第十二章土木工程材料（一）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁土木工程材料第一節(jié)材料科學(xué)知識(shí)與土木工程材料的基本性質(zhì)一、土木工程材料分類、組成及結(jié)構(gòu)（一）土木工程材料的組成土木工程材料的組成分為化學(xué)組成和礦物組成?；瘜W(xué)組成影響著材料的化學(xué)性質(zhì)，礦物組成影響著材料的物理力學(xué)性質(zhì)。 通常按照土木工程材料的化學(xué)組成將其劃分為無機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料三大類，詳見表1。表1土木工程材料的分類分類實(shí)例無機(jī)材料非金屬材料天然石材花崗巖、大理石、碎石、石板、料石、砂燒土制品黏土磚、陶器、炻器、瓷器熔融制品玻璃、玻璃棉、礦棉、鑄石膠凝材料石灰、建造石膏、水玻璃、水泥砂漿、混凝土砌筑砂漿、抹面砂漿、普通混凝土、輕骨料混凝土硅酸鹽制品灰砂磚、硅酸鹽砌塊金屬材料黑色金屬鋼、鐵有色金屬鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦合金有機(jī)材料植物材料木材、竹材瀝青材料石油瀝青、煤瀝青、改性石油瀝青合成高分子材料塑料、橡膠、膠粘劑復(fù)合材料金屬-非金屬鋼纖維混凝土、鋼筋混凝土無機(jī)非金屬-有機(jī)玻璃鋼、人造石材、聚合物混凝土金屬-有機(jī)鋁塑板、輕質(zhì)金屬夾芯板、PVC涂層鋼板（二）土木工程材料的結(jié)構(gòu)土木工程材料的結(jié)構(gòu)有宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。1、微觀結(jié)構(gòu)（1）晶體：基本質(zhì)點(diǎn)按照一定的邏輯羅列，而且按照一定的周期重復(fù)浮上，即具有各向異性的性質(zhì)，宏觀的晶體材料是由多個(gè)晶粒聚攏而成，表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)，如鋼材。分為原子晶體，如金剛石；離子晶體，如NaCl；金屬晶體，如銅；分子晶體，如冰。（2）玻璃體：各向同性的，具有潛在的化學(xué)活性，在一定條件下容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如粉煤灰。（3）膠體：屬于非晶體。質(zhì)點(diǎn)很極小，表面積很大，所以表面能很大，吸附能力很強(qiáng)，使膠體具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，如水化硅酸鈣。2、宏觀結(jié)構(gòu)又劃分為。（1）按照土木工程材料的構(gòu)造特征，土木工程材料的構(gòu)造分為堆聚結(jié)構(gòu)：由骨料與膠凝材料結(jié)合而成的材料，例如混凝土纖維結(jié)構(gòu)：玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)：將材料疊合而成的結(jié)構(gòu)，例如膠合板散粒結(jié)構(gòu)：松散顆粒的結(jié)構(gòu)，例如砂石骨料（2）、按照土木工程材料的孔隙特征分為致密結(jié)構(gòu)：無孔隙存在的材料，例如玻璃、鋼材多孔結(jié)構(gòu)：有粗壯孔隙的結(jié)構(gòu)，例如加氣混凝土微孔結(jié)構(gòu)：有微細(xì)的孔隙結(jié)構(gòu)，例如粘土磚、石膏制品[例題1]以下哪種微觀結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的材料不屬于晶體？A.結(jié)構(gòu)單元在三維空間邏輯性羅列B.非固定熔點(diǎn)C.材料的任一部分都具有相同的性質(zhì)D.在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中能自發(fā)形成封閉的幾何多面體【解析】晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按照一定的邏輯羅列，并且按照一定周期重復(fù)浮上，即結(jié)構(gòu)單元在三維空間邏輯性羅列，且在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中能自發(fā)形成封閉的幾何多面體。晶體具有固定的熔點(diǎn)。宏觀的晶體材料是由許多晶體顆粒組成，使其表現(xiàn)為各向同性?！敬鸢浮緽二、土木工程材料的物理性質(zhì) （一）密度、表觀密度與堆積密度1、密度：是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，又稱質(zhì)量密度（ρ）?？杀硎緸椋菏街?，ρ——材料密度（kg/m3）；m——材料質(zhì)量（kg）；V——材料體積（m3）。必須強(qiáng)調(diào)材料絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)的概念，密度只與材料中固體物質(zhì)的體積有關(guān)，與孔隙無關(guān)，測定孔隙時(shí)材料需磨成細(xì)粉以便排除孔隙。2、表觀密度：是指材料在天然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，亦稱體積密度（ρ0）。材料在烘干狀態(tài)下的表觀密度稱為干表觀密度。式中，ρ0——材料表觀密度（kg/m3）；m——材料質(zhì)量（kg）；V0——材料在天然狀態(tài)下體積（m3）。包括內(nèi)部孔隙的體積。3、堆積密度：散粒材料在天然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度（）?？杀硎緸椋菏街?，——散粒材料堆積密度（kg/m3）；m——散粒材料質(zhì)量（kg）；——散粒材料在天然堆積狀態(tài)下體積（m3）。不僅包括材料內(nèi)部孔隙體積，還包括顆粒之間的空隙體積。所以可知，密度（）、表觀密度（o）和堆積密度（’o）均指材料單位體積的質(zhì)量，不同之處在于決定單位體積時(shí)材料所處的狀態(tài)不同。 4、孔隙率與密實(shí)度通常材料內(nèi)部總是包括一部分孔隙，材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率，稱為材料的孔隙率（P0）。材料孔隙率的大小直接反映材料的密實(shí)程度，孔隙率大，則密實(shí)度小?？紫堵屎兔軐?shí)度兩者之和為1，均反映了材料的致密程度。材料的孔隙特征對(duì)其性質(zhì)影響更大。按照孔隙特征，孔隙分為封閉孔隙和連通孔隙。5、空隙率對(duì)于散粒材料，其堆積體積中，顆粒間空隙體積所占的百分率稱為空隙率（）。 空隙率大小反映了散粒材料顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭?。 （二）材料與水有關(guān)的性質(zhì)1、材料的親水性和憎水性 材料表面與水或空氣中的水汽接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的潤濕。材料能被水潤濕的性質(zhì)稱為親水性；材料不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎水性。表面能被水潤濕的材料為親水材料，如磚、混凝土、木材等；表面不會(huì)被水潤濕的材料為憎水材料，如石蠟、瀝青，憎水材料相宜做防水和防潮材料。材料被水濕潤的情況可用潤濕邊角θ表示。當(dāng)材料與水接觸時(shí)，在材料、水、空氣三相的交點(diǎn)處，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕邊角，如圖1所示。θ角越小，表明材料越容易被水潤濕。θ≤90°時(shí)，材料能被水濕潤，稱為親水性材料；θ＞90°時(shí)材料表面不易吸附水，稱為憎水性材料。(a)親水材料(b)憎水材料圖1材料潤濕暗示圖 2、材料的吸水性和吸濕性 （1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)。材料的吸水性以吸水率表示。質(zhì)量吸水率指吸入水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。 材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。封閉孔隙或粗壯開口孔隙時(shí)，吸水率低；細(xì)微連通孔隙時(shí)吸水率大，這種材料的吸水性強(qiáng)。 （2）吸濕性：材料在濕潤空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。濕潤材料在干燥空氣中也會(huì)放出水分。材料的吸濕性用含水率表示；含水率系指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。材料的含水率會(huì)隨環(huán)境溫度和濕度變化而異。通常采用平衡含水率。 材料吸濕含水后會(huì)使材料表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)增大，強(qiáng)度降低、體積膨脹。3、材料的耐水性材料的耐水性：指材料持久在飽和水作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性用軟化系數(shù)來表示，即材料在水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比。可用下式表示：式中，K——材料的軟化系數(shù)；fb——材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）；fg——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。軟化系數(shù)的大小表明材料在浸水飽和后保持抗壓強(qiáng)度的能力。軟化系數(shù)越小，材料的耐水性越差，通常把軟化系數(shù)大于0.85的材料稱為耐水材料。4、材料的抗?jié)B性材料抵御壓力水滲透的性質(zhì)成為抗?jié)B性，或不透水性。材料的抗?jié)B性通常用滲透系數(shù)來表示。滲透系數(shù)是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時(shí)光內(nèi)透過單位面積的水量。滲透系數(shù)越小，材料的抗?jié)B性越好。對(duì)于混凝土或砂漿用抗?jié)B等級(jí)表示其抗?jié)B性，抗?jié)B等級(jí)越大，混凝土或砂漿的抗?jié)B性越好。材料的抗?jié)B性和其孔隙率及孔隙特征有關(guān)，普通孔隙率小且為封閉孔的材料，抗?jié)B性好?？紫堵蚀笄沂沁B通孔的材料，抗?jié)B性差。對(duì)于防水材料要求具有更高的抗?jié)B性。如地下構(gòu)筑物和防水工程要求有較高的抗?jié)B性5、材料的抗凍性材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)歷多次凍融循環(huán)（凍結(jié)和融化）作用而不破壞、強(qiáng)度也不嚴(yán)重降低的性質(zhì)為抗凍性。用抗凍等級(jí)Fn表示，n指材料所能承受的最大凍融次數(shù)?？箖龅燃?jí)越大，材料的抗凍性越好。密實(shí)或具有封閉孔隙的材料抗凍性好。（三）材料的導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的一側(cè)，通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是：厚度為1m的材料，當(dāng)溫度改變1K時(shí)，在1s時(shí)光內(nèi)通過1m2面積的熱量。材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示材料的導(dǎo)熱性越差，絕熱性能愈好。影響材料導(dǎo)熱性的因素有：（1）材料的組成與結(jié)構(gòu)：金屬材料、無機(jī)材料、晶體材料的導(dǎo)熱性大于非金屬材料、有機(jī)材料、非晶體材料。（2）材料的孔隙率：增大孔隙率大，即表觀密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小。（3）材料的孔隙特征：相同孔隙率時(shí)，微孔或封閉孔隙構(gòu)造材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，絕熱性好。（4）材料的含水情況：材料含水或含冰后會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)增大，絕熱性下降。以上各物理性能及其指標(biāo)匯總于表2中。表2材料的物理性能及其指標(biāo)親水性憎水性吸水性吸濕性耐水性抗?jié)B性抗凍性導(dǎo)熱性潤濕邊角吸水率含水率軟化系數(shù)滲透系數(shù)抗凍等級(jí)導(dǎo)熱系數(shù)抗?jié)B等級(jí)90°>90°飽和隨溫度和濕度變化（平衡）越大越好>0.85越小越好越大越好越大越好越大越好[例題2]已知某材料的表觀密度是1400kg/m3，密度是1600kg/m3，則其孔隙率是：A.14.3%B.14.5%C.87.5%D.12.5%

【提醒】孔隙率=（1-1400/1600）100%=12.5%?！敬鸢浮緿[例題3]下列與材料的孔隙率沒有關(guān)系的是：A.強(qiáng)度B.絕熱性C.密度D.耐久性【提醒】密度是指在材料在絕對(duì)密室狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，與孔隙無關(guān)；強(qiáng)度隨孔隙率增大而降低；絕熱性和耐久性隨開口孔隙率增大而降低，隨封閉孔隙增多而提高?！敬鸢浮緾三、材料的力學(xué)性質(zhì)1、材料的強(qiáng)度、比強(qiáng)度材料在外力作用下抵御破壞的能力，稱為材料的強(qiáng)度。按照外力作用的形式不同，材料的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度等。 比強(qiáng)度：指材料強(qiáng)度對(duì)其表觀密度的比值，是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的主要指標(biāo)。該值越大，表明材料輕質(zhì)高強(qiáng)。2、彈性與塑性：彈性：指外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力取消后變形出現(xiàn)，材料能徹低恢復(fù)本來的形狀的性質(zhì)，這種變形為彈性變形。彈性模量是衡量材料在彈性范圍內(nèi)抵御變形能力的指標(biāo)，該值越大，材料抵御變形的能力越強(qiáng)，材料受力變形越小。塑性：指外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力取消后仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產(chǎn)生裂隙的性質(zhì)，這種變形稱為塑性變形。彈-塑性材料：受力時(shí)彈性和塑性變形同時(shí)浮上，如混凝土。3、脆性和韌性材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，材料發(fā)生驟然破壞，且破壞時(shí)無顯然的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱脆性材料。脆性材料抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大無數(shù)，如混凝土等，相宜作承壓構(gòu)件。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的性質(zhì)稱為韌性。如建造鋼材。4、硬度硬度是指材料表面抵御硬物壓入或刻劃的能力。材料的硬度愈大，其強(qiáng)度愈高。通常石料用刻痕法或磨耗法；金屬、木材和混凝土用壓痕法；礦物材料用刻劃法；塑料、橡膠及金屬用布氏硬度表示。[例題4]彈性體受拉應(yīng)力時(shí)，所受應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比稱為：A.彈性模量B.泊松比C.體積模量D.剪切模量【提醒】彈性體受拉應(yīng)力時(shí)，所受應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比稱為彈性模量?！敬鸢浮緼四、練習(xí)題1、膠體結(jié)構(gòu)的材料具有：A、各向同性，并有較強(qiáng)的導(dǎo)熱導(dǎo)電性B、各向同性，并有較強(qiáng)的粘結(jié)性C、各向異性，并有較強(qiáng)的導(dǎo)熱導(dǎo)電性D、各向同性，無粘結(jié)性提醒：膠體是由細(xì)小固體顆粒（粒徑在1~100μm）凝聚在延續(xù)介質(zhì)中而成，各向同性，具有良好的吸附力和較強(qiáng)的粘結(jié)力。答案：B2、材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為：A、密度B、表觀密度C、密實(shí)度D、堆積密度提醒：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為密度；材料在天然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為表觀密度；散粒材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度。材料中固體體積占天然狀態(tài)體積的百分比稱為密實(shí)度。答案：A3、某材料吸水飽和后重100g，比干燥時(shí)重了10g，此材料的吸收率為：A、10%B、8%C、7%D、11.1%提醒：吸水率=水的質(zhì)量/材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量=10/（100-10）=11.1%。答案：D4、建造材料與水相關(guān)的物理特性表述準(zhǔn)確的是:A、孔隙率越大，其吸水率也越大B、平衡含水率普通是固定不變的C、滲透系數(shù)越大，其抗?jié)B性越大D、軟化系數(shù)越大，其耐水性越好提醒：封閉孔隙或粗壯開口孔隙時(shí)，吸水率低；細(xì)微連通孔隙時(shí)吸水率大，這種材料的吸水性強(qiáng)。平衡含水率隨環(huán)境溫度和濕度變化而異。滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。材料的軟化系數(shù)越大。耐水性越好。答案：D5、具有封閉孔隙特征的多孔材料相宜用于哪種建造材料？A、吸聲B、隔聲C、保溫D、承重提醒：因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)為0.023W/（m.K），封閉孔隙中含有大量空氣，使這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，相宜做保溫材料。吸聲材料需要具有開口孔隙特征。隔聲材料和承重材料要求密實(shí)度高，孔隙率小。答案：C6、關(guān)于絕熱材料的性能，下列中哪一項(xiàng)是錯(cuò)誤的？A、材料中固體部分的導(dǎo)熱能力比空氣小B、材料受潮后，導(dǎo)熱系數(shù)增大C、各向異性的材料中與熱流平行方向的熱阻小D、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大提醒：空氣，水、冰的導(dǎo)熱系數(shù)由大到小的順序是：冰>水>空氣，即固體的導(dǎo)熱能力大于空氣，材料受潮后，導(dǎo)熱系數(shù)增大，溫度升高使導(dǎo)熱系數(shù)增大。各向異性的材料中與熱流平行方向的熱阻小。答案：A7、承受震動(dòng)和沖擊荷載作用