土木工程材料课件：01土木工程材料的基本性质

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1、Department of Civil EngineeringOUTLINE土木工程要求材料具备什么性能（土木工程要求材料具备什么性能（WhatWhat）? ?土木工程材料如何满足工程要求（土木工程材料如何满足工程要求（HowHow）? ?本章学习哪些内容（本章学习哪些内容（WhichWhich）? ? 第第 一一 章章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质General properties of civil engineering materialsDepartment of Civil Engineering不污染环境不污染环境安全性安全性一、土木工程要求材料具备哪些性能？一、土

2、木工程要求材料具备哪些性能？强度、刚度强度、刚度耐久性耐久性物理性能物理性能 承受荷载承受荷载长期可靠性长期可靠性防水、隔热防水、隔热隔声、防火隔声、防火采光、绝缘采光、绝缘Department of Civil Engineering性能性能组成组成结构结构材料的组成材料的组成结构结构性能关系性能关系现代材料科学的核心二、如何使土木工程材料满足性能要求？二、如何使土木工程材料满足性能要求？Department of Civil Engineering1.1 材料的组成结构与性质材料的组成结构与性质Composition and Structure of Civil Engineering M

3、aterials 相组成相组成化学组成化学组成矿物组成矿物组成微观结构微观结构细观结构细观结构宏观结构宏观结构组成组成结构结构Department of Civil Engineering1. 1. 物相组成物相组成 (phase composition)(phase composition)固相固相矿物、化合物矿物、化合物连续相连续相分散相：纤维与颗粒分散相：纤维与颗粒气相气相气孔（分布及含量）气孔（分布及含量）液相液相液体（种类及含量）液体（种类及含量）一、材料的组成一、材料的组成Department of Civil Engineering2. 2. 化学组成化学组成(chemical

4、composition)(chemical composition) 例如：例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是：钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）；等）； 生生石石灰灰的的化化学学组组成成是是：CaO，熟熟石石灰灰的的组组成成是是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是：水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。等。 化学组成化学组成化学成分是指材料中各物相所含元素或单化学成分是指材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。质与化合物的种类和总含量。Department of

5、Civil Engineering矿矿物物 具具有有一一定定化化学学组组成成和和结结构构特特征征的的天天然然化化合合物物或或单单质质，也也指指具具有有特特定定晶晶体体结结构构、特特定定物物理理力力学学性能，类似于天然矿物的物相或化合物。性能，类似于天然矿物的物相或化合物。矿物组成矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量。土木工程材料中的矿物种类及其含量。例如：例如：3. 3. 矿物组成矿物组成(mineralogical composition)(mineralogical composition)钢材中的矿物相有：钢材中的矿物相有： 奥氏体奥氏体 铁素体铁素体 渗碳体渗碳体 珠光体珠光体硅

6、酸盐水泥熟料中的主硅酸盐水泥熟料中的主要矿物相有：要矿物相有： 硅酸三钙硅酸三钙 硅酸二钙硅酸二钙 铝酸三钙铝酸三钙 铁铝酸四钙铁铝酸四钙Department of Civil Engineering化学组成与矿物组成的关系化学组成与矿物组成的关系化学组成相同，其矿物组成不一定相同；化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为例如：半水石膏的化学成分为CaSO4 0.5H2O，但，但它有它有 -、 -、 - 等等3种矿物相。种矿物相。不同的矿物相，其化学组成可能相近。不同的矿物相，其化学组成可能相近。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅

7、酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是同矿物相的化学成分均是CaO和和SiO2。矿物组成相同，其化学组成一定相同。矿物组成相同，其化学组成一定相同。Department of Civil Engineering材料组成、结构与性能的关系材料组成、结构与性能的关系 可以通过改变材料的组成来改善材料的性能。可以通过改变材料的组成来改善材料的性能。 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同；土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同； 组成相同，性能可能相同，也可能完全不同，还组成相同，性能可能相同，也可能完全不同，还受结构的影响。受结构的影响。 组成决定性能，同时受结构的影响。组成决定性能，同时受结构的

8、影响。Department of Civil Engineering二、二、 材料的结构材料的结构什么是材料的结构什么是材料的结构材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其分布。分布。物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。材料结构层次：材料结构层次：宏观结构宏观结构细观结构细观结构微观结构微观结构尺寸为 10-3m(肉眼可分辩)尺寸为10-6 10-3m(光学显微镜可辩)尺寸为10-6m(电子显微镜)Depart

9、ment of Civil Engineering1. 宏观结构宏观结构 macrostructure宏宏观观结结构构又又称称宏宏观观构构造造，是是指指宏宏观观的的组组织织状状态态和和具具有特定性质的材料单元的组合情况。有特定性质的材料单元的组合情况。注注：其其尺尺寸寸范范围围在在10-3m以以上上，肉肉眼眼或或借借助助放放大大镜镜可可分辨。分辨。如：如：n材料内部的孔隙特征和孔结构；材料内部的孔隙特征和孔结构；n混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；n纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。Department of

10、Civil Engineering混凝土断面的宏观结构混凝土断面的宏观结构蜂窝状结构蜂窝状结构天然石膏的纤维轴向平行结构天然石膏的纤维轴向平行结构Department of Civil Engineering2 . 细观结构细观结构 submicrostructure细细观观结结构构又又称称材材料料的的亚亚微微观观结结构构，它它是是指指材材料料内内部部组织结构和各物相的堆积结构。组织结构和各物相的堆积结构。 细观结构的尺寸范围为细观结构的尺寸范围为10-610-3m。注：注： 材材料料的的细细观观结结构构可可以以观观察察：材材料料晶晶粒粒、颗颗粒粒的的大大小小形形态态、界面、孔隙、微裂纹的大小

11、、形状及分布等。界面、孔隙、微裂纹的大小、形状及分布等。亚亚微微观观结结构构与与材材料料的的宏宏观观性性能能关关系系密密切切。如如：晶晶粒粒大大小小，内部微孔，界面缺陷等。内部微孔，界面缺陷等。Department of Civil Engineering陶瓷的细观结构陶瓷的细观结构木材的细观结构木材的细观结构铁碳合金的细观结构铁碳合金的细观结构Department of Civil Engineering3. 微观结构微观结构 (microstructure)微微观观结结构构指指尺尺寸寸范范围围在在1010-10-10-10-10-6-6m m内内，组组成成材材料料的的化化合合物物或或 矿矿

12、物物的的组组织织状状态态，是是分分子子、原原子子与与离离子子排排列列、连接的结构状态。连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为根据排列有序与无序，微观结构分为晶晶 体体有序、重复排列，各向异性。有序、重复排列，各向异性。非晶体非晶体无序连接，各向同性，如玻璃体。无序连接，各向同性，如玻璃体。胶胶 体体以极小的质点（以极小的质点（1010-9-9- -1010-7-7）作为分散相，分）作为分散相，分散于连续介质中，分为溶胶和凝胶。散于连续介质中，分为溶胶和凝胶。Department of Civil Engineering晶体的结构特点晶体的结构特点 晶晶体体结结构构中中，质质点点（离

13、离子子、原原子子或或分分子子）作作三三维维空空间间有有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。 晶体类型晶体类型 根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为：根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为：1）离子晶体离子晶体 离子键结合，如离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等；亚硝酸钠、硫酸铝等；2）共价晶体共价晶体 共价键结合，如：共价键结合，如：金刚石金刚石、碳化硅等；、碳化硅等；3）分子晶体）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等；分子键结合，如：减水剂、液晶等；4）金属晶体金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。金属

14、键结合，如：金属材料等。 Department of Civil Engineering硬化水泥浆体的微观结构硬化水泥浆体的微观结构石英晶体的微观结构石英晶体的微观结构金属晶体的微观结构金属晶体的微观结构Department of Civil Engineering1 1 孔隙的分类孔隙的分类按大小分按大小分微细孔隙（微细孔隙（20nm20nm的为无害孔隙）的为无害孔隙）毛细孔隙（毛细孔隙（ 20 20 100nm100nm）较粗大孔隙较粗大孔隙 （100nm 100nm 1010m m）大孔（大孔（1010m m）三、三、 孔结构与性能的关系孔结构与性能的关系球形：影响不大球形：影响不大片状

15、（裂纹）片状（裂纹）管状管状尖角状尖角状按形状分按形状分Department of Civil Engineering常压能常压能否进水否进水开口孔隙：对性能影响较大开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分也可进入闭口孔隙：水压较高时，水分也可进入2 2 孔隙与性质的关系孔隙与性质的关系 孔隙含量孔隙含量 体积密度体积密度 强度强度 渗透性渗透性 保温保温, ,吸声吸声, ,吸水吸水, ,吸湿性吸湿性总孔隙一定时，开口孔的量对总孔隙一定时，开口孔的量对强度、渗透性、保温、隔声、强度、渗透性、保温、隔声、吸水等性能的负面影响更大。吸水等性能的负面影响更大。Department of C

16、ivil Engineering1.2 材料的基本状态参数材料的基本状态参数General Properties of Civil Engineering MaterialsV0= V+ VcpVop = V+ Vp1. 1. 密度（绝对密度密度（绝对密度,density,density）注：取决于组成与微观结构，一般为常数，单位：注：取决于组成与微观结构，一般为常数，单位：kg/m3 材料在绝对密实状态下，材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。单位体积的质量。Department of Civil Engineering密度的测量：密度的测量：主要设备：主要设备： 李氏瓶（李氏瓶（Le Ch

17、atelier flask） 水（或煤油）、天平等水（或煤油）、天平等方法：方法： 1.待测物磨细、烘干；待测物磨细、烘干； 2.向瓶中注入液体至向瓶中注入液体至01处，恒温处，恒温后读数；后读数； 3.称取一定数量的试样（称取一定数量的试样（6090g），），加入李氏瓶，使液体刻度在加入李氏瓶，使液体刻度在22附近，附近，并计算加入试样的重量，恒温后读并计算加入试样的重量，恒温后读数；数； 4. 计算密度计算密度Department of Civil Engineering 以排开水的体积作为材料体积时所得到的材料的以排开水的体积作为材料体积时所得到的材料的密度。体积固相体积封闭孔密度。体积

18、固相体积封闭孔2.2.表观密度表观密度注：注：表观密度的大小与开口孔闭口孔表观密度的大小与开口孔闭口孔的相对含量有关。的相对含量有关。Department of Civil Engineering试验方法：试验方法：1.1.试样烘干称重试样烘干称重, ,记作记作m;m;2.2.试样置于广口瓶中吸水饱试样置于广口瓶中吸水饱和和( (开口孔吸满水开口孔吸满水) )，排除，排除气泡，加满水称重记作气泡，加满水称重记作m1m13.3.广口瓶加满水称重记作广口瓶加满水称重记作m2m2；4.4.计算计算表观密度的测量表观密度的测量主要设备：天平、广口瓶、干燥箱、烧杯等主要设备：天平、广口瓶、干燥箱、烧杯等

19、Department of Civil Engineering说明说明1.1. 表征体积密度时，必须注明表征体积密度时，必须注明含水状态。含水状态。说明说明2 2：体积的取值即体积轮廓以内体积的取值即体积轮廓以内的所有体积。的所有体积。3 3 体积密度（体积密度（bulk specific gravitybulk specific gravity） 自然状态下，体积取值为固相体积所有自然状态下，体积取值为固相体积所有孔隙时所得密度值。孔隙时所得密度值。Department of Civil Engineering试验方法试验方法1 1：1.1.试样烘干称重试样烘干称重, ,记作记作m;m;2.

20、2.试样置于广口瓶中吸水饱试样置于广口瓶中吸水饱和和( (开口孔吸满水开口孔吸满水) )，擦去，擦去表面水称重，记作表面水称重，记作m1m13.3.用静水力学天平测其在水用静水力学天平测其在水中的质量，记作中的质量，记作m2m2；体积密度的测量体积密度的测量主要设备：天平、静水力学天平、干燥箱、烧杯等主要设备：天平、静水力学天平、干燥箱、烧杯等Department of Civil Engineering试验方法试验方法2 2：1.1.试样烘干、称重试样烘干、称重, ,记作记作m;m;2.2.表面以熔融石蜡密封，冷表面以熔融石蜡密封，冷却后称重，记作却后称重，记作m1m13.3.用静水力学天平

21、测其在水用静水力学天平测其在水中的质量，记作中的质量，记作m2m2；体积密度的测量体积密度的测量主要设备：天平、静水力学天平、干燥箱、烧杯等主要设备：天平、静水力学天平、干燥箱、烧杯等Department of Civil Engineering讨论：讨论：现行多个版本教材对表观密度的定义有较大出入，表现行多个版本教材对表观密度的定义有较大出入，表现在对质量和体积的度量方面：现在对质量和体积的度量方面：质量测量方面质量测量方面观点观点1：质量即绝干质量；：质量即绝干质量；观点观点2：所谓自然状态，是可能含水的状态；：所谓自然状态，是可能含水的状态；体积测量方面：体积测量方面：观点观点1：材料吸

22、水饱和后，用排水法求得只包含封闭孔：材料吸水饱和后，用排水法求得只包含封闭孔的体积。的体积。观点观点2：规则材料直接测量，不规则材料用蜡封，然后：规则材料直接测量，不规则材料用蜡封，然后用排水法测体积用排水法测体积即测得表观体积即测得表观体积通常做法：通常做法：吸水率小时，二者可以等同；吸水率大的材料吸水率小时，二者可以等同；吸水率大的材料不宜用表观密度作技术指标。不宜用表观密度作技术指标。Department of Civil Engineering 散粒状材料或粉状材料在自然堆积状态下，单位散粒状材料或粉状材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。体积的质量。4 4 堆积密度（堆积密度（bul

23、k density bulk density ） 气干状态下的，称为气干堆积密度，简称堆气干状态下的，称为气干堆积密度，简称堆积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干堆积密积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干堆积密度。度。Department of Civil Engineeringbulk density, nof aggregate, the mass of a unit volume of bulk aggregate material, in which the volume includes the volume of the individual particles and the v

24、olume of the voids between the particlesbulk specific gravity, nthe ratio of the mass of a volume of a material (including the permeable and impermeable voids in the material, but excluding the voids between particles of the material) at a stated temperature to the mass of an equal volume of distill

25、ed water at a stated temperature. ASTM C 125 00 、 ASTM C 29/C 29M 97Department of Civil Engineering材料密度排序：材料密度排序：金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料 高分子材料高分子材料纤维复合材料纤维复合材料木材木材泡沫材料泡沫材料Department of Civil Engineering从以上四个关于密度的概念延伸出以下三个概念：从以上四个关于密度的概念延伸出以下三个概念：1) 密实度密实度 (compactness) 定义：材料体积中被固体物质充实的程度。定义：材料体积中被固体物

26、质充实的程度。 材料的密实度材料的密实度，则强度、吸水率，则强度、吸水率、导热性、导热性。Department of Civil Engineering2) 孔隙率孔隙率 (porosity) 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率。率。 开口孔隙体积占总体积的百分比开口孔隙体积占总体积的百分比开口孔隙率，开口孔隙率，Po闭口孔隙体积占总体积的百分比闭口孔隙体积占总体积的百分比闭口孔隙率，闭口孔隙率，PcDepartment of Civil Engineering隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程隙率的大小反映了散粒材料的颗

27、粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据的依据 散粒材料颗粒之间的空隙体积所占总体积的百分比例。散粒材料颗粒之间的空隙体积所占总体积的百分比例。用用P P表示：表示：3) 3) 空隙率空隙率(void content, (void content, voidagevoidage ) )Department of Civil Engineering例：例：某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个2.4kg重的10升桶，称得一桶碎石的总质量是15.90Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦

28、干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？ Department of Civil Engineering解答：解答：1）堆积密度、表观密度、体积密度、密度=13.5/0.01=1350kg/m3=1000/(1000+791-1411)=2630k

29、g/m3=1000/(1036+791-1411)=2400kg/m3=50/18.8=2660kg/m32）孔隙率=（1-2400/2660）*100%=9.8%Department of Civil Engineering解答：解答：=143.8%=56.2%=(1036-1000)/(1036+791-1411) =8.65%=9.8%-8.65%=1.15%3）密实度、空隙率、填充率=（2400/2660)*100%=90.2%=1-9.8%=90.2%=（1-1350/2400）*100%=43.8%Department of Civil Engineering例2 一块红砖，自然状

30、态下重2590克，吸水饱和后2900克，烘干后2550克，取磨细的粉50克，李氏瓶测得体积为18.62cm3,求引红砖的体积吸水率、质量吸水率、含水率、体积密度、密实度、孔隙率、开口孔隙率，并估计期抗冻性如何Department of Civil Engineering解答：吸水率：=（2900-2550）/2550*100%=13.7%=2.550/0.0014628=1743kg/m3V0=0.24*0.115*0.053=0.0014628m3=（2900-2550）/1462.8*100%=23.9%含水率：=（2590-2550）/2550*100%=1.57%体积密度：=50/18

31、.62=2.685g/cm3=2685kg/m3密度：孔隙率：=（1-1743/2685）*100%=35.1%Department of Civil Engineering1.3 材料的力学性质材料的力学性质1. 1. 弹性弹性 (elasticity)(elasticity) 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性，材料的这种全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性，材料的这种变形称为弹性变形。变形称为弹性变形。1.3.11.3.1材料的变形性质材料的变形性质Department of Civil Engin

32、eering2. 2. 塑性塑性(plasticity)(plasticity) 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后形状和尺寸的性质称为材料的塑性，材料仍保持变形后形状和尺寸的性质称为材料的塑性，材料的这种变形称为塑性变形。的这种变形称为塑性变形。 Department of Civil Engineering3.3.粘弹性变形粘弹性变形 ( (vistoelasitcityvistoelasitcity) ) 另：另：progressive increase in strain under sustained progress

33、ive increase in strain under sustained loading loading 徐变：徐变： 材料在恒定荷载（材料在恒定荷载（long-lasting constant long-lasting constant loadload）作用下，随时间而增长的不可恢复变形。）作用下，随时间而增长的不可恢复变形。Department of Civil Engineering应力松弛应力松弛(stress relaxation)(stress relaxation)材料在恒定应变情况下，应力随时间而减小的现象。材料在恒定应变情况下，应力随时间而减小的现象。Departmen

34、t of Civil Engineering1.3.2 1.3.2 材料的脆性与韧性材料的脆性与韧性1.1.脆性脆性材料在荷载作用下，在破坏前无明显的塑性变形表材料在荷载作用下，在破坏前无明显的塑性变形表现为突发性破坏的性质。现为突发性破坏的性质。 材料特点：破坏时无明显变形，抗压强度与抗拉强度比材料特点：破坏时无明显变形，抗压强度与抗拉强度比值大，值大，550550； 典型材料：玻璃、陶瓷、石材、普通混凝土典型材料：玻璃、陶瓷、石材、普通混凝土注：注：对于脆性材对于脆性材料，极限强度与破料，极限强度与破坏强度一致。坏强度一致。Department of Civil Engineering2.

35、2.韧性：韧性：又称冲击韧性，是材料抵抗冲击振动荷载的作用，又称冲击韧性，是材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质。而不发生突发性破坏的性质。 材料特点：塑性变形大，抗压与抗拉强度之比小。材料特点：塑性变形大，抗压与抗拉强度之比小。 用单位面积吸收功用单位面积吸收功冲击韧性值冲击韧性值k k 典型材料：木材、钢材、橡胶典型材料：木材、钢材、橡胶注：注：韧性材料，极限韧性材料，极限强度高于破坏强度。强度高于破坏强度。Department of Civil Engineering路用骨料抗冲击性的测量：路用骨料抗冲击性的测量：粒径粒径9.513.2mm9.513.2mm的集料（质量的

36、集料（质量m m），装入冲击杯内，以），装入冲击杯内，以13.75 kg13.75 kg的冲击锤从的冲击锤从380mm380mm处落下，冲击集料处落下，冲击集料1515次，测定次，测定2.36mm2.36mm以下的料的量（质量以下的料的量（质量m m1 1），），Department of Civil Engineering1.3.3 1.3.3 材料的强度和比强度材料的强度和比强度（strength and specific strengthstrength and specific strength）f th材料的理论强度；E材料的弹性模量；材料的表面能；a 原子间距1. 1. 材料的理论

37、强度材料的理论强度Orowan公式Griffith 公式2c 材料内部裂缝长度Department of Civil Engineering根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。2. 2. 强度强度1) 抗拉、抗压强度Department of Civil Engineeringf 材料强度， MPaFmax材料破坏时的最大荷载，NA试件受力面积，mm2拉伸与抗压强度计算：劈拉强度计算：F 破坏荷载， Nl试件的高度，md试件直径，mT劈拉强度MPaDepartment of Civil Engineering 滑移面与水平面夹角2) 抗剪强度Departme

38、nt of Civil Engineering抗弯强度：所承受最大弯距与相应截面模量的比值。一点加载：两点加载：3) 抗弯强度（抗折强度）Department of Civil Engineering3.3.强度等级强度等级脆性材料：按抗压强度划分脆性材料：按抗压强度划分韧性材料：按抗拉强度划分韧性材料：按抗拉强度划分4 4 比强度比强度 衡量材料轻质高强性能的一项重要指标衡量材料轻质高强性能的一项重要指标 按材料强度值的高低，将强度划分为若干等级按材料强度值的高低，将强度划分为若干等级Department of Civil Engineering1.3.6 1.3.6 材料的硬度与耐磨性材料

39、的硬度与耐磨性（1 1）刻化法（莫氏硬度）：）刻化法（莫氏硬度）： 18241824年年FrederichFrederich MohsMohs首先提出。确定这一标准的方法是，用棱锥型金刚石首先提出。确定这一标准的方法是，用棱锥型金刚石钻针刻画所示矿物的表面而产生划痕，用测得的划痕钻针刻画所示矿物的表面而产生划痕，用测得的划痕的深度来表示硬度的深度来表示硬度 硬度：硬度：材料抵抗较硬物体压入或刻划的能力。材料抵抗较硬物体压入或刻划的能力。滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石Department of Civil Engineering（

40、2 2）压入法（布氏硬度）压入法（布氏硬度）BrinellBrinell Hardness Hardness 用钢球或圆锥测定，用钢球或圆锥测定，HBS=PHBS=PA A 应用于木材、钢材、混凝土应用于木材、钢材、混凝土Department of Civil Engineering耐磨性：耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力材料表面抵抗磨损的能力指标：磨损率指标：磨损率Department of Civil Engineering1.4 材料与水有关和物理化学性能材料与水有关和物理化学性能 亲水性与憎水性亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic Properties吸

41、水性与吸湿性吸水性与吸湿性 Water and Moisture Absorption Department of Civil Engineering1、亲水性与憎水性、亲水性与憎水性 水与材料表面接触时，水与材料表面接触时，润湿角润湿角（接触角）（接触角）的大小的大小有所不同：有所不同：n亲水性亲水性: 0 90，材料表面可被水所湿润；，材料表面可被水所湿润；n憎水性憎水性:90 180，材料表面不可被水湿润。，材料表面不可被水湿润。Department of Civil Engineeringn亲水性与憎水性材料的特征：亲水性与憎水性材料的特征： 材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的亲水性

42、与憎水性主要取决于材料的组成与结构：材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。无机材料都是亲水性。 水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。 水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。Department of Civil Engineering2. 吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性1)1)吸水性：材料在水中吸收水分的性质吸水性：材料在水中吸收水分的性质吸水性吸水性用吸水率表示，分为用吸水率表示，分为质量吸水率质量吸水率和和体积吸水率体积吸水率质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料是指材料

43、在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以在干燥状态下的质量百分比，并以m m 表示表示 体积吸水率：体积吸水率：材料在吸水饱和时，所吸水体积占材料材料在吸水饱和时，所吸水体积占材料自然状态下体积的百分比，并以自然状态下体积的百分比，并以v v 表示表示 Department of Civil Engineering2) 2) 吸湿性：材料在空气中吸收水蒸气的性质吸湿性：材料在空气中吸收水蒸气的性质 吸湿性用含水率表示吸湿性用含水率表示平衡含水率：材料长期处于某环境下，含水率与环境湿平衡含水率：材料长期处于某环境下，含水率与环境湿度达到平衡状态度达到平衡状态注注1 1：材料的吸

44、水性与吸湿性与其孔隙率有关，更与其材料的吸水性与吸湿性与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。孔特征有关。注注2 2：材料吸水或吸湿后，几乎所有性能指标都下降。材料吸水或吸湿后，几乎所有性能指标都下降。Department of Civil Engineering3. 耐水性耐水性软化系数：饱水与干燥状态下的强度之比，以软化系数：饱水与干燥状态下的强度之比，以Kw表示表示Kw介于介于0 01 1之间之间 注：孔隙率较大或组成注：孔隙率较大或组成 中有可溶成分时耐水性差，中有可溶成分时耐水性差，如石灰、石膏等。如石灰、石膏等。 w0.850.85的材料称为耐水性材料的材料称为耐水性材料; ;可以用于水

45、中可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。如混凝土或潮湿环境中的重要工程。如混凝土 w 在在0.750.75 0.850.85时，用于一般受潮较轻或次要时，用于一般受潮较轻或次要的工程部位时的工程部位时材料长期处于水的作用下，保持原有性质的能力。材料长期处于水的作用下，保持原有性质的能力。Department of Civil Engineering4. 干缩与湿涨干缩与湿涨干缩的原因：干缩的原因：材料失水时，孔隙由完全充满状态变为部分充满状态材料失水时，孔隙由完全充满状态变为部分充满状态注：大孔失水收缩不明显；注：大孔失水收缩不明显；Department of Civil Engineering

46、 1. 5 材料的热物理性质材料的热物理性质1. 导热性导热性当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用性。导热性用导热系数导热系数 表示。表示。 导热系数，导热系数，()Q传导的热量，传导的热量，材料厚度，；材料厚度，；A热传导面积，热传导面积，m2t热传导时间，热传导时间， s；T2-T1材料两面温度差，材料两面温度差，KDepartment of Civil Engineering(4) (4) 温度温度温度越高，材料的导热系数越大温度越高，材料的导热系数越大

47、( (金属材料除外金属材料除外) )。(3)(3)含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。(1)(1)材料的组成与结构材料的组成与结构 (2)(2)材料的孔隙率及孔隙特征材料的孔隙率及孔隙特征注：注：1)1)导热系数是材料固定的参数，与形状无关。导热系数是材料固定的参数，与形状无关。导热系数的影响因素：导热系数的影响因素：常用材料的导热系数：常用材料的导热系数：聚苯泡沫：聚苯泡沫：0.0350.042 0.0350.042 混凝土：混凝土：0.91.20.91.2木材：木材： 0.15-0.30 0.15-0.30 烧结砖：烧结砖：0.5

48、50.55钢材：钢材： 5555Department of Civil Engineering材料层（墙体等围护结构）的传热能力用传热系数表示。材料层（墙体等围护结构）的传热能力用传热系数表示。传热系数：是指材料两面温度差为传热系数：是指材料两面温度差为1 1时，在单位时间时，在单位时间内通过单位面积的热量。单位：内通过单位面积的热量。单位：( (2 2K)K)2. 传热系数和热阻传热系数和热阻传热系数的倒数传热系数的倒数热阻，单位：热阻，单位： ( (2 2K) K) Department of Civil Engineering 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料材料在受热

49、时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。的热容量。 单位质量材料温度升高或降低单位质量材料温度升高或降低1 1所吸收或放出的热量称所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热：为热容量系数或比热：3. 热容量和比热热容量和比热热容量大或材料比热大时，材料温度随环境温度变化迟缓热容量大或材料比热大时，材料温度随环境温度变化迟缓材料的热惰性材料的热惰性Department of Civil Engineering 由于温度升高或降低造成的材料的体积变化。 多数材料表现出热胀冷缩的性质，这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩 技术指标：线膨胀系数（）。材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：

50、材料温度变形在工程中常表现为：结构开裂预防措施：设伸缩缝4. 材料的温度变形性材料的温度变形性Department of Civil Engineering 1. 6 材料的声学性质材料的声学性质1. 1. 吸声性吸声性 声能穿透材料和被材料消耗的性质，指标：吸声能穿透材料和被材料消耗的性质，指标：吸声系数声系数平均值平均值 0.20 0.20 的为吸声材料的为吸声材料影响吸声系数测量的因素：影响吸声系数测量的因素：1. 1. 声音频率声音频率 2. 2. 入入射方向射方向吸声系数取六个频率的平均值：吸声系数取六个频率的平均值：125,250,500,1000125,250,500,1000D

51、epartment of Civil Engineering吸声效果的影响因素：吸声效果的影响因素：（1 1）孔隙率：同一材料，）孔隙率：同一材料，P P，低频声音的吸收效果，低频声音的吸收效果，高频声音吸收高频声音吸收（2 2）孔隙特征：）孔隙特征： 开口孔隙越多，孔隙越细，吸声效果越好开口孔隙越多，孔隙越细，吸声效果越好如：纤维制品、膨胀珍珠岩如：纤维制品、膨胀珍珠岩 （3 3）材料的厚度：厚度）材料的厚度：厚度，低频声音的吸收效果，低频声音的吸收效果，而对高频声音影响不大。而对高频声音影响不大。吸声原理：声能与孔壁和空气产生摩擦，转化成热能吸声原理：声能与孔壁和空气产生摩擦，转化成热能D

52、epartment of Civil Engineering2. 2. 隔声性隔声性1. 1. 隔空气声隔空气声提高轻质材料隔声性的措施：夹层结构提高轻质材料隔声性的措施：夹层结构阻隔声能透射的能力阻隔声能透射的能力声透射系数声透射系数隔声量：隔声量：材料密度越大，隔声性能越好；材料密度越大，隔声性能越好；单位：单位：dBdBDepartment of Civil Engineering2.2.隔固体声隔固体声 a. a. 表面设置弹性面层，如楼板上铺设地毯、木板、表面设置弹性面层，如楼板上铺设地毯、木板、橡胶片等。橡胶片等。 b. b. 在楼板的结构层与面层间设置弹性垫层以降低在楼板的结构层

53、与面层间设置弹性垫层以降低结构层的振动。结构层的振动。 c. c. 在楼板下做吊顶处理。在楼板下做吊顶处理。Department of Civil Engineering1.7 材料的耐久性材料的耐久性Durability of Civil Engineering Mterials耐水性抗渗性抗冻性耐腐蚀性耐候性抗老化Department of Civil Engineering1. 抗渗性：抗渗性：注：注： 工程上，混凝土的抗渗标号用能抵抗的最大水压力表示，如：工程上，混凝土的抗渗标号用能抵抗的最大水压力表示，如：P2P2、P4P4、P6P6、P8P8、P10P10表示材料能承受表示材料能承

54、受0.20.2、0.40.4、0.60.6、0.80.8、1.0 1.0 MPaMPaKp渗透系数, （m / h）;Q渗水量， （m3 ）A 渗水面积, （m2 ）H 材料两侧的水压差，（m）d 试件厚度 （m）t 渗水时间 （h）材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强 抵抗压力水或其它液体渗透的性质抵抗压力水或其它液体渗透的性质,用渗透系数表示，用渗透系数表示，K K 。Department of Civil Engineering抗渗性影响因素：孔隙率和孔隙状态抗渗性影响因素：孔隙率和孔隙状态抗渗性对材料性能的影响：抗腐蚀性，抗冻性抗渗性对材料性

55、能的影响：抗腐蚀性，抗冻性2. 抗冻性抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用，保持其原有性质的能力。用，保持其原有性质的能力。冻融循环破坏的原因冻融循环破坏的原因: :1.1.材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔 2.2. 内冻结成冰；内冻结成冰；2.2.体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏；遭到局部破坏；3.3.随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步

56、加剧Department of Civil Engineering表示方法：对结构材料，以抗冻标号表示方法：对结构材料，以抗冻标号F F表示表示影响因素影响因素（1 1）材料的孔隙率）材料的孔隙率P P和和P Pa a，P P越大，抗冻性越差。越大，抗冻性越差。（2 2）孔隙的充水程度）孔隙的充水程度KsKs： 理论上：理论上：9191，不引起冻害；，不引起冻害； 9191，引起冻害，引起冻害 (3) (3) 材料自身强度材料自身强度 FnFn：材料在吸水饱和状态下：材料在吸水饱和状态下( (最不利状态最不利状态) )，经冻融循，经冻融循环作后，强度损失和质量损失均不超过规定值时所能抵抗环作后

57、，强度损失和质量损失均不超过规定值时所能抵抗的最多冻融循环次数。的最多冻融循环次数。 如：道路混凝土用快速冻融试验，动弹模降到初始值如：道路混凝土用快速冻融试验，动弹模降到初始值的的60%60%或质量损失到或质量损失到5%5%的冻融次数。如的冻融次数。如F10,F15,F25,F50,F100,F150,F200F10,F15,F25,F50,F100,F150,F200等。等。Department of Civil Engineering3、耐候性或抗老化性、耐候性或抗老化性定义：料抵抗自然因素的作用，而能长期保持其性能的定义：料抵抗自然因素的作用，而能长期保持其性能的能力。能力。气候老化作用气候老化作用 空气中的光、热、雨水、臭氧等作用于材料，也会导致空气中的光、热、雨水、臭氧等作用于材料，也会导致材料组成与结构的变化：如分解、大分子链降解、风化材料组成与结构的变化：如分解、大分子链降解、风化等。等。抗老化性有抗老化性有 抗热老化、抗紫外光、抗光老化、耐臭氧性等等。抗热老化、抗紫外光、抗光老化、耐臭氧性等等。材料抗老化性主要取决于组成。材料抗老化性主要取决于组成。Department of Civil EngineeringEND