1、土木工程材料 2011-2012 (二),绪论（） 第一章 土木工程材料基本性质（ ） 第二章 建筑金属材料（ ） 第三章 无机胶凝材料（ ） 第四章 混凝土与砂浆（ ） 第五章 砌体材料（ ） 第六章 沥青和沥青混合材料（） 第七章 合成高分子材料（） 第八章 木材(自学） 第九章 建筑功能材料（）,主要教学内容,绪论,一、土木工程材料的范畴和分类 二、土木工程与材料的关系技术准标简介 三、土木工程材料学习方法与要求,学习目标是了解土木工程材料的分类，明确土木工程材料在工程中的重要地位，重点是了解土木工程材料的分类、了解各类技术标准。,一、土木工程材料的范畴和分类,广义土木工程材料：构成建筑
2、、构筑物的材料；辅助材料；消防水电通讯等器材 狭义土木工程材料：直接构成土木工程实体的材料；本书介绍狭义土木工程材料 按化学成分分：无机材料 有机材料 复合材料,二、土木工程与材料的关系技术准标简介,土木工程材料的技术标准与规范,国家标准（GB）：指对全国范围的经济、技术及生产发展有重大意义的标准。它是由国家标准主管部门委托有关部门起草，或有关部委提出批报，经国家技术监督局会同各有关部委审批，并由国家技术监督局发布。 GB标准为强制性国家标准，任何技术（产品）不得低于此标准,GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥,国家标准的代号,标准编号,标准颁布年代号,标准的技术 （产品）名称,推
3、荐性国家标准，以“GB/T”为标准代号,行业标准：全国性的某行业范围的技术标准。由国家中央部委标准机构指定有关研究院所、大专院校、工厂等单位提出或联合提出，报中央部委主管部门审批后发布，并报国家技术监督局备案。,JC/T 479-92建筑生石灰,建材行业的标准代号,技术标准的二类类目顺序号,推荐标准,标准颁发年代号,标准名称,地方标准与企业标准：凡国家、部未能颁布的产品与过程的技术标准，可由相应的工厂、公司等单位，根据生产厂能保证的产品质量水平所制定的技术标准，报请本地区或本行业有关主管部门审批后，在该地区或行业中执行。,国际标准 ：团体标准和公司标准。指国际上有影响的团体和公司的标准。如美国
4、材料与实验协会标准（ASTM）等。区域性标准。如德国工业标准(DIN)等。国际标准化组织标准，代号ISO。,三、土木工程材料学习方法与要求,按主线有重地点面结合学习学习时以材料组成、结构、性能与应用为主线。重点是掌握性能与应用。对材料生产只作一般性了解。内容较多，不可能面面俱到有重点地学习，知识、能力和素质的有机统一学习本课程不仅仅是掌握有关的基本专业知识更重要的是培养分析、解决问题的能力，培养创新精神，提高综合素质。工程实例是为引导大家理论联系实际。,1.1材料的物理性质 熟练掌握土木工程材料的基本物理性质,本节主要讨论以下5个问题 一、材料的结构特征参数：密度、表观密度、堆积密度 二、密实
5、度、孔隙率、空隙率、填充率 三、材料与水有关的性质 四、材料的热工性质 五、材料的耐热性与耐燃性,1、密度： 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（比重） 测定：除钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有孔隙，一般进行磨细，干燥后用李氏瓶测其体积（砖、石材）；另外，用排液置换法测量卵石等致密材料近似密度。 特点：不变值,一、材料的结构特征参数：,一、材料的结构特征参数：,1、密度： 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（比重） 材料在绝对密实状态下的体积，cm3 测定：除钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有孔隙，一般进行磨细，干燥后用李氏瓶测其体积（砖、石材）；另外，用排液置换
6、法测量卵石等致密材料近似密度。 特点：不变值,2、表观密度（俗称容重）,定义：材料在自然状态下单位体积的质量（重量）测定：与材料含水情况有关，故测表观密度时，应注明含水情况，通常是指在气干状态（长期在空气中状态）下的表观密度，在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。 特点：变化值,3.体积密度,定义：指材料在自然状态下单位体积（包括材料实体积及开口孔隙、闭口孔隙）的质量。俗称容重，按下式计算：式中 材料的体积密度kg/m3或g/cm3；材料的质量，按有关标准规定，该质量是指自然状态下的气干质量。材料在自然状态下的体积，包括材料实体积及内部孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）。 测定：一般是在通风良好的室内
7、放置7天后测得的质量； 特点：一般用于块体材料。,如下图所示 。,4、堆积密度（松散容重）,定义：散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。测定：包含了颗粒之间的空隙 特点：变化值，在容器内或规则性堆积,常用材料的密度、表观密度，堆积密度,二、密实度 孔隙率 空隙率 填充率,1、密实度：材料体积内被固体物质充实的程度 （物质占比例）2、孔隙率：孔隙的多少 （孔隙所占比例）,开口孔隙率先与闭口孔隙,对应在于开口孔和闭口孔的孔隙率称为开口孔隙 和闭口孔隙率式中 开口孔的体积。,3、空隙率：散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率P反映了散粒材料的颗粒互相填充的密实程度4、填充率：散粒材料在
8、某堆积体积中被颗粒填充的程度,空隙率考虑的是材料颗料间的空隙，这对填充和粘结散粒材料 时，研究散粒状材料的空隙结构和计算胶结材料的需要量十分重要,三、材料与水有关的性质,1、亲水性、憎水性（疏水性） 2、材料的含水状态 3、材料的吸水性与吸湿性 4、材料的耐水性 5、材料的抗渗性 6、材料的抗冻性,1、材料的亲水性与憎水性,1、亲水性与憎水性：当材料与水接触时，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。润湿边角：材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润
9、湿边角,亲水性材料：当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。 例如：砖、木、混凝土等。 憎水性材料：当90时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。 例如：沥青、石蜡等。 当= 0时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。,材料的含水状态（亲水性材料）,基本含水状态,(a)干燥状态-材料的孔隙中不含水或含水极微 (b)气干状态-材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡 (c)饱和面干-材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和 (d)湿润状态-材料不仅孔隙中含水饱和,而且表面上为水湿润附有一层水膜,2、材料的吸水性和吸湿性,1）吸水性：材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示吸水性
10、：质量吸水率、体积吸水率 A.质量吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率：,B.体积吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率：,质量吸水率与体积吸水率关系：,材料在吸水饱和的重量,材料在干燥状态下的重量,干燥材料体积，cm3,2）吸湿性：用含水率表示 亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。还湿性： 亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。,含水率,影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度 平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率。在某一短时平衡，变值。,材料在吸湿状态下的重量,材料在干燥状态下的重量,材料的吸水性与材料的孔隙率和
11、孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。 各种材料的吸水率很不相同，差异很大 如花岗岩的吸水率只有0.5-0.7 混凝土的吸水率为2-3 粘土砖的吸水率达8-20 木材的吸水率可超过100,材料的吸水性与什么有关？,3、材料的耐水性,定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显下降的性质。,软化系数：,KR 在0-1之间 耐水材料：KR 0.85 钢材、玻璃、沥青 KR =1 ；黏土KR =0 要求：长期处于水中或潮湿环境中的重要结构 KR 0.85 用于受潮较轻或次要结构：K
12、R 0.75,KR =材料吸水饱和后的抗压强度/材料干燥时的抗压强度,4、抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质,影响因素： 孔隙率及孔隙特征,开口的连通大孔越多,抗渗性越差,闭口孔隙率大的材料,抗渗性仍可良好,抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力（MPa）来确定， 材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水压力：,渗透系数：一定厚度d的材料，在一定水压力H作用下，在单位时间t内透过单位面积的水量Q。,抗渗性是决定材料耐久性的主要指标,5、抗冻性,定义：材料在吸水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不破环，强度不明显降低的性质。,抗冻标号（Fn）： 混凝土F50
13、含义：混凝土标准试件经28d标准养护后，浸水4d吸水饱和, 在-15Co- -20Co条件下冻6h,在10-20oC水中融6h，一冻一融为一次冻融，经50次的冻融循环后，质量损失不大于5%，强度损失不超过25%也无明显损坏和剥落，则该混凝土达到F50。,冻融破坏：材料吸水后，在负温度下，水在毛细管内结冰，体积膨胀约9，冰的动胀压力造成材料的内应力，使材料遭到局部破坏，随着冰冻、融化的循环作用，对材料的破坏加剧，这种破坏即为冻融破坏。,讨论：材料与水有关的性质主要和哪些因素有关？,1、材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有
14、关。 2、材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。 3、材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。 4、材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。 5、从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。,四、材料的热工性质,1、热容性 2、导热性
15、 3、热变形性 4、耐燃性,材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。,材料的热容：指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。 导热性：指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的 能力，用导热系数来表示。 热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化 耐燃性：指材料对火焰和高温度的抵抗能力。,1、热容量和比热,热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。,用热容量来比较材料热容性差别,材料的比热，kJ
16、(kgK)。,材料受热或冷却前后的温度差，K,材料的热容量，kJ,材料的质量，kg,材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。用公式表示为,2、导热性,导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为 ：,当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。,材料的导热性可用导热系数来表示,材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把0.23 W(mK)的材料称为绝热材料。,材料的导热系数，W/（mK） a
17、材料的厚度，m Z-传热时间，h A 材料传热的面积，m2；,常用土木工程材料的热工性质指标,3、热变形性,用线膨胀系数表示热变形性：,热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化,4、耐燃性：材料对火焰和高温度的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项因素。 可把建筑材料分为三类： 非燃烧材料：在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。 难燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材和刨花板等。 可燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃
18、，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材、竹材等。,1.2材料的力学性质,本节共讨论以下四个问题 一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度 二、材料的弹性与塑性 三、材料的脆性与韧性 四、材料的硬度和耐磨性,材料的力学性质指材料在外力作用下所引起变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，通过形状的改变来吸收能量。,一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度,1、强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力 材料在外力作用下破环时能承受的最大应力。,()抗压()抗拉()抗弯()抗剪,抗弯强度,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度：,影响材料强度的因素,自身因素材料的组成和结构 材料
19、的孔隙率含水率试件尺寸大小受力形式和受力方向试件表面平整度等,常用材料的强度（Mpa）,2、强度等级：材料按其强度的大小分为若干不同的等级（标号） 划分等级的作用： （1）掌握材料性质，合理选用材料 （2）正确进行设计 （3）控制工程质量等,混凝土：C15 C20 C25 C30 C35 C40C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80,3、材料的比强度：单位体积重量的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比。优质的结构材料，应具有较高的比强度（mpacm3/g）,衡量材料是否轻质高强的指标,高强度钢丝：1100/7.85=140 普通混凝土:40/2.4=17 轻骨料混凝土
20、:40/1.8=22 玻璃增强塑料：450/2=225 烧结普通砖:15/1.7=9,4、理论强度：从材料内部结构的理论上来分析材料所能承受的最大应力实际强度：通过试验实际测定的 例：材料的理论抗拉强度公式： 式中 ft理论抗拉强度 pa E弹性模量N/m2 r固体表面能d原子间距离，平均 210-10m 材料的理论强度实际强度,碳素钢：400mpa钢:理论强度3000mpa高强度钢丝：1800mpa,二、材料的弹性和塑性（使用时受力性质）,1、弹性：这种完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形） 2、塑性：这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）,（a）弹性变形曲线 （b）塑性变形曲线,实际上
21、，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料。,三、材料的脆性与韧性（破坏时的性质）,1、脆性：材料受力达到一定程度，突然发生破坏，且破坏时无明显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。脆性特点：受力达到破坏荷载值时变形值很小，不利于受震动冲击，抗拉强度抗压强度2、韧性（冲击韧性）：在冲击、震动荷载作用下，材料能吸收较大能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。,例如：铸铁、硅、石材、陶瓷、玻璃。,例：吊车梁、桥梁、路面等结构具有很好的冲击韧性,四、材料的硬度和耐磨性,1硬度:是指材料表面抵抗较硬物压入或刻划的能力。反映
22、了材料的耐磨性和加工的难易程度。 测量方法：压入法，刻划法。 压入法：常用测定金属材料等的硬度，根据压痕的面积和深度测定材料硬度。称为R氏硬度。 刻划法：用硬度不同的材料对被测材料的表面进行刻划，通过它们对材料的划痕来确定材料的硬度。称为莫氏硬度。 刻划法：常用来测定天然矿物的硬度。 按照材料的硬度分为10个等级：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。,2耐磨性：材料抵抗磨损的能力。 磨损：材料与其他物质由于表面摩擦作用使质量和体积减小的现象。 耐磨性用磨损率来表示：式中 M磨损率，g/cm2M0磨前质量，gM1磨后质量，g A试样受磨面积，cm2,1.3 材料的
23、耐久性,本节讨论以下问题： 一、耐久性定义； 二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素； 三、研究材料耐久性的重要意义,耐久性是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。,一、耐久性：指材料在长期使用条件下，受各种内在或外在因素作用，能长期不被破坏不失去原有性能，仍能正常使用的特性。,二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素 破坏因素的种类：物理作用、机械作用
24、、化学作用、生物作用等。,内因,外因,1.4材料的组成、结构、构造 及其对性能的影响,一、材料的组成 及其姨材料心质的影响 1.化学组成 化学组成是指构成材料的化学元素和化合物的种类与数量。当材料处于某一环境中，材料 与环境中的某一物质间必然要按化学变化的规律发生作用，如木材的易用燃、腐朽，混凝土受酸碱盐的侵蚀、钢材的锈蚀等者属化学作。 2.矿物组成 这里的矿物是指无机非金属材料具有特定的晶体结构，特定的物理力学性能的组织结构，矿物组成是指构成材料的矿物的种类与数量，是决定材料性质的重要因素。,二、材料的结构及其对性质的影响 1.宏观结构：指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织，尺寸在10-3m以
25、上。 按其孔隙特征分为： 致密结构玻璃塑料、金属、天然石材等 多孔结构加气砼、泡沫塑料 微孔结构石膏制品、水泥制品,按存在状态或构造特征分： 纤维结构玻璃纤维、矿棉、棉麻 层状结构胶合板、纸面石膏板 散粒结构砂、石及粉状或颗粒状材料 纹理结构木材、大理石、花岗岩及其人造材料时特意造成的纹理，如人造大理石、花岗岩板材等具有良好的装饰性。,2.亚微观结构：又称细观结构指用光学显微镜观测手段研究的结构层次。它包括晶体粒子、玻璃体、胶体及材料内孔隙的形态、大小、分布等结构状况。晶体粒子、玻璃体、胶体及材料内孔隙的形态、大小、分布等不同，都影响材料的性质。,3.微观结构：指用电子显微镜及X射线等手段研究
26、材料内部质点在空间分布情况的结构层次。根据内部质点的分布状态不同可分为晶体和非。 （1）晶体：构成晶体的质点（原了、离子、分子）是按一定的规则，在空间呈有规律的排列，具有一定的几何外形，显示各向异性，但构成的实际材料晶体则是杂乱排列组成，则材料确各向同性。如钢材、陶瓷、天然矿物材料等。,（2）非晶体材料 ：又称无定形物质，要百晶体中组成物质的原了、分子之间的空间排列是不呈周期性和平移的对称性排列。主要有玻璃体和凝胶体。 玻璃体：将熔融的物质进行迅速冷却（急冷）使内部质点来不及有规律有排列(结晶)就已凝固形成的物质就是玻璃体。又称无定形体。无固定的几何外形，具有各向同性，内应力 较大，有明显的脆性。如玻璃。 凝胶体：如水泥与水水化产生的凝胶体。,三、材料 的构造及其对性能的影响 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合和搭配情况，更加强调相民材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、木材的纹理、结构的特征、大小、尺寸等，决定了材料特有的一些性质。,作业：P22 练习题(1) 1-1 填空题 （1）（3） 1-2 选择题 1-3 是非判断题 （2）（4） 1-4 名词解释 1-5 问答题 （2） 1-6 计算题 （1）,
