物质的存在状态,受力时的变形性能,界面性能,断裂与强度-建筑材料

1、第 1 章 建筑材料科学基础材料的定义为了达到特定的目的，而为人类所使用的物质。材料是由一定配比的若干相互作用的元素所构成，具有一定的结构层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。土木工程师需要具有的材料知识材料的使用性能：它们在使用中的行为? 材料对外界作用的反应。强度、体积稳定性、耐久性、工作性材料性能的本质：它们为什么有这么行为?材料组成、结构与性能的关系材料性能的利用和改善：我们可以做哪些来改善他们的行为?本书所涉及的建筑材料：承受荷载的结构工程材料主要关心其力学性能、变形性能（体积稳定性）、耐久性能、工作性能。内 容1.1 物质的存在状态与结合力1.2 物体受力

2、时的变形性能1.3 固体的界面行为1.4 材料的断裂与强度本章不系统教授材料科学理论，只讨论涉及建筑材料性能的几个方面。第 1 章 建筑材料科学基础1.1 物质的存在状态与结合力 世界上所有物质由100余种元素组成。不同化学组成的物质具有不同的性质，同样化学组成的物质也可能具有不同性质。 物质的三种单相存在状态：气体、液体、固体 胶体物质：复相物质，由气、液、固三种物质中的两种构成的高分散体系。1.1.1 固体物质具有确定的宏观外形（不可自由变形）的物质。组成固体的内部质点彼此之间有相对固定的几何关系。使质点保持这种几何关系的作用力即化学键。固体物质可分为：晶体（如金属）与非晶体（如玻璃）包含

3、什么？第 1 章 建筑材料科学基础 原子间力引力fa：原子间异性电荷的相互吸引力 ，随原子间距的减小而呈指数增长。斥力fr ：原子间同性电荷的相互排斥力及电子云相互 重叠所引起的斥力。第 1 章 建筑材料科学基础rrrFU斥力引力r0fafrftUaUrUt原子间相互作用力（F）、能量（U）与原子间距（r）的关系dU/dr=0当 I fa I=I fr I，合力为零，原子处于稳定状态，体系的能量最低。此时所对应的能量E0为物质中原子的结合能。第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础从物质内部原子间作用力与间距，原子间结合能与间距的关系，可得出如下结论：1）当材料受拉或受压时，外

4、力和材料长度成正比，即著名的虎克定律（F=kr），Fr曲线在r=r0时的斜率即为通常定义的材料弹性模量（刚度）。2）Fr曲线在平衡位置两侧是对称的，所以材料的刚度在拉伸和压缩时相同。第 1 章 建筑材料科学基础3）原子间引力存在最大值，即材料受拉应力有极限值。4）原子间斥力可以无限增大，所以材料不会受压破坏，在压力作用下材料破坏仍由材料内拉应力或剪切应力达到其极限值而引起。5）温度升高，原子震动加剧，其间距增大，因而材料受热时向各向膨胀；由于原子震动将削弱原子间的结合强度，因此温度升高，材料抗拉强度降低。第 1 章 建筑材料科学基础1.1.2 胶体物质由具有物质三态(固、液、气）中某种状态的高

5、分散粒子作为分散相，分散于另一相（分散介质）中所形成的系统。 特性：流变性；聚结不稳定性；触变性常见固液两相胶体种类：溶胶，凝胶 第 1 章 建筑材料科学基础问题：试举出生活中常见胶体的例子？沥青，果冻，水泥浆， 泥浆胶体的例子分散相周围相类型例子气体液体固体泡沫固体泡沫肥皂水引气混凝土液体气体液体气雾乳状液烟雾, 喷雾乳化沥青固体气体液体固体烟雾固体分散的固体硅灰, 粉煤灰水泥浆土悬浮液氧化钍镍合金触变性与反触变性触变性： 泥浆在静置以后变稠和凝固，但再次搅拌则可恢复原来的流动状态。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而减小。反触变性： 泥浆在搅拌时变稠和凝固，静止以后又可恢复原来的流动状态。即泥

6、浆的粘度随剪切变形速率增大而增大。第 1 章 建筑材料科学基础混凝土路面摊铺钻井泥浆结构基础下的流砂和土壤液化触变性的应用：滑模摊铺滑模摊铺土壤液化液化就是饱和砂质土壤由地震导致突然失去强度. 摇动引起饱和的土壤沉淀下来,占有更小的体积. 土地“液化” ，结构物就处在水层上. 引起建筑物沉降，倾斜，土坝失效. 为了探测一个地区是否易于液化, 必须钻深达30 m的孔洞分析土壤的地质概况 。费用的原因，这项工作很少去做。 土壤液化日本，新滹,1964流体能自由变形固体不能自由变形理想刚体与实际材料的差异第 1 章 建筑材料科学基础1.2 物体受力时的变形性能弹模无限大内部质点相对位置固定有限弹模内

7、部质点相对位置可变第 1 章 建筑材料科学基础1.2.1. 弹性体1）应力正应力：剪切应力：应力单位：N/m2 (Pa), N/mm2 (MPa)FFA1A2FA第 1 章 建筑材料科学基础2) 应变正应变:剪切应变:应变无量纲LLLL第 1 章 建筑材料科学基础3)应力与应变的关系E称为杨氏弹性模量G称为剪切模量E，G 的量纲：Pa, MPa, GPa只发生弹性变形的物体称为弹性体。0E虎克定律第 1 章 建筑材料科学基础4)材料的泊松比（Poissons Ratio) ：材料的泊松比LLLLL第 1 章 建筑材料科学基础几种典型材料的弹性模量及泊松比第 1 章 建筑材料科学基础5)材料的体

8、积模量在弹性范围内，固体在各向相同的应力（）作用下，其自身的体积变化（V=V2-V1）与所加应力之间服从如下关系：K 称为材料的体积模量第 1 章 建筑材料科学基础6)固体材料常数之间的关系四个材料常数（E，G，K，）中，只有两个是独立的，对各向同性材料，有因为为了在变形过程中使物体体积不变，应有=0.5，此为理想流体。只有橡胶的泊松比接近0.5。第 1 章 建筑材料科学基础一般金属材料的泊松比为0.290.33。大多数无机非金属材料的泊松比为 0.20.25。这些材料在单向拉伸时体积增大。因为拉应力作用方向上原子间距地增加会促使侧向收缩，但原子之间的排斥力又会限制这种收缩，使其达不到维持体积

9、不变所必需的收缩量。第 1 章 建筑材料科学基础7)弹性变形能1.2.2. 理想流体（牛顿流体） 组成流体的微粒可以自由运动，所以即使很小的外力也可以引起流体的不可逆流动。对于理想流体：第 1 章 建筑材料科学基础：粘性系数（粘度）液体具有体积模量，但没有剪切模量。固体既具有体积模量，也有剪切模量。 是否具有剪切模量，是固体与液体的区别所在。1.2.3. 塑性体 剪切应力小于屈服应力时不发生变形；当剪切应力达到屈服应力时立即发生极大剪切变形。 这种在瞬间发生的极大变形，称为塑性流动。 具有这种性质的理想物体称为塑性体。第 1 章 建筑材料科学基础1.2.4. 真实物体 同时具有弹性、粘性和塑性

10、。真实物体在外力的作用下产生的变形，特别是与作用时间有关的变形，是流变学研究的内容。第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础1.2.5. 粘弹性应变随时间逐渐增加，趋近极限徐变应力松弛粘性迄今为止讨论的材料性能均为材料对应力的短期响应。 如果材料是理想的弹性体，只需要考虑一种响应。但大多数建筑材料存在对应力的附加响应成分，它是随时间变化的。材料的变形随受力时间延长而增加，这种性能叫材料的粘性。第 1 章 建筑材料科学基础混凝土徐变tt=00t不可恢复变形-塑性粘性系数或粘度第 1 章 建筑材料科学基础新拌水泥浆剪切变形与时间的关系tt=00t粘性系数

11、或粘度第 1 章 建筑材料科学基础粘弹性材料既具有弹性性质，又具有粘性性质，我们称该材料为具有粘弹性的材料。问题：如何用流变学模型来描述材料的粘弹性？t0t第 1 章 建筑材料科学基础描述材料粘弹性的基本流变学模型a)弹性元件b)粘性元件c)塑性元件abcf 为两滑块间的最大摩擦力第 1 章 建筑材料科学基础麦克斯韦（Maxwell）模型（通常用来描述混凝土徐变及应力松弛）SF因为：有：第 1 章 建筑材料科学基础两式相加，得到Maxwell流变方程Maxwell模型同时具有弹性和粘性。由于串联粘性元件，在微小外力作用下，变形将持续增加。Maxwell模型本质上是液体。对恒定荷载： = 0时E

12、，纯粘性体 ，纯弹性体第 1 章 建筑材料科学基础tt=00/E当应力不变时应变逐渐增加的现象称为徐变问题：当t 时， ，是否合理？例如混凝土徐变tt=00/E第 1 章 建筑材料科学基础对恒定变形： = 0时 解此微分方程，并注意当t=0时 = 0 ，有 t0t=0应力松弛公式在一定时间内，应力松弛程度取决于材料参数E与的比值。第 1 章 建筑材料科学基础开尔文（Kelvin）模型 = 0时, 解此微分方程，并注意当t=0时=0，有当t 时 ，=0/EEt0/E开尔文模型推迟模型如果只有弹性元件，当应力作用时，应变立即达到最大值。当并联粘性元件后，应变被推迟了。如果开尔文模型在发生应变 0

13、后突然卸载， = 0，有：即卸载后应变逐渐减小，称为弹性后效。Maxwell 模型 - 松弛时间理想固体: 能够无限的承受应力, 即 = 。理想流体:松弛与加载同时完成, 例如水的松弛时间为=10-11s。短长理想固体理想流体Maxwell 模型 - 松弛时间松弛时间 恒定，如果加载速度足够快, t , 那么材料呈现流动性。例如 ，许多聚合物如沥青。徐变 与 加载速度Raphael在大坝混凝土的试验研究中认为，提高压应力的加载速率3个数量级(地震中可能出现的情况) 强度提高大约30%。相对于加载速度为0.2 MPa/s时的百分比应用麦克斯韦模型与开尔文模型模拟徐变现象时的异同。t0/Ett=0

14、0/E第 1 章 建筑材料科学基础f宾汉姆（Bingham）模型:某些材料，如油漆，从流动性方面看似乎是粘性液体；但将其刷在垂直墙面，却可以承受一定的剪应力而不流走，又具有固体的性质。可用右图所示模型表示：第 1 章 建筑材料科学基础当 f 时， =0，所以d /dt=0当 f 时，d /dtf第 1 章 建筑材料科学基础2）求解如图所试体系的流变方程，并分析恒定应力及恒定应变两种特例，做t及t图。E1E2第 1 章 建筑材料科学基础1.3 固体界面行为任何材料都是以各种性质的界面相临接的。 固 固界面；固 气界面；固 液界面 （ 表面）界面：两个相之间的分界面。表面：界面的一种，固-气界面表

15、面的特殊性：化学键不饱和，具有表面能。纳米材料科学的发展。第 1 章 建筑材料科学基础考虑边长分别为1000个和10个原子的立方体，表面原子数占总原子数的比例。第 1 章 建筑材料科学基础1.3.1 表面能与表面张力1）表面张力：液体或固体表面上存在着一种力图缩小表面的张力，我们称这种张力为材料的表面张力。通常用单位长度上的力来表示(N/m）。2）表面能：把材料内部的原子移到表面，需要克服原子间的引力而做功。形成单位表面所做的功即为材料的表面能 (J/m2)。第 1 章 建筑材料科学基础3) 表面能与表面张力的关系在液体状态下，表面能与表面张力等值。可扩展框中的肥皂膜实验表面能，U肥皂膜xfL

16、固体表面能与表面张力不等第 1 章 建筑材料科学基础1.3.2 吸附、湿润与粘附 1）吸附由于固体或液体表面存在着大量具有不饱和键的原子或离子，它们都能吸引外来的原子或分子而产生吸附。吸附的作用：可改变固体表面的结构和性质，如降低材料的表面能及强度（由于吸附使微裂纹表面能下降。第 1 章 建筑材料科学基础2）润湿当液体与固体表面相结触时，能使固体的表面能降低，这种现象称为润湿。润湿的程度与两相之间的表面张力有关。Alvslsv蒸气液体固体（1）0sv- sl lv 则 90o,固体能被液体润湿（2）sv- sl= lv 则 =0，固体完全被液体润湿（3）sv 90o，固体不能被液体润湿毛细作用

17、：毛细管半径为r，表面张力为LV，则有：第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础1.4 材料的断裂与强度材料抵抗外力破坏的能力称为材料的强度，通常用材料所受极限应力来表达。1.4.1 材料的实际强度与理论强度(1)定义:理论强度：克服固体内部质点间的结合力，形成两个新表面时所需应力的大小。实际强度：通过试验测得的强度为材料的实际强度。第 1 章 建筑材料科学基础第 1 章 建筑材料科学基础(2) 理论强度的推算Orowan原子间力与原子间距的关系模型 th为理论结合强度, 为正弦曲线的波长。分开单位面积原子平面所做的功W为xoa0/2th设材料表面能为U（形成单位表面积所需要的

18、能量），则W2U。有：第 1 章 建筑材料科学基础如何求解？由虎克定律： a为晶格间距 第 1 章 建筑材料科学基础实际材料中只有一些极细的纤维和晶须，其实际强度接近理论强度，例如：熔融的石英玻璃纤维的强度可达24.1GPa，约为E/4。实际尺寸较大的材料的实际强度远比理论强度低。那么，这是为什么？第 1 章 建筑材料科学基础1.4.2 微裂纹理论1）应力集中Inglis 结果：2a2bxyxy,maxx,maxyx第 1 章 建筑材料科学基础2）断裂模式（裂纹尖端过程区的概念）小中大脆性亚脆性塑性第 1 章 建筑材料科学基础3）Griffith 能量理论（适用于脆性材料）设有一块无限大的单位厚度的薄板，在均匀外力作用下产生一条长度为2a的微裂纹，生成微裂纹时，其周围材料弹性应变能减少量为：形成裂纹所需的表面能：2a第 1 章 建筑材料科学基础3）Griffith 能量理论（适用于脆性材料）裂纹扩展所需的能量为：当dW/da=0时，裂纹将自动扩展相应的应力为临界应力，裂纹长度为临界裂纹长度，即能量aTUWa0断裂强度判据