《土木工程材料 教学课件 ppt 作者 周爱军第1章 基本性质 第1章 土木工程材料的基本性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木工程材料 教学课件 ppt 作者 周爱军第1章 基本性质 第1章 土木工程材料的基本性质（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 土木工程材料的基本性质,土木工程材料,本 节 内 容,【本章内容导读】,讲述内容,本章主要讲述土木工程材料的基本性质，包括基本物理性质、热工性质、力学性质、化学性质、装饰性质、耐久性以及材料的组成、结构与构造等方面内容 。,学习重点 和要求,要求学生重点熟悉和掌握土木工程材料的基本性质，了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系，以便在工程设计和施工中能够正确地选择和合理地使用各种材料 。,1.1 材料的组成、结构与构造,1.1.1 材料的组成,材料的组成包括化学组成、矿物组成和相组成。,1.化学组成,钢材的锈蚀 材料的可燃性和耐火性 木材的腐蚀 混凝土的碳化及受到酸碱盐类
2、物质的侵蚀,构成材料的化学元素及化合物的种类及数量,2.矿物组成,硅酸盐水泥：硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙水泥易水化成碱性凝胶体，具有凝结硬化的性能,大理石：方解石、白云石，含有少量石英不耐酸腐蚀,花岗岩：长石、石英和少量云母酸性岩石多耐酸性好，但耐火性差,矿物：具有特定晶体结构、特定物理力学性能的组织结构 矿物组成：构成材料的矿物种类和数量。,3.相组成,混凝土：由集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基相）中所组成的两相复合材料,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,材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相 自然界中的物质:分为气相、液相、固相三种形态 由两相或两相以上的物质组成
3、的材料称为复合材料。,1.1.2 结构与构造,材料的结构 宏观结构 细观结构 微观结构 材料的构造,宏观结构是指用肉眼或低倍放大镜能够分辨的粗大组织，其尺寸在10-3m级以上,1宏观结构（Macrostructure）,按孔隙尺度,密实结构、多孔结构、微孔结构,按构成形态,堆聚结构、纤维结构、层状结构、 散粒结构,基本上无孔隙或孔隙极少，结构致密。 具有吸水率低、抗渗和抗冻性较好、强度和硬度较高等性质 如金属材料、致密岩石和玻璃等。,(1)密实结构,按孔隙尺度分,大理石,多孔结构是指在材料中存在均匀分布的孤立或适当连通的粗大孔隙。 特点：质轻、抗渗性和抗冻性较差、绝热性较好 如加气混凝土、泡沫
4、混凝土等。,(2)多孔结构,加气混凝土砌块,微孔结构：在材料中存在均匀分布的微孔隙,(3)微孔结构,特点：强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。 如石膏制品、烧结普通砖等。,(4)堆聚结构,堆聚结构是指由集料和胶凝材料结合而成的结构 如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等,水泥混凝土,按构成形态分,(5)纤维结构,纤维结构是指纤维状的物质结构 在平行纤维方向和垂直纤维方向上的强度、导热性及其它一些性质明显不同，即各向异性 如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。,竹子的纤维构造,(6)层状结构,层状结构由天然形成或人工粘结等方法将材料叠合而成。 每一层材料的性质不同，但叠合成层状结构后综合性质好，可显著提
5、高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。 如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。,胶合板的层状结构,(7)散粒结构,散粒结构是指松散颗粒状结构。 散粒材料颗粒间存在大量的空隙，可以用来拌制混凝土和用做绝热材料。 如混凝土用集料、陶粒、膨胀珍珠岩等。,陶粒的散粒结构,细观结构是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构，其尺寸范围在10-310-6m。,2.细观结构（Submicroscopical Structure）,水泥混凝土=基相+集料相+界面 天然岩石=矿物+晶体颗粒+非晶体组织 钢材=铁素体+珠光体+渗碳体 木材=木纤维+导管+髓线+树脂道,研究金属材料细观结构的方法称为
6、金相分析 研究非金属材料（岩石、水泥、陶瓷等）细观结构的方法称为岩相分析,微观结构是指用电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等进行研究分析的材料原子、分子层次的结构，其尺寸范围在10-610-10m。,3.微观结构（Microstructure）,按材料组成质点的空间排列或联接方式不同，微观结构分为晶体、玻璃体和胶体结构。,(1)晶体（Crystalline）,原子晶体。中性原子以共价键而结合成的晶体，如石英等。 离子晶体。正负离子以离子键而结合成的晶体，如CaCl2等， 分子晶体。以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体，如有机化合物。 金属晶体。以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离
7、子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。,结构特征：内部质点（原子、离子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性的排列,在复杂的晶体结构中，其原子团可以联结成为空间结构、平面层状结构或链状结构。,空间结构:其整体性良好，也比较坚固，如石英等； 平面层状结构：平面结构本身是比较坚固的，但平面结构之间的联结往往是比较薄弱的，这种结构容易分解成片状物质，如云母、石墨等。 链状结构：链与链之间的联结弱于链本身的联结，容易分解成纤维状物质，如石棉等。,（2）玻璃体（Vitreous body）,玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规则排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。 特点：没有固定的熔点和
8、几何形状，而且各向同性。急冷时大量的化学能储存在材料中，化学稳定性差，容易与其它物质发生化学反应或产生重新结晶 火山灰、粒化高炉矿渣等均属玻璃体,粉煤灰玻璃体,（3）胶体（Colloid）,如硅酸盐水泥的主要水化产物是凝胶体，混凝土 的徐变就是由于水泥凝胶体的粘性流动而产生的。,物质以极微小的质点（粒径为10-710-9m）分散在介质中所形成的结构,由于胶体的质点很微小，其总的表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有较强的粘结力。,水泥凝胶体,4.材料的构造,材料的构造:具有特定性质的材料结构单元间的互相组合搭配情况。 强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。,木材的宏观构造和
9、微观构造 具有特定构造的节能墙板,1.2 材料的物理性质,1.2.1 材料的四种密度,密度 表观密度 体积密度 堆积密度,定义:材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,图1 密度测量仪器,公式:,1.密度（Density）,将该材料磨成细粉，干燥后用密度瓶采用排液法测定其绝对密实体积 要求细粉的粒径至少小于0.20mm。,密度的测定,相对密度,材料的密度与4纯水密度的比值表示，无量纲。,定义:材料单位表观体积（闭口+实体）的干质量。,公式:,2.表观密度（Apparent density）,干表观密度,当材料含水时所测得的表观密度，称为湿表观密度。,工程中砂石材料在包含闭口孔隙条件下的体积采用
10、排液置换法或水中称重法测量。,表观密度的测定,定义:材料单位毛体积（闭口+开口+实体）的干质量。,公式:,3.体积密度（Bulk density）,材料体积密度的大小与其含水情况有关。当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。因此测定材料体积密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。,外形规则的材料，如砖，可直接测量体积得到；,外形不规则的，可采用蜡封法或排液法即水中称重法测定体积；,体积密度的测定,反映散粒堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放空间。,定义:散粒材料在自然堆积状态下单位体积（开口+闭口+实体+间隙）的质量。,公式:,4.堆积密度（Packing density ）,堆积密度的测定
11、,容量筒,砂的堆积密度实验,几种密度的特点： 相同点：均为单位体积质量 区别：体积大小不同，测试方法不同 体积的测试方法： 实体体积 李氏比重瓶法（粉末） 表观体积（实体闭口） 排水法 毛体积（实体闭口开口） 规则试件：计算法； 不规则试件：饱和排水法 堆积体积（实体闭口开口间隙）容量筒法,几种密度的比较,表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度,1.2.2 材料的密实度与孔隙率,1. 材料的密实度（Solidity）,定义： 材料的体积内被固体物质所充实的程度 。 公式 ：,2. 材料的孔隙率（Porosity）,定义： 材料内部孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率 。 公式
12、 ：,孔隙及其对材料性能的影响,材料的总体积是由固体物质及材料内部的孔隙组成的。 孔隙率与密实度的关系：P+D=1,孔隙分类 （1）按孔隙之间是否相互贯通，分为连通孔和封闭孔 （2）按孔隙尺寸大小可分为微孔、细孔和大孔 。,孔隙对材料性能的影响,孔隙率的大小及孔隙特征与材料的许多重要性质都有密切关系，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等 。,孔隙对材料性能的影响,若开口孔的孔体积为VK，闭口孔的孔体积为VB,P=PK+PB,V0=V+VK+VB,则,闭口孔隙率PB,开口孔隙率PK,1.2.3 材料的填充率、空隙率和间隙率,1. 材料的填充率（Fill ratio）,定义： 散粒材料的自然状
13、态体积占堆积体积的百分率 。 公式 ：,2.材料的空隙率（Void ratio）,定义： 散粒材料颗粒间的空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率 。 公式 ：,3. 材料的间隙率,定义： 散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率 。 公式 ：,1.2.4 材料与水有关的性质,1.材料的亲水性与憎水性 （Hydrophilic and Hydrophobic nature）,定义:材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质 。 具有亲水性质的材料称为亲水性材料。 大多数土木工程材料均为亲水性材料，如：砖、木、石材、混凝土等。,（1）亲水性,（2）憎水性,定义：指材料在空气中与水
14、接触时不能被水润湿的性质 具有这种性质的材料称为憎水性材料。 沥青、石蜡等属于憎水性材料，该类材料能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。 憎水性材料用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。,当材料与水接触时，在材料、水和空气的三相交叉点处，沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿角 90，材料能被水润湿而表现出亲水性 90180，材料不能被水润湿而表现出憎水性 角愈小，材料亲水性越强，越容易被水润湿，憎水性越弱。,材料润湿示意图,亲水性材料,（3）润湿角,憎水性材料,干燥状态:材料的孔隙中不含水或含水极微； 气干状态:材料的孔隙中含水时其相对湿
15、度与大气湿度相平衡； 饱和面干状态:材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和； 湿润状态:材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。,亲水性材料的含水状态,干燥状态 气干状态 饱和面干状态 润湿状态,2.材料的吸湿性和吸水性,（1）吸湿性（Moisture absorption）,材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性 自然状态 变值 含水率：自然状态，材料内部所含水分质量占其干燥质量的百分率,当环境湿度增大、温度降低时，材料含水率变大；反之变小。 材料中所含水分与空气中的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。 具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。,材料在水中吸收水分的性质。恒
16、值 饱水状态（吸水饱和） 质量吸水率：材料饱水状态，其内部吸收水分的质量占干燥质量的百分率 体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积百分率,质量吸水率,（2）吸水性 （Water absorption）,体积吸水率,材料的开口孔越多，吸水量越大。 材料吸水达到饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。 材料吸水率与孔隙特征有关。,质量吸水率和体积吸水率的关系,3.耐水性（Water resistance）,材料在长期饱水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质，称为材料的耐水性 指标：软化系数,材料在饱和吸水状态下的抗压强度（MPa）； 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,注意：材料吸水后，随含水量增加，减弱其内部结合力，强度均会有所降低,工程中将KR0.85的材料，称为耐水材料。 在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。,
