第1章 土木工程材料基本性质

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第1章土木工程材料基本性质1.1材料科学的基本理论1.2材料的基本物理性质1.3材料的基本力学性质1.4材料的耐久性 1.1.1材料科学与工程土木工程材料学是材料科学与工程的一个组成部分。材料科学与工程是研究材料的组成、结构、生产制造工艺与其性能及使用关系的科学和实践。1.1.2材料的组成1.1.3材料的结构和构造1.1材料科学的基本理论 1.1.2材料的组成化学组成—化学元素及化合物种类（金属、无机非金属、有机物）矿物组成—晶体和非晶体结构及种类（石英、云母、硅酸三钙、铝酸三钙、金刚石等）相组成—相同物理、化学的均匀物相（建筑材料大都为多相固体） 1.1.3材料的结构与构造1微观结构—指原子、分子层次⑴晶体—材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。硅酸盐矿物晶体——由硅氧四面体单元与其它金属离子的结合。有链状结构的石棉、层状结构的云母及立体网状结构的石英。 氧原子硅原子 构成晶体的质点（原子、离子、分子）是按一定的规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的几何外形，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对晶体材料的性质有着重要的影响。例如在硅酸盐矿物材料（如陶瓷）的复杂晶体结构（基本单元为硅氧四面体）中，质点的相对密集程度不高，且质点间大多是以共价键联结，变形能力小，呈现脆性。　　材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构的缺陷，对材料性质的影响很大。 原子晶体（共价键结合）——金刚石、石英、刚玉、碳化硅（强度、硬度、熔点高、脆）离子晶体（离子键结合）——氯化钠、石膏、石灰岩（强度、硬度、熔点较高，但波动大，部分可溶）晶体 分子晶体（分子键结合）——部分有机化合物、冰（强度、硬度、熔点较低，密度小）金属晶体（库伦引力、电子气结合）—金属类（强度、硬度较高，变形能力强，导电、导热） （2）玻璃体熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体（如无定形SiO2）特点：质点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等） (3)胶体作为分散相的粒子粒径在10-7——10-10m，分散在分散介质中形成的分散体系称为胶体。分散介质可以是气体、液体和固体，相应行成气溶胶、溶胶和凝胶。胶体因比表面积大，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等） 胶体中分散的微粒作布朗运动时，这种胶体称溶胶，溶胶具有较大的流动性，建筑材料中的涂料就是利用这一性质配制而成的。当溶胶脱水或微粒产生凝聚，使分散质点不能再按布朗运动自由移动时，称为凝胶，凝胶具有触变性，即将凝胶搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶粘剂等均表现有触变性。当凝胶完全脱水则成干凝胶体，它具有固体的性质，即产生强度。硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是凝胶体。 水泥凝胶体 2.细观结构指材料内部晶粒、界面，矿物的大小、形态，孔隙、微裂纹的大小及分布。对于同样组成的材料，细观结构的不同将对材料的强度及耐久性有很大影响。如热处理前后的钢材，使用和未使用减水剂的水泥混凝土等。一般而言，晶粒越细小，分布越均匀，界面粘结越好，则材料的强度和耐久性就越好。 3.宏观结构指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。如：密实程度、孔隙状态、纹理、层理、纤维状态、粒度、均匀度、聚集状态、复合状态等。宏观结构与材料的组成及生产工艺有关。宏观结构较易改变，复合材料的生产和使用就是取其长补其短的常用方法。如：钢筋混凝土、玻璃钢、纤维石膏板和纤维水泥混凝土板等。 1.1.4材料的组成、结构、构造对性能的影响材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。如图1-9，Ａ、Ｂ为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ则为0.2％～0.4％，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而Ｂ则强度较高。AB 从宏观组成层次讲，人工复合的材料如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。 材料的微观结构及其对材料性质的影响材料的化学组成相同，微观结构的差别将导致材料性能的差异。如图1-10化学组成相同的水泥熟料，由于Ａ的显微结构发育良好，Ｂ则不然，结果在比表面积相似的情况下，Ａ熟料的3d、28d抗压强度分别比Ｂ熟料高10.7MPa和6.8MPa。化学组成相同，微观结构不同的两种熟料AB 材料的宏观构造及其对性能的影响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、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。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。加气混凝土砌块的多孔构造 纤维构造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、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 纹理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 1.2材料的物理性质1.2.1密度、表观密度和堆积密度1、密度:材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3。公式：式中ρ－密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3） 实际密度的测量绝对密实状态下的体积－是指不包括材料内部孔隙在内的体积。实际密度的测量：1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等量测几何体积－称重－代入公式2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材磨成细粉－李氏比重瓶法测试（排液法测定的是近似密度） 2、表观密度（容重）－材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中ρo－表观密度（g/cm3）m－材料的质量（g）Vo－材料在自然状态下的体积（cm3） 表观密度的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。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况。表观密度的测量：1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：烘干－蜡封－浮力天平 3.堆积密度（松散容重）－散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。公式：式中－堆积密度（g/cm3）m－材料的质量（g）－材料的堆积体积（cm3） 堆积密度的测量堆积体积－是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。堆积密度的测量：1）容器法：散粒材料装入容器－量测体积－称净重－代入公式2）自然堆积法：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式 1.2.2材料的密实度与孔隙率1、密实度－指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。公式影响材料的：强度、吸水性、耐久性、导热性 2、孔隙率－指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。公式孔隙率与密实度的关系P+D=1孔结构－孔隙率＋孔径尺寸＋开口形状影响材料的：强度、吸水性、耐久性、导热性 3.孔隙对材料性质的影响1)孔隙的类型常压下水可以进入的孔隙称为开口孔隙。常压下水不能进入的孔隙称为闭口孔隙。孔隙可分为微细孔隙、细小孔隙（毛细孔）、较粗大孔隙、粗大孔隙等。对于无机非金属材料，孔径小于20nm的微细孔隙，水或有害介质难以进入，可视为无害孔隙。 ２)孔隙的影响一般随材料内部孔隙的增加，表现为：表观密度↓、体积密度↓；强度↓、耐磨性↓；抗冻性↓、抗渗性↓、耐水性↓、耐腐蚀性↓、其它耐久性↓；吸水性↑、吸湿性↑；保温性↑、吸声性↑； 1.2.3材料的填充率和空隙率1.填充率－指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。反映散粒材料堆积的致密程度。公式 2、空隙率－散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。公式空隙率与填充率的关系 1.2.4与水有关的性质1.亲水性与憎水性材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角θ表示。亲水性材料θ≤90°憎水性材料θ＞90° 润湿角θ 吸水性2、吸水性－材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。公式式中W质－材料的质量吸水率（％）m湿－材料吸水饱和后的质量（％）m干－材料烘干到恒重的质量（％） 影响吸水率大小的因素：材料的本性－亲水性或憎水性材料材料的孔结构－孔径大小、开口与否、孔隙率大小等吸水性对材料的影响：导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利强度降低、体积膨胀 3.吸湿性－材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。公式式中W含－材料的质量含水率（％）m湿－材料含水时的质量（％）m干－材料烘干到恒重的质量（％） 影响含水率大小的因素：材料的本性－亲水性或憎水性材料环境温度、湿度－气温越低相对湿度越大，材料的含水率越高吸水性对材料的影响：导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利体积膨胀－对木结构和木制品不利湿胀干缩与周围环境平衡的平衡含水率 耐水性4、耐水性－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。公式式中K软－材料的软化系数（K软＝0～1）f饱－材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）f干－材料在干燥状态下的抗压强度（MPa） 材料软化系数的要求材料软化系数的要求软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软≥0.85；K软≥0.80的材料，一般称为耐水的材料。 抗渗性5、抗渗性－材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。依达西定律式中Ks——材料的渗透系数,cm／h；Q——渗透水量,cm3；d——材料的厚度,cm；A——渗水面积,cm2；t——渗水时间,h；H——静水压力水头,cm。 材料的抗渗性 1.3材料的力学性质1.3.1强度一、材料的强度、比强度强度－材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。依受力形式有：抗拉强度;抗压强度抗弯强度;抗剪强度等不同材料的承载特点是不同的：混凝土、石材、砖－抗压强度高钢材、各类纤维－抗拉强度高 强度等级与比强度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C15～C80水泥按抗压和抗拉强度划分为32.5~62.5砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级比强度比强度－材料的强度与其表观密度的比值（）。用于评价材料轻质高强 二、材料的弹性与塑性弹性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。弹性模量E=σ/ε塑性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。 三、材料的脆性与韧性脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土等。韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。 脆性材料与韧性材料 四、材料的硬度与耐磨性硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。硬度－是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）肖氏硬度布氏硬度（HB）1滑石6正长石2石膏7石英3方解石8黄玉4萤石9刚玉5磷石灰10金刚石 1.4材料的耐久性定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。包括：物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏。化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等等。生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材等一类的有机质材料，常会受到这种破坏作用的影响。 例题某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？