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1、土木工程材料,Civil Engineering Materials,姓名：宋跃军 邮箱： songyj 电话：15652351373,土木工程材料,材料科学,土木工程,课程性质： “材料科学”与“土木工程”间的桥梁,“材料科学”与“土木工程”间的桥梁,“土木工程材料”课程学习内容,第一章 绪论及土木工程材料的基本性质 第二章 无机胶凝材料 第三章 混凝土 第四章 砌筑材料 第五章 金属材料 第六章 木 材 第七章 建筑高分子材料 第八章 沥青材料,绪 论,一、土木工程材料的定义 1. 广义：指建造建筑物和构筑物的所有材料，包括使用的各种原材料、半成品、成品等的总称。 如粘土，生石灰，混凝土等
2、。,2. 狭义：指直接构成建筑物和构筑物实体的材料。如混凝土、水泥、钢筋、粘土砖、玻璃等。,两个基本要求：,2、在其使用过程中，能抵御周围环境的影响与有害介质 的侵蚀，保证建筑物和构筑物的合理使用寿命。同时也 不能对周围环境产生危害。,1、满足建筑物和构筑物本身的技术性能要求，保证能正 常使用。,二、土木工程材料的分类,绪 论,绪 论,三、土木工程材料的发展及发展趋势 1、土木工程材料的发展过程：随生产力发展而发展 原始时代天然材料：木材、岩石、竹、粘土 石器、铁器时代 金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉宫 ：石材、石
3、灰砂浆 18世纪中叶钢材、水泥 19世纪钢筋混凝土（1890-1892）；,绪 论,20世纪预应力混凝土、高分子材料 21世纪轻质、高强、节能、高性能绿色建材,2、土木工程材料的发展趋势： （1）轻质、高强；（2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能（4）由单一材料向复合材料及制品发展 （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环 保方向发展；（7）发展更多花色品种的装饰材料。,绪 论,第 一 章 土木工程材料的基本性质 Introduction to Civil Engineering Materials,三问：What ? How ? Whic
4、h ?,土木工程要求材料具备什么性能（What）? 土木工程材料如何满足工程要求（How）? 本章学习哪些内容（Which）?,土木工程的功能 要求的材料性能,承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境,强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性,土木工程要求材料具备哪些性能？,土木工程材料如何满足性能要求？,材料的组成 材料的结构 材料的构造 材料的复合,性能,组成,结构,材料的组成结构性能关系,材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心,本 章 主 要 内 容,材料的组成与结构 材料的材料的物理性质 材料的物理化学性能 材料的力学性质 材料的耐久性,1.1 土木工程
5、材料的组成与结构 Composition and Structure of Civil Engineering Materials,材料组成 决定材料性质的最基本因素 相组成 矿物组成 化学组成,结构 微观结构 细观结构 宏观结构,一、材料的组成,材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成,材料的物相组成： 固相 气相 液相,材料的化学组成： 元素 化合物,物相组成,固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 气相 液相,矿 物 化合物,分布的孔隙及其含量,包含的液体种类与含量,矿物 具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，
6、类似于天然矿物的物相或化合物。 矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量。 例如：,矿物组成,硅酸盐水泥熟料中的主要矿物相有： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙,钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体,化学组成,化学组成构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。 例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、CaCO3等。
7、,化学组成与矿物组成的关系,化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O，但它有-、-、- 等3种矿物相。 不同的矿物相，其化学组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。 矿物组成相同，其化学组成一定相同。,材料的结构,材料的结构材料所含各物相(固、液、气)的形态、尺寸、堆积方式和分布情况；决定材料性能的另一个极其重要的因素。 根据分辨率的大小，材料结构分为宏观、细观和微观三个层次； 材料的结构取决其组成和制造工艺及其条件(温度、压力等)； 相同组成的材料可以有不同的结构； 相同结构的材料可以有不
8、同的组成。,材料中的气相,材料中均或多或少地含有气相； 气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料中，因此孔隙有一定的结构孔结构； 孔 (缝)隙对材料性能有很大影响： 有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等； 无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。,土木工程材料的技术性能,物理性质 密度 密实度 孔隙率 物理化学性质 力学性质 耐久与安全性质,1.2 土木工程材料的物理性质 General Properties of Civil Engineering Materials,基本性质 General Properties 密度、表观密度、堆积密度 密实度 孔隙率,1、
9、质量与体积,密度 表观密度0 堆积密度0,密 度,单位体积材料的质量密度 体积与质量是可变的，密度是不变的 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状态有关,材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,材料在自然状态下，单位体积的质量。,散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。,绝对密实状态 下，m/V 自然堆聚状态下，m/V0 松散堆积状态下，m/V0,一、材料的密度、表观密度及堆积密度：,1. 密度：,m-材料在干燥状态下的质量 V-材料在绝对密实状态下的体积,2.表观密度：,-材料的质量 -材料在自然状态下的表观体积,注意：1. V0 =V+V闭孔 2. 表观密度须注明含水状 态，常是一个范围内
10、的值。,3.堆积密度：,-材料的质量 -材料在堆积状态下的体积,注意：1. V/0 =V+V闭孔+V开孔,问题 ？,对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 答：密度表观密度堆积密度 为什么？ 答： 自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积； 堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。,2、孔隙率（P）与密实度（D）的计算,1) 孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态： P=1 - 100%,V0-V,100%,0,V0,2) 密实度 定义：材料体积中被固体物质充实的程度D， D= 100% = 1P 材料的密实度越大，则强度越高
11、、吸水率越小、导热性越大。,V,V0,例 题,某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、密实度。,解答：,1） Vo=10L, m2=13.5kg; 0
12、 =（m/V0）= 13.5/10 = 1.35 m=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度1。 则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.404 V=18.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.66 2) P = 10/ 100% =(12.404/2.66)=9.624% D=1P=90.376%,1.3 工程材料的物理化学性能 Physicochemical Properties of Engineering Materials,亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrop
13、hobic Properties 吸水性与吸湿性 Water and Moisture Absorption,1、亲水性与憎水性,根据水与材料表面的润湿角（接触角）的大小，有： 亲水性 0 90时，材料表面可被水所湿润；材料表面被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲水性材料。 憎水性 90 180时，材料表面不可被水湿润，材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性。,亲水性与憎水性材料的特征：,材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构： 有机材料一般是憎水性， 无机材料都是亲水性。,水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有
14、利。,水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。,3、含水率、吸水率、平衡含水率,含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比： w = 100% 式中：m材料干燥状态下的质量，g; m1材料在含水状态下的质量，g。 吸水率 材料吸水饱和时的含水率： 100% 式中： m2材料在吸水饱和状态下的质量，g。 平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环境中湿度达到平衡时的含水率。,m2m,m,m1m,m,创新思维？ 1、为什么房屋一楼潮湿？ 2、如何解决？,1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。 2、解决问题的原理与办法 阻塞毛细通道，技术措施？ 对材料中的毛细管壁进行憎水
15、处理,一、材料的变形性质：,1、材料的弹性变形和塑 性变形,1)弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形(或瞬时变形)。,材料的力学性质：指材料在外力作用下所引起的变化的性质。,例：钢筋受力变形,2)塑性变形：在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形(或永久变形)。,1.4 工程材料的力学性质 Mechanical Properties of Engineering materials,2、脆性和韧性 1）脆性：当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时并无明显的塑性变形的性质。 2）韧性（冲击韧性）：在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。,脆性材料的抗压强度比其抗拉强度往往要高很多倍。它对承受震动作用和抵抗冲击荷载是不利的。在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁
