土木工程材料的基本性质.ppt

1、高等学校土建类专业应用型本科“十二五”规划教材,土木工程材料（第2版）,主编：刘斌 徐珍,土木工程材料的基本性质,1.1材料的组成、 结构及构造对性质的影响 1.1.1材料的组成 1.1.1.1化学组成 （chemical components） 化学组成是指材料的化学成分。 1.1.1.2物相组成(phase components) 材料的化学组成不同，则材料的矿物组成不同，而相同的化学组成可以有不同的矿物组成，且材料的性质也不同。 1.1.2材料的结构和构造 按材料的结构和构造的观察程度范围，可分为宏观结构、显微结构和微观结构。,土木工程材料的基本性质,（1） 致密结构 （2） 多孔结构

2、宏观结构 macrostructure （3） 纤维结构 其尺寸在10-3 m级以上。 （4） 聚集结构 1.1.2.2显微结构(mesostructure) 显微结构是指用光学显微镜所看到的微米级的组织结构，又称亚微观结构。 显微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、形状及分布。 1.1.2.3微观结构(microstructure) 微观结构是指原子、分子层次的结构，可用电子显微镜和X射线来分析该层次的结构特征。,土木工程材料的基本性质,（1） 晶体(crystal) 晶体 具 有 以 下特点：具有特定的几何外形、各向异性、固 定的熔点和化学稳定

3、性，结晶接触点和晶面是晶体结构的薄弱环节。根据晶体的质点及化学键的不同，晶体可分为： 原子晶体 离子晶体 分子晶体 金属晶体,土木工程材料的基本性质,（2） 非晶体(amorphous solid) 将具有一定化学成分的熔融物质迅速冷却，质点来不及按一定的规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体，又称玻璃体。 非晶体物质的特点是：没有 固定的熔点 和几 何形状，且各向同性。由于非晶体是急速冷却形成的，大量的化学能未能释放出来，所以非晶体材料具有化学不稳定性，当条件允许，可能会与其他物质发生化学反应。如：水泥成分中的活性矿物材料、粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等。,土木工程材料的基本性质,

4、1.2材料的状态参数和结构特征 1.2.1体积 指材料占有的空间的大小。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。 1.2.1.1材料的绝对密实体积 指绝干材料在绝对密实状态下的体积，即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以V表示材料的绝对密实体积。 1.2.1.2材料的表观体积 指材料在包括闭口孔条件下的体积。表观体积可以由排液法测定。一般以V表示表观体积。,土木工程材料的基本性质,1.2.1.3材料的毛体积 指材料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体积（含材料实体和孔隙体积）。一般以V0表示材料的毛体积。,土木工程材料的基本性质,1.2.1.4材料的堆积体积

5、 指粉状或粒状材料在堆积状态下的总体外观体积。根据其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可能不同。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。材料的堆积体积一般以 V0来表示。 1.2.2密度、表观密度、体积密度、堆积密度 1.2.2.1密度（density） 指材料在绝对密实状态下单位体积的绝干质量，称为材料的“绝对密度”，简称密度。 = m/V 材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括任何孔隙的材料固体物质的体积，亦称实体体积。,土木工程材料的基本性质,1.2.2.2表观密度（apparent density） 表观密度是材料在包含闭口孔条件下单位体积的绝干质量。 =m/V 1.2.

6、2.3体积密度（bulk density） 体积密度是材料在包含开口孔隙和闭口孔隙条件下单位体积的质量 0=m/V0,土木工程材料的基本性质,1.2.2.4堆积密度（packing density） 指散粒材料或粉状材料在自然堆积状态下单位体积的质量 0=mV0,土木工程材料的基本性质,1.2.3.1密实度 材料体积（绝干状态）中固体物质的充实程度，称为材料的密实度，用D表示。 0 =，故密实度D=1或D=100%。对于大多数土木工程材料， 因0，故密实度D1 或D100%。 1.2.3.2孔隙率 孔隙率是指材料体积内孔隙体积占总体积的百分率，用P表示， 密实度与孔隙率的关系 D+P=1,土木

7、工程材料的基本性质,1.2.3.3填充率和空隙率 填充率是指散粒材料在堆积体积中被其颗粒填充的程度，用D来表示， 空隙率是指材料在堆积状态下，颗粒间的空隙的体积占堆积体积的百分率，又称间隙率，计算如下： 填充率与空隙率的关系是： P+D=1,土木工程材料的基本性质,1.3材料的力学性质 1.3.1强度及强度等级 1.3.1.1强度（strength） 强度是材料抵抗外力破坏的能力。,土木工程材料的基本性质,材料的抗压强度、 抗拉强度和抗剪强度可按下式计算： f=P/A 材料的抗弯强度与材料的受力状态、截面形状等有关。材料的抗弯强度， 一般 采用简支 的梁形试 件做试验。,土木工程材料的基本性质

8、,1.3.1.2强度等级 如混凝土的强度等级按其抗压强度值可划分为C15、 C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14个强度等级；弹性和韧性材料的强度等级，通常按材料的抗拉强度来划分等级，如钢筋按屈服强度值来划分等级。 1.3.1.3比强度 比强度是衡量材料轻质高强性的一项技术指标，是指材料的强度与体积密度的比值。比强度越大，材料的轻质高强性越好。,土木工程材料的基本性质,1.3.2变形性质 (1) 弹性变形（elasticity） 材料在外力作用下产生变形， 当外力取消后，变形能完全 恢复的性质称为材料的弹性， 材料发生这样的

9、变形就是弹性 变形，其变形值大小与外 力成正比。 E=/,土木工程材料的基本性质,(2) 塑性变形(plasticity) 当外力除去后，材料仍保留一部分残余变形且不产生裂缝的性质称为塑性。这部分残余变形称为塑性变形或永久变形，属不可逆变形。,土木工程材料的基本性质,(3) 徐变（creep） 材料在恒定应力作用下，其应变随时间而缓慢增长，这种现象称为材料的徐变或蠕变。徐变是塑性变形的特殊形式。 材料的徐变与应力成 正比，即外 力越大，徐变 越大；外力过大，将使材料趋于破坏。受力初期，材料的徐变速度较快，后期逐步趋于稳定。,土木工程材料的基本性质,1.3.3脆性和韧性 材料在冲击荷载作用下发生

10、破坏的形式有两种,即脆性破坏和韧性破坏。 脆性(brittleness)是 材料在外力 作用下发生无明显塑性变形的突然 破坏的性质。,土木工程材料的基本性质,韧性(toughness)是指材料在外力作用下，能产生一定塑性变形而不致突然破坏的性能。材料在受冲击、 振动荷载作用下，吸收能量、抵抗破坏的性质称为冲击韧性或冲击强度。,土木工程材料的基本性质,1.3.4硬度与耐磨性 1.3.4.1硬度(hardness) 硬度是指材料表面抵抗较硬物质刻画或压入的能力。,土木工程材料的基本性质,1.3.4.2耐磨性(abrasion resistance) 耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用

11、磨损率来表示，按下式计算： 1.4材料与水相关的性质 1.4.1亲水性与憎水性(hydrophilic and hydrophobic) 材料在空气中与水接触，根据其能否被水润湿，可分为亲水性和憎水性。 润湿角90的材料是亲 水性材料，如木材、砖、混凝土、石等；润湿角90的材料是憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料。,土木工程材料的基本性质,在材料、水与空气的三相交点上，作用有三种表面张力。 sv =lvcos+sl,土木工程材料的基本性质,1.4.2建筑防水材料 在建筑结构中起防水作用的材料称为防水材料。 柔性防水材料主要由沥青和合成高分子材料制成，按品种有防水卷材、 防水涂料和密封材料三大类。

12、1.4.2.1防水卷材 沥青防水卷材 防水卷材的分类 聚合物改性沥青防水卷材 合成高分子防水卷材,土木工程材料的基本性质,（2） 防水卷材的常用品种及特点 防水卷材分无胎基卷材和有胎基卷材 特点：拉伸强度高， 抵抗基层和结构物变形能力强，防水层不易开裂，厚度可根据工程要求变化，使用年限长，便于大面积施工。 1.4.2.2防水涂料 防水涂料按成膜物质的主要成分分为沥青类、 聚合物改性沥青类和合成高分子三类；按液态类型分为溶剂型、 水乳型和反应型三种。 特点： 防水涂料的防水层薄、 质量轻，有利于基层形状不规则部位的施工；施工简便，一般为冷施工，但抵抗变形能力较差，使用年限短。,土木工程材料的基本

13、性质,（1） 沥青基防水涂料 （2） 聚合物改性沥青防水涂料 （3） 合成高分子防水涂料 1.4.2.3密封材料 （1） 非定形密封材料 （ 2） 定形密封材料 密封材料是指能承受位移并具有气密性和水密性，嵌入接缝中的定形和非定形材料。 非定形密封材料又称密封胶（剂），是黏稠状的密封材料，有溶剂型、 乳液型和化学反应型；定形密封材料是按密封工程部位的要求，制成带、 条、 垫片等形状的密封材料。,土木工程材料的基本性质,1.4.3.1吸水性（water absorbability） 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。 （1） 质量吸水率 (2) 体积吸水率 体积吸水率 是指材料在吸水饱和时，

14、所吸水的体积占材料在自然体积中的百分比,土木工程材料的基本性质,各种材料因其化学成分和结构构造不同，其吸水能力差异极大。如致密岩石的吸水率为0.50%0.70%，普通混凝土的吸水率为2.00%3.00%，而木材及其他多孔轻质材料的吸水率则常超过100%。 1.4.3.2吸湿性(hygroscopic) 材料的吸湿性是指材料吸收空气中水分的性质。材料的吸湿性用含水率表示，含水率是材料所含空气中水的质量与材料在干燥状态下的质量之比，按下式计算：,土木工程材料的基本性质,1.4.4耐水性(water resistance) 材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系

15、数表示，可按下式计算： 1.4.5抗渗性(imper meability) 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的能力。 1.4.5.1渗透系数 材料的渗透系数可通过下式计算:,土木工程材料的基本性质,常水头渗透试验示意图,土木工程材料的基本性质,1.4.5.2抗渗等级 对某些土木工程材料（如混凝土），其抗渗能力大小用抗渗等级来表示。 P=10H-1 材料的抗渗性与材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率有关。开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。,土木工程材料的基本性质,1.4.6抗冻性(frost resistance) 抗冻性是材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质的能力。 抗冻等级用材料

16、在吸水饱和状态下,经冻融循环作用，强度损失不超过25%，且质量损失不超过5%时所能抵抗的最大的冻融循环次数来表示。F25、F50、F100等 影响材料抗冻性的主要因素有： （1） 材料的孔隙率P和开口孔隙率Pk。 （2） 材料的充水程度，以水饱和度Ks表示： （3） 材料本身的强度。,土木工程材料的基本性质,1.5材料的热物理性质 1.5.1导热性(thermal conductivity) 材料传导热量的能力称为导热性。 影响材料导热系数的因素主要有： （1） 材料的组成与结构。 （2） 材料的孔隙率。 （3） 含水率。,土木工程材料的基本性质,1.5.2热容量和比热容 材料在受热时吸收热量

17、，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。 单位质量材料温度升高或降低1 K所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热容。 1.5.3热阻(heat resistance) 热阻是材料层（墙体或其他围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算公式为： Rd/,土木工程材料的基本性质,1.5.4温度变形性 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。 1.5.5保温隔热的概念 在建筑上，将主要作为保温、隔热使用的材料统称为绝热材料。绝热材料的导热系数值应不大于0.23 W(mK)，热阻（R）值应不小于4.35 （m2K）/W。 绝热材料主要用于屋面、 墙体、 地面、管道等的隔热与保温。 绝热材

18、料的特征是:轻质多孔、表观密度不大于600 kgm3、孔隙率大、构造简单、施工容易、造价低等。,土木工程材料的基本性质,1.5.6建筑上常用保温材料 1.5.6.1纤维状保温隔热材料 （1） 石棉及其制品 （2） 矿棉及岩棉 （3） 玻璃棉及其制品 1.5.6.2散粒状保温隔热材料 （1） 膨胀蛭石及其制品 （2） 膨胀珍珠岩及其制品 1.5.6.3多孔性保温隔热材料 (1) 泡沫玻璃 (2) 泡沫塑料,土木工程材料的基本性质,1.5.6.4其他保温隔热材料 （1） 软木板 （2） 蜂窝板 1.6材料的吸声性 1.6.1材料吸声的原理及技术指标 当声波遇到材料表面时， 一部分被反射，另一部分穿 透材料，其余的部分则转化 为热能被材料吸收。,土木工程材料的基本性质,1.6.2吸声材料的结构形式 （ 1）多孔、穿孔材料的吸声结构 （2） 薄板共振结构 1.6.3关于隔声材料的概念 能减弱或隔断声波传递的