土木工程材料第一章.

1、第一章 土木工程材料导论1.1 材料的组成与结构一、材料的组成 材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成材料的物相组成：u 固相u 气相u 液相材料的化学组成：u 元素u 化合物化学组成 化学组成是指材料中所含化学成分的种类及其含量。例如： 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（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、CaCO3等。物相组成 固相

2、连续相分散相：纤维与颗粒 气相 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 矿物 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，类似于天然矿物的物相或化合物。 矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量。 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 珠光体化学组成与矿物组成的关系 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CaSO40.5H2O，但它有-、-、- 等3种矿物相。 不同的矿物相，其化学组成可能相同。例如：水泥熟料中

3、的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。 矿物组成相同，其化学组成一定相同。二、 材料的结构 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。 材料结构层次：宏观构造细观结构微观结构尺寸为 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)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

4、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1. 宏观构造 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性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，其尺寸范围在质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： 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； 混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况； 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

5、维轴向平行气泡堆积结构蜂窝结构2 . 细观结构 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。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： 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； 岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相 的堆积结构等；的堆积结构等； 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

6、石的细观结构木材的细观结构3. 微观结构 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。 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（无定形结构）（无序连接） 玻璃体 胶 体 晶 体 结构特点结构特点 晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三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）。 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

7、合键的不同分为：1 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 2）共价晶体）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；3 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 4）金属晶体）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。金属键结合，如：金属材料等。 晶体矿物具有规则的几何外形石英晶体非晶态结构非晶态结构 也称无定型结构。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：

8、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。当固体粒子含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。如：如：CSHCSH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典型土木工程材料的结构和构造

9、 陶瓷质材料：玻璃体、晶体或晶体和玻璃体的复合体。陶瓷质材料中最常见的化学键是共价键和离子键。 硅酸盐材料：SiO2是硅酸盐材料的基本结构单元，主要结构是硅氧四面体。 金属材料：体心、面心和密排六方 高分子材料：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材料中的气相和孔隙 材料中均或多或少地含有气相； 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； 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。材料内部的孔结构 根据孔径尺寸，分为：微孔纳米级孔细孔

10、微米级孔大孔毫米级及以上的孔 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1.2 材料的物理性质一、材料的物理状态参数 密度=m/V 表观密度00=m/V0 堆积密度0 0=m/V0l 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 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。与含水状态有关散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。绝对密实状态 下自然堆聚状态下松散堆积状态下密度、表观密度和堆积密度测量方法 密度 试样 粉末；体积测量排液法。 表观密度 试样 块体；体积测量直接测、蜡封排液法。 堆积

11、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(开口与闭口)体积堆积体积自然状态体积堆积空隙体积 材料的表观密度与其含水状态有关。 通常表观密度要标出其含水量。常用的是两种状态： 材料在干燥状态下的表观密度称为干表观密度，如果不注明的都指的是干燥状态下的表观密度； 材料在吸水饱和面干状态下的的表观密度称为饱和面干表观密度。问题 ？ 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？ 答：密度表观密度堆积密度 为什么？ 答：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。 什么是视密度(近似密度)？如何测

12、量？孔隙率（孔隙率（P P）与密实度（）与密实度（D D）的计算）的计算 1) 孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态： P=1 100% V0-V100%0V0开口孔 开口孔隙率P开=V开/V0闭口孔 闭口孔隙率P闭=V闭/V0 P开+ P闭=P2) 密实度 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、吸水率越小、导热性越大。VV0空隙率（空隙率（PP）与填充率（）与填充率（DD）的计算）的计算 1) 空隙率P 定义：散粒材料间的空隙体积与堆积总体积的比例。 P= =1- V0-V0010

13、0%0V0100%2) 填充率 定义：散粒材料堆积体积中被颗粒体积填充的程度 D= 100% = 1P V0V0例例 题题 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎

14、石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？ 解答：1） Vo=10L, m2=13.5kg; 0 =（m/V0）= 13.5/10 = 1.35 g/cm3 m=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度1。 则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.40 g/cm3 V=18.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.66 g/cm32) P = 10/ 100% =(12.40/2.66)=9.77% 其中： P开= 36/416=8.65% P闭= 9.77%8.6

15、5%=1.12%3) D=1P=90.23% P=10/0 100% =(11.35/2.40)=43.8% D=1P=143.8%=56.2%碎石在水中吸水的质量开口孔隙体积孔隙率测试方法 体积密度法：可以用孔隙的公式计算 饱和吸水法：让材料内的孔隙吸满水，测得的是开口孔隙率 压汞法：在真空状态下把汞压入孔隙内，可测得孔隙率和孔径分布，这种方法一般可测量孔径为0.0035-300m孔隙 氮吸附法：用于测量材料内部小孔的孔隙率二、材料的表面性质1.表面能与表面张力对于固气或液气，材料表面有富余的势能就是表面能。液体的表面能又称为表面张力。能显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂，如减水剂、引

16、气剂等混凝土外加剂。2、固体表面的湿润性 根据水与材料表面的润湿角（接触角）的大小，有：亲水性 0 90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亲水性，这种材料称为亲水性材料。憎水性 90 180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。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。3.毛细现象和吸水性 吸水性材料与水

17、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。 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。亲水性孔壁使水自动吸入；憎水性孔壁难以使水吸入。问题？问题？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

18、细管壁进行憎水处理4.含水率、吸水率、平衡含水率 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; m1材料在含水状态下的质量，g。m1mm吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 质量吸水量： 100%体积吸水量： 100% 式中： m2材料在吸水饱和状态下的质量，g。m2mmm2mV01水平衡含水率 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。三、材料的热学性能 热传导性热量从温度较高的一面传导到温度较低一面，这种性质称为热传导性，用导热系数来表示。影响因素：材料的组成、密度和孔隙特征。金属非金属；多孔材料密实材料封闭孔隙开口

19、连通孔隙湿度对多孔材料的导热系数有较大影响。线膨胀系数材料由于温度上升或下降1时，所引起的线长度与它在0时的线长度之比。影响因素：材料的组成结构有机材料金属材料无机非金属材料非晶体材料晶体材料比热容和热容比热容：单位质量材料在温度升降1K时所吸收或放出的热量。影响因素：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。影响因素：材料的比热容和质量。1.3 材料的力学性质一、力学概念 荷载(Load）轴向荷载 Axial load剪切荷载 Shear Load 应力(Stress) 应变(Strain)AF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

20、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: 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) oLeoLLe二、应力应变曲线(stress-strain curves) 材料中的应力(纵坐标)对应变(横坐标)的图形 该图形给出了材料的行为和性能 每种材料均有不同的应力应变曲线钢材的应力应变曲线00.060.120.180.24Strain0125250375500Stress (MPa)2024-T351 Aluminum Alloy铝合金的应力应变曲线00.0020.004 0.0060.008Strain

21、0125250375500Stress (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三、材料的力学性能及其测量 强度与比强度 弹性与塑性 脆性与韧性 硬度与耐磨性1、强度与比强度 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 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 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

22、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f 钢材拉伸的应力应变曲线 Strain ( ) (e/Lo)41235Stress (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yE E 12y E断裂强度F2、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 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

23、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。 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： 应力应变曲线不是直线而是曲线 应力与应变之比弹性模量不是常数3、脆性和韧性脆性材料在外力作用下，不发生明显的变形而突然

24、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 韧性材料在外力作用下，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， 对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。 对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。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韧性材料受压下的破坏形式韧性材料受压下的破坏形式PPFriction forcesbulgebulge材料韧性的测量 材料韧性用韧度(Toughness)来量度 韧度材料吸收能量

25、的能力。 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 4、硬度与耐磨性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。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。材料的硬度与强度间有很好的相关性四、材料力学性能与组成、结构的关系材料受力破坏机理材料的强度理论材料力学性能与孔隙率的关系1、材料受力破坏机理 断裂 裂缝从材料最薄弱处(或拉应力最大处) 产生与扩展，使材料断裂。 破碎 材料受压时，裂缝在多处产生与扩展，使材料碎裂成小块。 材料的破坏意味着组成材料

26、的质点分离，产生了新的表面(增加表面能)质点结合力弱材料内部的孔隙物相界面2、材料的强度理论 微观强度理论双原子模型理论表面能理论 宏观断裂理论双原子模型理论引 力斥 力净相互作用力离子间距相互作用力两质点间存在两种力内力：引力F引斥力F斥两质点间的引力和斥力都随两点间距的增大而减小。净相互作用力：u在rr0时，为零；u在 rrm时最大Rm。相互作用力与质点(原子、分子、颗粒)间距的关系3、材料力学性能与孔隙率的关系 材料内部的孔隙严重降低强度和刚度：裂缝成为应力集中点，降低材料裂缝起裂应力；孔隙增大质点间距离，减小质点间相互作用力；孔壁实际上是气固界面表面，减少材料破坏所需的能量。 无机非金

27、属材料抗压强度与孔隙率的关系：基本关系：S = So exp (-kp)式中：So 孔隙率为0时材料的强度, p 孔隙率 和k是常数Powers 模型： S = So(1- p)3式中：对于水泥材料，S0为234MPa。相对强度孔隙率立方体强度凝胶体与孔隙体积比1.4 材料的耐久性 材料耐久性与土木工程的服役寿命 影响材料耐久性的因素 材料的耐久性能及其测试方法一、材料的耐久性与工程服役寿命 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。 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。 材料耐久性与工程服役寿命息息相关。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： 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、裂缝等。 外因，材料服役环境因素：物理作用：光、热、雨水、风