第一章土木工程材料基本性质

1、第一章土木工程材料基本性质 第 一 章 土木工程材料基本性质 Introduction to Civil Engineering Materials 第一章土木工程材料基本性质 三问：What ? How ? Which ? v土木工程要求材料具备什么性能（What）? v土木工程材料如何满足工程要求（How）? v本章学习哪些内容（Which）? 第一章土木工程材料基本性质 土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境 强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性 土木工程要求材料具备哪些性能？ 第一章土木工程材料基本性质 土木工程材料如何满足

2、性能要求？ v材料的组成 v材料的结构 v材料的构造 v材料的复合 第一章土木工程材料基本性质 性能 组成 结构 材料的组成结构性能关系 材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心 第一章土木工程材料基本性质 本 章 主 要 内 容 v材料的组成与结构 v材料的技术性能及其测试方法 v材料组成、结构与性能间的关系 第一章土木工程材料基本性质 学 习 目 的 通过本章学习，掌握各类土木工程材料通过本章学习，掌握各类土木工程材料 的的“来龙去脉来龙去脉”，为自己成为一名称职的，为自己成为一名称职的 “土木工程师土木工程师”打下工程材料学基础。打下工程材料学基础。 材料的组成与结构 材料在服役环

3、境下的行为性能 力学性能 物理性能 耐久与安全性 材料组成、结构、性能与施工工艺间的关系 第一章土木工程材料基本性质 本 章 主 要 内 容 v材料的组成与结构 v材料的技术性能及其测试方法 v材料组成、结构与性能间的关系 第一章土木工程材料基本性质 1.1 土木工程材料的组成与结构 Composition and Structure of Civil Engineering Materials v组成 化学组成 相组成 v结构 微观结构 细观结构 宏观结构 第一章土木工程材料基本性质 一、材料的组成 v材料均由各种物相组成 v每种物相由化合物组成 v化合物由分子组成 v分子由原子组成 材料的

4、物相组成： u 固相 u 气相 u 液相 材料的化学组成： u 元素 u 化合物 第一章土木工程材料基本性质 物相组成 v固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 v气相 v液相 矿 物 化合物 分布的孔隙及其含量 包含的液体种类与含量 第一章土木工程材料基本性质 v矿物矿物 具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质， 也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天 然矿物的物相或化合物。然矿物的物相或化合物。 v矿物组成矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量。土木工程材料中的矿物种类及其含量。 v

5、例如：例如： 矿物组成 硅酸盐水泥熟料中 的主要矿物相有： 硅酸三 钙 硅酸二 钙 铝酸三 钙 铁铝酸 四钙 钢材中的矿物相有： u 奥氏体 u 铁素体 u 渗碳体 u 珠光体 第一章土木工程材料基本性质 化学组成 化学组成化学组成化学成分是指材料中各物相所化学成分是指材料中各物相所 含元素或单质与化合物的种类和总含量。含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如：例如： v 钢材中四种矿物相所含的化学元素是：钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）；等）； v 生石灰的化学组成是：生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是，熟石灰的组成是

6、Ca(OH)2； v 水泥中四种矿物相所含的化合物是：水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。等。 v 聚氯乙烯塑料的化学组成有：聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、）、二丁酯、CaCO3等。等。 第一章土木工程材料基本性质 化学组成与矿物组成的关系 v化学组成相同，其矿物组成不一定相同；化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为例如：半水石膏的化学成分为CaSO4 0.5H2O，但它有，但它有 -、 -、 - 等等3种矿物相。种矿物相。 v不同的矿物相，其化学组成可能相同。不同的矿物相，其化学

7、组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相 的化学成分均是的化学成分均是CaO和和SiO2。 v矿物组成相同，其化学组成一定相同。矿物组成相同，其化学组成一定相同。 第一章土木工程材料基本性质 材料组成与性能的关系材料组成与性能的关系 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。 例如：例如： v生石膏生石膏CaSO42H2O与熟石膏与熟石膏CaSO40.5H2O的差别在所含的差别在所含 H2O的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有；的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没

8、有； v纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆，纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆， 其主其主 要原因是它们的含要原因是它们的含C量百分之几的微小差别；量百分之几的微小差别； v聚氯乙烯树脂聚氯乙烯树脂-CH2-CHCl-n 与聚乙烯醇与聚乙烯醇-CH2-CHOH-n ， 在组成上在组成上,前者的大分子链上含前者的大分子链上含Cl 离子，而后者含离子，而后者含OH 离离 子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。 等等。等等。 Summary v材料 物相 化合物或元素 物相组成：固相、液相、气相 化学组成：化合物、元素 v矿物组成与化学组成的

9、关系 化学组成相同，其矿物组成不一定相同 不同的矿物相，其化学组成可能相同 矿物组成相同，其化学组成一定相同 v材料组成与性能的关系 材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变 材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变 两条基本原则： l 在选用材料时，必须了解材料的化学组成和物相 组成； l 可以通过改变材料的组成来改善材料的性能。 第一章土木工程材料基本性质 二、 材料的结构 v材料的结构 材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其 分布。 物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等 质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。 v材料结构层次： 宏观构造 细观结构 微观结构 尺寸为

10、10-3m (肉眼可分辩) 尺寸为10-6 10-3m (光学显微镜可辩) 尺寸为10-6m (电子显微镜) 尺寸为10-1010-8m (高倍电镜) 第一章土木工程材料基本性质 Summary v材料的结构材料所含各物相 (固、液、气)的形态、尺寸、堆积 方式和分布情况；构成各物相的质 点的堆积方式和分布情况； v根据分辨率的大小，材料结构分为 宏观、细观和微观三个层次； v材料的结构取决其组成和制造工艺 及其条件(温度、压力等)； v相同组成的材料可以有不同的结构； v相同结构的材料可以有不同的组成。 第一章土木工程材料基本性质 以混凝土为例 混凝土内部的宏观结构： 由大小不等、形状各异

11、的砂、石颗粒与孔隙以及 水分布在水泥浆体中而构 成 硬化水泥浆体的细观结构： 孔隙、水分布于由水泥矿物 水化物、未水化的水泥颗粒构成 的固体连续相组成 水泥浆体的微观结构： 由晶体态水化物、非晶态水 化物和微小孔隙及孔隙中的水构 成 第一章土木工程材料基本性质 1. 宏观构造 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性质材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性质 的材料单元的组合情况，其尺寸范围在的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10-3m 以上，肉眼可分辨。如：以上，肉眼可分辨。如： v材料内部的孔隙特征和孔结构；材料内部的孔隙特征和孔结构； v混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；混凝土中砂、

12、石和水泥石的堆积和分布情况； v纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。 混凝土的宏观结构天然石膏晶体颗粒的堆积结构纤维轴向平行 气泡堆积结构 蜂窝结构 第一章土木工程材料基本性质 2 . 细观结构 v材料是由多物相和多晶体构成的。材料是由多物相和多晶体构成的。 v细观结构的尺寸范围为细观结构的尺寸范围为10-610-3m，它是指材料，它是指材料 内部组织结构和各物相的堆积结构。内部组织结构和各物相的堆积结构。 如：如： v钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体； v岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相岩石、陶瓷、

13、水泥石中各矿物相 的堆积结构等；的堆积结构等； v高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。 铁碳合金的细观组织结构照片铁碳合金的细观组织结构照片 钢的细观组织结构照片 天然岩石的细观结构木材的细观结构 第一章土木工程材料基本性质 3. 微观结构 v微观结构指尺寸范围在10-1010-6m内，组成材 料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与 离子排列、连接的结构状态。 v根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体 第一章土木工程材料基本性质 晶 体 v结构特点结构特点 晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三

14、维空间有晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间有 序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。 v晶体类型晶体类型 根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为：根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为： 1）离子晶体离子晶体 离子键结合，如离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等；亚硝酸钠、硫酸铝等； 2）共价晶体共价晶体 共价键结合，如：共价键结合，如：金刚石金刚石、碳化硅等；、碳化硅等； 3）分子晶体）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等；分子键结合，如：减水剂、液晶等； 4）金属晶体金属晶体 金属键结合，如：金

15、属材料等。金属键结合，如：金属材料等。 第一章土木工程材料基本性质 晶体的微观结构晶体的微观结构 晶格晶格 晶胞晶胞 晶面晶面 14种晶系种晶系 晶格：在晶体内部，质点在空间 整齐排列形成的空间格子 晶胞：晶格的最小基本单位，即重复结 构单元称为晶胞。晶胞由晶格常数有a、 b、c矢量及其、夹角。 晶面：取单位晶格的棱作为基本矢 量（a、b、c）的晶体坐标系，设 从晶面上切出切片的长度分别为 1/h、1/k、1/l，则这个面可表示为 （h、k、l）。这个面就是晶面。 第一章土木工程材料基本性质 金属的三种主要晶体结构 体心结构 (BCC)面心结构 (FCC) 六方紧密结构 (HCP) 第一章土木

16、工程材料基本性质 硅酸盐结构 SiO2中Si与O以共价键 结合构成的硅氧四面 体SiO4-4 硅氧四面体SiO4-4共顶 连接构成的链 硅氧四面体SiO4-4共顶 连接构成的二维网络 结构 硅氧四面体SiO4-4共顶 连接构成的三维网络 结构 第一章土木工程材料基本性质 晶体矿物具有规则的几何外形 石英晶体 第一章土木工程材料基本性质 晶体中原子排列的作用 原子排列 研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布 规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到 改善和发展新材料的途径；才能根据工程结构要求， 选择合适的材料。 组织 性能 第一章土木工程材料基本性质 非晶态结构非晶态结构 也称无定型结构

17、。也称无定型结构。 结构特点：结构特点： 质点排列无序，且无周质点排列无序，且无周 期性；期性； 没有固定的几何外形。没有固定的几何外形。 种类：种类： 玻璃体结构玻璃体结构 胶体结构胶体结构 如硅酸钠玻璃是典型的玻璃 体结构，其结构中，Na、Si、 和O离子无序堆积。 而石英玻璃是晶体，其结构 中Si、和O离子有序堆积。 胶体结构胶体结构只由微细的固体粒子和分散介质（液只由微细的固体粒子和分散介质（液 体）组成的结构体）组成的结构 当固体粒子含量较少，并分散在介质中则构成溶胶结构；当固体粒子含量较少，并分散在介质中则构成溶胶结构； 当固体粒子含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。当固体粒子含

18、量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。 如：如：CSH凝胶凝胶、沥青、塑料、密封材料沥青、塑料、密封材料 胶体的微观结构针状晶体的微观结构 第一章土木工程材料基本性质 高分子材料中聚合物大分子链结构 直链结构 交联网络结构 支链结构 共聚物链结构 第一章土木工程材料基本性质 材料中的气相 v材料中均或多或少地含有气相； v气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料 中，因此孔隙有一定的结构孔结构； v孔 (缝)隙对材料性能有很大影响： 有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等； 无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。 第一章土木工程材料基本性质 材料内部的孔结构 v根据

19、孔径尺寸，分为： 微孔纳米级孔 细孔微米级孔 大孔毫米级及以上的孔 v根据孔隙特征，分为 连通孔 相互连通，构成孔隙网络 封闭孔不连通，独立分散 大孔 细孔 纳米孔 开 口、 连 通 孔 封闭孔 第一章土木工程材料基本性质 土木工程材料的技术性能及其测试方法 v物理性质物理性质 Physical Properties 密度密度 Density 热学性质热学性质 Thermal Properties 电与磁性质电与磁性质 Electrical and magnetic Properties 声学性质声学性质 Acoustical Properties 光学性质光学性质 Optical Prope

20、rties v物理化学性质物理化学性质 Physicochemical Properties v力学性质力学性质 Mechanical Properties v耐久与安全性质耐久与安全性质 Durability and innoxious 第一章土木工程材料基本性质 1、质量与体积 密度密度 表观密度表观密度0 堆积密度堆积密度1 密 度 l 单位体积材料的质量密度 l 体积与质量是可变的，密度是不变的 l 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状 态有关 材料在绝对密实状态下， 单位体积的质量。 材料在自然状态下，单 位体积的质量。 散粒材料在堆积状态下， 单位体积的质量。 绝对密实状态 下

21、，m/V 自然堆聚状态下，m/V0 松散堆积状态下，m/V1 第一章土木工程材料基本性质 密度、表观密度和堆积密度测量方法 v密度 试样 粉末；体积测量排液法。 v表观密度 试样 块体；体积测量直接测、蜡封排液法。 v堆积密度 试样颗粒；质量测量固定体积法 排除任何孔隙后，材料的绝 对密实体积 自然状态下体积绝对密实体 积孔隙(闭口)体积 堆积体积自然状态体 积堆积空隙体积 为什么要蜡封？ 第一章土木工程材料基本性质 问题问题 ？ l对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积 密度之间的相互关系怎样？密度之间的相互关系怎样？ 答：密度表观密度堆积密度答

22、：密度表观密度堆积密度 l为什么？为什么？ 答：答： 自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积；自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积； 堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。 l什么是视密度？如何测量？什么是视密度？如何测量？ 第一章土木工程材料基本性质 2、孔隙率（、孔隙率（P）与密实度（）与密实度（D）的计算）的计算 1) 孔隙率孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为 孔隙率孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态：如果材料处于干燥状态： P=1 100% V-V 100% V 第一章土木工程材料基本性质 2)

23、密实度密实度 定义：材料体积中被固体物质充实的程度定义：材料体积中被固体物质充实的程度D， D= 100% = 1P 材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越 小、导热性越大。小、导热性越大。 V V 第一章土木工程材料基本性质 例例 题题 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干 燥，用一个燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是 13.50Kg；再从桶中取出；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用的碎石，让其吸水饱和后用 布擦干，称其质量为布擦干，称其质

24、量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用；然后放入一广口瓶中，并用 水注满这广口瓶，连盖称重为水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为，水温为25 C，将碎，将碎 石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外；另外 从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成 细粉，称取细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？毫升。请问？ 1 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙

25、率？）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？）该碎石的密实度、空隙率和填充率？ 第一章土木工程材料基本性质 解答：解答： 1） V1=10L, m=13.5kg; 0 =（m/V1）= 13.5/10 = 1.35kg/L m=1000g, 吸水后质量吸水后质量=1036g. 设水的密度设水的密度1kg/L。 则，则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.404g/mL V=18.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.66g/mL 2) P = 10/ 100%

26、=(12.404/2.66)=9.624% 其中：其中： P开 开= 36/416=8.653% P闭 闭= 9.624 8.65=0.974% 3) D=1P=90.376% P=10/0 100% =(11.35/2.404)=43.8% D=1P=143.8%=56.2% 碎石在水中吸水的质量 开口孔隙体积 第一章土木工程材料基本性质 3、吸水性和吸湿性 v含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比： w = 100% 式中：m材料干燥状态下的质量，g; m材料在含水状态下的质量，g。 v吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 100% 式中： m1材料在吸水饱和状态下的质量，g。 v平

27、衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环境中湿度 达到平衡时的含水率。 m1m m mm m 第一章土木工程材料基本性质 二、热学性质 v 热传导性与导热系数热传导性与导热系数 v 比热容与热容比热容与热容 v 线膨胀系数线膨胀系数 v 最高使用温度最高使用温度 第一章土木工程材料基本性质 顶层保温层选用哪种材料合适？ 第一章土木工程材料基本性质 三、声学性质 v吸声性与吸声系数 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为吸声性； 工程材料的吸声性用吸声系数表示。 v隔声性 隔空气声 隔绝由空气传播的声能 隔固体声 隔绝由于声源撞击固体材料，引起固体材 料受迫振动而发出的声能。 材料的隔声能力用隔声

28、量R表示，单位为dB。 第一章土木工程材料基本性质 四、光学性质 v光吸收比 材料吸收的光通量与入射光通量之比。 v光反射比 材料反射的光通量与入射光通量之比。 v光透射比 透过材料的光通量与入射光通量之比。 v透明性 材料的透明性也是与光线有关的性质。 既能透光又能透视的物体称为透明体； 只能透光不能透视的物体称为半透明体； 既不能透光又不能透视的物体称为不透明体。 v光泽 光泽主要是材料的镜面反射所产生的反射 光。 第一章土木工程材料基本性质 1、亲水性与憎水性 根据水与材料表面的根据水与材料表面的润湿角润湿角（接触角）（接触角）的的 大小，有：大小，有： v亲水性亲水性 0 90时，材料

29、表面可被水所湿润；材料表面时，材料表面可被水所湿润；材料表面 被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为被水湿润，水可被材料所吸附，材料的这种性能称为 亲水性，这种材料称为亲水性材料。亲水性，这种材料称为亲水性材料。 v憎水性憎水性 90 180时，材料表面不可被水湿润，材料时，材料表面不可被水湿润，材料 称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性。称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性。 五、与水有关的性质 第一章土木工程材料基本性质 亲水性与憎水性材料的特征： 材料的亲水性与憎水性主要取决 于材料的组成与结构： 有机材料一般是憎水性， 无机材料都是亲水性。 水在憎水性材料的表面有自动收

30、 缩成珠的趋势，不能润湿材料的表 面。对工程防水有利。 水在亲水性材料的表面是自动散 开和铺展，并自发地润湿表面。 第一章土木工程材料基本性质 吸水性和吸湿性 v吸水性 材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质 称为吸水性。 材料的吸水性用吸水率表示。 v吸湿性 材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。 材料的吸湿性用平衡含水率表示。 材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料 的亲水性或憎水性密切相关： u 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水 开口孔隙越多，材料吸水率越大； 开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。 u 亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。 亲水

31、性孔壁使水自动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入。 第一章土木工程材料基本性质 加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析 现象：某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅 700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同析方式往墙上 浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝 土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。 v分析原因：加气混凝土砌块虽多孔，但其气 孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛 细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的 毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水 性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。

32、吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。 第一章土木工程材料基本性质 创新思维？ 1、为什么房屋一楼潮湿？ 2、如何解决？ 1、地下水沿材料毛细管上升，然 后在空气中挥发。 2、解决问题的原理与办法 阻塞毛细通道，技术措施？ 对材料中的毛细管壁进行憎水处 理 第一章土木工程材料基本性质 1.3 工程材料的力学性质 Mechanical Properties of Engineering materials v工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小 的变形(刚度) v为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和 刚

33、度，选择材料 v材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强 度与刚度(形变) 第一章土木工程材料基本性质 工程材料的力学性质 v力学概念 荷载(轴向荷载、剪切荷载) 应力与应变 v应力应变曲线 v材料的力学性能及其测量 强度与比强度 脆性、韧性与柔性 硬度与耐磨性 第一章土木工程材料基本性质 一、力学概念 v荷载(Load） 轴向荷载 Axial load 剪切荷载 Shear Load v应力(Stress) v应变(Strain) A F 轴向荷载 荷载作用力方向与支撑材料承载面垂直： - 拉伸荷载 : 使材料从末端开始拉长的荷载 - 压缩荷载 :使材料从末端开始压短的荷载 剪切荷载:

34、荷载作用力方向与承载面相切 应力 单位面积上的荷载 应变荷载作用下材料伸长或压缩与 其原始长度之比(单位变形) o L e o LLe 第一章土木工程材料基本性质 二、应力应变曲线(stress-strain curves) v材料中的应力(纵坐标)对应变(横坐标) 的图形(diagram) v该图形给出了材料的行为和性能 (behavior and properties) v 每种材料均有不同的应力应变曲线 钢材的应力应变曲线 00.060.120.180.24 Strain 0 125 250 375 500 Stress (MPa) 2024-T351 Aluminum Alloy 铝合

35、金的应力应变曲线 00.0020.004 0.0060.008 Strain 0 125 250 375 500 Stress (MPa) Gray Cast Iron 混凝土的应力应变曲线 韧性塑料的应力应变曲线 橡胶的应力应变曲线 第一章土木工程材料基本性质 三、材料的力学性能及其测量 v强度与比强度 v弹性与塑性 v脆性与韧性 v硬度与耐磨性 第一章土木工程材料基本性质 Summary v强度材料抵抗外力，不变形或破坏的能力； v比强度材料强度与质量之比； v弹性材料能恢复荷载作用下的变形的性能； v塑性不可恢复荷载作用下的变形的性能； v脆性材料破坏前，不产生明显变形而突发破 坏； v

36、韧性材料破坏前，能产生较大变形或吸收较 大能力； v硬度材料抵抗刻划、擦伤、磨损的能力； 第一章土木工程材料基本性质 1、强度与比强度 v强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状 (不发生形变)或抵抗破坏的性能量度 v根据荷载种类与作用方向，强度有： 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 v工程设计所涉及的材料强度。 v强度等级土木工程材料常根据其极限强度值的大 小，人为划分的若干“强度等级” v比强度材料强度与材料的表观密度之比 抗压强度测试 直接拉伸测试 劈裂拉伸测试 四点弯曲试验 弹性极限强度：材料应力应变曲线上的弹性区最大应力 极限强度: 材料应力应变曲线上的最大应力 破坏(断裂)

37、强度: 材料破坏(断裂)时的强度 f 第一章土木工程材料基本性质 钢材拉伸的应力应变曲线 Strain ( ) (e/Lo) 4 1 2 3 5 Stress (F/A) 弹性阶段 塑性阶段 应变硬化 断裂 极限拉 伸强度 UTS 斜率=E 弹性区 斜率=弹性模量 屈服强度 塑性区 极限拉伸强度 应变硬化 断裂 颈缩 屈服强 度y E E 12 y E 断裂强 度F 第一章土木工程材料基本性质 2、弹性与塑性 卸载后材料的变形行为： u变形可完全恢复 u变形不可恢复或部分恢复 第一章土木工程材料基本性质 v弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材

38、料能够完全 恢复原来变形的性质称为弹性恢复原来变形的性质称为弹性； 具有这种性质的材料称为弹性材料； 根据其应力应变曲线，有:线弹性和非线弹性。 v塑性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变 形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性； 具有这种性质的材料称为塑性材料； 其应力应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的 应力与应变之比都不相同。 2、弹性与塑性 线弹性特征： 应力与应变成正比； 应力应变曲线是一条直 线 应力与应变之比(直线斜率) 是弹性模量，为常数。 E 非线性特征： 应力应变曲线不

39、是直线 而是曲线 应力与应变之比弹性 模量不是常数 第一章土木工程材料基本性质 刚度与弹性模量 Stiffness & Modulus of Elasticity v刚度: 材料抵抗变形能力 的量度 v弹性模量：应力与应变 之比-曲线上的斜率 v刚度用弹性模量来测量 v例如: 对拉伸构件 EA PL PP EA E= d d E 第一章土木工程材料基本性质 3、脆性和韧性(Brittleness and Ductility) v脆性 材料在外力作用下，不发生明显的变形而突然破坏的 一种性能，称为脆性； 特点：其应力应变曲线下的面积很小。 具有这种性质的材料称为脆性材料 v韧性 材料在外力作用下

40、，能吸收大量的能量，并能承受较 大的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。 特点：其应力应变曲线下的面积较大，这个面积就 是其破坏前吸收的总能量。 具有这种性质的材料称为韧性材料， v对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。 v对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。 第一章土木工程材料基本性质 脆性材料在受压下的破坏形式脆性材料在受压下的破坏形式 Failure of Brittle Materials 第一章土木工程材料基本性质 韧性材料受压下的破坏形式韧性材料受压下的破坏形式 “Failure” of Ductile Material? P P Friction forces bulg

41、e bulge 第一章土木工程材料基本性质 材料韧性的测量 v材料韧性用韧度(Toughness)来量度 v韧度材料吸收能量的能力。 v韧度有两种测试计算方法： 计算应力应变曲线下的积分面积单位面积吸收的能量 带缺口试件的冲击试验冲击强度测量 第一章土木工程材料基本性质 4、硬度与耐磨性(Hardness and Wear) v硬度 材料表面抵抗被刻划、擦伤和磨损的能力，称为硬 度。 按测定方法分为：压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、 刻痕硬度等。 v耐磨性 材料表面抵抗磨损的能力，称为耐磨性 以磨损率或磨耗来表示。 v材料的硬度与强度间有很好的相关性 第一章土木工程材料基本性质 Summary

42、v在荷载作用下，材料内部应力达到其强度时，材料 将破坏断裂或破碎； v材料的强度取决于材料内部质点间的相互作用力和 表面能，作用力与表面能越大，强度越高； v材料的强度和刚度取决于组成与结构： 金属材料金属晶体多晶体堆积体强度高、韧性好、 刚度较大； 水泥材料离子晶体和凝胶体矿物颗粒堆积体强度不 高、刚度大、韧性差、延伸率小； 高分子材料非晶胶体大分子链相互缠结强度不高、 刚度低、延伸率大、韧性好 v孔隙严重降低材料的力学性能。 第一章土木工程材料基本性质 1.5 材料的耐久性 Durability of Civil Engineering Mterials v材料耐久性与土木工程的服役寿命

43、v影响材料耐久性的因素 v材料的耐久性能及其测试方法 第一章土木工程材料基本性质 一、材料的耐久性与工程服役寿命 v耐久性 材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因 素的破坏，保持其原有性能且不变质、不破坏的能力， 称为耐久性。 v工程服役寿命 因材料性能的劣化，使得工程在使用环境下服役到 功能的最低要求时所经历的时间服役寿命。 v材料耐久性与工程服役寿命息息相关。 第一章土木工程材料基本性质 二、影响材料耐久性的因素 材料在使用中会被破坏的原因有两方面： v内因，材料自身的内部因素因： 材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH)2、挥发份、 杂质等； 材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝

44、等。 v外因，材料服役环境因素： 物理作用：光、热、雨水、风等 化学作用：酸、碱、盐、水等 生物作用：细菌、昆虫等 第一章土木工程材料基本性质 三、材料的耐久性能及其测试 v耐水性 v抗渗性 v抗冻性 v耐腐蚀性 v耐候性 v抗老化 第一章土木工程材料基本性质 1、耐水性 v耐水性材料抵抗水的破坏作用的能力。 v软化系数(R) ，并按下式计算： R = f 饱 / f干 式中： f 饱材料在吸水饱和状态下的抗压强度； f 干材料在干燥状态下的抗压强度。 v软化系数R值越小，材料的耐水性越差。 v水对材料的破坏作用 溶解溶蚀作用 溶胀作用 削弱质点相互作用力 引起金属的锈蚀作用 第一章土木工程材

45、料基本性质 工程实例：某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖 房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。 请分析原因。 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水 后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘 土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导 致房屋倒塌。 第一章土木工程材料基本性质 2、抗渗性 v抗渗性材料抵抗水或溶液渗入或渗透的能力 v材料的抗渗性用渗透系数K表示： K=(Q/Ft) (d/H) 式中：Q透水量(cm3)；H静水压头(cm)； t时间(h) d试件厚度； F 透水面积 v抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关。大孔且连通孔 将使材料的抗渗

46、系数降低。 v材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能 抗渗性试验 耐水性 耐化学腐蚀性 抗冻性 第一章土木工程材料基本性质 3、抗冻性 v抗冻性材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的 能力 v抗冻等级材料丧失性能前能承受的最多冻融循 环次数，次数愈多，等级越高 v冻融循环试验 v冻融破坏的原因 v抗冻性的影响因素 混凝土 抗冻性试验 水结冰时，体积膨胀9； 当材料内部孔隙饱水情况下，发生多 次冻融循环，在水结冰时产生的拉力 作用下，产生裂缝、扩展、延伸，和 连通，导致材料破坏。 材料内部的孔隙率与孔隙特征 孔隙内的饱水程度 材料强度与韧性 环境温度变化 第一章土木工程材料基本性质 4、耐化学腐蚀性 v耐化学腐蚀性 材料抵抗这些化学介质侵蚀，保持其性能不变的能力； v抗蚀系数 材料的耐化学腐蚀性用一定时间后性能衰减率，用浸泡 试验测试； v化学腐蚀作用 地下水、土壤、