1土木工程材料基本性質(zhì)-土木工程材料

1、2021-6-14南華大學(xué)楊建明教授2021-6-141.1 材料的組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與性質(zhì) 工程上把能用于結(jié)構(gòu)、機(jī)器、器件或其他產(chǎn)品的具有某些性能的物質(zhì)，稱為材料。如金屬、陶瓷、超導(dǎo)體、塑料、玻璃等。2021-6-14 一、材料的組成 材料的組成包括材料的化學(xué)組成、礦物組成和相組成 1、化學(xué)組成，指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類(lèi)和數(shù)量。 2、礦物組成，具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，具有特定的物理力學(xué)性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為礦物。礦物組成是構(gòu)成材料的礦物種類(lèi)和數(shù)量。 3、相組成，固、液、氣。2021-6-14 二、材料的結(jié)構(gòu) 材料結(jié)構(gòu)可分為宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu) 1、宏觀結(jié)構(gòu) 指用肉眼或放大鏡能夠分

2、辨的粗大組織。 按其孔隙特征可分為： （1）致密結(jié)構(gòu)金屬材料、石材、玻璃、塑料、橡膠2021-6-14 （2）多孔結(jié)構(gòu)加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料 （3）微孔結(jié)構(gòu)石膏、低溫?zé)Y(jié)粘土 按其組織特征可分： （1）堆聚結(jié)構(gòu)如水泥混凝土、砂漿、瀝青混合料 （2）纖維結(jié)構(gòu)木材、玻璃鋼、巖棉 （3）層狀結(jié)構(gòu)膠合板、蜂窩板、紙面石膏板 （4）散粒結(jié)構(gòu)砂石、粉煤灰、細(xì)砂2021-6-14 2、細(xì)觀結(jié)構(gòu) 光學(xué)顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu) 只能針對(duì)具體材料分 如鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體碳溶于碳溶于Fe晶格中的固溶晶格中的固溶體，鐵素體晶格原子間的間體，鐵素體晶格原子間的間隙較小，其溶碳能力較低，隙較小，其溶碳能

3、力較低，室溫下僅能溶入小于室溫下僅能溶入小于0.005%的碳。由于溶碳少而且晶格的碳。由于溶碳少而且晶格中滑移而較多，故其強(qiáng)度中滑移而較多，故其強(qiáng)度低，塑性較好。低，塑性較好。鐵與碳的化合物，分子式鐵與碳的化合物，分子式Fe2C,含碳量為含碳量為6.67%，其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)硬脆，是鋼中的主要強(qiáng)硬脆，是鋼中的主要強(qiáng)化組分。化組分。鐵素體和滲碳體相間形成的鐵素體和滲碳體相間形成的機(jī)械混合物。機(jī)械混合物。2021-6-14 3、微觀結(jié)構(gòu) 指原子、分子層結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡或X射線來(lái)分析 按微觀結(jié)構(gòu)可分為晶體、玻璃體、膠體 （1）晶體，原子晶體（金剛石、石英）、離子晶體（氯化鈉、石

4、膏、石灰?guī)r）、分子晶體（蠟、斜方硫）、金屬晶體（鐵、鋼、銅、鋁及合金） （2）玻璃體-非晶體 玻璃體是化學(xué)不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，容易與其他物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)活性較高，如火山灰、爐渣、粒化高爐礦渣 能與石灰或水泥在有水條件下起水化、硬化作用。2021-6-14 （3）膠體 10-710-10m固體顆粒。通常分為溶膠結(jié)構(gòu)、凝膠結(jié)構(gòu)、溶膠凝膠結(jié)構(gòu) 材料的構(gòu)造 材料的構(gòu)造是指特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元相互搭配情況。2021-6-14 三、材料內(nèi)部孔隙與性質(zhì) 1、內(nèi)部孔隙來(lái)源與產(chǎn)生 2、孔隙分類(lèi) 閉口孔隙、開(kāi)口孔隙 孔隙、裂隙和溶隙 3、孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響2021-6-141.2 材料的物理性質(zhì) 一、材料的體積

5、組成 開(kāi)口孔、閉口孔 塊狀材料： （1）材料絕對(duì)密實(shí)體積V； （2）材料孔體積VP（開(kāi)口VK、閉口VB）； （3）材料自然狀態(tài)下體積V0。BKPPVVVVVV02021-6-14 散粒材料： 顆粒間體積VjjPjVVVVVV002021-6-14 二、材料的密度、表觀密度與堆積密度 密度是指物質(zhì)單位體積的質(zhì)量，單位為g/cm3或kg/m3。 1、密度 真實(shí)密度是指材料在規(guī)定條件（1055烘干至恒重，溫度20）絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下（絕對(duì)密度狀態(tài)是指不包括任何孔隙在內(nèi)的體積）單位體積的具有的質(zhì)量。Vm2021-6-14 2、表觀密度 表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 氣干表觀密度，烘干狀態(tài)

6、下稱干表觀密度。 3、堆積密度 堆積密度是指粉狀、粒狀或纖維在自然堆積狀態(tài)下單位體積（包括了顆粒的孔隙及顆粒之間的空隙）所具有的質(zhì)量。00Vm00Vm2021-6-14 三、材料的密實(shí)度與孔隙度 1、密實(shí)度 密實(shí)度是指材料體積被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度，也就是固體物質(zhì)的體積Vs占總體積的比例。 2、孔隙率 孔隙率是指材料孔隙體積（包括不吸水的閉口孔隙，能吸水的開(kāi)口孔隙）與總體積之比。%100%10000VVD1%100)1 (%100000DPVVVP2021-6-14 四、材料填充率與空隙率 1、填充率 填充率是指某堆積體積中，被散粒材料顆粒所填充的程度。 2、空隙率 空隙率是指在某堆積體積中，

7、散粒材料顆粒之間的空隙體積所占的比例%100%1000000VVD1%100)1 (%10000000DPVVVP2021-6-14 五、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 1、親水性與憎水性 潤(rùn)濕角90的材料為親水性材料。反之90表明該材料為憎水性材料。 圖1-1 材料潤(rùn)濕示意圖( a )親水性材料；(b)憎水性材料2021-6-14 2、吸水性 材料在浸水狀態(tài)下吸入水分的能力為吸水性。用吸水率表示。 質(zhì)量吸水率 體積吸水率 如花崗巖等致密巖石的吸水率僅為0.5%0.7%,普通混凝土吸水率為2%3%，粘土磚的吸水率為8%20%，而木材或其他輕質(zhì)材料吸水率常大于100%。%100ggbmmmmW%10010w

8、gbvVmmW2021-6-14 3、吸濕性 材料在潮濕的空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)稱為吸濕性。用含水率表示。 吸濕作用一般是可逆的，也就是說(shuō)材料既可吸收空氣中的水分，又可向空氣中釋放水分。 材料與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率稱為平衡含水率。%100ggshmmmW2021-6-14 4、耐水性 材料抵抗水的破壞作用的能力稱為材料耐水性。 材料耐水性應(yīng)包括水對(duì)材料的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、裝飾性質(zhì)等方面的性質(zhì)的劣化作用。 用軟化系數(shù)表示。 強(qiáng)度降低的原因：水分進(jìn)入材料，材料表面張力作用，產(chǎn)生劈裂破壞作用； 吸水膨脹，材料開(kāi)裂破壞； 物質(zhì)發(fā)生溶解。 對(duì)于經(jīng)常位于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物的材料，其軟化

9、系數(shù)不宜小于0.85。gbRffK 2021-6-14 5、抗?jié)B性 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性，可用滲透系數(shù)KS表示。 抗?jié)B等級(jí)常用Pn表示，P6表示材料最大能承受0.6Mpa水壓力而不滲水。 6、抗凍性 材料在飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用（凍融循環(huán)）而不破壞，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)稱為抗凍性。通常采用-15的溫度到20水中融化。常用Fn表示。2021-6-14)(12TTAtQ 五、材料的熱工性質(zhì) 常用熱工性質(zhì)有導(dǎo)熱性、熱容量、比熱容。 1、導(dǎo)熱性 材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。用熱導(dǎo)率（）表示。熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于厚度為1m的材料，當(dāng)其相對(duì)表面的溫度差為1K時(shí)，其單位面積

10、（1m2）單位時(shí)間（1s）所通過(guò)的熱量2021-6-14 2、比熱容和熱容量 材料加熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為熱容量。熱容量的大小用比熱容（簡(jiǎn)稱比熱）表示。比熱容表示1g材料升高1K時(shí)所吸收的熱量，或降低1K時(shí)放出的熱量。)()(1212TTmQcTTcmQ2021-6-14 3、耐火性 指材料在長(zhǎng)期高溫作用下，保持其結(jié)構(gòu)和工作性能的基本穩(wěn)定，而不損壞的性能。 用耐火度表示。 1）耐火材料 1580，耐火磚 2）難熔材料 13501580 3）易熔材料 1350，粘土磚、玻璃2021-6-14 4、耐燃性 1）不燃材料 2）難燃材料 3）易燃材料 5、溫度變形 線膨脹系數(shù)2021-

11、6-141.3 建筑材料的力學(xué)性質(zhì) 一、材料受力狀態(tài) 壓力、拉力、彎曲（折）、剪切 二、材料的強(qiáng)度 1、強(qiáng)度 材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。 抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度2021-6-14 2、比強(qiáng)度 指單位體積質(zhì)量材料所具有的強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度的比值（f/0） 3、材料的彈性與塑性 1）彈性與彈性變形 彈性模量 2021-6-14 2）塑性與塑性變形 圖1-2 彈塑性材料變形曲線 2021-6-14 4、材料的脆性和韌性 在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后材料突然破壞，無(wú)明顯的塑性變形的性質(zhì)稱為脆性。 在沖擊、震動(dòng)荷載作用下，材料能承受較大的變形且不致被破壞的性能稱為韌性。用aK表示，沖擊韌性值，即材料受沖擊時(shí)單位斷面所吸收能量來(lái)衡量。2021-6-14 5、材料的硬度與耐磨性 1）硬度 是材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。 按刻劃法：1、滑石；2、石膏；3、方解石；4、螢石；5、磷灰石；6、正長(zhǎng)石；7、石英；8、黃玉；9、剛玉；10、金剛石。 布氏硬度（鋼球壓入法）HB2021-6-14 2）耐磨性