清华大学《建筑材料》课件1 建筑材料科学基础

第 1 章建筑材料科学基础材料的定义 为了达到特定的目的，而为人类所使用的物质。 材料是由一定配比的若干相互作用的元素所构成，具有一定的结构层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。土木工程师需要具有的材料知识 材料的使用性能 ： 它们在使用中的行为 ?材料对外界作用的反应。强度、体积稳定性、耐久性、工作性 材料性能的本质 ： 它们为什么有这么行为?材料组成、结构与性能的关系 材料性能的利用和改善 ： 我们可以做哪些来改善他们的行为 ?本书所涉及的建筑材料：承受荷载的结构工程材料主要关心其力学性能、变形性能（体积稳定性）、耐久性能、工作性能。内 容1.1 物质的存在状态与结合力1.2 物体受力时的变形性能1.3 固体的界面行为1.4 材料的断裂与强度本章不系统教授材料科学理论，只讨论涉及建筑材料性能的几个方面。第 1 章 建筑材料科学基础1.1 物质的存在状态与结合力世界上所有物质由 100余种元素组成。不同化学组成的物质具有不同的性质，同样化学组成的物质也可能具有不同性质。物质的三种单相存在状态：气体 、 液体 、 固体胶体物质：复相物质，由气、液、固三种物质中的两种构成的高分散体系。1.1.1 固体物质具有确定的宏观外形（不可自由变形）的物质。组成固体的内部质点彼此之间有相对固定的几何关系。使质点保持这种几何关系的作用力即化学键。固体物质可分为：晶体（如金属）与非晶体（如玻璃）包含什么 ？第 1 章 建筑材料科学基础 原子间力引力 fa： 原子间异性电荷的相互吸引力 ，随原子间距的减小而呈指数增长。斥力 fr ：原子间同性电荷的相互排斥力及电子云相互 重叠所引起的斥力。第 1 章 建筑材料科学基础rr rF U斥力引力r0fafrftUaUrUt原子间相互作用力（ F）、 能量（ U） 与原子间距（ r） 的关系dU/dr=0当 I fa I=I fr I， 合力为零，原子处于稳定状态，体系的能量最低。此时所对应的能量 E0为物质中原子的结合能。第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础从物质内部原子间作用力与间距，原子间结合能与间距的关系，可得出如下结论：1）当材料受拉或受压时，外力和材料长度成正比，即著名的虎克定律（ F=kr），Fr曲线在 r=r0时的斜率即为通常定义的材料弹性模量（刚度）。2） Fr曲线在平衡位置两侧是对称的，所以材料的刚度在拉伸和压缩时相同。第 1 章 建筑材料科学基础3） 原子间引力存在最大值，即材料受拉应力有极限值。4） 原子间斥力可以无限增大，所以材料不会受压破坏，在压力作用下材料破坏仍由材料内拉应力或剪切应力达到其极限值而引起。5）温度升高， 原子震动加剧，其间距增大，因而材料受热时向各向膨胀；由于原子震动将削弱原子间的结合强度，因此 温度升高，材料 抗拉强度降低。第 1 章 建筑材料科学基础1.1.2 胶体物质由具有物质三态 (固、液、气）中某种状态的高分散粒子作为分散相，分散于另一相（分散介质）中所形成的系统。特性：流变性；聚结不稳定性；触变性常见固液两相胶体种类：溶胶 ， 凝胶 第 1 章 建筑材料科学基础问题：试举出生活中常见胶体的例子？沥青，果冻，水泥浆， 泥浆胶体的例子分散相 周 围 相 类 型 例子气体 液体固体泡沫固体泡沫肥皂水引气混凝土液体 气体液体气 雾乳状液烟 雾 , 喷雾乳化 沥 青固体 气体液体固体烟 雾固体分散的固体硅灰 , 粉煤灰水泥 浆土 悬 浮液氧化 钍 镍 合金触变性与反触变性触变性：泥浆在静置以后变稠和凝固，但再次搅拌则可恢复原来的流动状态。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而减小。反触变性：泥浆在搅拌时变稠和凝固，静止以后又可恢复原来的流动状态。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而增大。第 1 章 建筑材料科学基础混凝土路面摊铺钻井泥浆结构基础下的流砂和土壤液化触变性的应用：滑模摊铺滑模摊铺土壤液化液化就是饱和砂质土壤由地震导致突然失去强度 . 摇动引起饱和的土壤沉淀下来 ,占有更小的体积 . 土地 “液化 ” ，结构物就处在水层上 . 引起建筑物沉降，倾斜，土坝失效 . 为了探测一个地区是否易于液化 , 必须钻深达 30 m的孔洞分析土壤的地质概况 。费用的原因，这项工作很少去做。 土壤液化日本， 新滹 ,1964流体能自由变形固体不能自由变形理想刚体 与 实际材料的差异第 1 章 建筑材料科学基础1.2 物体受力时的变形性能弹模无限大内部质点相对位置固定有限弹模内部质点相对位置可变第 1 章 建筑材料科学基础1.2.1. 弹性体1）应力正应力：剪切应力：应力单位： N/m2 (Pa), N/mm2 (MPa)F FA1 A2FA第 1 章 建筑材料科学基础2) 应变正 应变 :剪切 应变 :应变无量纲LLLL第 1 章 建筑材料科学基础3)应力与应变的关系E称为杨氏弹性模量G称为剪切模量E， G 的量纲： Pa, MPa, GPa只发生弹性变形的物体称为弹性体。0E虎克定律第 1 章 建筑材料科学基础4)材料的泊松比（ Poissons Ratio) ： 材料的泊松比L LLLL第 1 章 建筑材料