同济大学土木工程材料第一章土木工程材料的基本性质.ppt

第一章 土木工程材料的基本性质 (The Basic Properties of Civil Engineering Materials),第一节 材料的物理性质,第二节 材料的基本力学性质,第三节 材料的耐久性,第四节 材料的组成与结构,第五节 材料的环保与生态效应,思考题,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),包括与重量、构造状态有关的性质（密度、孔隙率）；与水有关的性质（亲水性、吸水性、耐水性）；与热有关的性质（导热性）；与声有关的性质（吸声性）。,基本概念,密度，表观密度，容积密度，堆积密度；孔隙率，孔隙特征；空隙率；润湿角，亲水性；吸水率，含水率；导热系数，热阻，热容量。亲水性材料，绝热材料，吸声材料。,第一章 土木工程材料的基本性质,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),密度（ ）(density)：绝干、绝对密实状态下。测定方法：烘干、磨细，用李氏瓶测定体积。,第一章 土木工程材料的基本性质,表观密度（ ） (apparent density) ：绝干、自然状态（不含开口孔）下。测定方法：根据外观体积及饱和吸水量测定体积。,容积密度（ 0 ） (volume density) ：气干、自然状态（含开口孔）下。测定方法：测定外观体积（不规则试样用封蜡排水法测定其体积）。,堆积密度（ 0 ） (bulk density) ：散粒状材料，气干、自然堆积状态下。测定方法：容量筒测定体积。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),孔隙特征(pore structure)：孔径大小（大孔、小孔）、孔的连通性（开孔、闭孔）。,第一章 土木工程材料的基本性质,孔隙率(porosity)：可以通过密度、容积密度之间的关系推算，P = ( 1 - 0 / )*100% 。,孔隙率等于开口孔隙率与闭口孔隙率之和，P = Pk + Pb 。开口孔隙率通过饱和吸水法测定，闭口孔隙率通过上式推算。,空隙率(void ratio)：可以通过堆积密度、容积密度之间的关系推算，P= ( 1 0 / 0 )*100% 。也可以通过注水法测定。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),导热系数（，W/m.K）(coefficient of heat conductivity )：在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1，1h内通过1m2面积传递的热量。 0.23 W/m.K 的材料称为绝热材料(thermal insulating material) 。,第一章 土木工程材料的基本性质,热阻（R，m2.K/W）(thermal resistance)：表征围护结构本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量。在稳定传热状态下，平壁材料层的热阻 R =/。多层平壁材料层的热阻等于各单层材料的热阻之和（串联模型）。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,在建筑热工设计中，用传热阻（R0）或传热系数（K）评价外墙的保温性能， R0 = Ri + R + Re ，其中 R 为墙体材料层的热阻，Ri 、Re分别为内表面换热阻、外表面换热阻（通常取Ri = 0.11 m2.KW ， Re = 0.04 m2.KW ）。K = 1/ R0 。 参见：GB 50176-93民用建筑热工设计规范，冯金秋的文章“建筑节能设计标准与混凝土空心砌块墙体热工性能测试”，王惠敏的文章“影响建筑保温性能的几个性能指标”。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),比热容（c，J/(gK)）(specific heat capacity)：1kg的物质，温度升高或降低1所需吸收或放出的热量。热容量 C = m*c。,第一章 土木工程材料的基本性质,常见物质的比热容：,理论上说，水的比热容最大，在工农业生产和日常生活中有广泛的应用，如水冷系统、暖水袋取暖。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),导温系数（热扩散系数）(heat diffusivity)：材料的导热系数与其比热容和密度乘积的比值，a = /（c* ）。表征物体在加热或冷却时各部位温度趋于一致的能力。其值越大，温度变化的速度越快，即热稳定性越差。在不稳定传热过程中，例如昼夜温度随时间而变化，希望室内温度波动不大，即材料的导温系数要小。,第一章 土木工程材料的基本性质,注：温度与热量是两个概念。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),蓄热系数（S，W/m2.K）(coefficient of thermal storage )：在周期性热作用下，物体表面温度升高或降低1时，在1h内，1m2表面积贮存或释放的热量。蓄热系数越大，材料表面的温度波动越小。一般地，采暖房间的墙和顶棚，其内侧宜布置蓄热系数大的材料。,第一章 土木工程材料的基本性质,围护结构的热惰性(thermal inertia)指对外界温度波动作用的抵抗能力。D=S*R，其中D为热惰性，S为蓄热系数，R为热阻。对于多层结构，D=R1*S1+R2*S2+。 D值越大，温度波在其中衰减越快，围护结构的热稳定性越好。,第一节 材料的物理性质(The physical properties of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,在墙体热工设计时，不仅要考虑保温性能（冬季阻止由室内向室外传热），还要考虑隔热性能（夏季自然通风情况下，墙体内表面保持较低温度的能力）。,保温（heat preservation）性能反映的是冬季由室内向室外的传热过程，通常按稳定传热考虑，用围护结构的传热系数（或热阻）来评价，在构造措施上采用多孔轻质保温材料。,隔热(heat insulation)性能反映的是夏季由室外向室内的传热过程，通常按24h为周期的波动传热考虑，用围护结构内表面最高温度来评价，在构造措施上采用热稳定性好的材料放在室内一侧。,建筑材料热物理性能计算参数,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),包括承受荷载的能力（强度）、变形（弹性、塑性、弹性模量）、断裂（脆性、韧性）等。,基本概念,强度，比强度；弹性变形，弹性模量，刚度；脆性材料。,第一章 土木工程材料的基本性质,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),根据所受外力的形式，材料的强度分为：抗压强度（compressive strength）、抗拉强度（tensile strength）、抗弯强度（flexural strength）、抗剪强度（shearing strength）等。通过静力破坏试验测定。,第一章 土木工程材料的基本性质,材料的强度与其容积密度之比称为比强度（specific strength）。比强度是衡量材料轻质高强的重要指标。,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),材料在外力作用下会产生变形。根据可恢复性，变形分为：弹性变形（elastic deformation）、塑性变形（plastic deformation）。粘性(viscidity)：物体在外力作用下产生的变形与加载速度和持续时间有关。,第一章 土木工程材料的基本性质,弹性模量（elastic modulus）是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。其值越大，材料越不易变形，即刚度（rigidity）好。,徐变(蠕变)(creep)：材料在持续荷载的长期作用下，变形随时间延长而增加的现象。徐变是造成应力松弛（stress relaxation）的原因。,工件在服役过程中，不允许产生塑性变形，即工作应力不能超过弹性极限（屈服强度（yield limit）。,塑性对于材料加工及使用过程中的安全可靠性有积极意义。,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),硬度(hardness)：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。用划痕法（矿物材料）或压痕法（金属、木材）测定。,第一章 土木工程材料的基本性质,耐磨性(wear resistance)：材料抵抗磨损的能力。用耐磨率（单位面积上的重量磨损率）表示。,硬度与强度有一定关系。工程上有时用硬度间接推算强度，如对混凝土材料用回弹法推定强度。,耐磨性与硬度、强度、材料内部构造有关。,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),根据在外力作用下的破坏形式(destruction mode)，材料分为：脆性材料（brittle material）、韧性材料（tough material）。,第一章 土木工程材料的基本性质,韧性以材料从承载起至破坏时所吸收的能量(energy)表示。可以用荷载-变形曲线下所包含的面积表示。冲击韧性值以带缺口的试件做冲击破坏试验测定。材料的抗拉强度与其抗压强度之比（拉/压比）粗略地反映了材料的脆性。,脆性材料的力学性能比韧性材料差很多，但为什么在工程中仍大量使用？,脆性材料承受冲击(shock)或震动(vibration)荷载的能力很差，会影响结构的安全可靠性。,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,疲劳（fatigue） ：工件在服役过程中，由于承受变动荷载而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程。在机械失效中，疲劳失效占80%以上。,疲劳破坏的基本特征是：不论材料在静载下显示脆性或韧性，疲劳断裂时无明显的塑性变形，是突发性断裂。疲劳断裂应力低于材料在静载下的极限应力。典型的疲劳断口上可明显区分出三个区域：裂纹萌生区（疲劳源），裂纹扩展区（贝壳状弧线），最终断裂区（类似于带缺口试件在静载下的断口）。,第二节 材料的基本力学性质(The mechanical properties of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,在循环应力和腐蚀介质的共同作用下，材料的疲劳强度和疲劳寿命降低的现象，称为腐蚀疲劳（Corrosion Fatigue，简称CF）。,材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂称为应力腐蚀断裂（Stress Corrosion Cracking，简称SCC）。,第三节 材料的耐久性(The durability of materials),环境介质的侵蚀作用包括物理作用、化学作用、生物作用。,基本概念,耐久性；软化系数；渗透系数，抗渗等级；抗冻等级；耐候性；耐水性材料。,第一章 土木工程材料的基本性质,不同材料的主导性破坏因素不同：砖、石、混凝土等矿物质材料多由于物理破坏（处于水中时也受到化学破坏）；金属材料主要受化学和电化学腐蚀；木材等天然有机质材料常受生物破坏；沥青、塑料、橡胶等高分子材料受阳光、空气、热的作用而老化破坏。,第三节 材料的耐久性(The durability of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,耐久性(durability)是一种综合性质，包括：抗冻性、耐热性、耐光性、大气稳定性、抗化学腐蚀性、对碱骨料反应的抵抗等。材料在使用过程中所受的破坏作用包括：物理作用（外力、干湿交替、冷热变化、冻融循环）、化学作用（大气和环境水中的酸、碱、盐等有害物质的侵蚀，日光、紫外线的作用等）、生物作用（虫蛀、菌类腐朽）。,耐久性是一种长期性质，可以用模拟法进行快速试验。,提高材料耐久性的措施：减轻环境破坏作用，采取表面保护措施，提高材料密实性，合理选用材料等。,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),材料科学的一个基本原理是：材料的性能取决于材料的组成与结构。,基本概念,化学组成，矿物组成；宏观结构，细观结构，微观结构；宏观构造；晶体，玻璃体，胶体。,第一章 土木工程材料的基本性质,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),一般地，从宏观、细观、微观三个层次研究材料的结构与性能之间关系。,第一章 土木工程材料的基本性质,材料的宏观结构(macrostructure)包括：孔结构（孔隙的大小、形状、分布、连通性、体积总和等）、构造(texture)（固体材料分为：致密结构（钢材、玻璃）、多孔结构（烧结粘土砖、泡沫塑料）、纤维结构（木材、石棉）、层状结构（胶合板、纸面石膏板）、散粒材料（粒状、粉状材料）、复合材料等）。,材料的宏观结构与材料的性质密切相关，如：致密的材料强度高、抗渗性好，多孔的材料自重小、保温性能好。材料的宏观结构较容易改变，采用适当的材料加工手段（引气、抽孔、材料复合等），可以获得所需的材料性能。,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),材料的细观结构(medium structure)，如：金属材料的金相组织；木材的木纤维、髓线等显微组织；混凝土的微裂纹等。,第一章 土木工程材料的基本性质,材料的细观结构与材料的使用性能密切相关，在分析材料的缺陷、破坏、性能退化等方面起重要作用。,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,材料的微观结构(microstructure)与材料的物理性质（强度、硬度、弹塑性、导热性等）有关。,根据其内部原子排列方式，固体分为晶体(crystal)、非晶体(non-crystalline substance)两大类。非晶体中的原子无规则地堆砌在一起，如：松香、沥青、普通玻璃等，它们没有确定的熔点，各向同性；晶体中的原子（或离子）按一定规律排列，如：金属及绝大多数固体，甚至某些物质的外形也具有规则的轮廓（水晶、结晶盐、天然金刚石、冰糖等），它们具有确定的熔点，各向异性。,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,在结晶学(crystallography)中，将晶体中重复的单元称为晶胞(unit cell)。根据布喇菲（Bravais）空间点阵学说， 所有的晶体，可分为7个晶系(crystal system)：立方、四方、正交、六方、菱方、单斜、三斜。,晶体分为：原子晶体（石英、金刚石）、离子晶体（石膏、氯化钠）、分子晶体（蜡、部分有机化合物）、金属晶体（铁、钢、铝、铜及其合金）。,第四节 材料的组成与结构(The component and structure of materials),第一章 土木工程材料的基本性质,非晶体包括：（1）玻璃体(glass)：熔融物质经急冷而形成的无定形体（粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰）；玻璃体具有潜在的化学活性(potential activity)。（2）胶体(colloid)：细小的固体粒子（直径1100m）分散在介质中所组成的结构；胶体有很大的粘结力(cohesiveness)；胶体脱水形成凝胶(gel) ，凝胶体具有固体性质，在长期应力作用下又具有粘性液体的流动性质。胶体可以是固体颗粒分散在溶液中（颜料）、一种液体分散在另一种液体中（牛奶）、固体颗粒分散在气体中（烟雾）。胶体粒子分散在溶液中的行为很像理想气体。胶体粒子之间的相互作用可以通过调节粒子的表面以及改变溶液的特性来控制，这使得通过胶体形成晶体的方法成为制备纳米和亚微米材料的重要手段。以胶体为代表的软物质研究是材料科学一个新的生长点。,第五节 材料的环保与生态效应 (The environmental and ecological effects of materials),从材料的全寿命周期考虑材料对资源、能源、生态环境的影响。,基本概念,绿色材料；资源化；废弃物。,第一章 土木工程材料的基本性质,第五节 材料的环保与生态效应 (The environmental and ecological effects of materials),根据GB/T503782006 绿色建筑评价标准的定义：,第一章 土木工程材料的基本性质,绿色建筑：在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材) 、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。,可再生能源：从自然界获取的、可以再生的非化石能源，包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。,可再利用材料：在不改变所回收物质形态的前提下进行材料的直接再利用，或经过再组合、再修复后再利用的材料。,可再循环材料：已经无法进行再利用的产品通过改变其物质形态，生产成为另一种材料，使其加入物质的多次循环利用过程中的材料。,第五节 材料的环保与生态效应 (The environmental and ecological effects of materials),根据GB/T503782006 绿色建筑评价标准的要求：,第一章 土木工程材料的基本性质,采用集约化生产的建筑材料、构件和部品，减少现场加工。,建筑材料就地取材，至少20%(按价值计)的建筑材料产于距施工现场500公里范围内。,使用耐久性好的建筑材料，如高强度钢、高性能混凝土、高性能混凝土外加剂等。,将建筑施工、旧建筑拆除和场地清理时产生的固体废弃物(solid waste)中可循环利用、可再生利用的建筑材料分离回收和再利用。在保证安全和不污染环境的情况下，可再利用的材料（按价值计）占总建筑材料的5；可再循环材