第一章 土木工程材料的基本性质 课件

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1、1,西南交通大学 希望学院 2011年,2,问题：土木工程要求材料具备哪些性能？,土木工程的功能,要求的材料性能,承受荷载,长期可靠性,强度、刚度,耐久性,物理性能,防水、隔热、隔声、防火、采光、绝缘,不污染环境,安全性,3,本章要点 土木工程材料的基本物理性质、力学性质及耐久性等。 学习目标 熟悉和掌握各种材料的基本性质，在工程设计与施工中正确选择和合理使用各种材料。,第1章 土木工程材料的基本性质,4,1.1 材料的组成与结构 1.2 材料的物理性质 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料的耐久性 1.5 材料的环境负荷性及其使用的健康安全性,内容提要：,5,研究土木工程材料的一般规律,

2、如下图所示：,原料 生产工艺,组成 结构 构造,技术 要求,性质,应用,外界环境条件,检验 与 验收,运输 储存,形成了,决定了 (内因),决定了,提出了要求,依据,提出了,影响 外因,6,1.1 材料的组成与结构,1.1.1 材料的组成 1.1.2 材料的结构 1.1.3 结构中的孔隙与材料性质的关系,7,1. 化学组成 化学组成指构成材料的基本元素与化合物。,材料在使用过程按化学变化规律发生作用，例如： 混凝土碳化 钢材锈蚀,8,2. 矿物组成 矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。,矿物组成 = 矿物种类 + 矿物含量,例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥,无机非金属材料,9,

3、10,11,木材的细观结构,金属的金相组织,12,钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片,13,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,矿渣在3.0K下的SEM照片,14,几种工业废渣的XRD衍射图谱,15,土木工 程材料,晶体,玻璃体,胶体,固态,有规则，各向异性,无定形态（短程有序， 长程无序）,微小质点分散于介质中形成的结构 （1100m）,（石墨、金刚石、“足球烯”C60）,16,石墨三维结构,17,泡沫玻璃,玻璃,泡沫塑料,泡沫混凝土,18,小结：材料的组成、微观结构、宏观结构与材料性质、用途的关系 宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同 宏观结构相同或相似，则即使材料

4、的组成或微观结构等不同，材料也具有某些相同或相似的性质与用途,19,1. 材料内部孔隙的来源与产生,天然材料,人造材料,木材的细观结构,锆石的微观结构,20,孔隙大小,孔隙形状,常压下水 能否进入,微细孔隙 毛细孔 较粗大孔隙 粗大孔隙,球形孔隙 片状孔隙 管状孔隙 墨水瓶状孔隙 带尖角的孔隙,开口/连孔隙 闭口/封闭孔隙,2. 孔隙的分类,21,3. 孔隙特征及其对材料性质的影响 孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力学性质均有显著影响。 一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。,22,开口孔隙对材料性质的影响较闭

5、口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。,23,1.2 材料的物理性质,1.2.1 与质量状态有关的物理性质 1.2.2 与构造状态有关的物理性质 1.2.3 与水有关的性质 1.2.4 与热有关的性质 1.2.5 与声有关的性质,24,1.密度,材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,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。,绝对密实:不包括孔隙。,如何测？,磨成细粉，用李氏瓶； 排液置换法。,李氏密度瓶,实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似密度）。,25,是指材料在自然状态下，不含开口孔时单位体积的质量。,2. 表观密度 （视密度、近似

6、密度）,如何测？,2,26,3. 容积密度0（体积密度、容重）,是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。,宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固体体积开口孔隙体积闭口孔隙体积。,如何测？,形状规则：直接测量并计算 形状不规则：蜡封并排液测定,27,4. 堆积密度0/,粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。,如何测？,堆积体积: 散粒材料填充容器的体积。 固体体积孔隙体积颗粒间空隙。,4,28,问题？,对于某一种材料来说，其密度、表观密度、容积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ 密度表观密度容积密度堆积密度,29,1. 孔隙率与密实度 孔隙率是指材料内部孔隙体积占

7、材料总体积（在自然状态下体积）的百分率 。,密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。,30,2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,31,2. 空隙率与填充率 空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。,填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。,32,练习题： 一块普通粘土砖尺寸为240mm115mm53mm，烘干后质量为2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3，求该砖的密度、表观密度、容积密度、开口孔隙率、闭口孔隙率及密实度。,33,

8、解：该砖的宏观外形体积为：,开口孔的体积为：,则该砖的密度为：,表观密度为：,容积密度为：,34,开口孔隙率为：,总孔隙率为：,闭口孔隙率为：,密实度为：,35,1. 亲水性与憎水性,全润湿 润湿 不润湿,憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。,亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。,36,2. 吸水性与吸湿性 1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。,质量吸水率Wm,体积吸水率WV,37,材料的吸水率与孔隙特征有何关系？,孔隙特征,吸水率,微细而连通,封闭,较大,较小,较小,粗大开口,38,2）吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。,含水率表示材料在某一状态的含水能力，随环境温

9、 度和空气湿度的变化而变化。与空气温湿度相平衡 时的含水率称为平衡含水率（或称气干含水率）。,含水率,39,3）含水对材料性质的影响 体积 容积密度 强度 导热性 ， 保温隔热性 吸声性 耐久性,40,1. 导热性 材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示：,通常将0.23 W /（mK）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。,41,影响材料导热系数的主要因素有： （1）材料的组成与结构：通常金属材料的导热系数大于非金属材料；固体的大于液体；气体的最小。 （2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越轻（越小），导热系数越小。 （3）含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧

10、增加。 （4）温度：温度越高，材料的导热系数越大（金属除外）。,42,2. 热阻 材料层厚度与导热系数的比值称为热阻R=/（m2K/W），它表明热量通过材料层时所受到的阻力。 多层平壁导热条件下，平壁的总热阻等于各单层材料的热阻之和。（电阻的串联）,43,3. 热容量 是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，用比热表示：,比热c与材料质量m的乘积，称为热容量。材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，即有利于保证室内温度相对稳定。,44,1. 吸声性 材料能吸收声音的性质称为吸声性。,吸声系数, 影响因素：频率、入射方向,常用频率：125、250、500、10

11、00、2000、4000Hz。, 0.20,吸声材料,45,影响多孔吸声材料吸声效果的主要因素： （1）材料的孔隙率或体积密度 对同一吸声材料，孔隙率P越低或体积密度越大，则对低频声音的吸收效果越好，而对高频声音的吸收有所降低。 （2）材料的孔隙特征 开口孔隙越多、越细小，则吸声效果越好。 （3）材料的厚度 增加多孔材料的厚度，可提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大的效果。,46,2. 隔声性 是指材料隔绝声音的性质。,声音,传播 途径,空气声,固体声,隔空气声,隔固体声,密实、沉重的材料,不连续的结构处理,47,1.3 材料的基本力学性质,1.3.1 强度与比强度 1.3.2 弹性

12、与塑性 1.3.3 脆性与韧性 1.3.4 硬度与耐磨性,48,1. 强度：是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。, 按外力作用方式：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。,压 拉 弯曲 剪切,1.3.1 强度与比强度,（极限强度）,49,材料强度的计算公式,（1）抗拉、抗压、抗剪强度：,f材料的强度 ，N/mm2或MPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； A受力截面面积；,（2）抗弯强度：,单点集中加荷：,三分点加荷：,f材料的抗弯强度 N/mm2或MPa；Fmax破坏时的最大荷载N； L两支点的间距mm ； b、h试件横截面的宽与高mm。,50,常用土木工程材料的强度（ N/

13、mm2或MPa ）,材料强度的影响因素：, 材料组成与结构、孔隙率、含水率、尺寸、加载速度、表面状况。,51,材料强度与体积密度之比。 衡量材料轻质高强性能的主要指标。,钢材、木材和混凝土的强度比较,2. 比强度,52,1. 弹性：,弹性变形：可完全恢复的变形,材料的弹性变形曲线,外力作用变形 外力除去 变形保持,塑性变形：不能恢复的变形,材料的塑性变形曲线,外力作用变形 外力除去变形完全恢复,2. 塑性：,1.3.2 弹性与塑性,53, 真实材料中，完全的弹性材料或完全的塑性材料不存在。,3. 弹塑性变形：,外力作用变形；卸载后弹性变形恢复，塑性变形保留。,54,b a 变形,荷载,0,A,

14、ab弹性变形,ob塑性变形,材料的弹塑性变形曲线,55,1. 脆性：外力达到一定限度材料突然破坏（无明显塑性变形）,脆性材料的变形曲线, 常见脆性材料：砖、玻璃、铸铁、普通混凝土、陶瓷、石材、砂浆,2. 韧性：冲击、振动荷载作用材料吸收较大的能量而不发生破坏,1.3.3 脆性和韧性,56,1. 硬度：材料表面抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。,1.3.4 硬度与耐磨性,天然矿物：刻划（莫氏硬度） 金属、木材等：压入法（布氏、洛氏、维氏硬度） 混凝土、砂浆等：重锤下落回弹高度, 按试验方法可分为压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度等。,57,块体材料,散粒材料,Q材料的耐磨硬度（g/cm2）或

15、磨损率（%） M1、M2材料耐磨性试验前后的质量（g） A试件受磨面积（cm2）,2. 耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。 通常用耐磨硬度或磨损率表示：,58,1.4 材料的耐久性,耐久性：是指材料在长期使用过程中，抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏的性质。 材料的耐久性是材料的一项综合性质，一般包括抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、抗碳化性、耐热性、耐溶蚀性、耐磨性、耐光性等许多项。,59,1. 耐水性 是指材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。 软化系数：K软=f饱/f干 软化系数值一般在01之间。K软越小，表示材料的耐水性越差。 工程上，通常将K软0.85的材料称为耐水材

16、料。,60,2. 抗渗性（不透水性） 是指材料抵抗压力水渗透的性质。可用渗透系数K或抗渗等级F表示。 （1）防渗、防水材料,渗透系数,61,（2）砂浆、混凝土等材料 抗渗等级：P = 10H-1,材料抗渗性的影响因素： 材料的孔隙率和孔隙特征 亲水性与憎水性,62,3. 抗冻性 是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。多以抗冻等级F表示。 抗冻等级用材料在吸水饱和状态下（最不利状态），经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数来表示。 F25：表示材料在经受25次的冻融循环后仍可满足使用要求。,63,影响材料抗冻性的主要因素有： （1）孔隙率 一般情况下，材料的P、Pk 越大，特别是Pk越大，则材料的抗冻性越差。 （2）孔隙的充水程度充水程度以水饱和度Ks来表示：对于受冻材料，吸水饱和状态是