1、土木工程材料基本性质,第一章,材料的组成、结构与性质材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性材料的装饰性,机械作用（外力、自重力等）,周围各种介质作用（水、蒸汽、腐蚀性气体和液体等）,物理作用（声、光、电、热、磁等）,第一节 材料组成、结构与性质,一、材料的组成化学组成 化学组成即化学成分（决定性质的主要因素）。 无机非金属材料以各氧化物的含量来表示； 金属材料以各化学元素的含量表示； 有机材料用各化合物的含量来表示。矿物组成 矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物(决定材料的主要性质)。化学组成和矿物组成的关系 1、材料的化学组成不同，则矿物组成不同； 2、材料的化学组成相同
2、，可以有不同的矿物组成(即微观结构不同)，且材料的性质也不同。例如：石墨和金刚石。,材料的组成、结构与性质,二、材料的结构,微观结构 指物质的原子、分子层次的结构()，主要借助于电子显微镜、X-射线衍射仪等研究。主要决定材料的强度、硬度、熔点等。 1、晶体 是质点(原子或分子、离子)按一定规律在空间重复排列的固体，具有特定几何外形和固定熔点。 晶体分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体 晶体特性： (1)各向异性：因观察方向不同而表现出的差异； (2)最小内能：内部质点规则排列，质点间的引力和斥力达平衡； (3)最稳定性：化学成分相同而处于不同状态下的物质，以晶体最稳定。,材料的组成、结构
3、与性质,2、非晶体(又称玻璃体或无定形体) 是熔融物在急速冷却时，质点来不及按规律排列所形成的内部质点无序排列(短程有序，长程无序)的固体或固态液体。 非晶体特性： (1)各向同性，无固定熔点和几何形状； (2)不稳定：内部存在大量的化学能。,材料的组成、结构与性质,微观结构形式及其主要特性,材料的组成、结构与性质,3.胶体 以极小质点（10-7 10-9m ）作分散相，分散于连续介质（气、水或溶剂）中形成的体系 （与晶体和非晶体结构的材料相比）具有胶体结构的物质或材料-强度低、变形大溶胶结构凝胶结构-具有触变性溶胶-凝胶结构,亚微观结构(显微或细观结构) 由光学显微镜所看到的组织结构(m)。
4、主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。 材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。宏观结构(构造) 用肉眼或放大镜即可分辨的组织结构(mm)。主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式(或形式)、各组成材料的分布等。如岩石的层理，混凝土中的砂石的多少与分布等。,材料的组成、结构与性质,材料的宏观结构及其相应的主要性质,材料的组成、结构与性质,材料组成、结构和性能的关系 1、材料的宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同，如玻璃与泡沫玻璃； 2、材料的宏观结构相同或相似，即
5、使材料的组成或微观结构不同，材料也具有某些相同或相似的性质与用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料。,材料的组成、结构与性质,三、结构中的孔隙与材料性质的关系,大多数土木工程材料在宏观层次上或亚微观层次上均含有一定大小和数量的孔隙，甚至是相当大的孔洞，这些孔隙几乎对材料的所有性质都有相当大的影响。(一)孔隙的分类按孔隙大小 微细孔、细小孔（毛细孔）、较粗大孔、粗大孔 （孔径小于20nm的微孔，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔隙）按孔隙形状 球形、片状(即裂纹)、管状、墨水瓶状、带尖角的孔隙按常压下水能否进入孔隙 开口孔隙(或称连通孔隙)、闭口孔隙(或封闭孔隙)。,材料的组成、结构与性质,(二)孔隙形成,
6、水分子的占据作用 土木工程材料加水拌和,用水量通常超过理论上的用水量, 多余的水分占据的空间即为孔隙。外加的发泡作用 如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。火山爆发作用 火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙。焙烧作用 材料中掺入的可燃材料在高温下燃烧掉而形成孔隙；由于某些成分的作用产生气体而形成孔隙,材料的组成、结构与性质,(三)孔隙对材料性质的影响,一般情况下：,材料的组成、结构与性质,材料性质的变化与孔结构密切相关！,体积密度、堆积密度、强度、耐磨性、抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性、耐久性,第二节 基本物理性质,一、材料与结构状态有关的基本参数（一
7、）不同结构状态下的密度 1密度（绝对密度、真实密度） 材料在绝对密实状态下(不含内部任何孔隙)，单位体积的质量（g/cm3） 2表观密度（视密度） 材料在密实状态下（不含开口孔隙时），单位体积的质量（g/cm3）,材料的基本物理性质,V 表示图中1固体物质的体积,Vcp 表示图中2和3孔隙的总体积,3堆积密度 散粒材料或粉末状材料在堆积状态下，单位体积的质量（kg/m3）,材料的基本物理性质,Vv 表示散粒材料颗粒间的空隙的体积,1孔隙率（P）与密实度（D） 孔隙率（P） 材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率 一般情况下，孔隙率指的是总孔隙率，其包括开口孔隙率（图中3）与闭口孔隙率（
8、图中2） 密实度 材料(自然状态)体积内固体物质的充实程度,材料的基本物理性质,（二）孔隙率与空隙率, 空隙率（P） 散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙的体积Vv，占堆积体积V0的百分率 填充率（D） 散粒材料自然体积之和占其自然堆积体积的百分比,2.空隙率与填充率,（一）亲水性与憎水性 当材料与水接触时，水可以在材料表面上铺展开，亦即材料表面可以被水所润湿或浸润。此种性质称为材料的亲水性，具备这种性质的材料称为亲水性材料。 若水不能在材料的表面上铺展开，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此种材料称为憎水性材料。 材料的亲水性与憎水性可用其润湿角衡量：,材料的基本物理性质,二、材料与
9、水有关的性质,若 900，材料表现为亲水性；若：900，材料表现为憎水性,实质：材料与空气接触面上表面能与材料和水接触面上表面能的比较 或者材料分子与水分子间的内聚力与水分子之间的内聚力比较,1吸水性 材料在水中吸收水分的性质 用质量吸水率（Wm）或体积吸水率（Wv）表示。,2吸湿性 材料在空气中吸收水蒸气的性质 用含水率表示,材料的基本物理性质,（二）吸水性与吸湿性,材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力 对于结构材料，耐水性主要指强度变化；对装饰材料则主要指颜色的变化、是否起泡、起层等 结构材料的耐水性用软化系数（KR）表示,材料的基本物理性质,KR 0.85时称为耐水性材料 经常受到
10、潮湿或水作用的结构，须选用KR 0.75的材料，重要结构须选用KR 0.85的材料,（三）耐水性,（四）抗渗性 材料抵抗压力水（或其它液体）渗透的性质 用渗透系数（KS）或抗渗等级（Pn）等表示,材料的基本物理性质,渗透系数：一定厚度材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。,抗渗等级：以规定的试件、在规定的条件和标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号Pn表示，其中n为该材料能承受的最大水压力MPa数的10倍。,（五）抗冻性 材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质的能力（对结构材料主要指保持强度的能力） 多以抗冻等级（Fn）表示：以规定的试件、在规定试验条件下，测得其
11、强度降低不超过规定值，并无明显损伤和剥落时所能经受的冻融循环次数来确定。其中n即为最大冻融循环次数。,材料孔隙率及孔隙状态,孔隙充水程度,材料本身强度,材料的基本物理性质,（六）干缩与湿胀,干缩 含孔材料干燥时产生的收缩（大孔失水不会引起收缩，毛细孔失水会产生收缩）湿胀 含孔材料吸湿时产生的膨胀,材料中的毛细孔越多,干缩湿胀越明显,产生裂纹,干湿交替作用,（一）导热性 材料传导热量的性质。 以导热系数（）表示：厚度为1m的材料，当温度改变1K时，在1s时间内通过1m2面积的热量。,材料的基本物理性质,三、材料与热有关的性质,材料导热系数越小，其绝热性能越好工程中常把0.23的材料称为绝热材料,
12、影响材料导热系数的因素,组成与结构,通常金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。,孔隙率,孔隙率P越大，即材料越轻(越小)，导热系数越小。细小孔隙、闭口孔隙比粗大孔隙、开口孔隙对降低导热系数更为有利。,含水率,材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。因为水和冰的导热系数分别是空气的20倍和80倍。,环境温度,温度越高，材料的导热系数越大(金属材料除外),材料的基本物理性质,三、材料与热有关的性质,（二）热容量与比热 热容量：材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，其值通过材料的比热计算。 比热：以1kg质量的材料，在温度改变1K时所吸收或放出的热量确定
13、。,材料的基本物理性质,应用：导热系数和热容量是设计建筑围护结构，进行热工计算的重要参数。,耐火性：材料抵抗高热或火的作用，保持其原有性质的能力,易燃性材料(B3级),不燃性材料(A级),难燃性材料(B1级),可燃性材料(B2级),材料的基本物理性质,（五）耐热性、耐燃性与耐火性,耐热性：材料在高温环境下，保持其原有性质的能力,耐燃性：材料抵抗燃烧的性质（影响建筑物防火和耐火等级的重要因素）,四、 材料与声有关的性质,物体振动,吸声性,隔声性,听到的声音,集中反射,漫反射,材料的基本物理性质,轻质材料的质量较小，隔声性较密实材料差。提高隔声性可在构造上采取措施：,将密实材料用多孔弹性材料分隔，
14、做成夹层结构对多层材料，应使各层厚度相同质量不同，防止引起结构谐振将空气层增加到7.5cm以上,并在空气层中填充松软的吸声材料密封门窗等结构缝隙,材料的基本物理性质,第三节 基本力学性质,一、材料的强度 材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示。 (一)材料基本受力形式拉、压、弯、剪,材料的基本力学性质,内因：组成与结构 外因：试件形状、大小、表面状况、含水率、加荷速度(三)强度等级 为了便于合理设计、生产及选用材料，对于以强度为主要指标的材料，常根据材料强度值的高低划分若干强度范围，称为材料的强度等级或标号 脆性材料主要以抗压强度划分强度等级；
15、塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度划分强度等级,(四)比强度 比强度是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标,材料的基本力学性质,(二)影响强度的因素,（一）弹性 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，材料的这种变形称为弹性变形 （二）塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为材料的塑性，这种变形称为塑性变形 (三)弹塑性变形 在外力的作用下，既有弹变，也有塑变,材料的基本力学性质,二、材料的受力变形,一些非晶体材料，受力时可同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性。非晶体与胶体含量越高，粘性越明显 （如：水泥混凝土、沥青
16、混合料常被认为属于粘弹性材料）1.徐变（蠕变） 材料在恒定应力作用下，应变随时间缓慢增长的现象 （一般：晶体材料-徐变很小；非晶体材料及合成高分子材料-徐变较大 ）2.应力松弛 材料在恒定应变情况下，应力随时间而减小的现象 （一般：晶体材料-应力松弛很小；非晶体材料，特别是合成高分子材料、沥青混合料-应力松弛较大 ）,（四）粘弹性,材料的基本力学性质,（一）脆性 材料在荷载作用下，破坏前无明显的塑性变形，表现为突发性破坏的性质 脆性材料特点:小，fcft(fc/ ft=550) （二）韧性(冲击韧性) 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 韧性材料特点： 大，ftfc,材料的基
17、本力学性质,三、脆性与韧性,1.硬度材料抵抗坚硬物体刻划或压入的能力 材料硬度越大，则其强度越高 常用测定方法：刻划法、压入法和回弹法 刻划法常用于测定天然矿物的硬度； 压入法常用于测定钢材、木材等的硬度； 回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，并以此估算其抗压强度。2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力 土木工程中路面、飞机跑道等的材料均应具有较高的耐磨性。,材料的基本力学性质,四、硬度与耐磨性,一、耐久性 材料长期抵抗各种内外破坏因素或腐蚀介质的作用，保持其原有性质的能力二、影响耐久性的主要因素 (一)内部因素 内部因素是造成材料耐久性下降的根本原因。内部因素主要包括材料的组成、结构与性质 (二
18、)外部因素 外部因素也是影响耐久性的主要因素 (1)化学作用;(2)物理作用;(3)机械作用;(4)生物作用,材料的耐久性,第四节 耐久性,三、改善耐久性措施,减轻环境介质对材料的危害作用 （如：保护环境、净化环境、选择环境）提高材料对环境介质危害作用的抵抗能力 （如：提高材料本身或表面结构密实度）使材料与危害性介质隔离 （如：在材料表面加做保护层或隔离层）,材料的耐久性,第五节 装饰性,一、建筑装饰材料的特点：装饰美观性 可改善建筑物的艺术形象及人的生活环境。保护主体结构，兼具特殊功能价格高,材料的装饰性,二、对建筑装饰材料的基本要求,颜色、光泽、透明性花纹、图案、形状、尺寸质感抗污染、耐擦
19、洗、易清洁等,材料的装饰性,颜色是材料对光谱选择吸收的结果 颜色取决于：光谱的组成及观测者的视觉敏感度 不同的颜色给人以不同的感觉，如红色、橘红色给人一种温暖、热烈的感觉，绿色、蓝色给人一种宁静、清凉、寂静的感觉,材料的装饰性,（一）颜色、光泽、透明性,光泽是材料表面方向性反射光线的性质 光作用在材料表面时，若产生定向反射时，称为集中反射（或镜面反射）；若产生不定向反射，称为漫反射,澳大利亚悉尼歌剧院采用了陶瓷、玻璃、木材等不同表面结构状态的材料组合,材料的装饰性,透明性是光线透过材料的性质 透明体(可透光、透视)、半透明体(透光、但不适视)、不透明体(不透光、不透视),材料的装饰性,在生产或
20、加工材料时，利用不同的工艺将材料的表面作成各种不同的表面组织（如粗糙、平整、光滑、镜面、凹凸、麻点等）；或将材料的表面制作成各种花纹图案或拼镶成各种图案（如山水风景画、人物画、仿木花纹、陶瓷壁画、拼镶陶瓷锦砖等） 建筑装饰材料的形状和尺寸对装饰效果有很大的影响。改变装饰材料的形状和尺寸，并配合花纹、颜色、光泽等可拼镶出各种线型和图案，从而获得不同的装饰效果，以满足不同建筑型体和线型的需要，最大限度地发挥材料的装饰性,材料的装饰性,（二）花纹图案、形状、尺寸,线条的变化（全国建筑工程装饰奖获奖工程）,中山市移动通信楼,上海沪东造船厂技术中心大楼,东莞御景湾酒店,成都双流国际机场新航站楼,材料的装
21、饰性,图案的变化（全国建筑工程装饰奖获奖工程）,哈尔滨市人和名苑商务酒店的清凉喷泉,人民大会堂山西厅的门饰,苏州昆曲沁兰厅,材料的装饰性,（三）质感 质感材料的表面组织结构、花纹图案、颜色、光泽、透明性等给人的种综合感觉。（如：钢材、陶瓷、木材、玻璃、呢绒等材料，在人的感官中的软硬、轻重、粗旷、细腻、冷暖等感觉） 组成相同的材料可以有不同的质感（如：普通玻璃与压花玻璃、镜面花岗岩板材与剁斧石） 相同的表面处理形式往往具有相同或类似的质感，但有时并不完全相同（如人造花岗岩、仿木纹制品。一般均没有天然的花岗岩和木材亲切、真实，而略显单调、呆板）（四）抗污染、耐擦洗、耐磨等,材料的装饰性,木材、织物
22、的质感温暖、亲切、厚重,材料的装饰性,石材、金属、玻璃的质感光洁、敞亮、清爽、冰冷、严肃,材料的装饰性,三、建筑装饰材料选用原则,装饰美观性保持特性，保护主体结构，兼具特殊功能经济合理性,材料的装饰性,包括材料的颜色、光泽、透明性、花纹图案、形状尺寸、质感等方面内容 建筑外装饰用材料的色彩选择就要考虑色彩与建筑功能、规模及使用环境的协调性,故宫黄色琉璃屋顶,材料的装饰性,（一）装饰美观性,建筑内装饰用材料的色彩选择更注重色彩与人身心的协调性,（餐厅室内材料色彩的选择）,材料的装饰性,图书馆、阅览室室内材料色彩的选择,材料的装饰性,医院室内材料色彩的选择,材料的装饰性,幼儿园材料色彩的选择,材料的装饰性,建筑装饰材料不仅要求装饰美观，还要求其具有能够保护建筑结构，同时具有保温、隔热、吸音、隔声、隔热、防水、耐擦洗、抗污染、防霉、保健等多种功能。更重要的是应该能够充分利用材料自身的材质特性来体现更真实、自然的装饰效果,材料的装饰性,(二）保持特性，保护主体结构，兼具特殊功能,优秀的建筑装饰不等于高价格建筑装饰材料的堆砌，而应该是建筑装饰材料在建筑中综合装饰效果的最优体现 高档的建筑装饰还是应该画龙点睛的选择一些高档的建筑装饰材料,材料的装饰性,（三）经济合理性,
