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1、第第1 1章章 土木工程材料基本性质土木工程材料基本性质 参与式试验参与式试验参与式试验参与式试验常见问题及解答常见问题及解答常见问题及解答常见问题及解答历史回顾历史回顾历史回顾历史回顾1.1 1.1 1.1 1.1 材料的物理性质材料的物理性质材料的物理性质材料的物理性质1.2 1.2 1.2 1.2 材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质1.3 1.3 1.3 1.3 材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性1.4 1.4 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材
2、料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响创新能力培养创新能力培养创新能力培养创新能力培养练习题练习题练习题练习题本章学习指导本章学习指导本章学习指导本章学习指导本章学习指导本章学习指导 本章有本章有4 4个学问点。本章的学习目标是：个学问点。本章的学习目标是：了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。其与材料基本性质的关系。娴熟驾驭土木工程材料的基本力学性质。娴熟驾驭土木工程材料的基本力学性质。驾驭土木工程材料的基本物理性质。驾驭土木工程材料的基本物理性质。驾驭土木工程材料耐久性的基本概念。驾驭土木
3、工程材料耐久性的基本概念。本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系及其在工程实践中的意义。建组成结构与性能的关系及其在工程实践中的意义。建议本章课内外学时数各为议本章课内外学时数各为3 3学时。学时。历史回顾历史回顾因地制宜用材的万里长城因地制宜用材的万里长城 万里长城飞越崇山峻岭，是我国古代劳动人民的杰作，也是建筑史上的丰碑。万里长城选用材料因地制宜，堪称典范。居庸关、八达岭一段，接受砖石结构。墙身用条石砌筑，中间填充碎石黄土，顶部再
4、用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚实耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土磊筑长城，将泥土夯打牢固，并以锥刺夯打土检查是否合格。在西北玉门关一带，既无石料又无黄土，以当地芦苇或柳条与砂石间隔铺筑，共铺20层。万里长城因地制宜运用建筑材料，呈现了我国劳动人民的勤劳、才智和创建力。基础知识基础知识1.1 1.1 材料的物理性质材料的物理性质1.1.1 1.1.1 密度、表观密度、体积密度和积累密度密度、表观密度、体积密度和积累密度1.1.2 1.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率 1.1.3 1.1.3 与水有关的性质与水有关的性质1.1.4 1.1.4 热工性质热工性质1固体；2闭
5、口孔隙；3开口孔隙1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 密度、表观密度、体积密度和积累密度密度、表观密度、体积密度和积累密度密度、表观密度、体积密度和积累密度密度、表观密度、体积密度和积累密度 密度、表观密度、体积密度和积累密度既有联系又密度、表观密度、体积密度和积累密度既有联系又有差别。有差别。密度是指材料在确定密实状态下单位体积的质量。密度是指材料在确定密实状态下单位体积的质量。表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。质量。体积密度是指材料在自然状态下，包括材料实体及体积密度是指材料在自然状态下，包括材料实体及其开口与闭口孔隙
6、条件下的单位体积的质量。其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。积累密度是指散粒或纤维状材料在积累状态下单位积累密度是指散粒或纤维状材料在积累状态下单位体积的质量。体积的质量。1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率 孔隙率是指材料内孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总部孔隙的体积占材料总体积的百分率。体积的百分率。空隙率则是指散粒空隙率则是指散粒状材料在积累体积状态状材料在积累体积状态下颗粒固体物质间空隙下颗粒固体物质间空隙体积体积(开口孔隙与间隙之开口孔隙与间隙之和和)占积累体积的百分率。占积累体积的百
7、分率。材料的孔隙有闭口和开材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材料口，其特征状态对材料的性质有重要影响，见的性质有重要影响，见右图。右图。1固体；3闭口孔隙；2开口孔隙 1.1.3 1.1.3 与水有关的性质与水有关的性质 1 1亲水性与憎水性亲水性与憎水性 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质水与憎水两种不同的性质。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。1.1.3 1.1.3 与水有关的性质与水有
8、关的性质 2 2材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性 材料的吸水性是指材料在水中吸取水分的性质。吸水性的大材料的吸水性是指材料在水中吸取水分的性质。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方小用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。法。质量吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部质量吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸取水分的质量占材料干燥时质量的百分率。所吸取水分的质量占材料干燥时质量的百分率。体积吸水率：体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸取水体积吸水率：体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸取水分的体积占干燥材料体积的百分率。分
9、的体积占干燥材料体积的百分率。材料吸取水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，材料吸取水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，材料吸水量愈多；材料的吸水性还与材料的孔隙特征有关。对于材料吸水量愈多；材料的吸水性还与材料的孔隙特征有关。对于微小连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水微小连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易在孔内存留，分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易在孔内存留，只能润湿孔壁，因此吸水率也较小。只能润湿孔壁，因此吸水率也较小。1.1.3 1.1.3 与水有关的性质与水有关的性质 吸湿性吸湿性
10、 材料在潮湿的空气中吸取水分的性质称为吸湿性，吸湿性用材料在潮湿的空气中吸取水分的性质称为吸湿性，吸湿性用含水率表示。含水率是指材料所含水重量占材料干重量的百分率。含水率表示。含水率是指材料所含水重量占材料干重量的百分率。材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。3 3 耐水性耐水性 材料长期在水作用下不破坏，强度等原有功能基本不变材料长期在水作用下不破坏，强度等原有功能基本不变的实力，称为耐水性，通常用软化系数表示。的实力，称为耐水性，通常用软化系数表示。材料吸水后，强度均会有所降低，强度降低越多，软化材料吸水后，强度均会有所降低，强度降
11、低越多，软化系数就越小，说明材料的耐水性就越差，受水浸泡或长期处系数就越小，说明材料的耐水性就越差，受水浸泡或长期处于潮湿环境中的重要结构时，必需选用大于等于于潮湿环境中的重要结构时，必需选用大于等于0.850.85的材料的材料（大于（大于0.850.85称为耐水材料）。选用受潮较轻或次要结构物的称为耐水材料）。选用受潮较轻或次要结构物的材料，材料，K K应大于应大于0.750.75，小于等于，小于等于0.750.75时，称为软化岩石。时，称为软化岩石。1.1.3 1.1.3 与水有关的性质与水有关的性质 4 4 抗渗性抗渗性 材料反抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常材料反抗压力水
12、渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的意义是：确定厚度的材料，在单位用渗透系数表示。渗透系数的意义是：确定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示，即以规定的试件，在标材料的抗渗性也可用抗渗等级表示，即以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，渗透系数值愈小，准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，渗透系数值愈小，表示抗渗性愈好。抗渗性是材料耐久性的重要因素。表示抗渗性愈好。抗渗性是材料耐久性的重要因素。5 5 抗冻性抗冻性 材料在吸水饱和状态下反抗
13、多次材料在吸水饱和状态下反抗多次冻融循环而重量损失不大，强度也无冻融循环而重量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性。显著降低的性质称为材料的抗冻性。（水变冰体积膨胀约（水变冰体积膨胀约9%9%）材料受冻融破坏主要是材料受冻融破坏主要是因其中的水结冰所致，水结冰因其中的水结冰所致，水结冰时体积增大约时体积增大约9%9%，这对材料孔，这对材料孔隙产生很大的冻胀应力而开裂，隙产生很大的冻胀应力而开裂，冻融循环次数越多，对材料的冻融循环次数越多，对材料的破坏作用越大。破坏作用越大。1.1.4 1.1.4 热工性质热工性质 1热热容量和比容量和比热热容容 材料的材料的热热容量是指材料在温度容
14、量是指材料在温度变变更更时时吸取和放吸取和放出出热热量的量的实实力。材料比力。材料比热热容的物理意容的物理意义义是指是指1kg重的材料，在温度每重的材料，在温度每变变更更1K时时所吸取或放出的所吸取或放出的热热量。量。2导热导热性性 当材料两当材料两侧侧存在温度差存在温度差时时，热热量将由温度高的量将由温度高的一一侧侧通通过过材料材料传递传递到温度低的一到温度低的一侧侧，材料的，材料的这这种种传导热传导热量的量的实实力，称力，称为导热为导热性。材料的性。材料的导热导热性可性可用用导热导热系数来表示。材料的系数来表示。材料的导热导热系数愈小，表示系数愈小，表示其其绝热绝热性能愈好。性能愈好。3.
15、燃燃烧烧性能性能 依据建筑材料及制品燃依据建筑材料及制品燃烧烧性能分性能分级规级规定，将建定，将建筑材料及制品分筑材料及制品分为为四个等四个等级级：A级级（不燃材料或（不燃材料或制品）、制品）、B1级级（难难燃材料或制品）、燃材料或制品）、B2级级（可（可燃材料或制品）和燃材料或制品）和B3级级（易燃材料或制品）。（易燃材料或制品）。观察与察与讨论1.1 1.1 材料的物理性质材料的物理性质孔隙对材料性质的影响孔隙对材料性质的影响 某工程顶层欲加保温层，某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料请问选择何种材料合适合适？讨论讨论AB探讨探讨1.1
16、 1.1 材料的物理性质材料的物理性质 保温层的目的是削减外界温度变更对住保温层的目的是削减外界温度变更对住户的影响。材料保温性能的主要描述指标为户的影响。材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。视察两种材料的剖面，可见视察两种材料的剖面，可见A A材料为多孔结材料为多孔结构，构，B B材料为密实结构，多孔材料的导热系材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。数较小，适于作保温层材料。1.1 1.1 材料的物理性质材料的物理性质工程工程实例分析例分析(1)(1)加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析(2)
17、(2)火灾中混凝土的破坏火灾中混凝土的破坏(1)(1)加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析 某施工队原运用一般烧结粘土砖，后改为多孔、某施工队原运用一般烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度仅体积密度仅700 kg/m3 700 kg/m3 的加气混凝土砌块。在抹灰前的加气混凝土砌块。在抹灰前接受同样方式往墙上浇水，发觉原运用的一般烧结粘接受同样方式往墙上浇水，发觉原运用的一般烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水不少，但实际吸水不多。不少，但实际吸水不多。现象现象原因分析原因分析原因分析原因分析1.1 1.1 材料的物理性质材料的
18、物理性质 加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨墨水瓶水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材料的吸水性不仅要看孔数量的多少料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构，还需看孔的结构。(2)(2)火灾中混凝土的破坏火灾中混凝土的破坏 某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析缘由。概况概况原因分析原因分析原因分析原因分析1.1 1.1 材料的物理性质材料的物理性质 混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和
19、、凝固混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了困难的物相体系，由于受到火灾，在高温下，形成了困难的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。凝土微观结构破坏。基础知识基础知识1.2 1.2 材料的力学性质材料的力学性质1.2.1 1.2.1 强度强度1.2.2 1.2.2 弹性与塑性弹性与塑性1.2.3 1.2.3 韧性与脆性韧性与脆性1.2.4 1.2.4 硬度硬度1.2.1 1.2.1 强度强度 材料的力学性材料的力学性质质指材料在外力作用下所引起的指材料在外力作用下所引起的变变更
20、的性更的性质质。包括包括变变形、形、强强度等。度等。（1）强强度度 在外力作用下，材料反抗破坏的在外力作用下，材料反抗破坏的实实力称力称为为强强度。度。（2）比）比强强度度 承重的承重的结结构材料除了承受外荷构材料除了承受外荷载载外，外，还还要承受自重，反映材要承受自重，反映材料料轻质轻质高高强强的力学参数是比的力学参数是比强强度，其含度，其含义义是是单单位体位体积质积质量的材量的材料料强强度，数度，数值值上等于材料的上等于材料的强强度与自身表度与自身表观观密度之比。密度之比。材料在外力作用下产生变形，当外力去材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全复原到原始形态的性质称为弹性。除后能完全
21、复原到原始形态的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能复原，这种性质称为材料的有一部分变形不能复原，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区分在于，前者塑性。弹性变形与塑性变形的区分在于，前者为可逆变形，后者为不行逆变形。为可逆变形，后者为不行逆变形。1.2.2 1.2.2 弹性与塑性弹性与塑性材料受外力作用，当外力达确定值时，材料受外力作用，当外力达确定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变材料发生突然破坏，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形，这种性质称为脆性。材料在冲击或振动
22、荷载作用下，能吸取较大的能量，同时产生较大载作用下，能吸取较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。的变形而不破坏，这种性质称为韧性。1.2.3 1.2.3 韧性与脆性韧性与脆性 （1 1）材料另一个重要的力学性质是硬度。）材料另一个重要的力学性质是硬度。它是指材料表面反抗硬物压入或刻划的实力。它是指材料表面反抗硬物压入或刻划的实力。金属材料等的硬度常用压入法刻痕，如布氏硬金属材料等的硬度常用压入法刻痕，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。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。一般状况下，硬陶瓷等材料常用刻划法测定。一般状况下，硬度大
23、的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。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所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。度。1.2.4 1.2.4 硬度和耐磨性硬度和耐磨性（2 2）耐磨性）耐磨性 耐磨性是材料反抗磨耐磨性是材料反抗磨损的实力，用磨损率表示。损的实力，用磨损率表示。讨论讨论1.2 1.2 材料的力学性质材料的力学性质 具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的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，脆性材料反抗冲击载荷或振动作用的实力较差，倍，脆
24、性材料反抗冲击载荷或振动作用的实力较差，脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大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，如烧结一般砖、部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结一般砖、混凝土等。混凝土等。具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程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，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。是韧
25、性材料。工程工程实例分析例分析1.2 1.2 材料的力学性质材料的力学性质(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降 现象现象原因分析原因分析(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度 人们在测试混凝土等材料的强度时可视察到，人们在测试混凝土等材料的强度时可视察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。原因分析原因分析(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度 材料的强度除与其组成结构有关外，材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷速度、还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试
26、件大小和形态等。当加荷速度温度、试件大小和形态等。当加荷速度较快时，荷载的增长速度大于材料的变较快时，荷载的增长速度大于材料的变形速度形速度 ，测出的数值就会偏高。为此，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。荷速度范围。现象现象原因分析原因分析(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降 某地发生历史上某地发生历史上罕见的洪水。洪水退罕见的洪水。洪水退后，很多砖房倒塌，后，很多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，烧透的多孔的红砖，见右图。见右图。原因分析原因分析(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强
27、度下降 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特殊是吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特殊是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。导致房屋倒塌。1.3 1.3 材料的耐久性、平安性与环境协调性材料的耐久性、平安性与环境协调性 1.3.1 1.3.1 材料的耐久性材料的耐久性1.3.2 1.3.2 材料的平安性与环境协调性材料的平安性与环境协调性 1.3.1 1.3.1 材料的耐久性材料的耐久性 材料在
28、长期运用过程中，能保材料在长期运用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称为耐久性，它是一种困性质，统称为耐久性，它是一种困难的、综合的性质难的、综合的性质,包括材料的抗包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在运用过程中，除受蚀性等。材料在运用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作破坏作用可分为物理作用、化学作用、电化学作用、机械作用和生物用、电化学作用、机械作用和生物作用等。要依据材
29、料所处的结构部作用等。要依据材料所处的结构部位和运用环境等因素，综合考虑其位和运用环境等因素，综合考虑其耐久性，并依据各种材料的耐久性耐久性，并依据各种材料的耐久性特点合理地选用。特点合理地选用。1.3.2 1.3.2 材料的平安性与环境协调性材料的平安性与环境协调性 土木工程材料的环境协调问题日益受到土木工程材料的环境协调问题日益受到重视。材料的环境协调性是指材料在生产、重视。材料的环境协调性是指材料在生产、运用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负运用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、削减三废的产荷，包括生产中废物的利用、削减三废的产生，运用中削减对环境的污染，废弃时
30、有较生，运用中削减对环境的污染，废弃时有较高的可回收率。高的可回收率。19941994年设立中国环境标记产年设立中国环境标记产品认证委员会，据此土木工程材料中首先对品认证委员会，据此土木工程材料中首先对水性涂料实行环境标记，制定环境标记的评水性涂料实行环境标记，制定环境标记的评定标准。定标准。1.3 1.3 材料的耐久性、平安性与环境协调性材料的耐久性、平安性与环境协调性 (1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹(1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物 下下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。有
31、的地方可见白色流迹线。现象现象讨论讨论(1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物 由于吸附了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物由于吸附了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物使其建筑物表面变黑，而且由于酸雨的冲洗，使其建筑物表面变黑，而且由于酸雨的冲洗，使石材露出新表面，从而形成流迹线。同时，使石材露出新表面，从而形成流迹线。同时，石灰质碱性岩简洁与酸起反应，石材本身被硫石灰质碱性岩简洁与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物的表面腐蚀。的表面腐蚀。讨论讨论(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹 经过几年的运用，某水泥混凝土路面出现露石现象。经过几年的运
32、用，某水泥混凝土路面出现露石现象。现象现象讨论讨论(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹讨论讨论 路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要缘由是水面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要缘由是水泥混凝土的耐磨性不够。泥混凝土的耐磨性不够。1.3 1.3 材料的耐久性、平安性与环境协调性材料的耐久性、平安性与环境协调性 (1)(1)室内空气污染室内空气污染 (2)(2)放射性污染放射性污染现象现象原因分析原因分析(1)(1)室内空气污染室内空气污染 某新建体育馆因造型新颖某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不
33、止，到体育馆之外就复一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就复原正常，再进馆又起先哭闹。原正常，再进馆又起先哭闹。原因分析原因分析(1)(1)室内空气污染室内空气污染 该馆大量运用各种装修材料，由于刚竣工，室该馆大量运用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严峻。木地板运用较多的胶粘剂、脲醛内空气污染严峻。木地板运用较多的胶粘剂、脲醛树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、恶心，刺激眼和鼻，严峻时引起气喘、神志不清、恶心，刺激眼和鼻，严峻时引起气喘、神志不清、
34、呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量一般为一般为0.134 mg/m30.134 mg/m30.670 mg/m30.670 mg/m3，运用各种装修，运用各种装修材料后的游离甲醛含量可达材料后的游离甲醛含量可达2.3 mg/m32.3 mg/m3。现象现象原因分析原因分析(2)(2)放射性污染放射性污染 某家居装修接受一种超过放射性物质限制要求某家居装修接受一种超过放射性物质限制要求规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后被迫拆除更换。被迫拆除更换。原因分析原因分析(2)(2)放射性污染放射性
35、污染 氡是由镭衰变产生的自然界唯一的自然放射氡是由镭衰变产生的自然界唯一的自然放射性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学探讨表并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学探讨表明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时选购石材须索要产品放射性合格证，依据石材的选购石材须索要产品放射性合格证，依据石材的放射性等级作选择。放射性等级作选择。依据美国环保机构的调查数据，无形杀手导依据美国环保机构的调查数据，无形杀手导致人类患肺癌的数量每年在致人类患肺癌的数量每年在700010000
36、700010000人。人。基础知识基础知识1.4 1.4 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响1.4.1 1.4.1 材料的组成及其对材料性质的影响材料的组成及其对材料性质的影响1.4.2 1.4.2 材料的结构及其对性质的影响材料的结构及其对性质的影响1.4.3 1.4.3 材料的构造及其对性能的影响材料的构造及其对性能的影响1.4.1 1.4.1 材料的组成及其对材料性质的影响材料的组成及其对材料性质的影响 材料的组成是指材料的化学组成和矿物组成。材料组成材料
37、的组成是指材料的化学组成和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着确定性的作用。材是材料性质的基础，它对材料的性质起着确定性的作用。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。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。如下图所示，、为两种钢材的金相照片，两者化学组成如下图所示，、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，小于接近，主要差别是碳含量不同，小于0.20.2和则为和则为0.20.20.40.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而
38、其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。则强度较高。1.4.2 1.4.2 材料的结构及其对性质的影响材料的结构及其对性质的影响1.1.宏观结构宏观结构2.2.亚微观结构亚微观结构3.3.微观结构微观结构1.1.宏观结构宏观结构 材料的宏观结构是指可用肉眼能视察到的外部材料的宏观结构是指可用肉眼能视察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：和内部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。结构、纹理结构。密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。密实结构的材料内部
39、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、渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、自然石材、玻璃钢等。自然石材、玻璃钢等。多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧结一般砖等。结一般砖等。2.2.亚微观结构亚微观结构 亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所能视察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其能视察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在尺度范围在10103 310109
40、m9 m。材料的显微结构依据其。材料的显微结构依据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能视察到的结构，其尺度微结构是指用光学显微镜所能视察到的结构，其尺度范围在范围在10103 310107 m7 m。土木工程材料的显微结构，。土木工程材料的显微结构，应依据具体材料分类探讨。对于水泥混凝土，常探讨应依据具体材料分类探讨。对于水泥混凝土，常探讨水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是探讨其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。通常是探讨其金相组织，即晶界及晶粒尺
41、寸等。3.3.微观结构微观结构 材料的微观结构是指物相种类、形态、大小及材料的微观结构是指物相种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着亲密的关系。土木工程导电性、导热性等重要性质有着亲密的关系。土木工程材料的运用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可材料的运用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特性。性。1.4.3 1.4.3 材料的构造及其对性能的影响材料的构造及其对性能的影响 材材料料的的构构造
42、造是是指指具具有有特特定定性性质质的的材材料料结结构构单单元元间间的的相相互互搭搭配配组组合合状状况况。构构造造这这一一概概念念与与结结构构相相比比，更更强强调调了了相相同同材材料料或或不不同同材材料料间间的的搭搭配配组组合合关关系系。如如材材料料的的孔孔隙隙、岩岩石石的的层层理理、木木材材的的纹纹理理、疵疵病病等等，这这些些结结构构的的特特征征、大大小小、尺尺寸寸及及形形态态，确确定定了了材材料料特特有有的的一一些些性性质质。如如孔孔隙隙是是开开口口、微微小小且且连连通通的的，则则材材料料易易吸吸水水、吸吸湿湿，耐耐久久性性较较差差；若若孔孔隙隙是是封封闭闭的的，其其吸吸水水性性会会大大大大
43、下下降降，抗抗渗渗性性则则提提高高。所所以以，对对同同种种材材料料来来讲讲，其其构构造造越越密密实实、越越匀匀整整，强强度度越越高高，表表观观密密度度越越大大。观察与察与讨论讨论讨论AB1.4 1.4 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响两种石材性能对比两种石材性能对比 下图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，运用下图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，运用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现
44、裂缝，而花岗岩石材完好如新。请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的缘由。好如新。请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的缘由。探讨探讨两种石材性能对比两种石材性能对比 大大理理石石主主要要成成分分是是方方解解石石（碳碳酸酸钙钙和和碳碳酸酸镁镁），呈呈弱弱碱碱性性。在在酸酸雨雨等等腐腐蚀蚀介介质质作作用用下下，发发生生化化学学反反应应，颜颜色色变变暗暗淡淡，板板材材的的结结构构逐逐步步疏疏松松，并并发发展展为为裂裂缝缝。而而花花岗岗岩岩主主要要为为石石英英（结结晶晶二二氧氧化化硅硅）、长长石石（架架状状铝铝硅硅酸酸盐盐）及及少少量量云云母母（片片状状铝铝硅硅酸酸盐盐），为为酸酸性性石石材材，结
45、结构构致致密密具具有有高高抗抗酸酸腐腐蚀蚀的的实实力力。工程工程实例分析例分析1.4 1.4 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响现象现象原因分析原因分析 某工程灌浆材料接受水泥净浆，为了达到较好某工程灌浆材料接受水泥净浆，为了达到较好的施工性能，协作比中要求加入硅粉，并对硅粉的的施工性能，协作比中要求加入硅粉，并对硅粉的化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组为磨细石英粉
46、，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，在实际运用中效果不好，水成和细度均满足要求，在实际运用中效果不好，水泥浆体成分不均。泥浆体成分不均。材料微观结构对性能的影响材料微观结构对性能的影响原因分析原因分析 硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为品，其化学组成为SiOSiO2 2，微观结构为表面光滑的，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉的化学组成也为的化学组成也为SiOSiO2 2，微观结构为晶体，表面粗，微观结构为晶体，表面粗糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。
47、硅粉和磨糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。硅粉和磨细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观结构不同，导致材料的性能差异明显。结构不同，导致材料的性能差异明显。1.4 1.4 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构造及其对性能的影响创新能力培养创新能力培养绿色建材绿色建材 1988 1988年第一届国际材料科年第一届国际材料科学探讨会上，首次提出了学探讨会上，首次提出了“绿绿色材料色材料”的概念，绿色已成为的概念，绿色已成为人类环保愿望的标记
48、。人类环保愿望的标记。“绿色绿色建材建材”也成为了一个发展趋势。也成为了一个发展趋势。你的家乡的土木工程材料有哪你的家乡的土木工程材料有哪些是属于些是属于“绿色建材绿色建材”？有哪？有哪些不属于些不属于“绿色建材绿色建材”？请思？请思索、探讨。索、探讨。常常见问题及解答及解答 1-1 1-1 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，干脆测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，干脆用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度？积之比不是该材料的表观密度？1-2 1-2 相同组成材料的性能为何不确定是相同的？相同组成材料的性能为
49、何不确定是相同的？1-3 1-3 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？1-1 1-1 解答解答1-2 1-2 解答解答1-3 1-3 解答解答常常见问题及解答及解答 1-1 1-1 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，干脆测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，干脆用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度？积之比不是该材料的表观密度？解答：表观密度是材料在自然状态下单位体积的质解答：表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量。所谓自然状态下的体积包含材料内的孔隙。而干脆量。所谓自然状态下
50、的体积包含材料内的孔隙。而干脆将含大量开口孔隙的材料放入水中，部分水进入材料的将含大量开口孔隙的材料放入水中，部分水进入材料的开口孔隙中，故，所测得的体积已不是材料在自然状态开口孔隙中，故，所测得的体积已不是材料在自然状态下的体积。正确的做法是将材料表面涂蜡将其密封，然下的体积。正确的做法是将材料表面涂蜡将其密封，然后方能用排水法测定其自然状态下的体积。后方能用排水法测定其自然状态下的体积。常常见问题及解答及解答 1-2 1-2 相同组成材料的性能为何不确定是相同的？相同组成材料的性能为何不确定是相同的？解答：例犹如是二氧化硅成分组成的材料，蛋白解答：例犹如是二氧化硅成分组成的材料，蛋白石是无