第1章-土木工程材料基本性質(zhì)1

土木工程的功能要求的材料性能

承受荷載長期可靠性防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣不污染環(huán)境強(qiáng)度、剛度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具備哪些性能？1.1材料的物理性質(zhì)第1章土木工程材料基本性質(zhì)

1.2材料的力學(xué)性質(zhì)

1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響創(chuàng)造性培養(yǎng)基礎(chǔ)知識(shí)1.1材料的物理性質(zhì)1.1.1密度、表觀密度、堆積密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率

1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

1.1.4熱工性質(zhì)

1.1.1密度、表觀密度、堆積密度（1）密度(Density)：

絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。（2）表觀密度(Apprentdensity)：自然狀態(tài)下單位體積的干質(zhì)量。（3）堆積密度(Loosedensity)：

散粒狀材料單位堆積體積的質(zhì)量。1.1.2材料的孔隙率和空隙率孔隙率

空隙率

1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

1.親水性與憎水性(Wateraffinity、Waterrepellency)

有機(jī)材料一般是憎水性，無機(jī)材料都是親水性。

水在憎水性材料的表面有自動(dòng)收縮成珠的趨勢，不能潤濕材料的表面。對(duì)工程防水有利。

水在親水性材料的表面是自動(dòng)散開和鋪展，并自發(fā)地潤濕表面。1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

2.

吸水性(Absorption)與吸濕性(Hygroscopicity)（1）吸水性——飽水狀態(tài)（吸水飽和）恒值

質(zhì)量吸水率：材料飽水狀態(tài),所吸水分質(zhì)量占干質(zhì)量的百分率體積吸水率：材料飽水狀態(tài),所吸收水分體積占干體積百分率（2）吸濕性——自然狀態(tài)變值

含水率：自然狀態(tài)，材料所含水分質(zhì)量占其干質(zhì)量的百分率m1——材料濕質(zhì)量，gmo——材料干質(zhì)量，g

創(chuàng)新思維？

1、為什么房屋一樓潮濕？

2、如何解決？1、地下水沿材料毛細(xì)管上升，然后在空氣中揮發(fā)。2、解決問題的原理與辦法阻塞毛細(xì)通道，技術(shù)措施？對(duì)材料中的毛細(xì)管壁進(jìn)行憎水處理加氣混凝土砌塊吸水分析

某施工隊(duì)原使用普通燒結(jié)粘土磚，后改為多孔、容量僅700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前采用同析方式往墻上澆水，發(fā)覺原使用的普通燒結(jié)粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看來澆水不少，但實(shí)則吸水不多，請分析原因。

現(xiàn)象原因分析原因分析

加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數(shù)為“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，肚大口小，毛細(xì)管作用差，只有少數(shù)孔是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔。故吸水及導(dǎo)濕均緩慢，材料的吸水性不僅要看孔數(shù)量多少，還需看孔的結(jié)構(gòu)。加氣混凝土砌塊吸水分析

1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

3.耐水性(Waterresistance)材料長期在水的作用下既不破壞強(qiáng)度又不顯著下降的性質(zhì)

指標(biāo)：軟化系數(shù)fb——材料飽水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPafg——材料干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPaKR>0.85，稱為耐水材料

現(xiàn)象原因分析磚浸水后強(qiáng)度下降

某地發(fā)生歷史罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見右圖。請分析原因。原因分析磚浸水后強(qiáng)度下降

這些紅磚沒有燒透，磚內(nèi)開口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

4.抗?jié)B性(Watertightness)

——抵抗壓力水滲透的性質(zhì)

（1）滲透系數(shù)（2）抗?jié)B等級(jí)指石料、砼或砂漿所能承受的最大水壓力。如：最大承水壓力為0.2MPa，表示為P2，另有P4、P6、P8、P10…滲透系數(shù)：Ks的意義：抗?jié)B系數(shù)越小，表明抗?jié)B性能越好。1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

5.抗凍性(Freeze-thawdurability)——材料飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融交替作用，既不破壞，強(qiáng)度又不顯著下降的性質(zhì)。因素：水、負(fù)溫度抗凍等級(jí)：能經(jīng)受凍融循環(huán)的最大次數(shù)，記為F50、F100、F200、F300…1.1.4熱工性質(zhì)

1.熱容量(Q)和比熱(C)

：(2).導(dǎo)熱性：C大λ小，保溫隔熱材料；金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)；細(xì)小而封閉的孔隙，導(dǎo)熱系數(shù)越?。婚_口而粗大、連通的孔隙，導(dǎo)熱系數(shù)越大；觀察與討論孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響

某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面，見圖1-2。請問選擇何種材料？討論AB討論

保溫層的目的是外界溫度變化對(duì)住戶的影響，材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結(jié)構(gòu)，B材料為密實(shí)結(jié)構(gòu)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，適于作保溫層材料。孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響

基礎(chǔ)知識(shí)1.2材料的力學(xué)性質(zhì)1.2.1強(qiáng)度1.2.2彈性與塑性

1.2.3韌性與脆性1.2.4硬度

1.2.1強(qiáng)度1.幾種強(qiáng)度（1）抗壓(Compressive)、抗拉(Tensile)、抗剪(Shearing)強(qiáng)度

（MPa）

2.比強(qiáng)度(Strength-weightratio)——指材料強(qiáng)度與其表觀密度之比。意義：反映材料輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)。值越大，材料越輕質(zhì)高強(qiáng)不同材料，強(qiáng)度等級(jí)有不同的劃分方法，具體劃分在各章分講1.2.2彈性與塑性1.彈性——外力作用產(chǎn)生變形,外力取消能完全恢復(fù)。指標(biāo)：彈性模量

意義：E表示材料抵抗變形的指標(biāo)，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強(qiáng)。2.塑性——外力作用產(chǎn)生變形,外力取消變形不能恢復(fù)

1.脆性——無明顯塑性變形，突然破壞。脆性材料：石、磚、砼、陶瓷、玻璃、鑄鐵等

2.韌性——產(chǎn)生一定變形不破壞,能吸收較大的能量。韌性材料：低碳鋼、木材、玻璃鋼等。采用沖擊試驗(yàn)測定。1.2.3韌性與脆性

材料另一個(gè)重要的力學(xué)性能是硬度。它是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。金屬材料等的硬度常用壓入法測定，如布氏硬度法，是以單位壓痕面積上所受的壓力來表示。陶瓷等材料常用刻劃法測定。一般情況下，硬度大的材料強(qiáng)度高、耐磨性較強(qiáng)，但不易加工。所以，工程中有時(shí)用硬度來間接推算材料的強(qiáng)度。

1.2.4硬度

基礎(chǔ)知識(shí)1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

1.3.1材料的耐久性

1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性

1.3.1材料的耐久性

材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)，統(tǒng)稱之為耐久性，它是一種復(fù)雜的、綜合的性質(zhì),包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環(huán)境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用。要根據(jù)材料所處的結(jié)構(gòu)部位和使用環(huán)境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據(jù)各種材料的耐久性特點(diǎn)，合理地選用。1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性

土木工程材料的環(huán)境協(xié)調(diào)問題日益受到重視。材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指材料在生產(chǎn)、使用和廢棄全壽命周期中要有較低的環(huán)境負(fù)荷，包括生產(chǎn)中廢物的利用、減少三廢的產(chǎn)生，使用中減少對(duì)環(huán)境的污染，廢棄時(shí)有較高可回收率。1994年設(shè)立中國環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證委員會(huì)，土木工程材料中首先對(duì)水性涂料實(shí)行環(huán)境標(biāo)志，制定環(huán)境標(biāo)志的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

觀察與討論1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

(1)酸雨腐蝕建筑物

(2)路面磨損裂紋(1)酸雨腐蝕建筑物

下圖為某大樓的外表，從中可見墻壁發(fā)黑，在有的地方可見白色流跡線。

現(xiàn)象討論(2)磚浸水后強(qiáng)度下降

整體變黑是由于干性吸附的以碳為主的煤煙狀懸浮顆粒物造成的。由于雨水中硫酸的沖洗，使石材露出新表面，從而形成流跡線；同時(shí)石灰質(zhì)堿性巖容易與酸起反應(yīng)，石材本身被硫酸溶解，出現(xiàn)表面凸凹不平，不久會(huì)出現(xiàn)建筑物的整體腐蝕。

討論(2)路面磨損裂紋經(jīng)過幾年的使用，某水泥混凝土路面出現(xiàn)露石現(xiàn)象。

現(xiàn)象討論(2)路面磨損裂紋討論

路面由于長年受到車輛及行人的磨損，表面水泥砂漿層剝落，導(dǎo)致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不夠。工程實(shí)例分析1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

(1)室內(nèi)空氣污染(2)放射性污染現(xiàn)象原因分析(1)室內(nèi)空氣污染

某新建體育館因造型新穎成為旅游熱點(diǎn)，一小孩進(jìn)入該館即哭鬧不止，到體育館之外就恢復(fù)正常，再進(jìn)館又開始哭鬧。原因分析(1)室內(nèi)空氣污染

該館大量使用各種裝修材料，由于剛竣工，室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重。木地板使用較多的膠粘劑、脲醛樹脂、合成橡膠膠乳等，釋放甲醛、苯類和合成單體，這些有機(jī)物質(zhì)經(jīng)呼吸道吸入人體能引起頭疼、惡心，刺激眼和鼻，嚴(yán)重是引起氣喘、神志不清、嘔吐和支氣管炎。室內(nèi)沒有明顯污染時(shí)的甲醛含量一般為0.134mg/m3～0.670mg/m3，使用各種裝修材料后的游離甲醛含量可達(dá)2.3mg/m3。

現(xiàn)象原因分析(2)放射性污染

某家居裝修采用一種超過放射性物質(zhì)控制要求規(guī)定的花崗巖作地板。經(jīng)檢測，室內(nèi)氡含量高，后被迫拆除更換。原因分析(1)室內(nèi)空氣污染

氡是由鐳衰變產(chǎn)生的自然界唯一的天然放射性惰性氣體，無味，在空氣中易被呼吸系統(tǒng)截留，并在局部區(qū)域不斷累積而誘發(fā)肺癌。科學(xué)研究表明，有相當(dāng)部分的肺癌患者與氡有關(guān)。在裝修時(shí)選購石材須索要產(chǎn)品放射性合格證，根據(jù)石材的放射性等級(jí)作選擇。

在美國，這種兇狠的“無形殺手”每年殺死21000人，根據(jù)美國環(huán)保機(jī)構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，無形殺手導(dǎo)致人類患上肺癌的數(shù)量每年在7000-10000人之間。基礎(chǔ)知識(shí)1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

1.4.1材料的組成及其對(duì)材料性質(zhì)的影響

1.4.2材料的結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響1.4.3材料的構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

1.4.1材料的組成及其對(duì)材料性質(zhì)的影響

材料的組成是指材料的化學(xué)成分和礦物組成。材料組成是材料性質(zhì)的基礎(chǔ)，它對(duì)材料的性質(zhì)起著決定性的作用。材料化學(xué)組成相同但礦物組成不同也會(huì)導(dǎo)致性質(zhì)的巨大差異。如圖1-9，Ａ、Ｂ為兩種鋼材的金相照片，兩者化學(xué)組成接近，主要差別是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ則為0.2％～0.4％，但礦物組成則差別較大。兩種鋼材性能差別較大，其中Ａ具有較好的冷、熱變形等工藝性能，但強(qiáng)度較低，而Ｂ則強(qiáng)度較高。1.4.2材料的結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響⑴宏觀結(jié)構(gòu)⑵亞微觀結(jié)構(gòu)⑶微觀結(jié)構(gòu)1.4.3材料的構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

材料的構(gòu)造是指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元間的互相組合搭配情況。構(gòu)造這一概念與結(jié)構(gòu)相比，更強(qiáng)調(diào)了相同材料或不同材料間的搭配組合關(guān)系。如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理、疵病等，這些結(jié)構(gòu)的特征、大小、尺寸及形態(tài)，決定了材料特有的一些性質(zhì)。如孔隙是開口、細(xì)微且連通，則材料易吸水、吸濕，耐久性較差；若孔隙是封閉的，其吸水性會(huì)大大下降，抗?jié)B性則提高。所以，對(duì)同種材料來講，其構(gòu)造越密實(shí)、越均勻，強(qiáng)度越高，表觀密度越大。觀察與討論討論AB1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

兩種石材性能對(duì)比

下二圖為同一棟樓外墻所用的兩種不同材質(zhì)的裝飾石材，使用時(shí)間相同。大理石石材顏色已變暗且出現(xiàn)裂縫，而花崗巖石材完好如新。請從材料的組成結(jié)構(gòu)分析二者性能差異的原因。討論兩種石材性能對(duì)比

大理石主要成分是方解石（碳酸鈣和碳酸鎂），呈弱堿性。在酸雨等腐蝕介質(zhì)的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顏色變暗淡，板材的結(jié)構(gòu)逐步疏松，并發(fā)展為裂縫。而花崗巖主要為石英（結(jié)晶二氧化硅）、長石（架狀鋁硅酸鹽）及少量云母（片狀鋁硅酸鹽），為酸性石材，結(jié)構(gòu)致密具有高抗酸腐蝕能力。工程實(shí)例分析1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

現(xiàn)象原因分析

某工程灌漿材料采用水泥凈漿，為了達(dá)