第二章土木工程材料基本性质

1、工业大学本科生课程东南大学材料科学与2015年3月6日东南大学TSINGHUA UNIVE技RSITY PRE究SS所副教授：Phone：happyrisingOffice：材料A楼410房间工程技术基础第二章 土木工程材料基本性质本章主要教学内容与要求u 教学目标掌握：材料各种基本性质的概念。熟悉：主要技术性质的物理意义与影响因素。了解：材料的各性质在工程实践中的意义。u 教学重点材料的物理性质材料的力学性质材料的耐久性能东南大学绿色建材技术研究所土木工程材料的基本性质u 概述u 材料的基本物理性质u 材料的力学性质u 材料的耐久性u 材料的组成、结构与构造东南大学绿色建材技术研究所一、概述

2、31东南大学绿色建材技术研究所土木工程要求材料具备哪些性能土木工程的功能要求的材料性能承受荷载强度、长期可靠性耐久性防水、隔热隔声、防火采光、绝缘物理性能安全性不污染环境土木工程材料如何满足性能要求？东南大学绿色建材技术研究所材料具有材料的基本性能要求材料的组成与结构的性质提出了要求形成了决定了决定了(内因)性质应用提出了技术要求外影因响依据检验验收东南大学绿色建材技术研究所外界环境条件原料生产工艺组成结构构造储存二、材料的基本物理性质32东南大学究所TSINGHUA UNIVERSITY PRESS材料的体积u 绝对密实体积（V ）干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物质的体积。封

3、闭孔开口孔将材料磨成规定细度的粉末，用排液法得到其体积。u 表观体积（V0 ）整体材料（内部孔隙）的外观颗粒内体积。孔隙颗粒间 外形规则直接度量，不规则排液法空隙u 堆积体积（ V）颗粒状材料堆积状态下的总体外观体积既开口孔隙，也颗粒间空隙；用材料占有容器容积大小测量东南大学绿色建材技术研究所材料的体积u 材料的密实体积仅取决于其微观或细观结构，而与宏观结构无关；u 材料的表观体积则与其宏观组成结构有关；u 堆积体积不仅与材料内部的微观结构、细观结构、宏观结构有关，而封闭孔开口孔颗粒内孔隙且还与其颗粒间相互填充与接触的程度有关。颗粒间空隙东南大学绿色建材技术研究所与质量有性质材料的密度、表观密

4、度与堆积密度东南大学绿色建材技术研究所u 体积密度： 材料质量/(固体体积+开口孔体积+闭口孔体积)，蜡封排液法测量u 视密度： 材料质量/(固体体积+闭口孔体积)，排液法测量名称定义表达式备注密度材料在绝对密实状态下,体积的质量。r = mvg/cm3表观密度材料在自然状态下，单位体积的质量。r= m0vo/m3或g/cm3堆积密度材料在堆积状态下，单位体积的质量。r¢ = m0v '0/m3常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度东南大学绿色建材技术研究所材料的孔隙率与空隙率孔隙率（P）u 材料中所含孔隙的多少常以孔隙率表示，它是指材料所含孔隙的体积占材料自然状态下总体

5、积的百分率。材料孔隙示意图密实度（D ）u 材料体积内，被固体物质所充实的程度。与孔隙率概念对应，显然P+D=1东南大学绿色建材技术研究所D = V ´100% r0 ´100%V0rP = V0 -V ´100%(1- r0 ) ´100%V0r材料许多性质都与孔隙率有关， 如强度、热工、声学性质、吸水 性、吸湿性、抗冻性及抗渗性等。材料中孔隙的种类、孔径大小、 孔的分布状态也是影响其性质的 重要因素，通常称之为孔特征。材料的孔隙率与空隙率空隙率（P）u 空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积材料空隙率示意图的百分率。填充率

6、（D）u 材料体填充率是指散粒材料在其堆积体积中， 被其颗粒填充的程度。显然P +D =1东南大学绿色建材技术研究所空隙率反映了堆积材料中颗粒间空隙的多少，它对于研究堆积材料的结构 性、填充程度及颗粒间相互接触连接的状态具有实际意义。D/ = V0 ´100% = r¢ ´100%V ¢r0P/ = V ¢ -V0 ´100% = æ1 - r ¢ ö ´100%V ¢çr ÷è0 ø材料的孔隙率与空隙率u 工程实践表明，堆积材料的空隙率较小时，

7、说明其颗粒间相互填充的程度较高或接触连接的状态较好，其堆积体的结构较好。性也压实度（Ky）u 通常采用压实或振实的方法促使堆积材料形成更为的状态，工程实际中常以压实度作为评定堆积材料结构一。性的指标之东南大学绿色建材技术研究所u 压实度是指颗粒堆积材料被压实的程度。并以经压实后材料实际堆积干密度 与在标准条件下经充分压实所得的最大干密度 之比值表r¢示。 mK= r ¢ ´100%yr ¢m材料与水有亲水性与憎水性性质u 亲水性：与水接触被湿u 憎水性：与水接触时不能被湿u 亲水性材料与水分子之间的分子亲和于水本子间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的亲和

8、力小水本身的分子间的内聚力。u 润湿角：水与材料接触时，在材料、空气三相交点处，沿水表面的切线与固体接触面所成的夹角；其值愈小，材料浸润性越好，越易被湿。u 当材料的润湿角 90°时，为亲水性材料；当润湿角 90°时， 为憎水性材料东南大学绿色建材技术研究所吸水性u 定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其 大小用吸水率表示。质量吸水率体积吸水率u 影响吸水性的因素：u 材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；u 材料的孔隙率；u 孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。东南大学绿色建材技术研究所W=æ mb - m ö V = mb - m ´

9、100%Vçr÷0r×VèWøW0W= mb - m ´100%mm吸湿性u 定义：材料在空气中，吸收潮湿空气中水分的性质， 称为吸湿性。其大小用含水率表示。平衡含水率RH、T吸附解吸材料吸水或吸湿后会对哪些性能有影响？RH、Tu 影响吸湿性的因素：v 材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；v 材料的孔隙率；v 孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；v 周围空气的温度和湿度东南大学绿色建材技术研究所W= ms - m´100%hm材料的耐水性u 定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低的性质， 称为耐水性。其衡量指标为：软

10、化系数u 软化系数越小，说明材料吸水饱和后青砖房屋和红砖房屋被水泡后哪种容易倒塌，为什么？的强度降低越多，其耐水性越差。东南大学绿色建材技术研究所K= fb Rfg材料的抗渗性u 定义：材料抵抗衡量指标：水渗透的能力。HQ影响材料抗渗性的因素有哪些？渗透系数Ks，cm/hKs越大，材料的抗渗性越差。AQdK =sAtHd对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级Pn表示。混凝土的抗渗等级以每组六个试件中四个试件未出现渗水时计算，其计算式为： Pn =10H1的最大水H六个试件中三个渗水时的水，MPa。东南大学绿色建材技术研究所材料的抗冻性u 定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融 循环作用而不破

11、坏，强度也不显著降低的性质。u 衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%（动弹性模量下降40%，快冻法）。材料的孔隙率越大，其抗冻性是否越差？u 冻融破坏的孔隙及孔隙水孔隙水结冰材料开裂饱水程度增加开裂加剧 材料冻融破坏及过程：东南大学绿色建材技术研究所材料与热有性质导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（）表示。Q = l (T1 -T2 ) ×A × tQdA(T1 - T2 ) × tl =d导热系数（W/m.K）Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） d材料的厚

12、度（m）t热传导时间（s）式中Qt1t2A(T2-T1)材料两侧温差（K）为什么新建房屋的保温性能较差？绝热材料：<0.23 W/(m·K)东南大学绿色建材技术研究所材料的热工性质u 导热系数Qdl =A(T - T ) × t12u 比热容Qc =m × (t1 - t2 )u 导温系数a = l r × cu 线膨胀系数L=(t2t1)·· L材料的导热系数、热容量是物围护结构（墙体、屋盖）热工计算的重要参数，设计计算用热容量较大而导热系数较小的东南大学绿色建材技术研究所材料，以使物保持室内温度的性。性 能定 义公 式影响因

13、素热传导性热量从温度较高的一面传导到温度较低的一面，这种性质称为热传导性，用导热系数来表示 = Q·D/Z·A·t材料的组成、密度和孔隙特征比热容质量材料，在温度升降 1K 时所吸收或放出的热量。材料的组成结构热 容某块材料在温度升降 1K 时所吸收或放出的热量。C = c × m材料的比热容与质量线膨胀系数材料由于温度上升或下降 1°C 时， 所引起的线长度与它在 0°C 时的线长度之比。材料的组成结构材料与热有性质u 耐燃性：物着火时，材料能经受高温与火的作用而不破坏，强度也不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。 不燃烧类。或遇高温

14、不易起火，不燃烧，且不碳化的材料；有普通石材、混凝土、砖、金属等各种无机类材料。 难燃烧类。或遇高温不易燃烧、不碳化，只有火源持续时才能继续燃烧，火焰熄灭燃烧即停止的材料；有沥青混凝土、等有机无机复合材料。经防火处理的木材、某些 燃烧类。或遇高温容易引燃而着火，火源移去后仍能继续燃烧的材料；有木材、沥青、油漆、高分子粘结剂等有机材料。u 耐火性：材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本而不损坏的性质称为材料的耐火性。 耐火材料 耐火度不低于1580的材料，如硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等耐火砖。 难熔材料 耐火度为13501580的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。材料 耐火度低于1350，

15、如普通粘土砖等。东南大学绿色建材技术研究所材料与声有性质u 当声波遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的声能转化为热能而被吸收。u 吸声性和吸声系数材料吸收声音的性质称为吸声性，以吸声系数表示：E1式中：吸声系数；E1 被材料吸收的声能；E0入射到材料表面的总声能。a =E0吸声材料：吸声系数（六个频率的平均）> 0.2的材料u 隔声性和隔声量材料隔绝声音的性质称为隔声性，以隔声量R表示：R = 10 lg E0式中：R隔声量，分贝（dB）;E2 透过材料的声能；E2隔声材料材质：密实无孔隙、有较大重量；吸声材料多孔。东南大学绿色建材技术研究所三、材料的力学性质3东南大学

16、究所TSINGHUA UNIVERSITY PRESS材料的力学性质Mechanical Properties of materialsu 力学性质是指材料抵抗外力的能力及其在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下所表现的强度和变形特性来描述。工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形()为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和，选择材料u 强度与比强度u 弹性与塑性u 脆性与韧性u 硬度与耐磨性东南大学究所TSINGHUA UNIVERSITY PRESS强度u 强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力，是保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度，以承受荷载的大小表示u 根据荷载种

17、类与作用方向，强度有：Ø 抗压强度Ø 抗拉强度Ø 抗弯强度Ø 抗剪强度面积上所能劈裂拉伸测试直接拉伸测试四点弯曲试验抗压强度测试东南大学绿色建材技术研究所土木工程材料常用结构材料MPa）的强度值范围（东南大学绿色建材技术研究所强度与比强度u 工程设计所涉及的材料强度。弹性极限强度：材料应力应变曲线上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u 材料的强度本质上就是其内部质点间结合力的表现。不同的宏观或细观结构，往往对材料内质点间结合力的特性具有决定性的作用，从而使材料表现出大小不同的宏观强度或变形特性。

18、u 材料内质点间的结合力、孔隙率愈小、孔隙分布得愈均匀或内部缺陷愈少时，材料的强度可能愈高。u 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”u 比强度材料强度与材料的表观密度之比东南大学绿色建材技术研究所s fr 0比强度衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，即：fr0比强度几种材料的强度比较东南大学绿色建材技术研究所材料表观密度(kg/m3)强度f (MPa)比强度（f/ o）低碳钢78604200.054松木（顺纹抗拉）5001000.200钢（抗弯）20004500.225铝合金28004500.160混凝土（抗压）2400600.025弹性

19、与塑性u 材料的断裂与变形外力作用下材料的断裂就意味着工程结构的破坏，此时材料的极限强度就是确定工程结构承载能力的依据。有些材料在外力作用下质点间的相对位移或滑动过大， 也可能使工程结构丧失承载能力或正常使用状态，这 种宏观表现就是材料的变形。u 卸载后材料变形行为u 变形可完全恢复u 变形不可恢复或部分恢复东南大学绿色建材技术研究所弹性与塑性u 弹性Ø 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全 恢复原来形状和大小的性质称为弹性；这种可恢复的 变形称为弹性变形Ø 具有这种性质的材料称为弹性材料；Ø 根据其应力应变曲线，有:线弹性和非线弹性。u 塑性线弹性特征

20、：Ø 当撤去外力或外力恢复到Ø原应受力力与状应变态成，正材比料；仍保持变、并不发Ø生应裂力缝的应变性曲质线称是为一塑条直性线；这形后形状和种不可恢复的变形称为塑Ø性应变力形与。应变之比(直线斜率)是弹E = sØ 具有这种性质的材料称为塑性性模材量料，；为常数。Ø 应力应变曲线是非线性的，每处”应力/应变”各异e 。东南大学绿色建材技术研究所与弹性模量: 材料抵抗变形能力的量用弹性模量（E）来测量uu 弹性模量：应力与应变之比s-e曲线上的斜率u 例如: 对拉伸构件弹塑性变形PPEAu 大多数材料在受力时的变形既有弹性变荷载形，也有塑

21、性变形。但不同的材料，或同一材料的不同受力阶段，可能以弹性变形为主，或以塑性变形为主。u 材料在受力后两种变形同时产生，撤去外力后，弹性变形可以恢复，而塑性变形则不能恢复，此类变形称为弹塑性变形，此类材料称为弹塑性材料。Aba变形O东南大学绿色建材技术研究所d = PLEAE = se度， dsE=de东南大学绿色建材技术研究所脆性和韧性u 脆性Ø 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；Ø 其应力应变曲线下的面积很小。Ø 具有这种性质的材料称为脆性材料。对u 韧于性脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。对于Ø韧材料性在材外料力

22、，作极用限下，强能度吸高收于大破量坏能量（并断能裂承）受强较度大的。变形而不至于破坏的性能，称为韧性。Ø 其应力应变曲线下的面积较大，该面积就是其破坏前吸收的总能量。Ø 具有这种性质的材料称为韧性材料。Ø 衡量材料韧性的指标是冲击韧性值。东南大学绿色建材技术研究所硬度和耐磨性u 硬度：材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体刻划、压入其表面的能力。通常硬度与强度具有相关性。u 测定：刻划法（摩氏硬度）；压入法（洛氏硬度、布氏硬度）。u 耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率（G）表示。u 材料的磨损率G值越低，表明该材料的耐磨性越好。耐磨性也较好。硬度较高的材料，u

23、材料的硬度和耐磨性均与其内部结构、组成、孔隙率、孔特征、表面缺陷等有关。东南大学绿色建材技术研究所G = m1-m2A四、材料的耐久性34东南大学究所TSINGHUA UNIVERSITY PRESS材料的耐久性抵抗各种环境因素的长期作用，并保持u 材料在使用过其原有性能而不破坏、不变质的能力称之为耐久性。u 耐久性是材料的一种综合性质，材料的抗冻性、耐热性、大气性和耐腐蚀性等。环境因素的破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。东南大学绿色建材技术研究所u 提高耐久性的措施 根据使用环境选择材料的品种； 采取各种材料的孔隙率与孔特征；材料的表面状态，增强抵抗环境作用的能力； 减轻介质对材料

24、的破坏u 影响耐久性的环境因素 物理作用 化学作用 生物作用 多因素共同作用u 影响耐久性的内在因素 材料的组成与结构 强度、表面状态 孔隙率、孔特征等土木工程材料耐久性与破坏因素的东南大学绿色建材技术研究所破坏因素破坏原理破坏因素评定指标渗透物理水、静水渗透系数、抗渗等级冻融物理、化学水、冻融作用抗冻等级、耐久性系数冲磨气蚀物理流水、泥砂磨蚀率碳化化学CO2、H2O碳化深度化学侵蚀化学酸、碱、盐及其溶液*老化化学阳光、空气、水、温度交替*钢筋锈蚀物理、化学H2O、O2、氯离子、电流电位锈蚀率碱集料反应物理、化学R2O、H2O、活性集料膨胀率生物H2O、O2、菌*虫蛀生物昆虫*热环境物理、化学

25、冷热交替、晶型转变*火焰物理高温、火焰*五、材料的组成、结构与构造35东南大学究所TSINGHUA UNIVERSITY PRESS材料的组成u 化学组成指材料的化学元素及化合物的种类与数量。u 矿物组成通常将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成是指u 相组成材料的矿物的种类和数量。材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。复合材料的性质与其材料的相组成和界面特性有密切。所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面。东南大学绿色建材技术研究所材料的结构与构造u 宏观结构密实结构、微孔结构、多孔结构纤维结构、层状结构、散粒结构堆积结构u 亚微观结构（细观结构）：（10-310-9m