土木工程材料第一章材料的基本性质

第1章土木工程材料的基本性质第一节材料的组成、结构和构造第二节材料的基本物理性质第三节材料的基本力学性质第四节材料的耐久性第一节材料的组成、结构和构造一、材料的组成化学组成：-----是指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。-----金属材料常以各化学元素含量表示-----无机非金属材料常以各氧化物含量表示-----有机材料常以各化合物的含量表示矿物组成：

矿物是指具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。

矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。它是决定无机非金属材料化学、物理、力学等性质的重要因素。

材料的化学组成不同，则材料的矿物组成就不同；材料的化学组成相同，可以有不同的矿物组成。

相组成：指材料中结构相近、性质相同的均匀部分。

如混凝土是多相材料二、材料的结构与构造宏观结构亚微观结构（显微或细观结构）微观结构第一节材料的组成、结构和构造1、宏观结构（构造）

指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。精细结构肉眼1、宏观结构（构造）材料的宏观结构及其相应的主要特征宏观结构（构造）的分类按孔隙特征分按孔径分按构成形态分宏观结构（构造）的分类按孔隙特征分按孔径分按构成形态分致密结构多孔结构微孔结构宏观结构（构造）按孔隙特征分按孔径分按构成形态分粗大孔隙结构细小孔隙结构极微细孔隙结构宏观结构（构造）按孔隙特征分按孔径分按构成形态分聚集结构纤维结构层状结构散粒结构2、亚微观结构（显微或细观结构）

指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。

该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小和分布。光学显微微镜下的的影像光学显微微镜3、微观观结结构指通过电电子显微微镜、X-射线衍射射仪等手手段来研研究的原原子级或或分子级级结构。。尺寸范范围在10-7-10-10m。扫描电子子显微镜镜下的影影像扫描电子子显微镜镜微观结结构构常见材料主要特征

有固定的几何外形和熔点，部分晶体的硬度、强度较高微观结构晶体

原子、离子或分子按一定规律排列

金刚石、石英、石膏、石灰岩、钢、铁及部分有机化合物。无固定的几何外形和熔点，强度、化学稳定性、导热性较差非晶体

原子、离子或分子以共价键、离子键或分子键结合，但为无序排列（短程有序，长程无序）

玻璃、粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰晶体非晶体（玻璃体）胶体溶胶结构凝胶结构：干凝胶材料的构造造：材料结构单单元的搭配配与组合第二节材材料的基基本物理性性质一、材料的的密度、表表观密度、、堆积密度度二、密实度度、孔隙率率三、填充率率、空隙率率四、与水有有关的性质质一、材料的的密度、表表观密度、、堆积密度度密度度表观密度堆积密度视密度一、材料的的密度、表表观密度、、堆积密度度材料在绝对对密实状态态下单位体体积的质量量。（kg/m3）式中：———密度度(g/cm3、kg/m3)m——材料的干质质量，kg。v——材料在绝对密实状状态下的体体积，m3。测定方法：：用李氏瓶法法、排水法法、几何法法测体积，，天平称干干重。密度表观密度堆积密度视密度一、材料的的密度、表表观密度、、堆积密度度块体材料包包括封闭孔孔隙在内的的单位体积积的质量。。式中：′——表观观密度，kg/m3。m——材料的质量量，kg。v′——包括封闭孔孔在内的体体积，m3。测定：用排液法、、排水法或或几何法。。密度度表观密度堆积密度视密度一、材料的的密度、表表观密度、、堆积密度度材料在自然然状态下单单位体积的的质量。式中：。—表观密度，kg/m3。m—材料的质量，，kg。V。—材料在自然状态下的体积积，m3。测定：封闭开口孔隙隙后，用排液液法或几何法法测体积。密度度表观密密度堆积密密度视密度度一、材材料的的密度度、表表观密密度、、堆积积密度度散粒材材料在在堆积积状态态下单单位体体积的的质量量。（kg/m3）式中：—堆积密密度m—材料的质质量，kg。—材料在堆堆积状态下的的体积，，m3。用容器法法测定体体积。材料的密密度表观密度度堆积密度度视密度二、密实实度、孔孔隙率1、密实实度：是指材料料体积内内被固体体物质充充实的程程度。关系：D+P=12、孔隙隙率：是指材料料体积内内孔隙体体积所占占的比例例。孔隙特征征：有开口孔孔与封闭闭孔、粗粗孔与细细孔之分分，孔隙隙率大小小、孔隙隙特征与与材料的的强度、、抗渗性性、抗冻冻性和导导热性等等直接相相关。材料孔隙隙率示意意图三、填充充率、空空隙率1、填充充率：是指散粒粒材料在在某堆积积体积中中，被其其颗粒填填充的程程度。2、空隙隙率：是指散粒粒材料在在某堆积积体积中中，颗粒粒间的空空隙体积积所占的的比例′′关系：空隙率大大小反映映散粒材材料颗粒粒相互填填充的密密实程度度材料空隙隙率示意意图四、与水水有关的的性质1、亲水水性和憎憎水性2、吸水水性和吸吸湿性3、材料料的耐水水性4、材料料的抗渗渗性5、材料料的抗冻冻性6、材料料的导热热性1、亲水水性和憎憎水性a、亲水性材材料90ºº亲亲水性性=0ºº完完全润润湿b、憎水性材材料>90ºº憎憎水性性=180º完完全不不润湿润湿角(接触角角)：是气、固固、液三三相的交交点沿液液面切线线与液相相和固相相相接触触的方向向所成的的角。产生的原原因：是由水分分子和固固体材料料表面之之间的相相互作用用不同引引起的。。a、当水分子的的内聚力<水分分子与固体体分子间的的吸引力时时,材料表表现为亲水水性。b、当水分子的的内聚力>水分分子与固体体分子间的的吸引力时时,材料表表现为憎水水性。2、吸水性性和吸湿性性⑴吸水性：：材料与水接接触吸收水水分的性质质。含水率：材料中含水水的质量与与干燥状态态下质量之之比。质量吸水率率：材料在水中中吸水达到到饱和时的的含水率。。体积吸水率率：材料吸水达达到饱和时时，吸入水水的体积占占材料自然然状态下体体积的百分分率。吸水性大小小与其内部部孔隙率大大小及孔隙隙特征有关关。⑵吸湿性：材料在潮湿湿空气中吸吸收水分的的性质。平衡含水率率：材料与空气气湿度达到到平衡时的的含水率。。3、材料的的耐水性是指材料长长期在饱和和水作用下下，而不破破坏，其强强度也不显显著降低的的性质。用用软化系数KR表示。材料吸水饱饱和状态下下的抗压强强度f(MPa)KR=———————————————————材料干燥状状态下的抗抗压强度f0(MPa)通常，KR=0～1，当KR>0.85时，为耐水水性材料；；受水水浸浸泡泡或或处处于于潮潮湿湿环环境境的的建建筑筑物物，，则则必必须须选选用用KR>0.85的材材料料建建造造。。4、、材材料料的的抗抗渗渗性性材料料抵抵抗抗压压力力水水渗渗透透的的性性质质。。用用渗渗透透系系数数表表示示：：式中QdK—渗透系数数，cm/h；A—透水面积积，cm2；K=———Q—透水量，，cm3；t—时间，h；AtHd—试件厚度度，cm；H——静水压力力水头，，cm。对混凝土土和砂浆浆，常用用抗渗等等级来表表示：S=10H-1式中：S—抗渗等级级；H—试件开始始渗水时时的水压压力。抗渗性能能与材料料内部孔孔隙率大大小及孔孔隙特征征有关，，抗渗等等级愈高高，抗渗渗性能愈愈好。5、材料料的抗冻冻性指材料在在水饱和和状态下下，能经经受反复复冻融循循环而不不破坏的的性能。。用冻融融循环次次数表示示6、材料料的导热热性当材料两两面存在在温差时时，热量量从材料料的一面面通过材材料传导导到材料料的另一一面的性性质。用用热导率率（导热热系数））表示。。材料的抗抗冻性、、导热性性均与材材料内部部结构的的孔隙率率大小及及孔隙特特征有关关。第三节材材料的基基本力学学性质一、材料料的理论论强度二、材料料的强度度三、弹性性和塑性性四、脆性性和韧性性一、材料料的理论论强度材料的理理论抗压压强度可可表示为为：式中：ft--理论抗压压强度；；E--纵向弹性性模量；；--单位表面面能；d--原子间的的距离。。而材料的的实际强强度往往往远小于于其理论论强度，，主要是是由于材材料内部部构造的的不均匀匀及缺陷陷造成的的。二、材料料的强度度强度：指材料受外外力作用下，抵抗破破坏的能力力。有抗压强强度、抗拉拉强度、抗抗弯强度、、抗剪强度度等。比强度：单位体积质质量材料所所具有的强强度影响因素：：1、内因：指组成、结结构的影响响。2、外因：包括试件尺尺寸和形状状、加荷速速度、环境境温湿度等等因素。三、弹性和和塑性1、弹性：材料在外力力作用下产产生变形，，当外力取取消后，能能够完全恢恢复原来形形状的性质质。这种完完全恢复的的变形称为为弹性变形形（或瞬时时变形）。。如低应力力下的钢材材等2、、塑性性：：材料料在在外外力力作作用用下下产产生生变变形形，，如如果果外外力力取取消消后后，，仍仍能能保保持持变变形形后后的的形形状状和和尺尺寸寸，，并并且且不不产产生生裂裂缝缝的的性性质质。。这这种种不不能能恢恢复复的的变变形形称称为为塑塑性性变变形形（（或或永永久久变变形形））。。四、、脆脆性性和和韧韧性性1、、脆脆性性：：当外外力力达达到到一一定定限限度度后后，，材材料料突突然然破破坏坏，，而而破破坏坏时时并并无无明明显显的的塑塑性性变变形形的的性性质质。。如如玻玻璃璃、、石石材材等等2、、韧韧性性（（冲冲击击韧韧性性））：：在冲冲击击、、震震动动荷荷载载作作用用下下，，材材料料能能够够吸吸收收较较大大的的能能量量，，同同时时也也能能产产生生一一定定的的变变形形而而不不致致破破坏坏的的性性质质。。如如钢钢材材、、木木材材等等荷载变形弹塑性材料的变形曲线脆性材料的变形曲线变形荷载AA图示示第四四节节材材料料的的耐耐久久性性指材料在在长期使使用过程程中，抵抵抗其自自身环境境因素长长期破坏坏作用，，保持其其原有的的性能而而不变质质、不破破坏的能能力。材料的耐耐久性可可有多项项指标表表示。它它是一个个极其复复杂的问问题，受受物理、、化学、、生物等等多种因因素影响响，同时时它也是是一项综综合性质质。思考题与与作业