《土木工程材料》 課件 1. 材料基本性質(zhì)

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials1材料的物理性質(zhì)材料的基本力學(xué)性質(zhì)材料的耐久性材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造第一章材料的基本性質(zhì)2024/1/12ScienceofBuildingMaterials2第一節(jié)材料的狀態(tài)物理性質(zhì)

一、材料的狀態(tài)參數(shù)（密度）二、材料的組成三、材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)（孔）

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials3堆積密度

密度表觀密度材料的狀態(tài)參數(shù)ScienceofBuildingMaterials4

材料的孔隙1實(shí)體2閉口孔3開口孔除了鋼材、玻璃等少數(shù)接近于絕對密實(shí)的材料外，絕大多數(shù)材料都有一些孔隙，如砂石、磚、石材等材料。V0=V+Vk+VbVVkVbV02024/1/12ScienceofBuildingMaterials61.密度定義：材料的密度是指材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。絕干質(zhì)量，105℃烘干至恒重時(shí)的質(zhì)量，g絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積，即不包含孔隙在內(nèi)的固態(tài)所占的實(shí)體積，cm32024/1/12ScienceofBuildingMaterials72.表觀密度（視密度）

定義：指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m32024/1/12ScienceofBuildingMaterials8對于外形規(guī)則的塊狀材料，通過測量幾何尺寸，計(jì)算得到體積。不規(guī)則的塊狀材料的體積要采用排水法求得，但材料表面應(yīng)預(yù)先涂上蠟，以防水分滲入材料內(nèi)部而影響測定值。說明2024/1/12ScienceofBuildingMaterials9這兩種情況下，得到的體積包括材料全部體積：即實(shí)體積與所含全部孔隙體積之和V0=V+Vk+Vb

說明體積密度材料在自然狀態(tài)下的體積，包括開口孔和閉口孔2024/1/12ScienceofBuildingMaterials103.堆積密度

定義：是指粉狀或顆粒材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。材料的堆積體積，cm3，V′0=V+Vk+Vb+VV2024/1/12ScienceofBuildingMaterials11表觀（體積）密度、堆積密度必須注明含水情況，未注明者常指氣干狀態(tài)（表面干燥狀態(tài)）。說明——材料的含水狀態(tài)絕干狀態(tài)下，稱為干表觀密度ρa(bǔ)d

、絕干體積密度ρod、絕干堆積密度ρpd。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials12第二節(jié)建筑材料的工程性質(zhì)一、材料的力學(xué)性質(zhì)二、材料的耐久性

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials13一、材料的力學(xué)性質(zhì)定義：材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在外力作用下所引起的變化的性質(zhì)。變形破壞材料在外力作用下，通過形狀的改變來吸收能量當(dāng)外力超過材料的承受極限時(shí)，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化力學(xué)性質(zhì)——選擇材料時(shí)首先考慮到的基本性質(zhì)

——材料的力學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上是指材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。材料受外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變2024/1/12ScienceofBuildingMaterials151.材料常用的力學(xué)性能強(qiáng)度彈性與塑性脆性、延性、韌性徐變硬度耐磨性

彈性、彈性變形材料受到外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，外力解除時(shí)變形能完全消失的性質(zhì)稱為彈性；這種變形稱為彈性變形（可逆變形）。

塑性、塑性變形材料受到外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，外力解除時(shí)若還存在永久變形的性質(zhì)稱為塑性；這種永久變形稱為塑性變形（不可逆變形）。

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彈性模量定義：材料在彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系，其比例系數(shù)稱為彈性模量（彈性變形范圍內(nèi)，彈性模量為常數(shù)）。意義：彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，彈性模量愈大，材料愈不易變形（剛度越大）——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials18

沒有單純的彈性材料，大多數(shù)材料在受力不大的情況下表現(xiàn)為彈性，受力超過一定限度后則表現(xiàn)為塑性，稱之為彈塑性材料。

ba變形荷載0Aab—彈性變形ob—塑性變形彈塑性材料的變形曲線

脆性、脆性材料材料在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)發(fā)生突然破壞，破壞時(shí)不產(chǎn)生明顯塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性；具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。特性：抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，受力后不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，如：巖石、砼、玻璃。材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不破壞，這種性質(zhì)稱為韌性；具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料（塑性材料）。特性：抗拉強(qiáng)度高，但受力后會(huì)產(chǎn)生塑性變形，如：鋼筋。

韌性、韌性材料2024/1/12ScienceofBuildingMaterials21脆性材料只適合用作承壓構(gòu)件，且抵抗沖擊載荷或振動(dòng)作用的能力較差——對于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁、橋梁、路面等，應(yīng)選用韌性材料。材料在破壞前產(chǎn)生很大的塑性變形，這種性質(zhì)叫延性；具有這種性質(zhì)的材料稱為延性材料，如軟鋼、橡膠、塑料。

延性、延性材料2024/1/12ScienceofBuildingMaterials23

徐變當(dāng)材料長時(shí)間承受一定荷載（即荷載值不變）時(shí)，變形隨時(shí)間而增長，這種現(xiàn)象稱為徐變。徐變引起的橋梁垮塌2024/1/12ScienceofBuildingMaterials24

硬度硬度是材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。一般情況下，硬度大的材料強(qiáng)度較高，工程中有時(shí)用硬度間接推算強(qiáng)度（回彈法）通常采用的測定方法：刻劃法、壓入法天然礦物（莫氏硬度）鋼材、木材、砼等（布氏硬度）2024/1/12ScienceofBuildingMaterials25

耐磨性材料表面抵抗磨損的能力，以磨損率B表示。

m1、m2一材料磨損前、后的質(zhì)量A—試件受磨損的面積組成成分

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

硬度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials26

耐磨性組成成分

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

硬度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials272.材料的力學(xué)破壞材料的力學(xué)破壞本質(zhì)：是由于原子間或分子間的結(jié)合鍵受拉力作用發(fā)生斷裂所造成的。斷裂的形式：脆裂、產(chǎn)生晶界面滑移。材料受壓破壞并非是壓壞，而是由于壓力作用引起內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力或剪應(yīng)力而造成的破壞。

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials283.力學(xué)性能指標(biāo)（強(qiáng)度）

根據(jù)作用方式不同——抗壓抗拉抗彎/抗折抗剪2024/1/12ScienceofBuildingMaterials29破型實(shí)驗(yàn)：在工程上，通常采用破壞試驗(yàn)法對材料的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測。將預(yù)先制作的試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)上，施加外力直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞時(shí)的荷載值，計(jì)算材料強(qiáng)度。強(qiáng)度測定——2024/1/12ScienceofBuildingMaterials30

影響材料強(qiáng)度的因素材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造試件的形狀和尺寸受力面狀態(tài)加荷速度試驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials31

燒結(jié)不完全的紅磚浸水后強(qiáng)度會(huì)下降

——這是因?yàn)闆]有燒透的紅磚內(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。?舉例2024/1/12ScienceofBuildingMaterials32

強(qiáng)度等級(jí)

強(qiáng)度等級(jí)：建筑材料常根據(jù)強(qiáng)度值的大小，劃分為不同的強(qiáng)度等級(jí)或標(biāo)號(hào)。強(qiáng)度是材料的極限值，是實(shí)測值，是唯一的；強(qiáng)度等級(jí)是人為規(guī)定的強(qiáng)度范圍，每一強(qiáng)度等級(jí)則包含一系列強(qiáng)度值。比強(qiáng)度：材料強(qiáng)度與表觀密度的比值——衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)。強(qiáng)度等級(jí)抗壓強(qiáng)度，MPa抗折強(qiáng)度，MPa3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.52024/1/12ScienceofBuildingMaterials33二、材料耐久性定義：所謂材料的耐久性，是指在使用條件下，在各種因素作用下，在規(guī)定使用期限內(nèi)不破壞，也不失去原有性能的性質(zhì)。物理、機(jī)械、化學(xué)、生物雙重標(biāo)準(zhǔn)2024/1/12ScienceofBuildingMaterials34（一）材料在水作用下的性質(zhì)（二）材料的抗凍性（砼）（三）化學(xué)穩(wěn)定性水二、材料耐久性2024/1/12ScienceofBuildingMaterials35（一）材料在水作用下的性質(zhì)

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials361.親水性、憎水性

固、氣、液三態(tài)交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。潤濕角：材料遇水后表面能降低，水在材料表面易于擴(kuò)展，這種與水的親合性稱為親水性，相應(yīng)材料亦稱親水材料。材料與水接觸時(shí)不與水親合，這種性質(zhì)稱為憎水性，相應(yīng)材料稱為憎水材料。（θ>

90°）當(dāng)θ=0°時(shí)，表明材料完全被水潤濕，稱為鋪展（θ≤90°）2024/1/12ScienceofBuildingMaterials382.吸水性與吸濕性

吸水性：材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。材料的吸濕性用含水率表示。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials39質(zhì)量吸水率Wm：材料在吸水飽和時(shí)，內(nèi)部所吸水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率：

吸水率材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量2024/1/12ScienceofBuildingMaterials40體積吸水率WV：材料吸水飽和時(shí)，內(nèi)部所吸水分的體積占干燥材料自然狀態(tài)下體積的百分率：

吸水率材料在自然狀態(tài)下的體積水的密度，常溫下取ρW=1g/cm3開口孔隙率Pk：材料內(nèi)部開口孔隙的體積（Vk）占材料在自然狀態(tài)下體積的百分率。水可進(jìn)入開口孔隙——工程中常將材料吸水飽和狀態(tài)下所吸水的體積，視為開口孔隙的體積。Wv=Pk質(zhì)量吸水率體積吸水率當(dāng)材料吸水飽和時(shí)，Wm與WV存在如下關(guān)系：材料的干表觀密度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials42孔隙水飽和系數(shù)是材料體積吸水率與材料孔隙率的比值（Wv/P）。

孔隙水飽和系數(shù)Wv=Pk孔隙水飽和系數(shù)（Wv/P=Pk/P

）越小，說明材料的開口孔隙越少。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials43材料的吸水性取決于材料的孔隙率及孔隙特征：密實(shí)材料和具有閉口孔的材料是不吸水的。粗大孔隙，水分雖然容易滲入，但僅能潤濕孔壁表面而不易在孔內(nèi)存留，所以吸水率也低。

細(xì)微連通的孔隙，孔隙率愈大吸水率愈大。材料的吸水性與什么有關(guān)？2024/1/12ScienceofBuildingMaterials44含水率Wh：材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。

含水率材料含水時(shí)的質(zhì)量材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量2024/1/12ScienceofBuildingMaterials45吸濕性與材料表面的化學(xué)性質(zhì)、狀態(tài)以及材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)：親水性材料表面粗糙材料內(nèi)部多開口孔、且孔徑較小材料的吸濕性與什么有關(guān)？外因吸濕性大內(nèi)因環(huán)境溫度和濕度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials46環(huán)境濕度較大且溫度較低時(shí)——材料含水率大，反之則小。材料與環(huán)境濕度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的含水率，稱為平衡含水率。

吸濕性可逆（還濕性）材料吸濕達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率=？

吸水率材料的吸濕性與什么有關(guān)？外因吸水率與含水率的區(qū)別比較項(xiàng)目吸水率含水率適用場合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質(zhì)量比或體積比吸收水分的質(zhì)量比吸收水量達(dá)到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率

材料的吸水性和吸濕性均會(huì)對材料性能產(chǎn)生不利影響——

自重增大導(dǎo)熱性增大強(qiáng)度、耐久性下降形狀尺寸改變，影響使用2024/1/12ScienceofBuildingMaterials483.耐水性與抗?jié)B性

耐水性：材料長期處于水的作用下不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(shù)KP表示

干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度MPa飽水狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度MPaKp反映材料飽水后強(qiáng)度降低的程度Kp越小，材料的耐水性越差Kp在0～1之間——耐水材料：Kp≥0.85，可用于水中、潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)材料。用于受潮濕較輕或次要結(jié)構(gòu)的材料，

Kp≥0.752024/1/12ScienceofBuildingMaterials49抗?jié)B性（不滲水性）：材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。3.耐水性與抗?jié)B性

影響材料抗?jié)B性的因素

材料親水性和憎水性（分子結(jié)構(gòu)）材料的密實(shí)度（孔隙率）材料的孔隙特征d——試件厚度F——滲水面積抗?jié)B性指標(biāo)——抗?jié)B等級(jí)（砼）滲透系數(shù)Q——滲透水量t——滲水時(shí)間2024/1/12Scien