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

第1章

建筑资料科学根底资料的定义为了到达特定的目的，而为人类所运用的物质。资料是由一定配比的假设干相互作用的元素所构成，具有一定的构造层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。土木工程师需求具有的资料知识资料的运用性能：它们在运用中的行为?资料对外界作用的反响。强度、体积稳定性、耐久性、任务性资料性能的本质：它们为什么有这么行为? 资料组成、构造与性能的关系资料性能的利用和改善：我们可以做哪些来改善他们的行为?

本书所涉及的建筑资料： 接受荷载的构造工程资料主要关怀其力学性能、变形性能〔体积稳定性〕、耐久性能、任务性能。内容1.1物质的存在形状与结合力1.2物体受力时的变形性能1.3固体的界面行为1.4资料的断裂与强度本章不系统教授资料科学实际，只讨论涉及建筑资料性能的几个方面。第1章建筑资料科学根底1.1物质的存在形状与结合力世界上一切物质由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能够具有不同性质。

物质的三种单相存在形状： 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〔不可自在变形〕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。使质点坚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〕包含什么？第1章建筑资料科学根底原子间力引力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章建筑资料科学根底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IfaI=IfrI，合力为零，原子处于稳定形状，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章建筑资料科学根底第1章建筑资料科学根底 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〕当资料受拉或受压时，外力和资料长度成正比，即著名的虎克定律〔F=kr〕，F~r曲线在r=r0时的斜率即为通常定义的资料弹性模量〔刚度〕。2〕F~r曲线在平衡位置两侧是对称的，所以资料的刚度在拉伸和紧缩时一样。第1章建筑资料科学根底3〕原子间引力存在最大值，即资料受拉应力有极限值。4〕原子间斥力可以无限增大，所以资料不会受压破坏，在压力作用下资料破坏仍由资料内拉应力或剪切应力到达其极限值而引起。5〕温度升高，原子震动加剧，其间距增大，因此资料受热时向各向膨胀；由于原子震动将减弱原子间的结合强度，因此温度升高，资料抗拉强度降低。第1章建筑资料科学根底1.1.2胶体物质 由具有物质三态(固、液、气〕中某种形状的高分散粒子作为分散相，分散于另一相〔分散介质〕中所构成的系统。

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章建筑资料科学根底问题：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，但再次搅拌那么可恢复原来的流动形状。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形状。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而增大。第1章建筑资料科学根底 混凝土路面摊铺 钻井泥浆 构造根底下的流砂和土壤液化触变性的运用：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忽然失去强度.摇动引起饱和的土壤沉淀下来,占有更小的体积.土地“液化〞，构造物就处在水层上.引起建筑物沉降，倾斜，土坝失效.为了探测一个地域能否易于液化,必需钻深达30m的孔洞分析土壤的地质概略。费用的缘由，这项任务很少去做。土壤液化

日本，新滹,1964流体能自在变形固体不能自在变形理想刚体与实践资料的差别第1章建筑资料科学根底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部质点相对位置可变第1章建筑资料科学根底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章建筑资料科学根底2)应变正应变:剪切应变:应变无量纲LLLL第1章建筑资料科学根底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章建筑资料科学根底4)资料的泊松比〔Poisson’sRatio)：资料的泊松比L’LL’L

L’第1章建筑资料科学根底几种典型资料的弹性模量及泊松比第1章建筑资料科学根底5)资料的体积模量在弹性范围内，固体在各向一样的应力〔〕作用下，其本身的体积变化〔V=V2-V1〕与所加应力之间服从如下关系：K称为资料的体积模量

第1章建筑资料科学根底6)固体资料常数之间的关系 四个资料常数〔E，G，K，〕中，只需两个是独立的，对各向同性资料，有由于为了在变形过程中使物体体积不变，应有ν=0.5，此为理想流体。只需橡胶的泊松比接近0.5。第1章建筑资料科学根底普通金属资料的泊松比为0.29～0.33。大多数无机非金属资料的泊松比为0.2～0.25。这些资料在单向拉伸时体积增大。由于拉应力作用方向上原子间距地添加会促使侧向收缩，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不变所必需的收缩量。第1章建筑资料科学根底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在运动，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章建筑资料科学根底η：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。能否具有剪切模量，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；当剪切应力到达屈服应力时立刻发生极大剪切变形。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章建筑资料科学根底1.2.4.真实物体同时具有弹性、粘性和塑性。

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，是流变学研讨的内容。第1章建筑资料科学根底第1章建筑资料科学根底第1章建筑资料科学根底1.2.5.粘弹性应变随时间逐渐添加，趋近极限徐变应力松弛粘性迄今为止讨论的资料性能均为资料对应力的短期呼应。假设资料是理想的弹性体，只需求思索一种呼应。但大多数建筑资料存在对应力的附加呼应成分，它是随时间变化的。资料的变形随受力时间延伸而添加，这种性能叫资料的粘性。第1章建筑资料科学根底混凝土徐变

tt=00t不可恢复变形-塑性粘性系数或粘度第1章建筑资料科学根底新拌水泥浆剪切变形与时间的关系

tt=00t粘性系数或粘度第1章建筑资料科学根底粘弹性资料既具有弹性性质，又具有粘性性质，我们称该资料为具有粘弹性的资料。问题：如何用流变学模型来描画资料的粘弹性？

t0t第1章建筑资料科学根底描画资料粘弹性的根本流变学模型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章建筑资料科学根底麦克斯韦〔Maxwell〕模型〔通常用来描画混凝土徐变及应力松弛〕

SF由于：有：第1章建筑资料科学根底两式相加，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，变形将继续添加。Maxwell模型本质上是液体。对恒定荷载：=0时E，纯粘性体，纯弹性体第1章建筑资料科学根底

tt=00/E当应力不变时应变逐渐添加的景象称为徐变问题：当t时，，能否合理？例如混凝土徐变

tt=00/E第1章建筑资料科学根底对恒定变形：=0时解此微分方程，并留意当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资料参数E与的比值。第1章建筑资料科学根底开尔文〔Kelvin〕模型=0时,解此微分方程，并注意当t=0时=0，有当t时，=0/E

E

t0/E开尔文模型——推迟模型假设只需弹性元件，当应力作用时，应变立刻到达最大值。当并联粘性元件后，应变被推迟了。假设开尔文模型在发生应变0后忽然卸载，=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:可以无限的接受应力,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，假设加载速度足够快,t<,那么资料呈现弹性。假设加载速度足够慢,t>,那么资料呈现流动性。例如，许多聚合物如沥青。徐变与加载速度Raphael在大坝混凝土的实验研讨中以为，提高压应力的加载速率3个数量级(地震中能够出现的情况)强度提高大约30%。相对于加载速度为0.2MPa/s时的百分比运用麦克斯韦模型与开尔文模型模拟徐变景象时的异同。

t0/E

tt=00/E第1章建筑资料科学根底

f

宾汉姆〔Bingham〕模型:某些资料，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，却可以接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章建筑资料科学根底当f时，=0，所以d/dt=0当f时，

d/dtf第1章建筑资料科学根底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。

E1

E2第1章建筑资料科学根底1.3固体界面行为任何资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 〔外表〕界面：两个相之间的分界面。外表：界面的一种，固-气界面外表的特殊性： 化学键不饱和，具有外表能。纳米资料科学的开展。第1章建筑资料科学根底思索边长分别为1000个和10个原子的立方体，外表原子数占总原子数的比例。第1章建筑资料科学根底1.3.1外表能与外表张力1〕外表张力：液体或固体外表上存在着一种力图减少外表的张力，我们称这种张力为资料的外表张力。通常用单位长度上的力来表示(N/m〕。2〕外表能：把资料内部的原子移到外表，需求抑制原子间的引力而做功。构成单位外表所做的功即为资料的外表能(J/m2)。第1章建筑资料科学根底3)外表能与外表张力的关系在液体形状下，外表能与外表张力等值。 可扩展框中的肥皂膜实验外表能，U肥皂膜xfL固体外表能与外表张力不等第1章建筑资料科学根底1.3.2吸附、潮湿与粘附1〕吸附由于固体或液体外表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：可改动固体外表的构造和性质，如降低资料的外表能及强度〔由于吸附使微裂纹表面能下降。第1章建筑资料科学根底2〕润湿当液体与固体外表相结触时，能使固体的外表能降低，这种景象称为润湿。润湿的程度与两相之间的外表张力有关。Alvslsv蒸气液体固体

〔1〕0<sv-sl<lv那么<90o,固体能被液体润湿〔2〕sv-sl=lv那么=0，固体完全被液体润湿〔3〕sv<sl那么>90o，固体不能被液体润湿毛细作用： 毛细管半径为r，外表张力为γLV，那么有：第1章建筑资料科学根底第1章建筑资料科学根底1.4资料的断裂与强度 资料抵抗外力破坏的才干称为资料的强度，通常用资料所受极限应力来表达。1.4.1资料的实践强度与实际强度(1)定义: 实际强度：抑制固体内部质点间的结合力，构成两个新外表时所需应力的大小。 实践强度：经过实验测得的强度为资料的实践强度。第1章建筑资料科学根底第1章建筑资料科学根底(2)实际强度的推算Orowan原子间力与原子间距的关系模型th为实际结合强度,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设资料外表能为U〔构成单位外表积所需求的能量〕，那么W＝2U。有：第1章建筑资料科学根底如何求解？由虎克定律：

a为晶格间距

第1章建筑资料科学根底实践资料中只需一些极细的纤维和晶须，其实践强度接近实际强度，例如：熔融的石英玻璃纤维的强度可达24.1GPa，约为E/4。实践尺寸较大的资料的实践强度远比实际强度低。那么，这是为什么？第1章建筑资料科学