第1章土木工程材料的基本性质概要

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1、杨三强 工学博士、博士后、硕士生导师，研究员，中组部第十批“西部之光”访问学者，中国公路学会会员，交通运输部干旱荒漠区公路工程技术交通行业重点实验室路基、路面学术带头人,新疆交通运输行业第二届青年科技英才。参加完成6项公路设计及咨询项目，6项新疆及交通运输部重点科研项目，主持交通运输部西部项目子题1项，新疆自然科学基金项目1项、交通运输厅科技项目2项。荣获新疆科技进步一等奖1项，新疆科技进步三等奖1项，陕西省教育厅科技进步二等奖1项，中国公路学会科技进步二等奖1项，中国公路学会科技进步三等奖1项，在中文核心期刊上发表论文30余篇，4篇EI检索，3篇ISTP检索，获新疆交通运输行业优秀论文三等奖

2、1次，主编著作1部，2014年河北大学高层次引进人才。,个人简介,国家青年拔尖人才候选人,2019/10/20,1,土木工程材料,建筑工程学院 杨三强(博士后、研究员、硕导) Tel:18932662692 email：ysq0999,2019/10/20,2,1.性质 土木工程材料课程为土木工程专业的专业基础课。 2.目的 为学习建筑设计、建筑施工、结构设计专业课程提供土木工程材料的基本知识，并为今后从事专业技术工作能够合理选择和使用土木工程材料打下坚实的理论基础。 3.任务 使学生获得有关建筑材料的性质与应用的基本知识和必要的基本理论，并获得主要土木材料试验的基本技能训练。,一、课程的性质

3、、目的和任务,2019/10/20,3,从本课程的目的及任务出发，课程内容着重 于材料的性质和应用，对这两方面内容提出如下要求： 在材料性质方面： 掌握材料的组成、性质及技术要求； 了解材料组成及结构对材料性质的影响； 了解外界因素对材料性质的影响； 了解各主要性质间的相互关系； 初步学会主要建筑材料的试验方法。,2019/10/20,4,在材料应用方面： 根据工程要求能够合理地选用材料； 熟悉有关国家标准或行业标准； 了解材料使用方法的要点； 学会混凝土配合比设计。,2019/10/20,5,讲课共36讲，内容主要参考土木工程材料(第二版)。 考核以讲课内容和作业为准，请同学适当做好笔记。

4、成绩：考查，占评分70%;出勤、作业占30%。 迟到或旷课扣期末成绩，一次分别扣5分或10分。三次旷课取消期末总成绩。 主讲教师：杨三强 建筑工程学院 联系方法：ysq0999,二、学时安排及要求,2019/10/20,6,绪 论,土木工程材料是指土木工程中使用的各种材料及制品，它是构成建筑物的最基本元素，是一切土木工程的物质基础。,2019/10/20,7,工程材料的分类,2019/10/20,8,2019/10/20,9,土木工程材料的标准化 1.中华人民共和国标准化法将我国标准分为国家标准、行业标准、地方标准、企业标准4级。 （1）国家标准 强制性标准代号为GB、推荐信标准代号为GB/T

5、。 （2）行业标准 建材行业标准代号为JC、交通行业标准代号为JT、建工行业标准代号为JG等 （3）地方标准DB （4）企业标准QB,2019/10/20,10,2.其他国家标准 （1）世界范围统一使用的国家标准：ISO； （2）美国材料试验学会标准：ASTM； （3）德国工业标准：DIN； （4）英国标准：BS； （5）法国标准：NF； （6）日本标准：JIS。,2019/10/20,11,金字塔,万里长城,布达拉宫,罗马园剧场,2019/10/20,12,第 一 章 土木工程材料的基本性质,2019/10/20,13,1.1 材料科学的基本理论 1.2 材料的基本物理性质 1.3 材料的基

6、本力学性质 1.4 材料的耐久性,2019/10/20,14,1.1 材料科学的基本理论,材料科学与工程是研究材料的组成、结构、生产制造工艺与其性能及使用关系的科学和实践。 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、塑料等。,2019/10/20,15,一、材料科学与工程,二、材料的组成,材料的组成是决定材料性质的最基本因素。 材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和 相组成。,2019/10/20,16,1.化学组成 化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。如材料受到酸、碱、盐类物质的侵蚀作用。 2.矿物组成 材料科学中常将具有

7、特定的晶体结构、具有特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。 矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。如天然石材、无机胶凝材料等。 矿物组成是在其化学组成确定的条件下的决定材料性质的主要因素。,2019/10/20,17,3.相组成 材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相三种形态。 同种化学物质由于加工工艺的不同可形成不同的相，同种物质在不同的温度、压力等环境条件下，也常常会转变其存在状态。,2019/10/20,18,土木工程材料大多是多相固体材料，这种由两相或两 相以上物质组成的材料，称为复合材料。 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的关

8、系。 所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面。 对于土木工程材料，可通过改变和控制其相组成和界面特性，来改善和提高材料的技术性能。,2019/10/20,19,三、材料的结构和构造,材料的结构、构造是决定材料性能的另一个极其重要的因素。 材料的结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构。,2019/10/20,20,材料的结构 一、宏观结构,材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。土木工程材料的宏观结构，按其孔隙特征分为： 致密结构：指具有无可吸水、透气的孔隙的结构。例如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。 多孔结构：指具有粗大空隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造

9、轻质多孔材料。 微孔结构：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、低温烧结粘土制品。,2019/10/20,21,按其组织构造特征分为： 堆聚结构：指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。 纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。例如木材、玻璃钢、岩棉、GRC制品等。 层状结构：指由天然形成或人工粘结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。如胶合板、蜂窝板、纸面石膏板、各种新型节能复合墙板等。 散粒结构：指由松散粒状物质所形成的结构。例如混凝土集料、粉煤灰、细砂、膨胀珍珠岩等。,2019/10/20,22,二、细观结构,细观结构（也称亚微观结构）是

10、指可用光学显微镜观察到的结构。 材料细观结构层次上的各种组织结构，性质和特点各异，它们的特征、数量和分布对土木工程材料的性能有重要影响。,2019/10/20,三、微观结构,微观结构是指原子、分子层次的结构。按微观结构材料可分为晶体、玻璃体、胶体。 1.晶体 质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则，呈周期性排列时所形成的结构称晶体结构。晶体按质点和化学键的不同可分为：原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体。,2019/10/20,原子晶体：中性原子以共价键结合而成的晶体，如石英。 离子晶体：正负离子以离子键结合而成的晶体，如CaCl2。 分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体

11、，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子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。,2019/10/20,2.玻璃体 玻璃体亦称为无定型体或非晶体。其结合键为共价键及离子键；玻璃体的结构特征为质点在空间上呈非周期性排列。 3.胶体 以胶粒（粒径为10-710-10m的固体颗粒）作为分散相，分散在连续相介质（如水、气、溶剂）中，形成的分散体系称为胶体。 在胶体结构中又可分为溶胶结构、凝胶结构、溶胶-凝胶结构。,2019/10/20,材料的构造,材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。,2019/10/20,1.2 材料的基本物理性质,一、材料的密度、表观

12、密度与堆积密度,2019/10/20,28,2019/10/20,29,除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。 测定有孔隙材料的密度时，应将材料磨成细粉，干燥后，用 李氏瓶测定其体积。砖、石材等都用这种方法测定密度,土木工程中，砂、石等材料内部有些与外部不连通的孔隙，使用时既无法排除，有没有物质进入，在密度测定时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，这时所求得的密度称为近似密度（a）,2.表观密度,式中 0材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； m材料的质量，kg或g； V0材料在自然状态下的体积（包括材料实体及其内部

13、孔隙的体 积），m3或cm3。,2019/10/20,30,材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料内部孔隙含水时，其质量和体积均将变化，故测定材料的表观密度时，应注意其含水情况。一般情况下，表观密度是指干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。,3.堆积密度,式中 0堆积密度，kg/m3； m材料的质量，kg； V0材料的自然堆积体积，m3。,材料的自然堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔隙体积及颗粒间的空隙体积。,2019/10/20,31,几种密度的比较,同种材料: 密度表观密度体积密度堆积密度,2019/10/20,32,1.密实度（D） 孔隙可从两个方面对材料

14、产生影响：一是孔隙的多少；二是孔隙的特征。 式中 D材料的密实度，%； V0材料总体积（在自然状态下的体积，包括材料实体及其内部 所含孔隙体积），m3或cm3； V材料在绝对密实状态下的体积，m3或cm3； 材料的密度，g/cm3； 0材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； P材料孔隙率，%；,2019/10/20,33,二、材料的密实度与孔隙率,2.孔隙率（P） 孔隙可从两个方面对材料产生影响：一是孔隙的多少；二是孔隙的特征。 式中 P材料孔隙率，%； V0材料总体积（在自然状态下的体积，包括材料实体及其内部 所含孔隙体积），m3或cm3； V材料在绝对密实状态下的体积，m3或cm3。,2

15、019/10/20,34,材料孔隙经常涉及的3个特征： 按孔隙尺寸大小，可把孔隙分为微孔、细孔和大孔3种。 按孔隙之间是否相互贯通，把孔隙分为互相隔开的孤立或相互贯通的连通孔。 按孔隙与外界之间是否连通，把孔隙分为与外界相连通的开口孔隙（简称开孔）或不相连通的封闭孔隙（简称闭孔），由图所示。,2019/10/20,35,把开孔的孔体积记为VK，闭孔的孔体积记为VB，则有VP=VK+VB。 此外，若定义开孔孔隙率为 ，闭孔孔隙率为 ，则 孔隙率：,2019/10/20,36,2019/10/20,37,某岩石的密度为2.75g/cm3,孔隙率为1.5%，将该岩石破碎，测得碎石的堆积密度为1560

16、kg/m3,试求此岩石的表观密度和碎石的空隙率。 解：,练习题,2019/10/20,38,与空隙率相对应，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,1.填充率（D）,式中 D材料填充率，%。,2019/10/20,39,三、材料的填充率与空隙率,2.空隙率（P）,2019/10/20,40,孔隙率与空隙率的区别,2019/10/20,41,四、材料与水有关的性质,1.材料的亲水性与憎水性 当材料与水接触时，水分与材料表面的亲和情况是不同的。表现为亲水和憎水两种不同的性质。用湿润角来判断。 90 亲水材料 90180 憎水材料 土木工程材料绝大部分是亲水性材料，憎水材料常用作防水材料。而对亲水材料表面进行憎水处理。可改善其耐水性能。,2019/10/20,42,2019/10/20,43,二、材料的吸水性与吸湿性 1.含水率 材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比，称为材料的含水率 式中 W材料的