲洗也可以起到同样的清洁作用。可以减少人工清洁的次数和费用。,应用案例：自洁净玻璃,材料的吸水性 含水率：材料中所含水的

13、质量与干燥状态下材料的质量之比，称为材料的含水率。 公式： 式中 W材料的含水率（） m材料在干燥状态下的质量（g） m1材料含水状态下的质量（g）,吸水率：材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。 吸水率包括：质量吸水率和体积吸水率。 质量吸水率公式 ： 式中 W材料的吸水率（） m饱水材料吸水饱和后的质量（） m材料在干燥状态下的质量（）,材料的吸水性能主要取决于材料的亲水性、孔隙率和空隙特征：材料亲水性越强，孔隙率越大，空隙多为开口、微孔时，材料的吸水性越强。 对于特定的材料，其吸水性大小也反映了上述材料的物理参数。 各种材料之间吸水率相差很大。 钢铁、玻璃：0 普通混凝土：2%

14、3% 木材： 通常100%,材料的吸湿性材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质，用含水率表示。 公式 式中 W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的质量（） m材料在干燥状态下的质量（）,平衡含水率 影响含水率大小的因素： 材料的本性亲水性或憎水性材料 环境温度、湿度气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高 含水时材料性能的变化： 强度下降 导热性增大、热阻降低、保温性能下降对围护结构材料不利 体积膨胀对木结构和木制品不利,耐水性材料抵抗水的破坏作用的能力。主要指力学性质和结构性质，也包括光学性质和装饰性质等。材料的耐水性用软化系数表示。 公式 ：,材料软化系数的要求,软化系数越小，说明材料吸

15、水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 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 用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75 。,砖浸水后强度下降,某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。,未烧透的红砖,这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。,材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。 土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。,抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。 式中 K材料的渗透系数,cmh； Q渗透水量,cm3； d材料的厚度,cm； A渗水面积,cm2； t渗水时间,h； H静水压力水头,cm。 渗透系数越小，抗渗