1、第1章 土木工程材料的基本性质 1-1 材料的组成、结构与性质,材料在使用过程中，要受到各种不利因素的影响，如各种力、周围介质的作用。因此，材料需要具备抵抗这些不利因素作用的能力，即具备各种性能。决定这些性质的内部因素是材料的组成和结构，要了解材料的性质，必须了解材料的组成、结构与性质间的关系。一、材料的组成 (一)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。,(二)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)。 (三)化学组成和矿物组成的关系1、材料的化
2、学组成不同，则矿物组成不同；2、材料的化学组成相同，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 (四)组成和性质的关系依组成可以大致判断出材料的某些性质。,二、材料的结构(一)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
3、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。,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。,微观结构形式及其主要特性,(二)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)。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。 (三)宏观结构(构造)用肉眼或放大镜即可分辨的
4、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。,材料的宏观结构及其相应的主要性质,(四)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。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1
5、、按孔隙大小：微孔、毛细孔、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。2、按形状：球形、片状(即裂纹)、管状、墨水瓶状、带尖角的孔隙。3、按常压下水能否进入孔隙：将常压下水可以进入的孔隙称为开口孔隙(或称连通孔隙)，而将常压下水不能进入的孔隙称为闭口孔隙(或封闭孔隙)。,(二)孔隙形成1.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。2.外加的发泡作用 如生产加气混泥土的发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。3.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孔隙。4.焙烧作用 材料中掺入的可燃材料在
6、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,(三)孔隙对材料性质的影响一般情况下，孔隙率，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保温性吸声性 吸水性吸湿性,一、不同结构状态下的密度(一)密度材料在干燥、绝对密实状态下(内部不含任何孔隙)，单位体积的质量。,1-2 材料结构状态的基本参数,式中 材料的密度g/cm3；m材料的绝干质量g；V材料绝对密实体积cm3。,(二)表观密度(视密度)材料在自然状态下不含开孔时，单位体积的干质量,(三)体积密度材料在自然状态下，单位体积的质量。,通常所指的体积密度是材料在气干状态下的，称为气干体积密度，简称体积密度。材料在
7、绝干状态时，则称为绝干体积密度，以0d表示 , 0d =m/V0,(四)堆积密度散粒材料或粉末状材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。,通常所指的体积密度是材料在气干状态下的，称为气干体积密度，简称体积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干体积密度，以0d=m/V0,二、孔隙率与密实度(一)密实度材料体积(自然状态)内固体物质的充实程度。,(二)孔隙率材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率,2、闭口孔隙率闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率,三、空隙率散粒材料在自然堆积状态下，颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率 。,1.开口孔隙率开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。,1-3 材料的力学
8、性能,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。材料的强度取决于结构质点（原子、分子、离子）间的作用力大小，破坏主要是结合键的断裂或质点间的滑移.理论强度（Orowan公式 ） ：,式中 材料的表面能，J/m2a 原子间距，m,实际材料内部常含有大量的缺陷，材料受力时，在缺陷处形成应力集中导致强度降低。当脆性材料内部含有一长度为2c的微裂纹时，由Griffith断裂理论，其强度为 ：,Griffith断裂理论成功地解释了材料的实际强度远低于理论强度的原因。并由此可知减少材料内部的缺陷(裂纹、孔隙等)可大幅度提高材料的强度。,(一)强
9、度形式拉、压、弯、剪,(二) 影响强度的因素：内因：组成与结构外因：形状、大小、表面状况含水率、加荷速度.(三) 强度和孔隙率的关系(四) 比强度材料强度与体积密度的比值,(五) 材料的硬度材料抵抗较硬物体压入或刻划的能力 无机矿物材料：莫氏硬度 显微硬度金属材料： 洛氏硬度 布氏硬度 维氏硬度高分子材料： 绍氏硬度 巴氏硬度(六) 材料的耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。,二、材料的受力变形 (一)弹性变形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)塑性变形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
10、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。,弹变 塑变 弹塑变 变形,应力,三、脆性与韧性1.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，f压f拉(f压/ f拉=550)2.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，f拉大(f拉f压)。 注意：用于桥梁、吊车梁、有振动要求的要考虑材料的韧性。,1-4 材料与水有关的性质,(一)材料的亲水性当材料与水接触时，如材料表面可以被水所润湿或浸润。此性质称为材料的亲水性，此材料称为亲水性材料。(二)材料的增水
11、性若水不能在材料的表面上铺展，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此材料称为憎水性材料。,一、材料亲水性与憎水性,(三)润湿角 ：90 材料分子和水分子间引力水分子内聚力,表现为亲水性 90 材料分子和水分子间引力 水分子内聚力,表现为增水性,二、吸水性与吸湿性(一)吸水性吸水性是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来表示。,式中 msw材料吸水饱和时吸水质量，g或kg；msw 材料吸水饱和时材料质量，g或kg；V sw材料吸水饱和时吸水体积，cm3或m3；w 水密度，g/cm3或kg/m3。由于Vk=Vsw，故PkWv，由此吸水率可直接或间接反映材料的部分内部
12、结构及性质，即可根据吸水率的大小对材料的孔隙率、孔隙状态及材料的性质做出粗略的评价。,(二)吸湿性材料在空气中吸收水分子的性质,用含水率表示。平衡含水率：材料吸湿或干燥至与空气湿度相干衡时的含水率,(三)含水对材料性质的影响材料吸水或吸湿后，可削弱材料内部质点间的结合力或吸引力，引起强度下降。同时也使材料的体积密度和导热性增加，几何尺寸中略有增加，而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧。由此可见含水使材料的绝大多数性质下降或变差。,式中 fsw材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；fd 材料在绝干状态下的抗压强度，MPa。Kw 0.85称耐水性材料；常受潮湿或水作用的结
13、构Kw 0.75；重要结构Kw 0.85。,三、耐水性 材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。结构材料的耐水性用软化系数Kw来表示。,式中 Kp渗透系数，m3/(m2h)或m/hQ渗水量，m3；A渗水面积，m2；t渗水时间，h；d试件厚度，m；H水头(水压力)，m。 (二)抗渗等级Pn在规定条件下，材料能抵抗的最大水压力 如P8，表示可抵抗0.8MPa的水压力(三)影响因素：孔隙率、孔隙特征,四、抗渗性材料抵抗液体或气体渗透的性质。一般用水的渗透系数Kp和抗渗等级Pn来表示(一)渗透系数,五、抗冻性材料抵抗冻融循环作用保持其原有性质的能力。(一)抗冻等级Fn材料在吸水饱和状态下，经n次冻
14、融循环作用， f损和m损均不超过规定值时，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数。如F100对混凝土而言：f损25 m损5或：相对动弹性模量p60% m损5%,(二)冻害原因：1.毛细孔及大孔中的水结冰时的体积膨胀(约9%)，对材料孔壁产生巨大的膨胀压力；2.毛细孔中水结冰的同时，凝胶孔中的水处于过冷状态，过冷水的蒸汽压比同温度下冰的蒸汽压高，将发生凝胶水向毛细孔中冰界面渗透，又产生了一种渗透压力。处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔同时承受膨胀压力和渗透压力，当二压力超过材料的抗拉强度极限时，材料内部产生微裂纹。经过反复冻融材料的损伤会扩大，使裂纹贯通，强度下降，直至结构破坏。,(
15、三)影响抗冻性主要因素1、孔隙率、孔隙特征。2、充水程度：用水饱和度表示,理论上：Ks0.91时，结冰不会引起冻害；Ks0.91时，则已容纳不下冰的体积，对材料的孔壁产生压力而引起冻害。实际上：由于局部饱和的存在和孔隙分布不均匀，对于水泥混凝土，Ks0.80时冻害才会明显减少。最不利的状态是吸水饱和状态：,(四)提高抗冻性：在混凝土中掺入引气剂、减水剂。,一、导热性材料传导热量的性质。用导热系数表示(一)导热系数,式中 导热系数，W/(mK)；Q传热量，J；d材料厚度，m；T1-T2材料两侧温差，K;A材料传热面积，m2；t传热时间，s或h,1-5 材料的热物理性质,几种典型材料的热工性质指标
16、,(二)影响材料的主要因素：1.组成与结构 ：通常金属材料、无机材料、晶体材料的分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。2.孔隙率P ：P， 。细小闭隙多，因为减少或降低了热对流。3.含水率 ： 含水或含冰时， 。4.温度T :T ,(金属除外)。,K材料层的传热系数，W/(m2K)； d材料层的厚度，m。,可见：(1)， K，保温隔热性越好；(2)d K，但会增加材料用量和建筑物自重。民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）中不同地区的K不同，如西安、北京、哈尔滨地区的外墙K分别为1.0、0.90、0.52W/(m2K)。(二)热阻：传热系数的倒数称为热阻 R1/Kd/ R阻止热流通过能力越大，保温隔热性越好。,二、传热系数与热阻(一)传热系数：墙体或其它围护结构的传热能力常用传热系数表示,三、热容量热容量：材料受热或冷却时，吸收或放出热量的多少热容量cm=q/(t1-t2)材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，可使室内温度相对稳定。四、耐急冷急热性（热震性）材料抵抗急冷急热交替作用，保持其原有性质的能力 材料在急冷急热交替作用下，产生较大的温度应力，使材料开裂或炸裂。,
