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1、土木工程材料（土木工程材料的基本性质）,陈德鹏,安徽工业大学本科生课程,本章教学目标,熟悉：主要技术性质的物理意义、影响因素及 对其它性质的影响。,掌握：材料各种基本性质的概念、指标及计算。,了解：材料的各性质在工程实践中的意义。,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？,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,材料的组成,化学组成化学组成是指材料的化学元素及化合物的种类与数量。 矿物组成通常
2、将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、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的种类和数量。 相组成材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。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关系。所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面。,材料的结构与构造,宏观结构密实结构、微孔结构、多孔结构纤维结构、层状结构、散粒结构堆积结构亚微观结构（细观结构）：（10-310-9m ）显微结构纳米结构微观结构晶体非晶体,微观尺度 细观尺度 宏观尺度,本章内容,材料的基本物理性质,材料的力学性质,材料的耐久性,材料的环境协调性,（一）材料的密度、表观密度与堆积密度,一、材料与质量
3、有关的基本物理性质,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。,材料在堆积状态下，单位体积的质量。,g/cm3,/m3,/m3或g/cm3,（二）密实度与孔隙率,孔隙率,材料孔隙示意图,孔隙率是指材料内，孔隙体积占总体积的百分率。,（二）密实度与孔隙率,密实度,材料孔隙示意图,密实度是指材料体积内，被固体物质所充实的程度。,空隙率,材料空隙率示意图,空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率 。,（三）填充率与空隙率,（三）填充率与空隙率,填充率,填充率是指散粒材料在其堆积体积中，被其颗粒填充的程度 。,材料空隙率示意图,（一）材
4、料的亲水性与憎水性,二、材料与水有关的性质,（二）吸水性,定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。,影响吸水性的因素：,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等 。,质量吸水率,体积吸水率,（三）吸湿性,定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；,周围空气的温度和湿度 。,影响吸湿性的因素：,平衡含水率,吸水率和含水率有何区别与联系？,（四）材料的耐水性,定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低
5、的性质，称为耐水性。其衡量指标为：,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。,软化系数,对经常处于水中或受潮严重的 重要结构物的材料，其KR0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材 料，其 KR0.75；,青砖房屋和红砖房屋被水泡后哪种容易倒塌，为什么？,衡量指标：渗透系数Ks，单位cm/hKs越大，材料的抗渗性越差。,（五）材料的抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质。,对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级Pn表示。混凝土的抗渗等级以每组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力计算，其计算式为： Pn =10H1,H六个试件中三个渗水时的水压力，MPa。,影响材料抗渗
6、性的因素有哪些？,材料的孔隙率越大，其抗冻性是否越差？,（六）材料的抗冻性,定义：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，强度也不显著降低的性质。,衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%（动弹性模量下降40%）。,冻融破坏的原因及过程：孔隙及孔隙水孔隙水结冰材料开裂饱水程度增加开裂加剧材料冻融破坏,为什么新建房屋的保温性能较差？,三、材料的热工性质,导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（）表示。,式中 导热系数（W/m.K） Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） d材料的厚度（m
7、） t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K）,绝热材料：0.23 W/(mK),热传导性与导热系数 比热容与热容 线膨胀系数 最高使用温度,材料线膨胀系数的测量线膨胀系数的单位：/C材料的线膨胀系数与组成和结构有关：有机材料金属材料无机非金属材料非晶体材料晶体材料,材料导热性的测量材料的导热性用导热系数或热阻表示导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙特征有关：金属非金属；多孔材料密实材料封闭孔隙开口连通孔隙,三、材料的热工性质,强度与比强度弹性与塑性脆性与韧性硬度与耐磨性,工程材料的力学性质Mechanical Properties of Engineering materials,工
8、程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形(刚度)为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和刚度，选择材料材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强度与刚度(形变)荷载、应力、应变,1、强度与比强度,强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度工程设计所涉及的材料强度。强度等级土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干“强度等级”比强度材料强度与材料的表观密度之比,抗压强度测试,直接拉伸测试,劈裂拉伸测试,四点弯曲试验,弹性极限强度：材料应力应变曲线上的弹性区最大应力极限强度: 材料
9、应力应变曲线上的最大应力破坏(断裂)强度: 材料破坏(断裂)时的强度,比强度,几种材料的强度比较,材料的比强度衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，即：,2、弹性与塑性,卸载后材料的变形行为：变形可完全恢复变形不可恢复或部分恢复,弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性；具有这种性质的材料称为弹性材料；根据其应力应变曲线，有:线弹性和非线弹性。塑性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性；具有这种性质的材料称为塑性材料；其应力应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的应力与应变之比都不相同。,
10、2、弹性与塑性,线弹性特征：应力与应变成正比；应力应变曲线是一条直线应力与应变之比(直线斜率)是弹性模量，为常数。,非线性特征：应力应变曲线不是直线而是曲线 应力与应变之比弹性模量不是常数,刚度与弹性模量,刚度: 材料抵抗变形能力的量度弹性模量：应力与应变之比-曲线上的斜率刚度用弹性模量来测量例如: 对拉伸构件,P,P,EA,E=,d,d,3. 脆性和韧性(Brittleness and Ductility),脆性材料在外力作用下，不发生明显的变形而突然破坏的一种性能，称为脆性；特点：其应力应变曲线下的面积很小。具有这种性质的材料称为脆性材料韧性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较大
11、的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。特点：其应力应变曲线下的面积较大，这个面积就是其破坏前吸收的总能量。具有这种性质的材料称为韧性材料,对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。,五、硬度和耐磨性,2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表 示。,m1试件磨损前的质量（g）；m2试件磨损后的质量（g）；A试件受磨面积（cm2）。,测定方法：刻划法、回弹法、压入法。,1.硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体 刻划、压入其表面的能力。,一般情况下，硬度和强度具有相关性，这一关系有什么工程意义？,小结,强度材料抵抗外力，不变形或破坏的能力；比强度材料
12、强度与质量之比；弹性材料能恢复荷载作用下的变形的性能；塑性不可恢复荷载作用下的变形的性能；脆性材料破坏前，不产生明显变形而突发破坏；韧性材料破坏前，能产生较大变形或吸收较大能力；硬度材料抵抗刻划、擦伤、磨损的能力；,材料的耐久性,一、概念 材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的或外来因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原有性能不影响使用的性质。这是一个综合性指标。,二、影响耐久性的 环 境因素物理作用化学作用生物作用多因素共同作用,三、提高耐久性的措施减轻介质对材料的破坏作用提高材料密实度对材料进行憎水或防腐处理在材料表面设置保护层,土木工程材料耐久性与破坏因素的关系,材料的环境协调
13、性,指材料对资源和能源消耗少，对环境污染小，可循环再生利用率高，而且要求从材料制造使用 废弃直至再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。绿色建筑材料绿色建筑,绿色材料的概念是在1988年第一届国际材料科学研究会上首次提出。1992年国际学术界给绿色材料定义为：在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料。,绿色循环材料,绿色材料,绿色净化材料,绿色能源材料,绿色建筑材料,绿色建筑材料,绿色材料,绿色建筑,绿色建筑是发展模式转变、节能减排的重要举措！,绿色建筑,保护环境,节约能源,节省资源,以人为本,土木工程材料（土木工程材料的基本性质）,陈德鹏2017年12月9日星期六,谢 谢 大 家 !,安徽工业大学本科生课程,
