1、,土木工程材料主讲教师：尹 健Tel: 2655277(O) E_mail: ,本章的学习目标是： 了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。 掌握土木工程材料的基本物理性质。 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。 本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习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及其在工程实践中的意义。,第一章 土木工程材料的基本性质,内容向导 1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系 1.1.1 材料的组成及其对材料性质的影响 1.1.2 材料的结构及其对性质的影响 1.1.3 材料的构
2、造及其对性能的影响 1.2 材料的物理性质 1.2.1 与质量有关的性质 1.2.2 与水有关的性质 1.2.4 与热有关的性质 1.2 材料的力学性质 1.2.1 强度 1.3.2 弹性与塑性 1.3.3 韧性与脆性 1.3.4 硬度 1.4 材料的耐久性、装饰性和安全性 1.4.1 材料的耐久性 1.4.2 材料的装饰性和安全性,第一章 土木工程材料的基本性质,1.1.1 材料的组成及其对材料性质的影响 材料的组成是指其化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。化学成分是指构成材料的化学元素及化合物的种类和含量。矿物组成是指材料中矿物的种类及其含量。矿物
3、是指地质作用中各种化学成分所形成的自然单质及其化合物，具有相对固定的化学成分和内部结构。在土木工程材料中，通常将无机非金属材料中具有特定晶体结构和特定物理力学性能且与自然矿物相似的组织称为矿物。材料化学成分相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。材料成分不同，其物理力学性质也会有明显不同。从宏观组成层次讲，人工复合的材料如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,1.1.2 材料的结构及其对材料性质的影响 材料的结构是指在10-1010-3m尺度范围内的组织状态，可分为微观结构和细观结构
4、。,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,（一） 微观结构原子、分子和超细固体粒子层次上的结构,10-1010-6m尺度范围 通过现代测试手段，如SEM、XRD进行分析测试 决定材料的诸多物理力学性质，如强度、熔点、导热性能等 可分为晶体、玻璃体及胶体,1、晶体结构质点（离子、原子或是分子）在空间上按特定的规则周期排列 所形成的结构；可以分为单晶体和对多晶体结构,具有特定的几何外形 各向异性 化学稳定性好 具有固定的熔点,单晶体的特点,多晶体由许多小晶粒杂乱排列而成，因而没有规则外形，各向同性,晶体分类：根据组成晶体的质点和键的不同分,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,2、玻璃
5、体结构质点在空间上呈非周期性排列；熔融物冷却速度较快，质点来不及按一定规则排列形成的固体,玻璃体特点,无固定几何外形 各向同性 破坏时无解理面 无固定熔点，化学不稳定，有时表现一定化学活性,如：火山灰、粒化高炉矿渣、烧粘土等，利用其化学活性作为 水泥或混凝土的辅助添加材料,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,3、胶体结构由一种细小的固体粒子（直径在1100nm）分散在介质中所组成的结构,胶体特点,高度分散性，多相性 表面积大，表面能大，吸附能力强 流动性、粘滞性,溶胶结构：胶粒较少，具有流动性、粘滞性 凝胶结构：胶粒较多，具有固体性质,胶体分类,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关
6、系,材料在微观结构上的差异影响到材料的强度、硬度、熔点、变形、导热性等性质，决定材料的物理力学性质。,（二） 细观结构,从材料内部组织和相的层次上来研究材料，尺度范围为10-610-3m ，借助光学显微镜就可观察材料的细观结构,分类：针对具体材料来分类,铁素体,珠光体,渗碳体,钢,混 凝 土,基体相,骨料相,界面相,木纤维,导管，髓线,树脂质,木 材,材料细观结构层次上的组织特征、数量、分布和界面性质对材料性能有重要影响,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,主要研究：材料孔隙和相同或不同材料单元间的搭配对材料性能的影响。不同材料的搭配所形成的复合材料，综合性能优于各个单一材料。,按孔隙
7、特征：致密结构，多孔结构，微孔结构,分类,按组合方式：堆聚结构，纤维结构、层状结构,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,1.1.3 材料的构造及其对材料性质的影响 材料的构造是指宏观的组织状态和具有特定性质的材料单元的组合情况，尺寸范围在10-3m 以上。,如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。如孔隙是开口、细微且连通，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。,1.1 材料的组成、结构、构造与性质的关系,加气混
8、凝土砌块的多孔构造,大理岩的致密表面,竹的纤维构造,胶合板的层状构造,一、与质量有关的性质,（一）密度,V0,V,V孔,开口孔,闭口孔,1、材料内部结构描述,1.2 材料的物理性质,2、密度的定义：材料在密实状态下单位体积的质量,3、密度计算式：,4、密度测试方法：磨细，排液法，真密度,m材料质量,V密实体积,视密度：某些散粒材料，本身较密实，内部仅有少量微小封闭的 孔隙，无需磨细也可用排液法测出近似密度，称为视密度。,1.2 材料的物理性质,（二）表观密度,1、定义：材料在自然状态下单位体积的质量,2、计算式：,3、测试方法：标准试件，排液法,m自然状态下材料的质量,V0材料在自然状态下体积
9、,毛体积、毛体积密度：公路交通部门术语,1.2 材料的物理性质,1固体；2闭口孔隙；3开口孔隙,（三）堆积密度,1、定义：散粒材料在堆积状态下单位体积的质量,2、计算式：,3、测试方法：标准容器,m自然状态下材料的质量,V0材料在自然堆积状态下体积,1.2 材料的物理性质,（四）孔隙率与密实度 空隙率与填充率,1、孔隙率（P）与密实度（D）,总孔隙率可分为开口孔隙率和闭口空隙率两部分开口孔可通过吸水率计算出来,1.2 材料的物理性质,2、空隙率（P）与填充率（D）,1.2 材料的物理性质,二、与水有关的性质,评价材料物理性能和耐久性能的主要参数,（一）材料的亲水性和憎水性,气,液,固,1,2,
10、3,3,1,2,亲水材料,憎水材料,3,2,1,1.2 材料的物理性质,亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。090憎水性：又叫疏水性，与水接触不能被水润湿的性质。90180这类材料不仅可以做为防水材料，也可做为亲水材料的表 面处理。,1.2 材料的物理性质,（二）材料的吸水性和吸湿性,1、吸水性,1）定义：材料与水接触时其毛细管能够吸收水分的性质,2）决定因素：材料的亲水性、孔隙率和孔隙特征,3）对材料性能的影响： 体积膨胀，表观密度增大，强度降低，导热性增大，耐久性降低等,2、吸湿性,1）定义：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,2）特点：可逆，随环境湿度、温度的变化而变化,1.2 材料的物
11、理性质,3、含水率、吸水率、平衡含水率,1）定义： 含水率：材料所含水的质量与干燥状态下相应材料质量之比 吸水率：材料吸水达到饱和面干状态时的含水率 平衡含水率：材料在一定温度下吸湿，与环境湿度 达到平衡时的含水率,1.2 材料的物理性质,2）计算式,含水率：,吸水率：,m-材料在干燥状态下的质量,m1-材料在含水状态下的质量,V0-材料在自然状态下的体积,1.2 材料的物理性质,m2-材料在吸水饱和面干时的质量,-水的密度,（三）材料的耐水性,1、定义：材料抵抗水的破坏作用的能力,2、评价指标软化系数K,K的变化范围在01，选材的主要依据；在水中或是潮湿 环境下的结构，要求主要结构材料的K不
12、小于0.850.95； 次要结构不小于0.750.85,1.2 材料的物理性质,（四）材料的抗渗性,1、定义：材料抵抗压力水渗透的性质,2、评价指标渗透系数K,Q-透水量,d-试件厚度 F-透水面积 t-时间 H-静水压力水头,3、影响因素 材料的孔隙率、孔隙特征,1.2 材料的物理性质,抗渗等级：如混凝土的抗渗等级：P4、P6、P8、P10、P12等等。在这里同学们要注意抗渗等级、渗透系数大小与材 料抗渗性能之间的关系。,（五）材料的抗冻性,1、定义：材料在吸水饱和状态下，能够经受多次冻融循环 作用而不被破坏，强度也不严重降低的性质,2、评价指标,抗冻等级，取决于材料在一定条件下经受冻融而不
13、被破坏的次数,3、影响因素 孔隙率，孔隙特征，饱水程度，材料自身的应力水平,如：对混凝土材，要求强度降低不大于25%，重量损失小于5%； 或相对动弹模量大于60%，重量损失小于5%,1.2 材料的物理性质,三、与热有关的性质,（一）热传导性和导热系数,1、定义：当材料两面存在温度差时，热量会从温度高的一面传到 温度较低的一面的性质，用导热系数表示，稳定传热条件下的计算式为：,2、导热系数的影响因素密度，孔隙特征,3、常见物质的导热系数空气：0.023W/(m.k) ,水：0.58，冰：2.33,温度t1,t2,高,低,D,1.2 材料的物理性质,（二）比热容和热容描述材料在温度升降是吸收或放出
14、热量的性质,1、比热容（c)单位质量的材料，在温度升降1k时所吸收或放出的热量,2、热容特定材料在温度升降1k时所放出或吸收的热量,（三）线膨胀系数材料由于温度上升或下降10C时，所引起的线度增长或是缩短与它在00C时的线度之比值,是计算因温度变化引起的构件变形和内部温度应力的重要参数,1.2 材料的物理性质,孔隙对材料性质的影响,A B 图 材料剖面,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见下图。 请问选择何种材料？,本节分析与讨论,材料在外力作用下有关强度和变形的性质,强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力 变形材料在外力作用下在长度或是体积上的变化,材料的强度是通过试验实际测定的，
15、故称为实际强度， 但材料的实际强度远低于其理论强度,1.3 材料的力学性质,一、材料力学行为的微观解释,典型的微观强度理论：双原子模型，表面能理论，Griffith断裂理论,1、双原子模型,分析固体材料力学行为的微观原因,固体材料质点间的相互作用力分两类：吸引力和排斥力,自然状态下质点处于平衡，两质点间距离为r0， 吸引力和排斥力相等，合力为零;受到外力作用后， 质点间力与距离的关系发生相应变化,1.3 材料的力学性质,1.3 材料的力学性质,相互作用力和 相互作用能量曲线,缺点：难以解释软钢在的 塑性变形和强化现象,1.3 材料的力学性质,2、表面能理论,分析材料理论抗拉强度,基本观点：理论
16、抗拉强度与拉断材料时产生的两个新表面所需消耗的能量有关,f-理论抗拉强度 E-纵向弹性模量 -单位表面能 r-原子间距离,1.3 材料的力学性质,分析表明：,材料强度与材料微观结构质点之间的相互作用力有关实际材料的强度远低于理论强度实际强度低于理论强度的重要原因在于材料内部 存在很多缺陷,1.3 材料的力学性质,二、静力强度与比强度,1、静力强度静力试验中测定的强度,抗拉强度 ft,抗压强度 fc,抗弯强度 ff,抗剪强度 f,2、不同材料对外力的抵抗有不同的特点脆性材料，塑性材料,材料的组成，结构与构造的差别对其强度性能有重要的影响,合理利用材料,1.3 材料的力学性质,1.3 材料的力学性
17、质,3、材料强度受实验条件的影响,试件的形状与尺寸,加荷速度,温、湿度,材料的含水状态,标准实验方法,建筑材料中的结构用材料，一般以强度作为质量指标，即按强度 大小将材料划分为若干等级（标号）,具体材料的强度等级的评定：应根据材料本身特点、强度检测结果 的波动特征和工程结构的需要，确定某种强度为指标，以试验结果的平 均值或最小值，或统计计算值作为指标的检测结果,1.3 材料的力学性质,随着对材料（结构）耐久性的重视，材料也按耐久性划分若干等级,4、比强度,材料强度与其表观密度之比值，衡量材料轻质高强的重要指标,建筑材料中最大量使用的混凝土的比强度远比其他常用建材 （钢材、木材）小,1.3 材料
18、的力学性质,三、材料的变形,材料在外力作用下或外力发生改变时，都会产生一定的变形,弹性材料,塑性材料,没有单纯的弹性材料和单纯的塑性材料,1.3 材料的力学性质,三种典型弹性变形,拉 应 力,压 应 力,1.3 材料的力学性质,建筑钢材的应力-应变曲线,混凝土的应力-应变曲线,大多数材料的应力-应变曲线表明：材料的变形性质呈弹-塑性,1.3 材料的力学性质,四、脆性和韧性,脆性：材料在外力作用下不产生明显变形而突然发生破坏的性能韧性：材料在外力作用下能吸收大量能量并能承受较大的变形而不致破坏的性能，或是材料在发生断裂前单位体积内所消耗功的总量,1.3 材料的力学性质,脆性材料的应力-应变曲线,
19、韧性材料的应力-应变曲线,材料的韧性一般采用冲击试验进行测定，冲击韧性系数,1.3 材料的力学性质,五、硬度和耐磨性,1、硬度,1）定义：材料表面抵抗其他较硬物体压入或刻画的能力,2）测试方法：压痕法、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度,3）意义：推算材料的其他力学性质选材，有耐磨性要求的工程，可选硬度较大的材料,2、耐磨性定义：材料表面抵抗磨损的能力表示方法：磨损率,1.4材料的耐久性、装饰性及卫生安全性,一、材料的耐久性,1、含义：材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因素的破坏，保持其原有性能且不贬值、不破坏的能力,2、影响因素,3、耐久性的评价,如混凝土的抗渗等级、抗冻等级,二、材料的装饰性,社会发展、文明程度提高的产物，要求获得舒适和美的感受 以及一定的艺术效果材料的装饰效果取决于色彩、光泽、表面组织及形状尺寸和质感建筑装饰材料是发展变化最快的土木工程材料之一装饰材料应与环境相协调，以最大限度表现装饰效果,三、卫生安全性,土木工程材料的卫生安全问题： 无机建材的天然放射性和有机建材的有害气体,1.4材料的耐久性、装饰性及卫生安全性,
