第一章 基本性质课件

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1、第一章 土木工程材料的基本性质,1.1 材料科学的基本理论 一 材料科学与工程 二 材料的组成 1、化学组成 2、矿物组成 3、相组成,三 材料的结构和构造,材料的结构： 宏观结构 指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 (1)致密结构：石材、金属材料等 孔隙特征 (2)多孔结构：加气混凝土等 (3)微孔结构：石膏板等 (1)堆聚结构：混凝土、砂浆等 组织构造 (2)纤维结构：木材、玻璃等 (3)层状结构：稻草板等 (4)散粒结构：粉煤灰、细砂等,细观结构(亚微观结构),指可用光学显微镜观察到的结构。 不同工程材料，其分类是不相同的 天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织 木材可分为木纤维、导

2、管髓线、树脂道 钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体,铁素体的晶体组织,钢材的晶体组织,珠光体的晶体组织,铁素体和珠光体,珠光体与渗碳体,球状珠光体,微观结构,指原子、分子层次的结构。 可以分为晶体、玻璃体、胶体三大类 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 1)原子晶体：方石英(SiO2) 2)离子晶体：NaCl、CaCl2 3)分子晶体：CO2 4)金属晶体：,原子晶体方石英(SiO2) ,离子晶体,分子晶体（CO2）,金属晶体,2、玻璃体,质点在空间上呈非周期性排列，其结合键为共价键及离子键。,对玻璃体结构的认识，目前有如下三种观点（1）构成玻璃

3、体的质点呈无规则空间网络结 构。此为无规则网络结构学说。（2）构成玻璃体的微观组织为微晶子，微晶 子之间，通过变形和扭曲的界面彼此相连。此为 微晶子学说。（3）构成玻璃体的微观结构为近程有序、远 程无序。此为近程有序、远程无序学说。,3、胶体,以胶粒(粒径为10-7一10-10m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。 溶胶结构 凝胶结构 溶胶凝胶结构,一 材料的密度、表观密度和堆积密度 (一) 密 度（Density） 1、定义 材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 实际密度（ g/cm3 ） m材料的质量

4、（g） V材料在绝对密实状态下的体积(cm3),1.2 材料的物理性质,2、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。 实际密度的测量： (1)对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等。量测几何体积称重代入公式 (2)对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材等。 磨成细粉 李氏比重瓶法测试,1、定义：在自然状态下，单位体积材料的干质量 公式： 体积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V0材料在包含闭口孔条件下体积(cm3),(二) 表观密度(Apparent density),2、表观密度的测量,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

5、体积均发生变化。注明含水情况表观密度的测量： (1)对形状规则的材料：砖、混凝土、石材。烘干量测几何体积称重代入公式 (2)对形状不规则的材料： 烘干蜡封浮力天平,混凝土表观密度测定,（三）堆积密度(Bulk density),1、定义 散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 0堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V0材料的堆积体积（cm3）,2、堆积密度的测量,堆积体积是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。 堆积密度的测量： (1)容器法：散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 (2)自然堆积法：堆积成一定形状量测几何体积称重代入

6、公式,砂堆积密度的测定,将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积,密度、表观密度、堆积密度之间的关系,在工程中，计算材料和构件的自重、材料的用量，以及计算配料、运输台班和堆放场地时，经常要用到材料的密度、表观密度以及堆密度等数据。,二 材料的孔隙和空隙,（一）密实度（Solidity）：指材料体积内被 固体物质所充实的程度。反映材料的致 密程度。 公式 对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或100%。对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。,（二）孔隙率（Porosity）,定义：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。

7、 公式 影响材料的：强度、 吸水性、耐久性、 导热性,（三）填充率,定义：指散粒材料自然状态体积占堆积体积的百分率。反映散粒材料堆积的致密程度。 公式,（四）空隙率（Voidage）,定义 散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率 公式,孔隙率与空隙率的区别,三 材料与水有关的性质,一、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，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角表示。 亲水性材料 90水泥、混凝土 石材、陶瓷、砖 憎水性材料 90 沥青、油漆、石蜡 塑料、防水油膏,润湿角示意图,二 材料的吸湿性和吸水性,1、吸湿性：材料在潮湿空气中吸收空气中水

8、分的性质。用含水率表示。 W 材料含水率，%； m1 材料吸湿状态下的重量，g； m0 材料干燥状态下的重量，g。,1、吸湿性（Hygroscopic）,材料的含水率随环境的温度和湿度变化而变，在环境湿度增大，温度降低时，材料含水率变大；反之，变小。 平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率。,2、吸水性（Water-absorbing quality）,吸水性：指材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示： 质量(Wm)吸水率：指材料吸水饱和时, 吸收的水分重量占材料干燥时的百分率. Wm=(mb mg )/mg100,2、吸水性,体积吸水率(Wv)：材料吸水饱和时，所吸

9、水分体积占材料干燥时体积的百分率。 Wv=(mbmg )/(Vgw) 100 w水在常温下的密度，1000kg/m。,吸水率与含水率的区别,三、耐水性（Water resistance）,定义：材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。,三、耐水性材料软化系数的要求,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 粘土KR=0，而金属KR =1 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KR0.85；,三、耐水性材料软化系数的要求,受潮较轻的或次要结构物的材料，其KR0.75； KR0.85的材料，一般称为耐水的

10、材料。,四、抗渗性（Permeability）,定义：材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。 1、渗透系数KS。 KS越大，材料的抗渗性越差。 依达西定律,1、渗透系数Ks,KS材料的渗透系数（cm/h） Q透过材料试件的水量（cm） t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm） H=P/ d试件的厚度（cm）,2、抗渗等级,对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：S=10H-1 H试件开始渗水时的水压力（MPa） 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征。 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。,试验过程,五、抗冻性（

11、Frost-resistance）,定义：材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。用抗冻标号F表示 如：材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,西直门桥,冻融破坏的桥梁,冻融破坏的水库坝面,使用20年的高速公路桥梁,三 材料的耐燃性,材料的耐燃性是指建筑物失火时，材 料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严 重下降的性能。 (1)不燃烧类 材料遇火遇高温不易起火、不阴燃、 不炭化，如混凝土。,三、材料的热工性质,(2)难燃烧类 材料遇火遇高

12、温不易起火、不阴燃、不 炭化，只有在火源存在时继续燃烧阴燃，火焰 熄灭后，而停止燃烧或阴燃，如沥青混凝土。 (3)易燃类 材料遇火遇高温而起火或阴燃，在火源 扑灭后，能继续燃烧或阴燃，如木材。,四 材料的耐火性,材料的耐火性是指材料长期高温作用下，保持不溶性并能工作的性能。 (1)耐火材料 耐火度580的材料，如耐火砖中硅砖。 (2)难溶材料 耐火度在1350 1580 ，如耐火混凝土 (3)易溶材料 耐火度1350 ，如普通粘土砖。,1.3材料的力学性质,一、材料的理论强度 指材料在理想状态下应具有的强度。 取决于质点间的作用力。以共价键、离子键形 成的结构，其理论强度较高；而以分子键形成的

13、结 构，其理论强度较低 实际材料中存在许多缺陷，故材料的理论强度远 远大于其实际强度。,二、材料的强度（Strength）、比强度 1、强度：材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力。 依受力形式有：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等 不同材料的承载特点是不同的： 混凝土、石材、砖抗压强度高 钢材、各类纤维抗拉强度高,抗压、抗拉、抗剪：,抗弯：,（中点）,三分之一点,抗压,抗拉,抗剪,抗弯,强度等级,2、比强度,比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/o）。用于评价材料轻质高强。,二、材料的弹性与塑性,1、弹性（Elasticity）：材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形

14、即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 弹性模量 E=/(衡量材料抵抗变形能力) 2、塑性（Plasticity）：材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和 塑性变形。,弹塑性材料的变形曲线,ab为可恢复的弹性变形，bo为不可恢复的塑性变形,3、虎克定律,材料在弹性范围内，其应力与应变之间符合如下法则： =E 应力，MPa; 应变； E 弹性模量， MPa。 弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力， E，变形，刚度愈好。,低碳钢的曲线,分段的弹性变形和塑性变形,三、材料的脆性与韧性,1、脆性（Bri

15、ttleness）：在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。 脆性材料：抵抗冲击或震动荷载的能 力很差的材料。如混凝土、玻璃、石材。,2、韧性（Toughness）,韧性：在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。 如钢材、木材、纤维等。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等,四、材料的硬度与耐磨性,1、硬度 硬度：是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。 莫氏硬度（划痕法） 1滑石 2石膏 3方解石 4 萤石 5磷石灰 6正长石 7 石英 8黄玉 9刚玉 10金刚石 肖氏硬度（HS） 布氏硬度压入法（HB）,2、耐磨性,耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。 常用磨损率（M）表示。 公式 m0、m1试件被磨损前后的质量（g）。 A试件受磨损的面积（cm2）。,2、耐磨性,道路、地面、踏步、水库泄洪道、缢 流面等处需要考滤耐磨性 耐磨性与组成、成分、结构强度、硬 度有关 一般说，强度较高且密实的材料，其 硬度较大，耐磨性较好,1.4材料的耐久性（Durability）,1、定义：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。 包括：抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材 耐化学腐蚀金属材料,2、侵蚀介质,物理介质：温度、湿度、冻融、阳光