土木工程材料的基本性质图文PPT课件

1、1.1.性质 土木工程材料课程为土木工程专业的专业基础课。2.2.目的 为学习建筑设计、建筑施工、结构设计专业课程提供土木工程材料的基本知识，并为今后从事专业技术工作能够合理选择和使用土木工程材料打下坚实的理论基础。3.3.任务 使学生获得有关建筑材料的性质与应用的基本知识和必要的基本理论，并获得主要土木材料试验的基本技能训练。 一、课程的性质、目的和任务10/29/202110/29/202110/29/20211 1 1第1页/共69页 从本课程的目的及任务出发，课程内容着重于材料的性质和应用，对这两方面内容提出如下要求：在材料性质方面： 掌握材料的组成、性质及技术要求； 了解材料组成及结

2、构对材料性质的影响； 了解外界因素对材料性质的影响； 了解各主要性质间的相互关系； 初步学会主要建筑材料的试验方法。10/29/202110/29/202110/29/20212 2 2第2页/共69页 在材料应用方面： 根据工程要求能够合理地选用材料； 熟悉有关国家标准或行业标准； 了解材料使用方法的要点； 学会混凝土配合比设计。10/29/202110/29/202110/29/20213 3 3第3页/共69页 讲课共36讲，内容主要参考土木工程材料(第二版)。 考核以讲课内容和作业为准，请同学适当做好笔记。 成绩：考查，占评分70%;出勤、作业占30%。 迟到或旷课扣期末成绩，一次分别

3、扣5分或10分。三次旷课取消期末总成绩。 主讲教师：杨三强 建筑工程学院 联系方法：二、学时安排及要求二、学时安排及要求10/29/202110/29/202110/29/20214 4 4第4页/共69页绪 论 土木工程材料是指土木工程中使用的各种材料及制品，它是构成建筑物的最基本元素，是一切土木工程的物质基础。10/29/202110/29/202110/29/20215 5 5第5页/共69页 工程材料的分类（一）按组成物质和化学成分（一）按组成物质和化学成分（一）按组成物质和化学成分分类分类分类无机材料无机材料无机材料复合材料复合材料复合材料有机材料有机材料有机材料金属材料金属材料金属

4、材料非金属材料非金属材料非金属材料金属与非金属金属与非金属金属与非金属复合复合复合无机与有机复无机与有机复无机与有机复合材料复合合材料复合合材料复合10/29/202110/29/202110/29/20216 6 6第6页/共69页（二）按材料（二）按材料（二）按材料来源划分来源划分来源划分天然材料天然材料天然材料人造材料人造材料人造材料（三）按材料（三）按材料（三）按材料功能划分功能划分功能划分结构材料结构材料结构材料功能材料功能材料功能材料（四）按使用（四）按使用（四）按使用部位分划分部位分划分部位分划分承重材料承重材料承重材料屋面材料屋面材料屋面材料墙体材料墙体材料墙体材料10/29/

5、202110/29/202110/29/20217 7 7第7页/共69页土木工程材料的标准化土木工程材料的标准化1.中华人民共和国标准化法中华人民共和国标准化法将我国标准分为国家标准、行业标准、地方标准、将我国标准分为国家标准、行业标准、地方标准、企业标准企业标准4级。级。（1）国家标准）国家标准 强制性标准代号为强制性标准代号为GB、推荐信标准代号为、推荐信标准代号为GB/T。（2）行业标准）行业标准 建材行业标准代号为建材行业标准代号为JC、交通行业标准代号为、交通行业标准代号为JT、建工行业标准代号为、建工行业标准代号为JG等等（3）地方标准）地方标准DB（4）企业标准）企业标准QB1

6、0/29/202110/29/202110/29/20218 8 8第8页/共69页2.其他国家标准（1）世界范围统一使用的国家标准：ISO；（2）美国材料试验学会标准：ASTM；（3）德国工业标准：DIN；（4）英国标准：BS；（5）法国标准：NF；（6）日本标准：JIS。 10/29/202110/29/202110/29/20219 9 9第9页/共69页金字塔金字塔金字塔金字塔金字塔金字塔万里长城万里长城万里长城万里长城万里长城万里长城 布达拉宫布达拉宫布达拉宫布达拉宫布达拉宫布达拉宫罗马园剧场罗马园剧场罗马园剧场罗马园剧场罗马园剧场罗马园剧场 10/29/202110/29/2021

7、10/29/2021101010第10页/共69页第 一 章 土木工程材料的基本性质10/29/202110/29/202110/29/2021111111第11页/共69页 1.1 材料科学的基本理论 1.2 材料的基本物理性质 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料的耐久性10/29/202110/29/202110/29/2021121212第12页/共69页1.1 1.1 材料科学的基本理论10/29/202110/29/202110/29/2021131313第13页/共69页 材料的组成是决定材料性质的最基本因素。材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和 相组成。10/29/20

8、2110/29/202110/29/2021141414第14页/共69页1.化学组成化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。如材料受到酸、碱、盐类物质的侵蚀作用。2.矿物组成材料科学中常将具有特定的晶体结构、具有特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。如天然石材、无机胶凝材料等。矿物组成是在其化学组成确定的条件下的决定材料性质的主要因素。10/29/202110/29/202110/29/2021151515第15页/共69页3.相组成材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相三种形态。同种化学物质由于加工工

9、艺的不同可形成不同的相，同种物质在不同的温度、压力等环境条件下，也常常会转变其存在状态。10/29/202110/29/202110/29/2021161616第16页/共69页土木工程材料大多是多相固体材料，这种由两相或两 相以上物质组成的材料，称为复合材料。复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切的关系。所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面。对于土木工程材料，可通过改变和控制其相组成和界面特性，来改善和提高材料的技术性能。10/29/202110/29/202110/29/2021171717第17页/共69页材料的结构、构造是决定材料性能的另一个极其重要的因素。材料的结构可

10、分为宏观结构、细观结构和微观结构。10/29/202110/29/202110/29/2021181818第18页/共69页材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。土木工程材料的宏观结构，按其孔隙特征分为：1. 致密结构：指具有无可吸水、透气的孔隙的结构。例如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。2. 多孔结构：指具有粗大空隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。3. 微孔结构：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、低温烧结粘土制品。10/29/202110/29/202110/29/2021191919第19页/共69页按其组织构造特征分为：1. 堆聚结构：

11、指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。2. 纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。例如木材、玻璃钢、岩棉、GRC制品等。3. 层状结构：指由天然形成或人工粘结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。如胶合板、蜂窝板、纸面石膏板、各种新型节能复合墙板等。4. 散粒结构：指由松散粒状物质所形成的结构。例如混凝土集料、粉煤灰、细砂、膨胀珍珠岩等。10/29/202110/29/202110/29/2021202020第20页/共69页 细观结构（也称亚微观结构）是指可用光学显微镜观察到的结构。 材料细观结构层次上的各种组织结构，性质和特点各异，

12、它们的特征、数量和分布对土木工程材料的性能有重要影响。10/29/2021第21页/共69页 微观结构是指原子、分子层次的结构。按微观结构材料可分为晶体、玻璃体、胶体。1.晶体质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则，呈周期性排列时所形成的结构称晶体结构。晶体按质点和化学键的不同可分为：原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体。10/29/2021第22页/共69页 原子晶体：中性原子以共价键结合而成的晶体，如石英。 离子晶体：正负离子以离子键结合而成的晶体，如CaCl2。 分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体，如有机化合物。 金属晶体：以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离

13、子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。10/29/2021第23页/共69页2.玻璃体玻璃体亦称为无定型体或非晶体。其结合键为共价键及离子键；玻璃体的结构特征为质点在空间上呈非周期性排列。3.胶体以胶粒（粒径为10-710-10m的固体颗粒）作为分散相，分散在连续相介质（如水、气、溶剂）中，形成的分散体系称为胶体。在胶体结构中又可分为溶胶结构、凝胶结构、溶胶-凝胶结构。10/29/2021第24页/共69页材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。10/29/2021第25页/共69页1.2 1.2 材料的基本物理性质Vm1. 1. 1. 1. 1. 1. 密度密度密度 密度是

14、指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算10/29/202110/29/202110/29/2021262626第26页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021272727除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。测定有孔隙材料的密度时，应将材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其体积。砖、石材等都用这种方法测定密度土木工程中，砂、石等材料内部有些与外部不连通的孔隙，使用时既无法排除，土木工程中，砂、石等材料内部有些与外部不连通的孔隙，

15、使用时既无法排除，土木工程中，砂、石等材料内部有些与外部不连通的孔隙，使用时既无法排除，有没有物质进入，在密度测定时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其有没有物质进入，在密度测定时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其有没有物质进入，在密度测定时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，这时所求得的密度体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，这时所求得的密度体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，这时所求得的密度称为近似密度称为近似密度称为近似密度（）第27页/共69页2.表观密度00Vm10/29/2

16、02110/29/202110/29/2021282828 材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料内部孔隙含水时，其质量和体积均将变化，故测定材料的表观密度时，应注意其含水情况。一般情况下，表观密度是指干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。第28页/共69页3.堆积密度0Vm010/29/202110/29/202110/29/2021292929第29页/共69页比较项目比较项目实际密度实际密度表观密度表观密度体积密度体积密度堆积密度堆积密度材料状态材料状态绝对密实绝对密实近似绝对近似绝对密实状态密实状态自然状态自然状态堆积状态堆积状态材料体积材料体积VV0计算

17、公式计算公式应用应用判断材料性质判断材料性质用量计算、体积计算用量计算、体积计算00VmVmVm00VmV0V同种材料同种材料: 密度表观密度体积密度堆积密度密度表观密度体积密度堆积密度10/29/202110/29/202110/29/2021303030第30页/共69页 1 1. .密实度（D D） 孔隙可从两个方面对材料产生影响：一是孔隙的多少；二是孔隙的特征。或或或PVVD1%100%1000010/29/202110/29/202110/29/2021313131第31页/共69页2.2.孔隙率（P P） 孔隙可从两个方面对材料产生影响：一是孔隙的多少；二是孔隙的特征。%100)-

18、(110000VVVVVP10/29/202110/29/202110/29/2021323232第32页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021333333第33页/共69页0VVPKK0VVPBBBKPPP10/29/202110/29/202110/29/2021343434第34页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021353535第35页/共69页 某岩石的密度为2.75g/cm3,孔隙率为1.5%，将该岩石破碎，测得碎石的堆积密度为1560kg/m3,试求此岩石的表观密度和碎石的空隙率。解：3/30030/002.75 /

19、,1560/,1.5%,1100%,1 1.5%2.752.71 /,15601100%1100%42.4%2710g cmkg m PPg cmP10/29/202110/29/202110/29/2021363636第36页/共69页与空隙率相对应，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。与空隙率相对应，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。与空隙率相对应，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。 1 1 1 1 1 1. . . . . .填充率（填充率（填充率（DDD）1%100%1000000PVVD式中式中式中 D D D材料填充率，材料填充率，材料填充率，% % %。10/29/20

20、2110/29/202110/29/2021373737第37页/共69页空隙率（空隙率（空隙率（PPP）%100)1 (%1000000000VVVPVVVS式中式中式中 P P P材料空隙率，材料空隙率，材料空隙率，% % %。散粒或粉状颗粒之间的空隙体积（散粒或粉状颗粒之间的空隙体积（散粒或粉状颗粒之间的空隙体积（V V VS S S）占堆积体积（）占堆积体积（）占堆积体积（V V V0 0 0）的百分率。）的百分率。）的百分率。10/29/202110/29/202110/29/2021383838第38页/共69页l孔隙率与空隙率的区别比较项目比较项目孔隙率孔隙率空隙率空隙率适用场合

21、适用场合个体材料内部个体材料内部堆积材料之间堆积材料之间作作 用用可判断材料性质可判断材料性质可进行材料用量计算可进行材料用量计算计算公式计算公式）（10010P）（100100P10/29/202110/29/202110/29/2021393939第39页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021404040第40页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021414141第41页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021424242%1001mmmW第42页/共69页10/29/202110/29/20211

22、0/29/20214343432 2.吸水性材料与水接触吸收水分的性质，称为材料的吸水性。当材料吸水饱和时，其含水率称为吸水率吸水率多数情况下按质量计算，但也有按体积计算吸水率的，就是吸入水的体积占材料表观体积的百分率。第43页/共69页10/29/202110/29/202110/29/2021444444第44页/共69页吸水性和吸湿性 材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料材料的吸水（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：的亲水性或憎水性密切相关：的亲水性或憎水性密切相关：uuu 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的

23、水材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水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；开口孔隙越多，材料吸水率越大；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。开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。uuu 亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。 亲水性孔壁使水自动吸入；亲水性孔壁使水自动吸入；亲水性孔壁使水自动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入。憎水性孔壁难以使水吸入。憎水性孔壁难以使水吸入。10/29

24、/202110/29/202110/29/2021454545第45页/共69页1、为什么房屋一楼潮湿？、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决？、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10/29/202110/29/202110/29/2021464646第46页/共69页练习题： 一块标准的普通粘土砖（24011553），干燥时质量为2500g，吸水饱和后质量为2900g,已知密度为2.7g/cm3,求表观密度孔隙率质量吸水率体积吸水率。300025001.7/2411.55.31.71100%1

25、100%36.7%2.7100%16%W16%1.727.2%bgmgvmmg cmVPmmWmW0解：10/29/202110/29/202110/29/2021474747第47页/共69页 式中式中式中 K K KR R R材料的软化系数；材料的软化系数；材料的软化系数； f f fb b b材料在饱和吸水状态下的抗压强度，材料在饱和吸水状态下的抗压强度，材料在饱和吸水状态下的抗压强度，MPaMPaMPa； f f fg g g材料在干燥状态下的抗压强度，材料在干燥状态下的抗压强度，材料在干燥状态下的抗压强度，MPaMPaMPa。gbRffK 10/29/202110/29/202110

26、/29/2021484848第48页/共69页AtHQdK 式中式中式中 K K K材料的渗透系数，材料的渗透系数，材料的渗透系数，cm/hcm/hcm/h； Q Q Q渗透水量，渗透水量，渗透水量，cm3cm3cm3； d d d试件厚度，试件厚度，试件厚度，cmcmcm； A A A渗水面积，渗水面积，渗水面积，cm2cm2cm2； t t t渗水时间，渗水时间，渗水时间，h h h； H H H静水压力水头，静水压力水头，静水压力水头，cmcmcm。10/29/202110/29/202110/29/2021494949第49页/共69页110HP 式中式中式中 P P P材料的抗渗标号

27、；材料的抗渗标号；材料的抗渗标号； H H H材料透水前所能承受的最大水压力，材料透水前所能承受的最大水压力，材料透水前所能承受的最大水压力，MPaMPaMPa。10/29/202110/29/202110/29/2021505050第50页/共69页1.3 1.3 材料的力学性质10/29/202110/29/202110/29/2021515151dEft第51页/共69页第52页/共69页AFfmaxP P PP P PP P PP10/29/202110/29/202110/29/2021535353第53页/共69页 (2)对于矩形截面的条形试件，其抗弯强度有两种情况。 将抗弯试件放

28、在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，抗弯（抗折）强度可用下式计算：2max23bhLFf 10/29/202110/29/202110/29/2021545454第54页/共69页 当在试件两支点的三分点处作用两个相等的集中荷载（P/2），其抗弯强度按下式计算：2maxbhLFf 式中 f材料的抗弯强度，NMPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； L两支点间的距离，mm； b,h试件横截面的宽与高，mm。10/29/202110/29/202110/29/2021555555第55页/共69页l影响材料强度的因素有很多，其中影响材料强度的因素有很多，其中 材料的组成材料的组成 材

29、料的结构材料的结构10/29/202110/29/202110/29/2021565656第56页/共69页 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 工程设计所涉及的材料强度。 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” 比强度材料强度与材料的表观密度之比抗压强度测抗压强度测抗压强度测试试试直接拉伸测试直接拉伸测试直接拉伸测试劈裂拉伸测试劈裂拉伸测试劈裂拉伸测试四点弯曲试四点弯曲试四点弯曲试验验验弹性极限强度：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)强度: 材料破坏(断裂)时的强度f10/29/202110/29/20

30、2110/29/2021575757第57页/共69页（1 1 1）材料在外力作用下产生变）材料在外力作用下产生变）材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复形，当外力去除后能完全恢复形，当外力去除后能完全恢复到初始形状的形状称为弹性。到初始形状的形状称为弹性。到初始形状的形状称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变这种可恢复的变形称为弹性变这种可恢复的变形称为弹性变形。形。形。（2 2 2）材料在外力作用下产生变形，）材料在外力作用下产生变形，）材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料仍保持变形后的当外力去除后，材料仍保持变形后的当外力去除后，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝

31、的性质，形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性。这种不可恢复的变形称为称为塑性。这种不可恢复的变形称为称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形。塑性变形。塑性变形。变变 形形应应 力力变变 形形应应 力力10/29/202110/29/202110/29/2021585858第58页/共69页（3 3 3）在土木工程中有些材料在受力时，）在土木工程中有些材料在受力时，）在土木工程中有些材料在受力时，弹性变形和塑性变形会同时发生，外弹性变形和塑性变形会同时发生，外弹性变形和塑性变形会同时发生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形力去除后，弹性变形恢复，塑性变形力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留，如右图。保留，如右图。保留，如右图。变变形形应应力力弹弹塑塑性性材材料料10/29/202110/29/202110/29/2021595959第59页/共69页 材料在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力与应变的比值，即E式中式中式中 E E E材料的弹性模量，材料的弹性模量，材料的弹性模量，MPaMPaMPa； 材料的应力，材料的应力，材料的应力，MPaMPaMPa； 材料的应变。材料的应变。材料的应变。10/29/202110/29/202110