《第1章 土木工程材料的基本性质课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 土木工程材料的基本性质课件.ppt（44页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一章 土木工程材料的基本性质一、材料的组成、结构和构造 1.材料的组成 （1） 化学组成 化学组成是指材料的化学成分，即指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。 一些土木工程材料与环境中物质接触时，按化学变化规律发生作用。 （2） 矿物组成 材料中具有特定的晶体结构和特定物理力学性能的组织结构称为矿物。 矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。 矿物组成是决定某些材料性质的重要因素。 （3）相组成 材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。 构成材料的相的种类和数量。 2.材料的结构 （1） 宏观结构 用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 按宏观结构不同，材料有密实、多孔、纤维、层状、散粒和纹
2、理等结构。 各种结构都有其各自的特点，宏观结构不同的材料具有不同的性质。 密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。 多孔结构的材料内部存在大体上呈均匀分布的独立或部分连通的孔隙，孔隙率较高。 纤维结构的材料由纤维状物质构成，其内部组成具有方向性，纵向较紧密而横向较疏松，纤维之间存在相当多的孔隙。 层状结构的材料具有叠合结构，即胶结料将不同的片状材料胶合成整体。 散粒结构是指呈松散颗粒状的材料。 纹理结构是指天然材料在生长或形成过程中，自然形成有天然纹理的结构。 （2） 细观结构 细观结构是指在光学显微镜下能观察到的结构。 土木工程材料的细观结构，应根据具体材料分类研究。 （3）微观结构 微观
3、结构是指用电子显微镜或X射线来分析研究的原子、分子层次的结构。 按微观结构材料可分为晶体、玻璃体和胶体。 晶体 质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则，呈周期性排列的固体称为晶体。 根据组成晶体的质点及化学键的不同，晶体可分为，原子晶体、金属晶体、离子晶体和分子晶体。 原子晶体：中性原子以共价键结合而成的晶体。 金属晶体：金属阳离子排列成一定形式的晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体。 离子晶体：正负离子以离子键结合而成的晶体。 分子晶体：以分子间的范德化力即分子键结合而成的晶体。 玻璃体 玻璃体是熔融的物质经急冷而形成的无定形体。 （a） （b）图1.1晶体与非晶体的原
4、子排列示意图（a）晶体；（b）非晶体 胶体 胶体是指以粒径为10-710-10m的固体颗粒作为分散相（称为胶粒），分散在连续相介质中，形成的分散体系。 依胶粒多少，胶体结构可分为：溶胶结构，凝胶结构，溶-凝胶结构。 胶体的分散相（胶粒）很小，比表面积很大。 与晶体及玻璃体结构相比，胶体结构的强度较低，变形较大。 3.材料的构造 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。 构造与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。 二、材料的基本物理性质 1.材料的密度、表观密度与堆积密度 （1）密度 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： =m/V （2） 表
5、观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算： 0=m/V0 （3）堆积密度 堆积密度是指散粒状材料（如粉状、颗粒状材料等）在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算： 0=m/V0 2.材料的密实度与孔隙率 （1）密实度 密实度是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下式计算： D=V/V0100% 或 D= 0/ 100% （2）孔隙率 孔隙率是指材料的体积内孔隙体积所占的比例。按下式计算： P= (V0 V)/V0100% 或 P=(1 0/.) 100% D+P=1 孔隙率或密实度大小反映了材料的密实程度。 3.材料的填充率与空隙率 （1）填充率 填充率是指散粒状材料
6、在自然堆积状态下，颗粒体积占自然堆积状态下体积的百分率。按下式计算： D=V0/V0100% 或 D=0/0. 100% （2）空隙率 空隙率是指散粒状材料在自然堆积状态下，颗粒之间的空隙占自然堆积状态下体积的百分率。按下式计算： P= (V0 V0)/V0100% 或 P=(10/0.) 100% P+D=1 填充率或空隙率反映了散粒材料颗粒之间互相填充的程度。 4.材料与水相关的性质（1）材料的亲水性与憎水性 材料与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性。 材料与水接触时，材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。 润湿边角：在材料、水和空气的交点处，沿水的表面的切线与水和固体接触面所成
7、的夹角()称为润湿边角。 一般认为，当90时，此种材料称为亲水性材料；当90时，此种材料称为憎水性材料。 （a） （b）图1.2材料的润湿边角（a）亲水性材料；（b）憎水性材料 （2）材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力称为材料的吸水性。 材料的吸水性常用吸水率表示，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。 质量吸水率是指材料吸收的水分质量与材料干燥质量之比。按下式计算：%1001mmmWm 体积吸水率是指材料吸收的水分体积与材料自然体积之比。按下式计算：%100101WVVmmW （3）材料的吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。 材料的吸湿性常以含水率表示。按下式计算： W =
8、 ( m1 m ) / m 100% 材料的含水率随环境温度和空气湿度的变化而变化。 材料与空气温、湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。 （4）材料的耐水性 耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。 材料的耐水性用软化系数表示。按下式计算： K=f饱/f干. 软化系数的范围在01之间。通常将软化系数大于0.85的材料称为是耐水材料。 （5）材料的抗渗性 抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。 材料的抗渗性常用渗透系数表示。按下式计算： K=Qd/AtH 抗渗等级：以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定。 （6）抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能
9、经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，强度也不显著降低的性质。 材料的抗冻性与其强度、孔隙率、孔隙特征、含水率等因素有关。 5.材料的热工性质 （1）导热性 当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力称为导热性。 材料的导热性用导热系数（热导率）来表示，导热系数是指一定厚度的材料，两侧存在温差时，单位时间内透过单位面积材料的热量。导热系数按下式计算： tTTAdQ)(12热导率与材料孔隙构造密切相关。 工程中通常把0.23 W/(mK)的材料称为绝热材料。 （2）热容量 热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力，按下式计算：)(
10、12TTcmQ 比热容是指单位质量的材料在温度每变化1K时所吸收或放出的热量，比热容是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。 三、材料的基本力学性质 1.材料的强度和比强度 （1）强度 强度是材料抵抗外力破坏的能力。 根据外力作用方式的不同，材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度等。 图1.3材料受力示意图 材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度按下式计算：AFf 材料的抗弯强度与受力情况有关，单点集中加荷和三分点加荷，且构件有两个支点，材料截面为矩形时，抗弯强度按下式计算：223bhFLf 2bhFLf （单点集中加荷） （三分点加荷 ） 不同种类的材料，强度差异很大。 相同种类的
11、材料，随着其孔隙率及构造特征等因素的不同，各种强度也有显著差异。 同种材料抵抗不同类型外力作用的能力不同。 试验条件等因素也会对材料强度值的测试结果产生较大的影响。 材料的强度是大多数结构材料划分等级的依据，大部分土木工程材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级。 同种材料抵抗不同类型外力作用的能力不同。 试验条件等因素也会对材料强度值的测试结果产生较大的影响。 材料的强度是大多数结构材料划分等级的依据，大部分土木工程材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级。 （2）比强度 比强度是按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比。 比强度是衡量材料轻质高强的重要
12、指标。 2.弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，变形能完全消失的性质称为弹性，这种可恢复的变形称为弹性变形。 图1.4材料的弹性变形曲线 材料在外力作用下产生变形，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。 图1.5材料的塑性变形曲线 材料在弹性范围内，其应力与应变之间的关系符合虎克定律： = E 弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结构设计中的主要参数之一。 实际上，完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的。 图1.6材料的弹塑性变形曲线图6.3低碳钢受拉时的应力-应变图 3.脆性与韧性 材料在外力作用下，
13、无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性，具有这种性质的材料称为脆性材料。 图1.7脆性材料的变形曲线 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧性，具有这种性质的材料称为韧性材料。 4.硬度与耐磨性 （1）硬度 硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。常用压入法和刻划法来评价材料的硬度。 （2）耐磨性 耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力，材料的耐磨性用磨损率表示。按下式计算： AmmN21 四、材料的耐久性 耐久性是指材料在长期使用过程中，能保持原有性能而不变质、不破坏的能力。 土木工程材料在使用过程中，除受到各种外力的作用外，还要受到环境中各种因素的破坏作用，这些破坏作用有物理作用、化学作用、生物作用和机械作用等。 材料在长期使用过程中的破坏是多方面因素共同作用的结果，即耐久性是一种综合性质，包括抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、耐老化性、耐磨性等。 在实际工程中，应根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理选用材料。