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1、Chapter 1Chapter 1 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 Properties of Civil Engineering MaterialsProperties of Civil Engineering Materials工程材料种类繁多，性能多样，可从下 面三个角度去分析：物理性质(physical properties)-包括基本的 物理性质和与物理有关的其它性质。力学性质(mechanical properties)-外力作用 下的强度和变形性质。 耐久性(durability)-在各种侵蚀环境下经久 耐用的性质。第一节第一节材料的组成、结构及构造材料的组成、结
2、构及构造 Composition, structure and Composition, structure and configurationconfiguration材料的组成、结构及构造是决定材料性质的内在因素。 一、材料的组成一、材料的组成 the Compositionthe Composition材料的组成是指材料的化学组成和矿物组成。1. 1. 化学组成化学组成(Chemical Composition)(Chemical Composition)组成材料的化学元素及化合物的种类和数量。金属材料： 化学元素含量百分数 无机非金属材料：元素的氧化物的含量材料与外界自然环境及各类物质
3、接触时，按化学规律 发生作用，同时也影响它的物理性质和化学性质。2. 2. 矿物组成矿物组成(Mineral Composition)(Mineral Composition)矿物是指具有特定的晶体结构和物理力学性能的 组织结构。矿物是构成岩石和各类无机非金属材 料的基本单元。材料的矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量 .Granite石英， 长石， 云母3. 3. 相组成（相组成（Phase CompositionPhase Composition）材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。 土木工程材料大多是多相固体材料，有两相或两 相以上的物质组成的材料，称为复合材料。复合材料的性质与其
4、材料的相组成和界面特性有 密切关系。二、材料的结构（二、材料的结构（structurestructure） 材料的结构是指材料的内部组织情况，分为三 个层次: 微观结构 （micro-structure） 细观结构 （meso-structure） 宏观结构 （macro-structure）（一）微观结构（一）微观结构（microstructure）微观结构是原子分子层次的结构，可用电子显 微镜或X射线衍射仪来分析研究该层次的结构特征， 其尺寸范围在10-610-10m（级，1=10-10m）。材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导 热、导电性等都是由微观结构所决定的。材料在微观结构层次上
5、可分为晶体、玻璃体和 胶体。1.1.晶体（晶体（crystalcrystal）晶体是由离子、原子或分子等质点在空间按一定方式重 复排列而成的固体. 特征：具有固定的几何外形，各向异 性，在一定的压力下具有固定的熔点，受到外力作用时可产 生弹性变形。NaCl晶体中Na+ 、Cl-离子有规 则排列方 解 石石英菱 锰 矿2. 2. 玻璃体（玻璃体（vitreousvitreous）玻璃体的特点是无一定的几何外形，无熔点而只有软化 现象，各向同性，化学性质不稳定。钠硅玻璃结构粉煤灰中的玻璃微珠3. 3. 胶体（胶体（colloidalcolloidal）胶体是以极微小的质点（粒经为1100m）分散在
6、连续相介质中形成的分散体系。胶体的总表面积很大，故表面能很大，有较强的吸附力，因而具有较强的粘结力。胶粒数量较多或在物理化学作用下，胶粒相互吸附凝聚而形成网状结构的凝胶。溶胶 凝胶( (二）细观结构（二）细观结构（mesostructuremesostructure）细观结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构，其 尺寸范围在10-310-6m（微米级）。如混凝土内的微裂纹。材料细观特征、数量、分布和界面性质对材料性能有重 要影响。通过改善和控制材料的细观结构，可改善和提高材料的 性能。( (三）宏观结构三）宏观结构(mecro-structure)(mecro-structure)宏观结构是
7、指用肉眼或放大镜可分辨的结构，其尺寸范围 毫米级。宏观结构主要研究和分析材料的组合与复合方式，材料中 的孔隙构造和材料的构造缺陷等。 从宏观从面上，材料的结构特点有：致密结构-高强，不透水，耐腐蚀（钢材、玻璃、沥青、塑料）多孔结构-质轻，保温，绝热，吸声（泡沫塑料、泡沫玻璃）纤维结构-抗拉强度高，质轻，保温，各向异性（木，竹，石棉）聚集结构-强度高（陶瓷、砖、天然岩石）散粒结构-砂、石子、陶粒孔隙的构造特征孔隙的构造特征 (structure characteristics (structure characteristics of the pores)of the pores)无论是天然材料
8、还是人造材料，都含有一定数量和一定大小的孔隙。材料中的孔隙，可分为开口孔和闭口孔。按尺寸大小分为极细孔隙（D1.0mm）。闭口孔(impermeable pores)开口孔 (permeable pores)孔隙结构和孔径尺寸与材料的性能关系孔隙结构和孔径尺寸与材料的性能关系开口孔：粗大孔隙水分易进入，但不易被充满；极细孔隙水分 易被吸入，但不易流动。毛细孔隙极易被水充满，又易在其中 渗透，对材料的抗冻、抗渗和抗侵蚀性有不利影响。开口孔隙多的材料吸声隔音性好。闭口孔：不易被水分浸入，对抗冻、抗渗和抗侵蚀性影响较小 ，有时有益。闭口孔隙多的材料保温隔热性好。同一种材料其孔隙率越高，密实度越低，强
9、度越低，耐磨性 、耐水性、耐腐蚀性、耐久性越差，而吸水性、吸湿性、保温 性、吸声性越强。三、材料的构造三、材料的构造(configuration)(configuration)材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配的情况。强调相同材料或不同材料的搭配组合关系。深入研究材料的组成、结构、构造和材料性能之间的关系，不仅有利于正确的选择材料，而且会加速人类自由设计生产工程所需的特殊性能新材料的进程。第二节 第二节 材料的物理性质材料的物理性质Physical Properties of MaterialsPhysical Properties of Materials一、材料基本的
10、一、材料基本的物理性质物理性质 1、密度(Density)密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 。mthe mass of a dry material,gVthe absolutely solid volume ,cm3密度的大小取决于材料的组成和微观结构。测量方法2、表观密度（apparent density）表观密度是指材料在自然状态下单位体积(包含闭口孔 隙）的质量。 mthe mass of a material,kgVthe volumn of the impermeable portion of a material,m3 当材料内部含水时，其质量和体积均将变化，故测定表
11、观密度时，必须注意其含水状况。土木工程材料的表观密度通常是指在气干状态下的表观 密度.(air-dry state)3. 3. 堆积密度（堆积密度（loose densityloose density）散粒材料在堆积状态下，单 位体积的质量称为堆积密度。根据散粒材料堆放的紧密程度，堆积 密度可分为疏松堆积密度和紧密堆积 密度。（loose stacking density and dense stacking density）4、孔隙率（porosity） 孔隙率是指材料中孔隙体积与总体积的百分比。：Vp V0V孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。5、密实度（solidity）密实度是指材料
12、的体积内被固体物质充实的程度 。 D+P=1 几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率材料density (g/cm3)Apparent density (kg/m3)porosity (%)建筑钢7.8578500 铝合金2.712.90270029000 花岗岩2.602.90250028000.51.0 石灰岩2.452.75220026000.55.0 普通粘土 砖2.502.80150018002040松木1.553807005575 普通玻璃2.502.60250026000 普通混凝土230025003206 6、空隙率（、空隙率（void rat
13、iovoid ratio）空隙率是指在某堆积体中，散粒材料颗粒之间的 空隙体积所占的比例。空隙率大小反映散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。7 7、 填充率填充率填充率是指在某堆积体中，被散粒材料的颗 粒所填充的程度。水对材料有诸多不利的影响，如表观密度增加，导 热性增加，强度下降，体积膨胀，易受冰冻破坏。二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质（properties related to waterproperties related to water） 材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性；材料与水接触时不能被水润湿的性质成为憎水性。具有亲水性质的材料为亲水性材料（ 90）具有憎水性
14、质的材料为憎水性材料（ 90）wetting angle（一）、亲水性与憎水性（一）、亲水性与憎水性Hydrophilic and Hydrophobic Hydrophilic and Hydrophobic当三力达到平衡时具有以下关系：气固= 液固 +气液cos 称为润湿角1.当气固液固= 气液时， cos=1，=0,液体 完全湿润固体；2.当0气固液固 气液时， 0 cos 1， 90，液体能湿润固体；3.当气固液固 0时， 90 ，液体不能湿润固体。 含水率：材料中所含水的质量与材料在干燥状态下的百分比。mass of materials at water saturated stat
15、e；mass of materials at absolutely dry state；mass water absorption of materials.（二）吸水性和吸湿性（二）吸水性和吸湿性 (Water Absorption and Hydroscopicity)(Water Absorption and Hydroscopicity)l 吸水性 (water absorption） 吸水性是指材料与水接触，通过毛细孔隙吸收并 保持水分的性质。（capillary action）吸水性的大小用吸水率来表示。 吸水率：材料吸水饱和时的含水率。（at water saturated st
16、ate）吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种。质量吸水率：材料中所吸入水的质量与材料干燥质量的百分比 。(Mass water absorption)体积吸水率：材料吸入水的体积占材料自然状态体积的百分率。(volumn water absorption) 吸水率的大小与材料的性质、孔隙的结构及孔隙率有关。吸湿性：材料在一定温度和湿度下吸收水分的性质。吸湿性用平衡含水率来表示。平衡含水率：材料中的水分和周围空气的湿度达到平衡 时的含水率。（balanced moisture absorption）（三）耐水性（三）耐水性 Water ResistanceWater Resistance 材料具有抵抗水的破坏
