第一章土木工程材料基本性质

1、第一章第一章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 第一节第一节 土木工程材料的组成与结构土木工程材料的组成与结构第二节第二节 土木工程材料的基本物理性质土木工程材料的基本物理性质第三节第三节 土木工程材料的力学性质土木工程材料的力学性质第四节第四节 土木工程材料的耐久性土木工程材料的耐久性1-1 组成与结构组成与结构 一、组成一、组成u化学组成化学组成 u矿物组成矿物组成 化学组成不同化学组成不同物理、力学性质不同物理、力学性质不同 化学反应性质不同化学反应性质不同矿物矿物具有一定化学成份和具有一定化学成份和 一定结构特征的化合物或单质。一定结构特征的化合物或单质。矿物组成不同，即使

2、化学组成相同矿物组成不同，即使化学组成相同 材料性质也不同（金刚石、石墨）材料性质也不同（金刚石、石墨）二、结构二、结构 结构分类尺度,mm观察工具宏观100肉眼、放大镜细观103光学显微镜微观107电子显微镜（一）微观结构（一）微观结构1、晶体、晶体结构特征结构特征：晶体特征晶体特征：多晶体材料多晶体材料： 内部质点规则排列内部质点规则排列 各向异性各向异性 最小内能、最大稳定性最小内能、最大稳定性大量晶粒无规律排列大量晶粒无规律排列 各向同性各向同性晶粒越小，分布越匀晶粒越小，分布越匀 材料强度越高材料强度越高金刚石晶体结构金刚石晶体结构石墨晶体结构石墨晶体结构NaCl晶体结构晶体结构2、

3、玻璃体、玻璃体结构特征结构特征：材料特性材料特性：实例实例： 各向同性各向同性热力学不稳定热力学不稳定内部质点排列没有一定规律内部质点排列没有一定规律高炉矿渣高炉矿渣慢冷慢冷晶晶 体体 化学活性低化学活性低快冷快冷玻璃体玻璃体 化学活性高化学活性高玻璃结构（二）、细观结构（二）、细观结构u实例实例：木材的细胞组织木材的细胞组织 岩石的矿物组织岩石的矿物组织u作用：作用：各种组织的性质、数量、分布及其结合情况各种组织的性质、数量、分布及其结合情况 材料整体性质材料整体性质（三）宏观结构（三）宏观结构u分类分类按孔径分类按孔径分类致密结构致密结构多孔结构多孔结构微孔结构微孔结构实例实例平板玻璃平板

4、玻璃泡沫玻璃泡沫玻璃粘土砖粘土砖按形态分类按形态分类纤维纤维层状层状散粒散粒聚集聚集实例实例玻璃纤维玻璃纤维胶合板胶合板 石子石子 混凝土混凝土结构越密实，越均匀结构越密实，越均匀强度越高强度越高名 称含 义体 积 状 态体 积 计 算密 度单 位 体 积重 量绝 对 密 实自 身 体 积表 观 密 度自 然 状 态外 形 体 积堆 积 密 度堆 积 状 态容 器 容 积1-2物理性质物理性质一、密度、表观密度与堆积密度一、密度、表观密度与堆积密度密度算式：密度算式： 思考：体积如何测定思考：体积如何测定?(实有体积、外形体积、容积体积实有体积、外形体积、容积体积)同种材料同种材料: 密度表观

5、密度堆积密度密度表观密度堆积密度Vm二、孔隙、空隙与密实度二、孔隙、空隙与密实度1、孔隙孔隙 孔隙率孔隙率： 孔特征孔特征：2、空隙空隙 材料内部的空隙材料内部的空隙连通性、孔径、孔分布连通性、孔径、孔分布 材料颗粒间的空隙材料颗粒间的空隙-空隙率？空隙率？%1001000VVVP材料外形体积中，材料外形体积中，孔隙体积所占的比例。孔隙体积所占的比例。密实度密实度D=1-P三、亲水性和憎水性三、亲水性和憎水性亲水性材料亲水性材料接触角接触角材料表面对水的吸附程度材料表面对水的吸附程度憎水性材料憎水性材料水与材料接触时水与材料接触时水关系水与材料状态内聚力吸引力水不被吸附接触角 材料性状材料表面

6、水进入毛细管毛细管水材料举例90憎水性 不可浸润 在压力下 凸液面 石蜡四、吸水性和吸湿性四、吸水性和吸湿性1、吸水性吸水性 表示方法表示方法： 影响因素影响因素：材料在材料在水中水中吸收水分的能力吸收水分的能力ddwmmmw吸水率，吸水率， 亲水性、孔隙率、孔特征亲水性、孔隙率、孔特征亲水性亲水性、孔隙率、孔隙率、微细连通孔、微细连通孔吸水性吸水性材料钢铁,玻璃 花岗岩 混凝土 粘土砖木材吸水率00.50.7238201002、吸湿性吸湿性 表示方法表示方法：含水率，：含水率， 影响因素影响因素：从从空气中空气中吸收水分的能力吸收水分的能力 亲水性、孔隙率、孔特征亲水性、孔隙率、孔特征吸附吸

7、附 解吸解吸RH、T RH、Tmmwm含水含mmwm含水含五、导热性和热容量五、导热性和热容量u冬天：室内热量冬天：室内热量室外，室内温度室外，室内温度u夏天：室外热量夏天：室外热量室内，室内温度室内，室内温度传热的三种方式：传热的三种方式：绝热性好、热容量大绝热性好、热容量大室内室内冬暖冬暖夏凉夏凉传导换热、传导换热、 对流换热、辐射换热对流换热、辐射换热1、导热系数和热阻、导热系数和热阻导热系数导热系数 材料传递热量的能力材料传递热量的能力.的影响因素：的影响因素：绝热材料定义：绝热材料定义：12 tQdttA组成、结构，孔隙率、组成、结构，孔隙率、孔隙特征、受潮、受冻孔隙特征、受潮、受冻

8、0.23 w/mk热阻含义热阻含义热阻计算热阻计算dR 热量通过材料时所受到的阻力热量通过材料时所受到的阻力2、比热和热容量、比热和热容量比热比热热容量热容量材料受热时蓄存热量，冷却时放出热量材料受热时蓄存热量，冷却时放出热量 的性能的性能热容，常用比热热容，常用比热C表示：表示： C=Q/m*(t1-t2)比热比热C与材料质量的乘积：与材料质量的乘积：c*m= Q/(t1-t2) 。 材料热容量大，室内温度波动小。材料热容量大，室内温度波动小。六、吸声性和隔声性六、吸声性和隔声性1、吸声系数、吸声系数 2、吸声材料、吸声材料 定义：定义： 选择：选择：01EE被材料吸收的声能被材料吸收的声能

9、入射总声能入射总声能吸声系数吸声系数 0.2的材料的材料分析环境噪声的频率特征分析环境噪声的频率特征 3、隔声量隔声量 室内隔声效果取决于室内隔声效果取决于：20lg10EER 入射总声能入射总声能透过材料的声能透过材料的声能材料质量、弹性模量材料质量、弹性模量 、结构、结构 1-3 力学力学性质性质一、强度与比强度一、强度与比强度1、强度、强度定义定义：分类分类：影响因素影响因素： 抵抗外力破坏的最大应力值抵抗外力破坏的最大应力值 抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度材料内因材料内因组分、结构组分、结构试验条件试验条件试件试件(尺寸、形状、含水率尺寸、形状、含水率) 温度、加

10、荷速度等温度、加荷速度等PPPP强度计算u抗压、抗拉、抗剪：f=Pmax/Au三点抗弯：f弯=3PL/2bh u四点抗弯：f弯=PL/bh222、比强度比强度 定义定义： 作用作用： 实例实例：材料表观密度kg/m3抗压强度MPa比强度低碳钢78504200.053松木500350.070混凝土2400300.013强度强度/表观密度表观密度轻质高强的指标轻质高强的指标二、弹性和塑性二、弹性和塑性u弹性弹性能完全恢复原来形状的性质。能完全恢复原来形状的性质。 塑性塑性不能自动恢复原来形状不能自动恢复原来形状, 且不产生裂缝的性质。且不产生裂缝的性质。u弹性模量弹性模量 E抵抗变形的能力抵抗变形

11、的能力u实际材料实际材料 较小外力作用下，表现为弹性变形；较小外力作用下，表现为弹性变形； 受力超过限度后，表现为塑性变形。受力超过限度后，表现为塑性变形。 受力后，弹性变形与塑性变形同时产生受力后，弹性变形与塑性变形同时产生E变形变形应力应力变形变形应力应力变形变形应力应力弹塑性材料弹塑性材料三、脆性和韧性三、脆性和韧性u脆性脆性 在外力作用下，无明显塑性变形而突然破在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质。坏的性质。u韧性韧性 在冲击或振动荷载作用下，材料能吸收较在冲击或振动荷载作用下，材料能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。变形变形

12、应力应力脆性材料脆性材料1-4 耐久性耐久性u定义定义u破坏作用破坏作用u耐久性试验耐久性试验材料在长期使用过程中，材料在长期使用过程中，能保持原有性能的性质。能保持原有性能的性质。物理作用温湿度、冻融、流水、紫外线物理作用温湿度、冻融、流水、紫外线化学作用酸碱盐水溶液、有害气体、水化学作用酸碱盐水溶液、有害气体、水生物作用虫、菌生物作用虫、菌（快速模拟试验）（快速模拟试验） 干湿循环、冻融循环、化学介质浸渍等。干湿循环、冻融循环、化学介质浸渍等。指标：耐水性、抗渗性和抗冻性指标：耐水性、抗渗性和抗冻性1、耐水性、耐水性破坏原因破坏原因：表示方法表示方法： 耐水材料耐水材料：水的溶解、劈裂作用水的溶解、劈裂作用R R饱饱 K软软 R干干软化系数软化系数K0.852、抗冻性、抗冻性材料受冻破坏的原因材料受冻破坏的原因：表示方法表示方法：影响因素影响因素：水结冰体积膨胀水结冰体积膨胀9