土木工程材料的基本性質(zhì).ppt

高等學(xué)校土建類專業(yè)應(yīng)用型本科“十二五”規(guī)劃教材,土木工程材料（第2版）,主編：劉斌 徐珍,土木工程材料的基本性質(zhì),1.1材料的組成、 結(jié)構(gòu)及構(gòu)造對(duì)性質(zhì)的影響 1.1.1材料的組成 1.1.1.1化學(xué)組成 （chemical components） 化學(xué)組成是指材料的化學(xué)成分。 1.1.1.2物相組成(phase components) 材料的化學(xué)組成不同，則材料的礦物組成不同，而相同的化學(xué)組成可以有不同的礦物組成，且材料的性質(zhì)也不同。 1.1.2材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 按材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的觀察程度范圍，可分為宏觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。,土木工程材料的基本性質(zhì),（1） 致密結(jié)構(gòu) （2） 多孔結(jié)構(gòu) 宏觀結(jié)構(gòu) macrostructure （3） 纖維結(jié)構(gòu) 其尺寸在10-3 m級(jí)以上。 （4） 聚集結(jié)構(gòu) 1.1.2.2顯微結(jié)構(gòu)(mesostructure) 顯微結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所看到的微米級(jí)的組織結(jié)構(gòu)，又稱亞微觀結(jié)構(gòu)。 顯微結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、 顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布。 1.1.2.3微觀結(jié)構(gòu)(microstructure) 微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)，可用電子顯微鏡和X射線來分析該層次的結(jié)構(gòu)特征。,土木工程材料的基本性質(zhì),（1） 晶體(crystal) 晶體 具 有 以 下特點(diǎn)：具有特定的幾何外形、各向異性、固 定的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)晶接觸點(diǎn)和晶面是晶體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)晶體的質(zhì)點(diǎn)及化學(xué)鍵的不同，晶體可分為： 原子晶體 離子晶體 分子晶體 金屬晶體,土木工程材料的基本性質(zhì),（2） 非晶體(amorphous solid) 將具有一定化學(xué)成分的熔融物質(zhì)迅速冷卻，質(zhì)點(diǎn)來不及按一定的規(guī)律排列而形成的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無序排列的固體或固態(tài)液體，又稱玻璃體。 非晶體物質(zhì)的特點(diǎn)是：沒有 固定的熔點(diǎn) 和幾 何形狀，且各向同性。由于非晶體是急速冷卻形成的，大量的化學(xué)能未能釋放出來，所以非晶體材料具有化學(xué)不穩(wěn)定性，當(dāng)條件允許，可能會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如：水泥成分中的活性礦物材料、?；郀t礦渣、火山灰、粉煤灰等。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2材料的狀態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征 1.2.1體積 指材料占有的空間的大小。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。 1.2.1.1材料的絕對(duì)密實(shí)體積 指絕干材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，即材料內(nèi)部沒有孔隙時(shí)的體積，或不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。一般以V表示材料的絕對(duì)密實(shí)體積。 1.2.1.2材料的表觀體積 指材料在包括閉口孔條件下的體積。表觀體積可以由排液法測(cè)定。一般以V表示表觀體積。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.1.3材料的毛體積 指材料在自然狀態(tài)下的體積，即實(shí)體材料的外觀體積（含材料實(shí)體和孔隙體積）。一般以V0表示材料的毛體積。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.1.4材料的堆積體積 指粉狀或粒狀材料在堆積狀態(tài)下的總體外觀體積。根據(jù)其堆積狀態(tài)不同，同一材料表現(xiàn)的體積大小可能不同。松散堆積狀態(tài)下的體積較大，密實(shí)堆積狀態(tài)下的體積較小。材料的堆積體積一般以 V0來表示。 1.2.2密度、表觀密度、體積密度、堆積密度 1.2.2.1密度（density） 指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的絕干質(zhì)量，稱為材料的“絕對(duì)密度”，簡(jiǎn)稱密度。 = m/V 材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括任何孔隙的材料固體物質(zhì)的體積，亦稱實(shí)體體積。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.2.2表觀密度（apparent density） 表觀密度是材料在包含閉口孔條件下單位體積的絕干質(zhì)量。 =m/V 1.2.2.3體積密度（bulk density） 體積密度是材料在包含開口孔隙和閉口孔隙條件下單位體積的質(zhì)量 0=m/V0,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.2.4堆積密度（packing density） 指散粒材料或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量 0=mV0,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.3.1密實(shí)度 材料體積（絕干狀態(tài)）中固體物質(zhì)的充實(shí)程度，稱為材料的密實(shí)度，用D表示。 0 =，故密實(shí)度D=1或D=100%。對(duì)于大多數(shù)土木工程材料， 因0，故密實(shí)度D1 或D100%。 1.2.3.2孔隙率 孔隙率是指材料體積內(nèi)孔隙體積占總體積的百分率，用P表示， 密實(shí)度與孔隙率的關(guān)系 D+P=1,土木工程材料的基本性質(zhì),1.2.3.3填充率和空隙率 填充率是指散粒材料在堆積體積中被其顆粒填充的程度，用D來表示， 空隙率是指材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間的空隙的體積占堆積體積的百分率，又稱間隙率，計(jì)算如下： 填充率與空隙率的關(guān)系是： P+D=1,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3材料的力學(xué)性質(zhì) 1.3.1強(qiáng)度及強(qiáng)度等級(jí) 1.3.1.1強(qiáng)度（strength） 強(qiáng)度是材料抵抗外力破壞的能力。,土木工程材料的基本性質(zhì),材料的抗壓強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度可按下式計(jì)算： f=P/A 材料的抗彎強(qiáng)度與材料的受力狀態(tài)、截面形狀等有關(guān)。材料的抗彎強(qiáng)度， 一般 采用簡(jiǎn)支 的梁形試 件做試驗(yàn)。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3.1.2強(qiáng)度等級(jí) 如混凝土的強(qiáng)度等級(jí)按其抗壓強(qiáng)度值可劃分為C15、 C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)；彈性和韌性材料的強(qiáng)度等級(jí)，通常按材料的抗拉強(qiáng)度來劃分等級(jí)，如鋼筋按屈服強(qiáng)度值來劃分等級(jí)。 1.3.1.3比強(qiáng)度 比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，是指材料的強(qiáng)度與體積密度的比值。比強(qiáng)度越大，材料的輕質(zhì)高強(qiáng)性越好。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3.2變形性質(zhì) (1) 彈性變形（elasticity） 材料在外力作用下產(chǎn)生變形， 當(dāng)外力取消后，變形能完全 恢復(fù)的性質(zhì)稱為材料的彈性， 材料發(fā)生這樣的變形就是彈性 變形，其變形值大小與外 力成正比。 E=/,土木工程材料的基本性質(zhì),(2) 塑性變形(plasticity) 當(dāng)外力除去后，材料仍保留一部分殘余變形且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這部分殘余變形稱為塑性變形或永久變形，屬不可逆變形。,土木工程材料的基本性質(zhì),(3) 徐變（creep） 材料在恒定應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間而緩慢增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為材料的徐變或蠕變。徐變是塑性變形的特殊形式。 材料的徐變與應(yīng)力成 正比，即外 力越大，徐變 越大；外力過大，將使材料趨于破壞。受力初期，材料的徐變速度較快，后期逐步趨于穩(wěn)定。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3.3脆性和韌性 材料在沖擊荷載作用下發(fā)生破壞的形式有兩種,即脆性破壞和韌性破壞。 脆性(brittleness)是 材料在外力 作用下發(fā)生無明顯塑性變形的突然 破壞的性質(zhì)。,土木工程材料的基本性質(zhì),韌性(toughness)是指材料在外力作用下，能產(chǎn)生一定塑性變形而不致突然破壞的性能。材料在受沖擊、 振動(dòng)荷載作用下，吸收能量、抵抗破壞的性質(zhì)稱為沖擊韌性或沖擊強(qiáng)度。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3.4硬度與耐磨性 1.3.4.1硬度(hardness) 硬度是指材料表面抵抗較硬物質(zhì)刻畫或壓入的能力。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.3.4.2耐磨性(abrasion resistance) 耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨損率來表示，按下式計(jì)算： 1.4材料與水相關(guān)的性質(zhì) 1.4.1親水性與憎水性(hydrophilic and hydrophobic) 材料在空氣中與水接觸，根據(jù)其能否被水潤(rùn)濕，可分為親水性和憎水性。 潤(rùn)濕角90的材料是親 水性材料，如木材、磚、混凝土、石等；潤(rùn)濕角90的材料是憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料。,土木工程材料的基本性質(zhì),在材料、水與空氣的三相交點(diǎn)上，作用有三種表面張力。 sv =lvcos+sl,土木工程材料的基本性質(zhì),1.4.2建筑防水材料 在建筑結(jié)構(gòu)中起防水作用的材料稱為防水材料。 柔性防水材料主要由瀝青和合成高分子材料制成，按品種有防水卷材、 防水涂料和密封材料三大類。 1.4.2.1防水卷材 瀝青防水卷材 防水卷材的分類 聚合物改性瀝青防水卷材 合成高分子防水卷材,土木工程材料的基本性質(zhì),（2） 防水卷材的常用品種及特點(diǎn) 防水卷材分無胎基卷材和有胎基卷材 特點(diǎn)：拉伸強(qiáng)度高， 抵抗基層和結(jié)構(gòu)物變形能力強(qiáng)，防水層不易開裂，厚度可根據(jù)工程要求變化，使用年限長(zhǎng)，便于大面積施工。 1.4.2.2防水涂料 防水涂料按成膜物質(zhì)的主要成分分為瀝青類、 聚合物改性瀝青類和合成高分子三類；按液態(tài)類型分為溶劑型、 水乳型和反應(yīng)型三種。 特點(diǎn)： 防水涂料的防水層薄、 質(zhì)量輕，有利于基層形狀不規(guī)則部位的施工；施工簡(jiǎn)便，一般為冷施工，但抵抗變形能力較差，使用年限短。,土木工程材料的基本性質(zhì),（1） 瀝青基防水涂料 （2） 聚合物改性瀝青防水涂料 （3） 合成高分子防水涂料 1.4.2.3密封材料 （1） 非定形密封材料 （ 2） 定形密封材料 密封材料是指能承受位移并具有氣密性和水密性，嵌入接縫中的定形和非定形材料。 非定形密封材料又稱密封膠（劑），是黏稠狀的密封材料，有溶劑型、 乳液型和化學(xué)反應(yīng)型；定形密封材料是按密封工程部位的要求，制成帶、 條、 墊片等形狀的密封材料。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.4.3.1吸水性（water absorbability） 材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。 （1） 質(zhì)量吸水率 (2) 體積吸水率 體積吸水率 是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料在自然體積中的百分比,土木工程材料的基本性質(zhì),各種材料因其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，其吸水能力差異極大。如致密巖石的吸水率為0.50%0.70%，普通混凝土的吸水率為2.00%3.00%，而木材及其他多孔輕質(zhì)材料的吸水率則常超過100%。 1.4.3.2吸濕性(hygroscopic) 材料的吸濕性是指材料吸收空氣中水分的性質(zhì)。材料的吸濕性用含水率表示，含水率是材料所含空氣中水的質(zhì)量與材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量之比，按下式計(jì)算：,土木工程材料的基本性質(zhì),1.4.4耐水性(water resistance) 材料長(zhǎng)期在飽和水作用下，強(qiáng)度不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，可按下式計(jì)算： 1.4.5抗?jié)B性(imper meability) 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的能力。 1.4.5.1滲透系數(shù) 材料的滲透系數(shù)可通過下式計(jì)算:,土木工程材料的基本性質(zhì),常水頭滲透試驗(yàn)示意圖,土木工程材料的基本性質(zhì),1.4.5.2抗?jié)B等級(jí) 對(duì)某些土木工程材料（如混凝土），其抗?jié)B能力大小用抗?jié)B等級(jí)來表示。 P=10H-1 材料的抗?jié)B性與材料內(nèi)部的孔隙率，特別是開口孔隙率有關(guān)。開口孔隙率越大，大孔含量越多，則抗?jié)B性越差。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.4.6抗凍性(frost resistance) 抗凍性是材料抵抗凍融循環(huán)作用，保持其原有性質(zhì)的能力。 抗凍等級(jí)用材料在吸水飽和狀態(tài)下,經(jīng)凍融循環(huán)作用，強(qiáng)度損失不超過25%，且質(zhì)量損失不超過5%時(shí)所能抵抗的最大的凍融循環(huán)次數(shù)來表示。F25、F50、F100等 影響材料抗凍性的主要因素有： （1） 材料的孔隙率P和開口孔隙率Pk。 （2） 材料的充水程度，以水飽和度Ks表示： （3） 材料本身的強(qiáng)度。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.5材料的熱物理性質(zhì) 1.5.1導(dǎo)熱性(thermal conductivity) 材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。 影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有： （1） 材料的組成與結(jié)構(gòu)。 （2） 材料的孔隙率。 （3） 含水率。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.5.2熱容量和比熱容 材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。 單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1 K所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱容。 1.5.3熱阻(heat resistance) 熱阻是材料層（墻體或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過的能力，熱阻的定義及計(jì)算公式為： Rd/,土木工程材料的基本性質(zhì),1.5.4溫度變形性 材料的溫度變形是指溫度升高或降低時(shí)材料的體積變化。 1.5.5保溫隔熱的概念 在建筑上，將主要作為保溫、隔熱使用的材料統(tǒng)稱為絕熱材料。絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)值應(yīng)不大于0.23 W(mK)，熱阻（R）值應(yīng)不小于4.35 （m2K）/W。 絕熱材料主要用于屋面、 墻體、 地面、管道等的隔熱與保溫。 絕熱材料的特征是:輕質(zhì)多孔、表觀密度不大于600 kgm3、孔隙率大、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工容易、造價(jià)低等。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.5.6建筑上常用保溫材料 1.5.6.1纖維狀保溫隔熱材料 （1） 石棉及其制品 （2） 礦棉及巖棉 （3） 玻璃棉及其制品 1.5.6.2散粒狀保溫隔熱材料 （1） 膨脹蛭石及其制品 （2） 膨脹珍珠巖及其制品 1.5.6.3多孔性保溫隔熱材料 (1) 泡沫玻璃 (2) 泡沫塑料,土木工程材料的基本性質(zhì),1.5.6.4其他保溫隔熱材料 （1） 軟木板 （2） 蜂窩板 1.6材料的吸聲性 1.6.1材料吸聲的原理及技術(shù)指標(biāo) 當(dāng)聲波遇到材料表面時(shí)， 一部分被反射，另一部分穿 透材料，其余的部分則轉(zhuǎn)化 為熱能被材料吸收。,土木工程材料的基本性質(zhì),1.6.2吸聲材料的結(jié)構(gòu)形式 （ 1）多孔、穿孔材料的吸聲結(jié)構(gòu) （2） 薄板共振結(jié)構(gòu) 1.6.3關(guān)于隔聲材料的概念 能減弱或隔斷聲波傳遞的