材料基本性質

1、土木工程材料基本性質第一章o材料的組成、結構與性質o材料的基本物理性質o材料的基本力學性質o材料的耐久性o材料的裝飾性機械作用（外力、自重力等）周圍各種介質作用（水、蒸汽、腐蝕性氣體和液體等）物理作用（聲、光、電、熱、磁等）第一節(jié) 材料組成、結構與性質一、材料的組成o化學組成 化學組成即化學成分（決定性質的主要因素）。化學組成即化學成分（決定性質的主要因素）。 無機非金屬材料以各無機非金屬材料以各氧化物的含量氧化物的含量來表示；來表示； 金屬材料以各金屬材料以各化學元素的含量化學元素的含量表示；表示； 有機材料用各有機材料用各化合物的含量化合物的含量來表示。來表示。o礦物組成 礦物是具有一定化

2、學成分和結構特征的單質或化合物礦物是具有一定化學成分和結構特征的單質或化合物( (決定材決定材料的主要性質料的主要性質) )。化學組成和礦物組成的關系 1 1、材料的化學組成不同，則礦物組成不同；、材料的化學組成不同，則礦物組成不同； 2 2、材料的化學組成相同，可以有不同的礦物組成、材料的化學組成相同，可以有不同的礦物組成( (即微觀結即微觀結構不同構不同) )，且材料的性質也不同。例如：石墨和金剛石。，且材料的性質也不同。例如：石墨和金剛石。材料的組成、結構與性質二、材料的結構o微觀結構 指物質的原子、分子層次的結構指物質的原子、分子層次的結構( () )，主要借助于電子顯，主要借助于電子

3、顯微鏡、微鏡、X-X-射線衍射儀等研究。射線衍射儀等研究。主要決定主要決定材料的強度、硬度、熔材料的強度、硬度、熔點等。點等。 1、晶體 是質點(原子或分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復排列的固體，具有特定幾何外形和固定熔點。 晶體分為原子晶體、分子晶體、離子晶體、金屬晶體 晶體特性： (1)(1)各向異性：因觀察方向不同而表現出的差異； (2)(2)最小內能：內部質點規(guī)則排列，質點間的引力和斥力達平衡； (3)(3)最穩(wěn)定性：化學成分相同而處于不同狀態(tài)下的物質，以晶體最穩(wěn)定性：化學成分相同而處于不同狀態(tài)下的物質，以晶體最穩(wěn)定。最穩(wěn)定。材料的組成、結構與性質 2、非晶體(又稱玻璃體或無定形體)

4、是熔融物在急速冷卻時，質點來不及按規(guī)律排列所形成的內部質點無序排列(短程有序，長程無序)的固體或固態(tài)液體。 非晶體特性： (1)各向同性，無固定熔點和幾何形狀； (2)不穩(wěn)定：內部存在大量的化學能。材料的組成、結構與性質微觀結構形式及其主要特性微觀結構常見材料主要特性晶體原子離子分子有規(guī)律排列原子晶體(以共價鍵結合)金剛石、石英、剛玉強度、硬度、熔點高，密度小離子晶體(以離子鍵結合)氯化鈉、石膏、石灰?guī)r強度、硬度、熔點較高，但波動較大。分子晶體(以分子鍵結合)石蠟及部分有機化合物強度、硬度、熔點較低。大部分可溶，密度小金屬晶體(以金屬鍵結合)鐵、鋼、鋁及其合金強度、硬度變化大，密度大非晶體質點

5、無規(guī)律排列玻璃、火山灰、粉煤灰與同組成晶體相比強度、硬度密度化學穩(wěn)定性、導熱性、導電性差，各向同性材料的組成、結構與性質3.膠體 以極小質點（10-7 10-9m ）作分散相，分散于連續(xù)介質（氣、水或溶劑）中形成的體系 （與晶體和非晶體結構的材料相比）具有膠體結構的物質或材料-強度低、變形大o溶膠結構o凝膠結構-具有觸變性o溶膠-凝膠結構o亞微觀結構(顯微或細觀結構) 由光學顯微鏡所看到的組織結構(m)。主要研究材料內部的晶粒、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。 材料的亞微觀結構對材料的強度、耐久性等有很大的影響。材料的亞微觀結構相對較易改變。o宏觀結構(構造)

6、用肉眼或放大鏡即可分辨的組織結構(mm)。主要研究材料中的大孔隙、裂紋、不同材料的組合與復合方式(或形式)、各組成材料的分布等。如巖石的層理，混凝土中的砂石的多少與分布等。材料的組成、結構與性質材料的宏觀結構及其相應的主要性質材料的宏觀結構常用材料主要特性單一材料致密結構鋼材、玻璃、瀝青、部分塑料高強，或不透水、耐腐蝕多孔結構泡沫塑料、泡沫玻璃輕質、保溫、低強度纖維結構木材、竹材、巖棉、玻璃纖維、鋼纖維高抗拉、且大多數輕質、保溫、吸聲聚集結構陶瓷、磚、某些天然石材強度較高復合材料粒狀聚集結構 各種混凝土、鋼筋混凝土綜合性能好、價格低纖維聚集結構 巖棉板、纖維板、纖維增強塑料輕質、保溫，或高抗拉

7、多孔結構加氣混凝土、泡沫混凝土輕質保溫疊合結構紙面石膏板、膠合板、各種加芯板 綜合性能好材料的組成、結構與性質o材料組成、結構和性能的關系 1、材料的宏觀結構不同，即使組成與微觀結構等相同，材料的性質與用途也不同，如玻璃與泡沫玻璃； 2、材料的宏觀結構相同或相似，即使材料的組成或微觀結構不同，材料也具有某些相同或相似的性質與用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料。材料的組成、結構與性質三、結構中的孔隙與材料性質的關系 大多數土木工程材料在宏觀層次上或亞微觀層次上均含有一定大小和數量的孔隙，甚至是相當大的孔洞，這些孔隙幾乎對材料的所有性質都有相當大的影響。(一)孔隙的分類o按孔隙大小 微細孔、細小孔（毛細孔

8、）、較粗大孔、粗大孔 （孔徑小于20nm的微孔，水或有害氣體難以侵入，可視為無害孔隙）o按孔隙形狀 球形、片狀(即裂紋)、管狀、墨水瓶狀、帶尖角的孔隙o按常壓下水能否進入孔隙 開口孔隙(或稱連通孔隙)、閉口孔隙(或封閉孔隙)。材料的組成、結構與性質(二)孔隙形成o水分子的占據作用 土木工程材料加水拌和,用水量通常超過理論上的用水量, 多余的水分占據的空間即為孔隙。o外加的發(fā)泡作用 如生產加氣混泥土等的各種發(fā)泡劑,可在材料中形成大量的孔隙。o火山爆發(fā)作用 火山爆發(fā)時,噴到空中的巖漿,冷卻后在巖石中形成大量的孔隙。o焙燒作用 材料中摻入的可燃材料在高溫下燃燒掉而形成孔隙；由于某些成分的作用產生氣體

9、而形成孔隙材料的組成、結構與性質(三)孔隙對材料性質的影響一般情況下： 材料的組成、結構與性質材料性質的變化與孔結構密切相關！體積密度、堆積密度、強度、耐磨性、抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、耐水性、耐久性保溫性、吸聲性、 吸水性、吸濕性孔隙率第二節(jié) 基本物理性質一、材料與結構狀態(tài)有關的基本參數（一）不同結構狀態(tài)下的密度 1密度（絕對密度、真實密度） 材料在絕對密實狀態(tài)下(不含內部任何孔隙)，單位體積的質量（g/cm3） 2表觀密度（視密度） 材料在密實狀態(tài)下（不含開口孔隙時），單位體積的質量（g/cm3）Vm00cpmmVVV材料的基本物理性質V 表示圖中1固體物質的體積Vcp 表示圖中2和3孔隙

10、的總體積3堆積密度散粒材料或粉末狀材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質量（ g/m3）00c pvmmVVVV材料的基本物理性質Vv 表示散粒材料顆粒間的空隙的體積1孔隙率（P）與密實度（D D） 孔隙率（P） 材料內部孔隙體積占材料在自然狀態(tài)下體積的百分率 一般情況下，孔隙率指的是總孔隙率，其包括開口孔隙率（圖中3）與閉口孔隙率（圖中2） 密實度 材料(自然狀態(tài))體積內固體物質的充實程度 100%100%cpoooVVVPVV1 0 0 %oVDV材料的基本物理性質（二）孔隙率與空隙率 空隙率（P） 散粒材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間空隙的體積Vv，占堆積體積V0的百分率 填充率（D） 散粒材料自然體積

11、之和占其自然堆積體積的百分比000100%100%voVVVPVV 0100%oVDV2.空隙率與填充率 （一）親水性與憎水性 當材料與水接觸時，水可以在材料表面上鋪展開，亦即材料表面可以被水所潤濕或浸潤。此種性質稱為材料的親水性，具備這種性質的材料稱為親水性材料。 若水不能在材料的表面上鋪展開，即材料表面不能被水所潤濕或浸潤，則稱為憎水性，此種材料稱為憎水性材料。 材料的親水性與憎水性可用其潤濕角衡量： 材料的基本物理性質二、材料與水有關的性質若 900，材料表現為親水性；若：900，材料表現為憎水性實質：材料與空氣接觸面上表面能與材料和水接觸面上表面能的比較 或者材料分子與水分子間的內聚力

12、與水分子之間的內聚力比較 1吸水性 材料在水中吸收水分的性質 用質量吸水率（Wm）或體積吸水率（Wv）表示。 100%bgmgmmWm01100%bgvwmmWV100%sghgmmWm2吸濕性 材料在空氣中吸收水蒸氣的性質 用含水率表示材料的基本物理性質（二）吸水性與吸濕性 材料長期在水的作用下，保持其原有性質的能力 對于結構材料，耐水性主要指強度變化；對裝飾材料則主要指顏色的變化、是否起泡、起層等 結構材料的耐水性用軟化系數（KR）表示 bRgfKf材料的基本物理性質 KR 0.850.85時稱為時稱為耐水性材料耐水性材料 經常受到潮濕或水作用的結構，須選用經常受到潮濕或水作用的結構，須選

13、用KR 0.75 0.75的材料，重要結構須選用的材料，重要結構須選用KR 0.85 0.85的材料的材料（三）耐水性（四）抗?jié)B性 材料抵抗壓力水（或其它液體）滲透的性質 用滲透系數（KS）或抗?jié)B等級（Pn）等表示 材料的基本物理性質滲透系數：一定厚度材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時間內透過單位面積的水量。SQdKAtH抗?jié)B等級：以規(guī)定的試件、在規(guī)定的條件和標準試驗方法下所能承受的最大水壓力來確定，以符號Pn表示，其中n為該材料能承受的最大水壓力MPa數的10倍。（五）抗凍性 材料抵抗凍融循環(huán)作用，保持其原有性質的能力（對結構材料主要指保持強度的能力） 多以抗凍等級（Fn）表示：以規(guī)定的試

14、件、在規(guī)定試驗條件下，測得其強度降低不超過規(guī)定值，并無明顯損傷和剝落時所能經受的凍融循環(huán)次數來確定。其中n即為最大凍融循環(huán)次數。材料孔隙率及孔隙狀態(tài)孔隙充水程度材料本身強度影響材料抗凍性主要因素材料的基本物理性質（六）干縮與濕脹o干縮 含孔材料干燥時產生的收縮（大孔失水不會引起收縮，毛細孔失水會產生收縮）o濕脹 含孔材料吸濕時產生的膨脹材料中的毛細孔越多干縮濕脹越明顯產生裂紋干濕交替作用（一）導熱性 材料傳導熱量的性質。 以導熱系數（）表示：厚度為1m的材料，當溫度改變1K時，在1s時間內通過1m2面積的熱量。 材料的基本物理性質三、材料與熱有關的性質12QaTTA Z材料導熱系數越小，其絕熱

15、性能越好工程中常把0.23的材料稱為絕熱材料影響材料導熱系數的因素組成與結構通常金屬材料、無機材料、晶體材料的導熱系數分別大于非金屬材料、有機材料、非晶體材料。孔隙率孔隙率P越大，即材料越輕(越小)，導熱系數越小。細小孔隙、閉口孔隙比粗大孔隙、開口孔隙對降低導熱系數更為有利。含水率材料含水或含冰時，會使導熱系數急劇增加。因為水和冰的導熱系數分別是空氣的20倍和80倍。環(huán)境溫度溫度越高，材料的導熱系數越大(金屬材料除外)材料的基本物理性質三、材料與熱有關的性質（二）熱容量與比熱 熱容量：材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質，其值通過材料的比熱計算。 比熱：以1kg質量的材料，在溫度改變1K時

16、所吸收或放出的熱量確定。材料的基本物理性質12QmcTT應用：導熱系數和熱容量是設計建筑圍護結構，進行熱工計算的重要參數。耐火性：材料抵抗高熱或火的作用，保持其原有性質的能力易燃性材料(B3級)不燃性材料(A級)難燃性材料(B1級)可燃性材料(B2級)材料按其燃燒性質分材料的基本物理性質（五）耐熱性、耐燃性與耐火性耐熱性：材料在高溫環(huán)境下，保持其原有性質的能力耐燃性：材料抵抗燃燒的性質（影響建筑物防火和耐火等級的重要因素） 四、 材料與聲有關的性質物體振動聲波吸聲性隔聲性聽到的聲音穿透E材料oE反射E集中反射漫反射材料的基本物理性質吸收E 輕質材料的質量較小，隔聲性較密實材料差。提高隔聲性可在

17、構造上采取措施：o將密實材料用多孔彈性材料分隔，做成夾層結構o對多層材料，應使各層厚度相同質量不同，防止引起結構諧振o將空氣層增加到7.5cm以上,并在空氣層中填充松軟的吸聲材料o密封門窗等結構縫隙材料的基本物理性質第三節(jié) 基本力學性質 一、材料的強度 材料在外力或應力作用下，抵抗破壞的能力稱為材料的強度，并以材料在破壞時的最大應力值來表示。 (一)材料基本受力形式拉、壓、彎、剪材料的基本力學性質 內因：組成與結構 外因：試件形狀、大小、表面狀況、含水率、加荷速度(三)強度等級 為了便于合理設計、生產及選用材料，對于以強度為主要指標的材料，常根據材料強度值的高低劃分若干強度范圍，稱為材料的強度

18、等級或標號 脆性材料主要以抗壓強度劃分強度等級；塑性材料和韌性材料主要以抗拉強度劃分強度等級 (四)比強度 比強度是衡量材料輕質高強性能的一項重要指標0f材料的基本力學性質(二)影響強度的因素（一）彈性 材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，能完全恢復到原來狀態(tài)的性質稱為材料的彈性，材料的這種變形稱為彈性變形 （二）塑性 材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料仍保持變形后的形狀和尺寸的性質稱為材料的塑性，這種變形稱為塑性變形 (三)彈塑性變形 在外力的作用下，既有彈變，也有塑變彈變 塑變 彈塑變 應變應力材料的基本力學性質二、材料的受力變形 一些非晶體材料，受力時可同時表現出彈性和粘性

19、，稱為粘彈性。非晶體與膠體含量越高，粘性越明顯 （如：水泥混凝土、瀝青混合料常被認為屬于粘彈性材料）1.徐變（蠕變） 材料在恒定應力作用下，應變隨時間緩慢增長的現象 （一般：晶體材料-徐變很??；非晶體材料及合成高分子材料-徐變較大 ）2.應力松弛 材料在恒定應變情況下，應力隨時間而減小的現象 （一般：晶體材料-應力松弛很??；非晶體材料，特別是合成高分子材料、瀝青混合料-應力松弛較大 ）（四）粘彈性材料的基本力學性質（一）脆性 材料在荷載作用下，破壞前無明顯的塑性變形，表現為突發(fā)性破壞的性質 脆性材料特點:小，fcft(fc/ ft=550) （二）韌性(沖擊韌性) 材料抵抗沖擊振動荷載的作用，

20、而不發(fā)生突發(fā)性破壞的性質 韌性材料特點： 大，ftfc 材料的基本力學性質三、脆性與韌性1.硬度材料抵抗堅硬物體刻劃或壓入的能力 材料硬度越大，則其強度越高 常用測定方法：刻劃法、壓入法和回彈法 刻劃法常用于測定天然礦物的硬度； 壓入法常用于測定鋼材、木材等的硬度； 回彈法常用于測定混凝土構件表面的硬度，并以此估算其抗壓強度。2.耐磨性材料表面抵抗磨損的能力 土木工程中路面、飛機跑道等的材料均應具有較高的耐磨性。材料的基本力學性質四、硬度與耐磨性一、耐久性 材料長期抵抗各種內外破壞因素或腐蝕介質的作用，保持其原有性質的能力二、影響耐久性的主要因素 (一)內部因素 內部因素是造成材料耐久性下降的

21、根本原因。內部因素主要包括材料的組成、結構與性質 (二)外部因素 外部因素也是影響耐久性的主要因素 (1)化學作用;(2)物理作用;(3)機械作用;(4)生物作用材料的耐久性第四節(jié) 耐久性三、改善耐久性措施o減輕環(huán)境介質對材料的危害作用 （如：保護環(huán)境、凈化環(huán)境、選擇環(huán)境）o提高材料對環(huán)境介質危害作用的抵抗能力 （如：提高材料本身或表面結構密實度）o使材料與危害性介質隔離 （如：在材料表面加做保護層或隔離層）材料的耐久性第五節(jié) 裝飾性一、建筑裝飾材料的特點：o裝飾美觀性 可改善建筑物的藝術形象及人的生活環(huán)境。o保護主體結構，兼具特殊功能o價格高材料的裝飾性二、對建筑裝飾材料的基本要求o顏色、光

22、澤、透明性o花紋、圖案、形狀、尺寸o質感o抗污染、耐擦洗、易清潔等材料的裝飾性 顏色是材料對光譜選擇吸收的結果 顏色取決于：光譜的組成及觀測者的視覺敏感度 不同的顏色給人以不同的感覺，如紅色、橘紅色給人一種溫暖、熱烈的感覺，綠色、藍色給人一種寧靜、清涼、寂靜的感覺材料的裝飾性（一）顏色、光澤、透明性 光澤是材料表面方向性反射光線的性質 光作用在材料表面時，若產生定向反射時，稱為集中反射（或鏡面反射）；若產生不定向反射，稱為漫反射澳大利亞悉尼歌劇院采用了陶瓷、玻璃、木材等不同表面結構狀態(tài)的材料組合材料的裝飾性 透明性是光線透過材料的性質 透明體(可透光、透視)、半透明體(透光、但不適視)、不透明

23、體(不透光、不透視)材料的裝飾性 在生產或加工材料時，利用不同的工藝將材料的表面作成各種不同的表面組織（如粗糙、平整、光滑、鏡面、凹凸、麻點等）；或將材料的表面制作成各種花紋圖案或拼鑲成各種圖案（如山水風景畫、人物畫、仿木花紋、陶瓷壁畫、拼鑲陶瓷錦磚等） 建筑裝飾材料的形狀和尺寸對裝飾效果有很大的影響。改變裝飾材料的形狀和尺寸，并配合花紋、顏色、光澤等可拼鑲出各種線型和圖案，從而獲得不同的裝飾效果，以滿足不同建筑型體和線型的需要，最大限度地發(fā)揮材料的裝飾性材料的裝飾性（二）花紋圖案、形狀、尺寸線條的變化（全國建筑工程裝飾獎獲獎工程）中山市移動通信樓上海滬東造船廠技術中心大樓東莞御景灣酒店成都雙流國際機場新航站樓材料的裝飾性圖案的變化（全國建筑工程裝飾獎獲獎工程）哈爾濱市人和