土木工程材料的基本性质(1)

第一节材料的物理性质第二节材料的力学性质第三节材料的耐久性第四节材料的装饰性第五节材料的组成、结构、构造及其对材料性质的影响本章作业：1-1、1-2、1-4、1-12第一章土木工程材料的基本性质第一节材料的物理性质一、材料的密度、观密度和堆积密度二、材料的孔隙率与空隙率三、材料与水有关的性质四、材料的热工性质一、材料的密度、表观密度和堆积密度（1）材料的体积构成体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。一、材料的密度、表观密度和堆积密度（2）绝对密实体积干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以Ｖ表示。一般将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得到其体积。表观体积对于比较密实、孔隙较少的散粒状材料，不必磨细，直接用排开液体的方法测定的体积。一般以表示。一、材料的密度、表观密度和堆积密度（3）材料的自然体积材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0表示。形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后用排开液体的方法得到其体积。材料的堆积体积粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。一般以V0表示。一、材料的密度、表观密度和堆积密度（4）（一）密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：式中：ρ——实际密度，g/cm3；m——材料的质量，g；V——材料的绝对密实体积，cm3。（二）表观密度材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：ρ0=m/V0式中：ρ0——表观密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V0_——_材料的自然体积，m3。一、材料的密度、表观密度和堆积密度（5）一、材料的密度、表观密度和堆积密度（6）表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积一、材料的密度、表观密度和堆积密度（7）砂表观密度ρs的测定（kg/m3）式中：m0——砂试样的烘干质量，g；m0＝300g；m1——砂试样、水及容量瓶总质量，g;m2——水及容量瓶总质量，g。测定瓶+砂+水的质量m1测定瓶+水的质量m2（三）堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：式中：ρ0——材料的堆积密度,kg/m3；m——材料的质量，kg；——材料的堆积体积，m3。一、材料的密度、表观密度和堆积密度（8）一、材料的密度、表观密度和堆积密度（9）砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积一、材料的密度、表观密度和堆积密度（10）几种密度的比较比较项目密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实自然状态堆积状态材料体积VV0计算应用判断材料性质用量计算、体积计算一、材料的密度、表观密度和堆积密度（11）密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：式中：ρ——密度；ρ0——材料的表观密度。对于绝对密实材料，因ρ0=ρ，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0＜ρ，故密实度D＜1或D＜100%。（一）孔隙率材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：式中：V——材料的绝对密实体积，cm3或m3；V0——材料的表观体积，cm3或m3；ρ0——材料的表观密度,g/cm3或kg/m3；ρ——密度,g/cm3或kg/m3。二、材料的孔隙率与空隙率（1）二、材料的孔隙率与空隙率（2）（二）空隙率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所占的比例。空隙率按下式计算：式中：ρ0——材料的表观密度；——材料的堆积密度。空隙率的大小反映了散粒材料的颗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砂率的依据。二、材料的孔隙率与空隙率（3）孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式三、材料与水有关的性质（1）（一）亲水性与憎水性与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料三、材料与水有关的性质（2）（二）材料的吸水性与吸湿性1.吸水性材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（1）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：式中：mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。（2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：式中:mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。V0——材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）；ρw——水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3。三、材料与水有关的性质（3）三、材料与水有关的性质（4）（3）影响材料吸水性的因素材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。三、材料与水有关的性质（5）2.材料的吸湿性材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，其计算公式为：式中：ms——材料吸湿状态下的质量（g或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。三、材料与水有关的性质（6）吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率（三）材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：式中：KR——材料的软化系数；fb——材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。三、材料与水有关的性质（7）三、材料与水有关的性质（8）软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。三、材料与水有关的性质（9）（四）材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算:式中：K——渗透系数,（cm/h）;Q——渗水量，（cm3）；A——渗水面积,（cm2）；H——材料两侧的水压差，（cm）；d——试件厚度（cm）；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。三、材料与水有关的性质（10）（2）抗渗等级材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。（3）影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。三、材料与水有关的性质（11）（五）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用而不破坏，强度也不显著降低的性能。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀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。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。三、材料与水有关的性质（12）影响抗冻性的因素1.材料的密实度（孔隙率）密实度越高则其抗冻性越好。2.材料的孔隙特征开口孔隙越多则其抗冻性越差。3.材料的强度强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量大小吸水量越大则其抗冻性越差。四、材料的热工性质（1）（一）导热性当材料两面存在温度差时，热量通过材料传递的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示：式中：λ——导热系数，W/（m·K）；Q——传导的热量，J；d——材料厚度，m；F——热传导面积，m2；Z——热传导时间，h；（t2－t1）——材料两面温度差，K。物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1m2）的热量。（二）热容量和比热材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。用热容量系数或比热表示。比热的计算式如下所示：式中：C——材料的比热，J/（g·K）；Q——材料吸收或放出的热量(热容量)；m——材料质量，g；（t2－t1）——材料受热或冷却前后的温差，K。四、材料的热工性质（2）四、材料的热工性质（3）（三）热阻和传热系数热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为：Ｒ＝ｄ/λ式中：R——材料层热阻，（m2·K）/W；d——材料层厚度，m；λ——材料的导热系数，W/（m·K）。热阻的倒数１／Ｒ称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1Ｋ时，在单位时间内通过单位面积的热量。四、材料的热工性质（4）（四）材料的温度变形性材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。用线膨胀系数α表示。ΔL=（t2－t1）·α·L式中：ΔL——线膨胀或线收缩量，mm或cm；（t2－t1）——材料前后的温度差，K；α——材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K；L——材料原来的长度，mm或m。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的。第二节材料的力学性质一、材料的强度与等级二、材料的弹性与塑性三、材料的脆性与韧性四、材料的硬度与耐磨性一、材料的强度与等级（1）（一）材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。抗压抗拉抗剪抗弯一、材料的强度与等级（2）抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f——材料强度，MPa；Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2。抗弯强度的计算：中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中：fw——材料的抗弯强度，MPa；Fmax——材料受弯破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2；L、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。-一、材料的强度与等级（3）影响材料强度的因素1.组成与结构；2.含水状态及温度；3.测试所用试件形状、尺寸；试件表面性状；加荷速度。材料的强度是在特定条件下测得的数据，为使试验结构具有准确的可比性，各国都制定了统一的材料试验标准，必须严格遵守。材料的强度是大多数材料划分等级的依据。一、材料的强度与等级（4）（二）材料的等级与牌号土木工程材料常按其强度值的大小划分为若干等级或牌号。对于生产者：控制质量有据可依；对于使用者：掌握性能，正确设计，合理选材，控制施工。一、材料的强度与等级（5）（三）材料的比强度比强度是按单位体积质量计算的材料强度指标，其值等于材料强度与其表观密度之比。用于对不同强度的材料进行比较。结构材料的发展方向：高比强度（轻质、高强）一、材料的强度与等级（6）材料的理论强度从材料结构的理论上，材料所能承受的最大应力。材料的理论强度与实际强度相差很大：实际工程材料内部组织结构中均存在一定的缺陷，主要是晶格缺陷（位错、杂原子）、微裂缝等，晶格缺陷使材料在较小应力下发生晶格位移，微裂缝则使材料受力时在裂缝尖端出现应力集中，导致裂缝不断扩大、延伸、相互连通，严重降低材料的强度。例：钢理论抗拉强度30000MPa，实际强度约400MPa。二、材料的弹性和塑性（1）（1）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。（2）塑性材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。二、材料的弹性和塑性（2）二、材料的弹性和塑性（3）二、材料的弹性和塑性（4）1986年1月28日上午11时38分，挑战者号点火升空，但航天飞机飞到73秒时，突然爆裂成一团桔红色火球，7名宇航员在这次事故中罹难。二、材料的弹性和塑性（5）一个密封圈引发的灾难！三、材料的脆性和韧性（1）（一）脆性材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。三、材料的脆性和韧性（2）（二）韧性材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不被破坏的性质称为韧性。土建工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，应具有较高的韧性，如吊车梁、桥梁、路面等所用材料。四、材料的硬度和耐磨性（1）（一）硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。（二)耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中：G——材料的磨耗率，（g/cm2）；m1——材料磨损前的质量，（g）；m2——材料磨损后的质量，（g）；A——材料试件的受磨面积（cm2）。四、材料的硬度和耐磨性（2）第三节材料的耐久性广义：材料的耐久性是指用于土木工程的材料，在环境的多种因素作用下，能经久不改变其原有性质、不破坏，能长久地保持其使用性能的性质。狭义：材料的耐久性是指材料在设计寿命期间，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。一、材料经受的环境作用二、材料的耐久性测定三、提高材料耐久性的意义一、材料经受的环境作用（1）材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。一、材料经受的环境作用（2）物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。二、材料的耐久性测定实时实地测定法：对材料在使用条件下进行长期的观察和测定，能对耐久性作出最可靠的判断，需要很长的时间；快速检验法：在实验室模拟实际使用条件，对材料进行相关的快速实验，根据实验结果对材料的耐久性作出判断。主要项目：干湿循环、冻融循环、加湿与紫外线干燥循环、碳化、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。三、提高材料耐久性的重要意义（1）社会经济意义材料的耐久性与生态环境联系密切使用条件的日益恶化对材料的耐久性提出了更高的要求三、提高材料耐久性的重要意义（2）人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20~30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。据估计在工业发达国家占建筑业总投资的40%以上用于现有结构的维修，60%以下用于新设施的建设。三、提高材料耐久性的重要意义（3）我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30~40年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。三、提高材料耐久性的重要意义（4）我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约30~50年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。第四节材料的装饰性一、材料装饰性的重要意义二、材料的装饰功能一、材料装饰性的重要意义建筑是技术与艺术相结合的产物，有凝固的音乐之称，同时是传承文明的载体，具有强烈的文化象征意义。其中，材料的装饰性功不可没。材料装饰性的作用：保护主体结构，提高建筑物的耐久性；美化。二、材料的装饰功能1、色彩2、光泽3、透明性4、表面质感5、形状尺寸二、材料的装饰功能（2）二、材料的装饰功能（3）二、材料的装饰功能（4）二、材料的装饰功能（5）二、材料的装饰功能（6）二、材料的装饰功能（7）二、材料的装饰功能（8）二、材料的装饰功能（9）二、材料的装饰功能（10）二、材料的装饰功能（11）二、材料的装饰功能（12）第五节材料的组成、结构及其对材料性质的影响一、材料的组成及其对材料性质的影响二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响一、材料的组成及其对材料性质的影响材料的组成是指材料的化学成分，决定着材料的化学稳定性、大气稳定性、耐火性等性质，是材料性质的基础，对材料的性质起着决定性的作用。二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响（1）材料结构的三个层次：宏观、亚微观、微观。（一）宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织，尺寸约为毫米级、以及更大尺寸的构造。按孔隙尺寸大小可分为：致密结构——基本无孔隙多孔结构——具有粗大孔隙微孔结构——细微的孔隙按构成形态可分为：聚集结构——胶凝材料+骨料纤维结构——各向异性材料层状结构——粒状结构——二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响（2）（二）亚微观结构（细观结构）用光学显微镜能够观察的结构，约1/1000毫米的分辨率。二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响（3）（三）微观结构是指物质的原子、分子层次的结构，通过电子显微镜（电镜）进行观察，约10－10米的分辨率。对强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有决定性影响。1.晶体内部质点周期性地规则排列，具有一定的几何外形，显示各向异性，然而实际应用的晶体材料则宏观显示为各向同性——由许多细小的晶粒杂乱排列组成。晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，共同影响着晶体材料的性质。二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响（3）2.玻璃体将熔融物质迅速冷却，其内部质点来不及作有规则的排列即凝固，形成了玻璃体，即无定形体，没有固定的几何外形，各向同性，无固定熔点，内能较大，存在化学潜能。火山灰活性反应：火山灰一类含有活性氧化硅、氧化铝的物质，常温常压下能够与氢氧化钙及水发生反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶。二、材料的结构（构造）及其对材料性质的影响（4）3.胶体物质以极小的质点分散在介质中形成的结构称为胶体。内表面积巨大=》表面能很大=》吸附里很强=》较强的粘结力。溶胶；凝胶；触变性；干凝胶体本章小结材料的组成、结构、构造决定着材料性质的不同方面；材料的物理性质包括分别与质量、空间、水分、温度相关的诸方面的性质；材料的力学性质由强度、弹塑性、脆韧性、硬度等构成；材料的耐久性质正广泛地引起关注；材料的装饰性在社会生活中扮演着非常重要的角色。