土木工程材料的基本性质.ppt

1、,土木工程材料Building and Construction Material,土木与交通工程学院材料工程系,北京建筑工程学院,1 材料的基本性质,1.1 材料科学的理论基础,1.2 材料的基本物理性质,1.3 材料的基本力学性质,1.4 材料与水有关的性质及耐久性,化学组成：材料组成的化学组成 矿物组成：无机非金属材料具有的特点、晶体结构和特定物理力学性能的组织结构。相组成：材料中具有相同物理化学性质的均匀部分。具有两相或两相以上的材料是复合材料。注意界面,1.1 材料科学的理论基础,1.1.1 材料的组成,建筑材料的组成（以水泥熟料为例）,1.1.2 材料的结构,宏观结构：毫米级以上（

2、10-3m）的组织结构，多孔、致密、纤维状、层状。细观结构：（10-6-10-3m）mm-um 显微镜观察金相、混凝土微裂缝。微观结构：（10-6m）1 A=10-10m 1nm=10-9m 用电镜、X射线衍射仪观察形貌、鉴定物相、分析结构特征。,1.1.2.1微观结构,晶体：格子构造周期性排列，各向异性，固定熔点、沸点，对称性。玻璃体：高温熔融，急速冷却得到的无定形物，各向同性，没有固定的熔点、沸点，化学上不够稳定。胶体：物资以极小的颗粒（1-100nm）分散在连续的介质相形成的分散体系，比表面积大，粘结强度大，吸附性强。,熔体、玻璃体和晶体的转换,玻璃体是由熔体经过“急冷”而得。当熔体转变

3、为玻璃体时，放出的能量少于结晶热。所以玻璃体和晶体相比，含有过剩内能，因此玻璃态是一种介稳状态。,熔 体,晶 体,玻璃体,加热,熔体、玻璃体和晶体的相互转变及能量关系示意图,晶体结构与玻璃结构的差别,石英晶体结构 石英玻璃结构,近程有序，远程无序,SiO44-,玻璃态物质的化学活性,玻璃态处于介稳状态，含过剩内能，具活性，有助于化学反应。,化学反应是破坏作为反应物的化学物质的化学键，重新建立新的化学键从而形成新的化学物质的过程。,建筑材料中涉及到的玻璃态物质,火山灰 pozzolana粉煤灰 fly ash水淬高炉矿渣 granulated blast-furnace slag,1.1.2.2

4、 宏观结构,材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造。,密实构造的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。,大理岩的致密表面,多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，含孔率较高，孔隙又有大孔和微孔之分。具有多孔构造的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、,加气混凝土砌块的多孔构造,大小及分布情况，一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气

5、混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。,纤维构造的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。,竹的纤维构造,层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同 性，更重要的是可以显 著提高材料的强度、硬 度、绝热或装饰等性质， 扩大其使用范围。如胶 合板、纸面石膏板、塑 料贴面板等。,胶合板的层状构造,散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子

6、、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。粒状构造的材料颗粒间存在大量的空隙，其空隙率主要取决于颗粒大小的搭配。用作混凝土骨料时，要求紧密堆积，轻质多孔粒状材料用作保温填充料时，则希望空隙率大一些好。,陶粒的粒状构造,天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹 理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。为了提高建筑材料的外观美，目前广泛采用仿真技术，已研制出多种纹理的装饰材料。,大理石的纹理结构,密度、表观密度、堆积密度密

7、实度与孔隙率填充率与空隙率,1.2 材料的基本物理性质,1.2 材料的基本物理性质,（1）密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算：,式中 材料的密度，g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重），g； V 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。,所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。,对有孔隙的材料：如砖、混凝土磨成细粉（通过0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量V（排水法）。,密度的测定 对近于绝对密实的材料：如金属、玻璃等，测量几何体积称重代入公式中计算。,（2）表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：,式中 o材料

8、的表观密度，kg/m3 或g/cm3； m材料的质量（干燥至恒重），kg或 g； Vo材料在包含内部孔隙条件下的体积 （即包含内部闭口孔和开口孔）， 见图12，m3或cm3。,所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。通常，材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法或水中称重法测量。,自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。 对形状规则的材料：烘干量测几何体积称重代入公式计算 对形状不规则的材料：,表观密度的测量,（3）堆积密度：是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，有紧堆积密度及松堆积密度之分。

9、,式中 o堆积密度，kg/m3； m材料的质量，kg； Vo材料的堆积体积 ，m3。,V0V+Vop+VclV空,材料的堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度反映散粒构造材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。其测定方法在实验部分有专门介绍。测定散粒材料的体积可通过已标定容积的容器计量而得。测定砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。,由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料

10、的孔隙率；表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等；堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。,（4）密实度是材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：,（5）孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：,或,即：D+P=1或 密实度+孔隙率=1,孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。 材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。 孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。 孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响较大。,（6）填

11、充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算：,（7）空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算：,或,即：D+P=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。常用材料的密度、表观密度、堆积密度及空隙率如表1.1所示,计算例题,【例题】已知卵石的表观密度为2.6 g/cm3，把它装入一个2 m3的车厢内，装平时共用3500 kg，求该卵石的空隙率。若用堆积密度为1 500 kg/m3的砂子，填充上述车内卵石的全部空隙，共需砂子多少千克？,答案,卵石的空隙率为32.7 %。,1立方

12、米填充砂,填充满车内卵石共需砂：2490.5981kg,1.3 材料的基本力学性质,1.3.1 材料的强度1.3.2 材料的硬度1.3.3 材料的弹性和塑性1.3.4 材料的脆性和韧性,基本概念材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。,1.3.1 材料的强度,强度的定义和种类在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。也可以说是材料单位面积所能承受的极限荷载(MPa）。根据外力作用方式

13、的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。,a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切,混凝土路面砖抗折强度试验,混凝土路面砖抗压强度试验,钢筋抗拉强度试验,钢筋抗拉强度试验,强度的计算,材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：,式中 f 材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； A受力截面面积，mm2。,对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称

14、抗折强度）可用下式计算：,式中fm抗弯强度，MPa；Fmax弯曲破坏时的最大荷载,N； b，h 试件横截面的宽和高,mm。 L 两支点间的距离，mm。,若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载，抗弯强度按下式计算：,影响材料强度的因素,1.材料的组成、结构与构造：材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不一样。2.孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈 大，则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。 一般表观密度大的材料，其强度也大。这些是材料的内部因素。还与测试条件和方法等外部因素有关。3.试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的强度值

15、要高于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大试件高；环箍效应使立方体试件强度高。,4.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。5.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低。6.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。,强度等级：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。 如混凝土按抗压强度划分为 C7.5C60 ; 水泥按抗压和抗折强度划分为32.562.5

16、, 砂浆按抗压强度划分为M2.5M20六个等级,热轧钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。强度和强度等级的区别与联系：区别：a.强度与强度等级的定义不同。强度是实测值，强度等级是人为规定的强度范围。,区别： b. 强度指的是材料的极限值，是唯一的，每一强度等级则包含一系列强度值。联系：某一材料强度等级的确定必须以其极限强度值为依据。比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/0）。用于评价材料是否轻质高强。,材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。 莫氏硬度（10级）石材 1滑石、2石膏、3方解石、4 萤石、 5磷石灰、6正长石、7 石英、8黄玉 9刚玉、10金刚石 肖氏硬度 石材 布氏硬度（

17、HB）钢材维氏硬度和韦氏硬度 :铝合金,1.3.2 材料的硬度与耐磨性,滑石,莫氏硬度1,莫氏硬度904,莫氏硬度3915,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性，这种可恢复的变形称弹性变形。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形。,1.3.3 材料的弹性和塑性,弹性变形为可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数称为弹性模量，材料在弹性变形范围内，弹性模量为常数。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，弹性模量愈大，材料愈不易变形，弹性模量是结构设计的重要参数。塑性变形为不可逆

18、变形。实际上，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。,材料受外力作用，变形很小，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。,1.3.4 材料的脆性和韧性,脆性材料的特点：抗压强度高；抗拉强度低。抗冲击性较差；受振动易破坏。,1.4 材料与水有关的性质及耐久性,1.4.1 亲水性与憎水性1.4.2 吸水性与吸湿性 1.4.3

19、 耐水性1.4.4 抗冻性1.4.5 抗渗性,1.4.1 亲水性和憎水性,材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，即：,式中：W-材料质量吸水率，%； m-材料干燥状态下质量，g; m1-材料吸水饱和状态下质量， g。,1.4.2 吸水性与吸湿性,封闭孔隙较多的材料，吸水率不大时通常用质量吸水率公式进行计算，对一些轻质多孔材料，如加气混凝土、木材等，由于质量吸水率往往超过100%, 故可用体积吸水率进行计算。,吸水性也可以用体积吸水率表示，即材料吸入水的体积占材料自然状态体积的百分率,材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。

20、闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸水率可超过100。,材料在一定温度和湿度下的空气中吸附水分的能力称为吸湿性，用含水率表示，即,式中：W- 材料含水率，%; m含-材料含水时的质量，g； m-材料干燥状态下的质量,g。,材料吸湿性作用一般是可逆的，材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率,材

21、料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即,式中：KP-材料的软化系数； fw-材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa f-材料在干燥状态的抗压强度，MPa 。,1.4.3 耐水性,材料的软化系数的范围在01之间。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于（）0.85的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于0.700.85。通常软化系数大于等于0.85的材料称为耐水材料,材料的抗冻性:材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并

22、无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数。用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。如F25、F50等。,1.4.4 抗冻性,常用的两个参数是：质量损失率(不超过5%)，强度损失率(不超过25)。 材料抗冻等级的选择，足根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200 。水工混凝土要求高达F500。,2018/7/6,67,材料受冻融破坏主要原因：其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9，若材料孔 隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的

23、抗拉强度时，孔壁将产 生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。,极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用。闭口孔隙水分不能渗入。而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰,故其对材料的冰冻破坏作用影响最大。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境

24、温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁、则材料受冻破坏愈严重。,材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。 抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境(如冷库)的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出定的抗冻性要求。,2018/7/6,71,冻融破坏的大坝坝面,使用20年的高速公路桥梁,2018/7/6,74,2018/7/6,75,抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质.当材料两侧存在不同水压时，一切破坏

25、因素(如腐蚀性介质)都可通过水或气体进入材料内部，然后把所分解的产物代出材料，使材料逐渐破坏，如地下建筑、基础、压力管道、水工建筑等经常受到压力水或水头差的作用，故要求所用材料具有一定的抗渗性，对于各种防水材料，则要求具有更高的抗渗性。,1.4.5 抗渗性,材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系数和抗渗等级。对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青混凝土等，其防水性用渗透系数表示 。K值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。,建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土材料的抗渗性用抗渗等级表示。抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所

26、能承受的最大水压力来确定。以符号“P”和材料透水前的最大水压力的0.1MPa表示，如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。用公式表示： S=10H-1 式中：S-抗渗等级； H -试件开始渗水时的压力，MPa.,材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。细微连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔水最易渗入，故其抗渗性最差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性优于亲水性材料。材料的抗渗性与材料的耐久性有着密切的关系。,1.4.5 抗渗性,练 习,1、无

27、机非金属材料一般均属于脆性材料，最适宜承受_力。,答案,静压力,2、比强度是衡量材料_的指标。,答案,轻质高强,3、材料的强度的确定视材料的种类不同而不同，对于脆性材料常以_作为该材料的强度；对于韧性材料而言则以_作为该材料的强度。,答案,极限应力值 屈服应力值,4、材料在进行强度试验时，大试件较小试件的试验结果值 ；加荷速度快者较加荷速度慢者的试验结果值 。,答案,小 大,5、弹性材料具有( )的特点。A.无塑性变形 B.不变形C.塑性变形小 D.恒定的弹性模量6、下列性质属于力学性质的是( )。A.强度 B.硬度 C.弹性D.脆性 E.比强度,答案,A,答案,ABCDE,【例题】有一石材试样，质量为256g，把它浸水；吸水饱和排出水体积115 cm3，将其取出后擦干表面，再次放入水中，排出水体积为118 cm3，若试样体积无膨胀，求此石材的表观密度、质量吸水率和体积吸水率。,表观密度： g/cm3饱和吸水时:m水V水W= VkW=(V0V)W (118115)13 gWmm水/m100%3/256100%1.2 % WV V水/ V0 100%3/118100%2.54 %,答案,