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1、本章学习指导本章学习指导 本章有4个知识点。本章的学习目标是：了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。掌握土木工程材料的基本物理性质。掌握土木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。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。建议本章课内外学时数各为3学时。第1页/共58页历史回顾历史回顾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，采用砖石结构。墙身用条石砌
2、筑，中间填充碎石黄土，顶部再用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚固耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土磊筑长城，将泥土夯打结实，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。万里长城因地制宜使用建筑材料，展现了我国劳动人民的勤劳、智慧和创造力。第2页/共58页基础知识基础知识1.1 材料的物理性质1.1.1 密度、表观密度、体积密度和堆积密度1.1.2 材料的孔隙率和空隙率 1.1.3 与水有关的性质 1.1.4 热工性质 1固体；2闭口孔隙；3开口孔隙第3页/共58页1.1.1 1.1.1 密度、表观密度、体积密度和堆积密度密度、
3、表观密度、体积密度和堆积密度 密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。密度是指材料在绝对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质量。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条件下的单位体积的质量。堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。第4页/共58页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 孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。空隙率则是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积(开口孔隙与间隙之和)占堆积体积的百分率。材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材料的性质有重
4、要影响，见右图。1固体；3闭口孔隙；2开口孔隙 第5页/共58页1.1.3 与水有关的性质 1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、石材等无机材料等为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。第6页/共58页1.1.3 与水有关的性质 2材料的吸水性与吸湿性 材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。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法。质量吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收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，所吸收水分的体积占干燥材料体
5、积的百分率。材料吸收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。对于细微连通的孔隙，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，只能润湿孔壁，因此吸水率也较小。第7页/共58页1.1.3 与水有关的性质 吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收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。材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。3 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的能力，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
6、低，强度降低越多，软化系数就越小，说明材料的耐水性就越差，受水浸泡或长期处于潮湿环境中的重要结构时，必须选用大于等于0.85的材料（大于0.85称为耐水材料）。选用受潮较轻或次要结构物的材料，K应大于0.75，小于等于0.75时，称为软化岩石。第8页/共58页1.1.3 与水有关的性质 4 抗渗性 材料抵抗压力水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：一定厚度的材料，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。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，表示抗渗性愈好。抗渗性是材料耐久性的
7、重要因素。5 抗冻性 材料在吸水饱和状态下抵抗多次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。（水变冰体积膨胀约9%）材料受冻融破坏主要是因其中的水结冰所致，水结冰时体积增大约9%，这对材料孔隙产生很大的冻胀应力而开裂，冻融循环次数越多，对材料的破坏作用越大。第9页/共58页1.1.4 热工性质 1热容量和比热容 材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。材料比热容的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。2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
8、可用导热系数来表示。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。3.燃烧性能 按照建筑材料及制品燃烧性能分级规定，将建筑材料及制品分为四个等级：A级（不燃材料或制品）、B1级（难燃材料或制品）、B2级（可燃材料或制品）和B3级（易燃材料或制品）。第10页/共58页观观察察与讨论与讨论1.1 材料的物理性质孔隙对材料性质的影响 某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料合适？讨论讨论AB第11页/共58页讨论讨论1.1 材料的物理性质 保温层的目的是减少外界温度变化对住户的影响。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。观察两种材料的剖面，可见A材料为
9、多孔结构，B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。第12页/共58页1.1 材料的物理性质工程工程实实例分析例分析(1)加气混凝土砌块吸水分析(2)火灾中混凝土的破坏第13页/共58页(1)加气混凝土砌块吸水分析 某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度仅700 kg/m3 的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通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不少，但实际吸水不多。现象现象原因分析原因分析第14页/共58页原因分析原因分析1.1 材料的物理性质 加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作
10、用差，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。材料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构。第15页/共58页(2)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，请分析原因。概况概况原因分析原因分析第16页/共58页原因分析原因分析1.1 材料的物理性质 混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，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，导致混凝土微观结构破坏。第17页/共58页基础知识基础知识1.2 材料的力学性质1.2.1 强度1.2.2 弹性与塑性 1.2.3 韧性与脆性1.2.4 硬度 第18页/共58
11、页1.2.1 强度 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。包括变形、强度等。（1）强度 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。（2）比强度 承重的结构材料除了承受外荷载外，还要承受自重，反映材料轻质高强的力学参数是比强度，其含义是单位体积质量的材料强度，数值上等于材料的强度与自身表观密度之比。第19页/共58页 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。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。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。1.2.2 弹性与塑性第20页/共58页 材
12、料受外力作用，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。1.2.3 韧性与脆性第21页/共58页 （1）材料另一个重要的力学性质是硬度。它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。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。1.2.4 硬度和耐磨性（2）耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨损的能力，用磨损率表示。第22
13、页/共58页讨论讨论1.2 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。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。第23页/共58页工程工程实实例分析例分析1.2 材料的力学性质(1)测试强度与加荷速度(2)砖浸水后强度下降 第24页/共58页现象现象原因
14、分析原因分析(1)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观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。第25页/共58页原因分析原因分析(1)测试强度与加荷速度 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、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷载的增长速度大于材料的变形速度，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。第26页/共58页现象现象原因分析原因分析(2)砖浸水后强度下降 某地发生历史上罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见右图。第27页/共58页原因分析原因分析(2)砖浸水后强度
15、下降 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，特别是当有水进入砖内时，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，从而导致房屋倒塌。第28页/共58页1.3 材料的耐久性、安全性与环境协调性 1.3.1 材料的耐久性 1.3.2 材料的安全性与环境协调性 第29页/共58页1.3.1 材料的耐久性 材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、
16、化学作用、电化学作用、机械作用和生物作用等。要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地选用。第30页/共58页1.3.2 材料的安全性与环境协调性 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、使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、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高的可回收率。1994年设立中国环境标志产品认证委员会，据此土木工程材料中首先对水性涂料实行环境标志，制定环境标志的评定标准。第31页/共58页1.3 材料的耐久性、安全性与环境协调性(1)酸雨腐蚀建筑物(2)路面磨
17、损裂纹第32页/共58页(1)酸雨腐蚀建筑物 下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。现象现象讨论讨论第33页/共58页(1)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，石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物的表面腐蚀。讨论讨论第34页/共58页(2)路面磨损裂纹 经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。现象现象讨论讨论第35页/共58页(2)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，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因
18、是水泥混凝土的耐磨性不够。第36页/共58页1.3 材料的耐久性、安全性与环境协调性(1)室内空气污染(2)放射性污染第37页/共58页现象现象原因分析原因分析(1)室内空气污染 某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复正常，再进馆又开始哭闹。第38页/共58页原因分析原因分析(1)室内空气污染 该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、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，严重时引起气喘、神志不清、呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量一
19、般为0.134 mg/m30.670 mg/m3，使用各种装修材料后的游离甲醛含量可达2.3 mg/m3。第39页/共58页现象现象原因分析原因分析(2)放射性污染 某家居装修采用一种超过放射性物质控制要求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。第40页/共58页原因分析原因分析(2)放射性污染 氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，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。科学研究表明，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，根据石材的放射性等级作选择。根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
20、年在700010000人。第41页/共58页基础知识基础知识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 1.4.1 材料的组成及其对材料性质的影响 1.4.2 材料的结构及其对性质的影响1.4.3 材料的构造及其对性能的影响 第42页/共58页1.4.1 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0.2和则为0.20.4，但矿
21、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，而则强度较高。第43页/共58页1.4.2 材料的结构及其对性质的影响1.宏观结构2.亚微观结构3.微观结构第44页/共58页1.宏观结构 材料的宏观结构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结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。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、玻璃钢等。多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。第45页/共58页2.亚
22、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能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在103109 m。材料的显微结构根据其尺度范围，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观察到的结构，其尺度范围在103107 m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。第46页/共58页3.微观结构 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、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用
23、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，各具不同特性。第47页/共58页1.4.3 材料的构造及其对性能的影响 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的互相搭配组合情况。构造这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。如孔隙是开口、细微且连通的，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。第48页/共58页观观察察与讨论与讨论
24、讨论讨论AB1.4 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 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，使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完好如新。请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的原因。第49页/共58页讨论讨论两种石材性能对比 大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝 硅 酸 盐），为 酸 性 石 材，结 构 致 密 具 有
25、高 抗 酸 腐 蚀 的 能 力。第50页/共58页工程工程实实例分析例分析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 现象现象原因分析原因分析 某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好的施工性能，配合比中要求加入硅粉，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为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，在实际使用中效果不好，水泥浆体成分不均。材料微观结构对性能的影响第51页/共58页原因分析原因分析 硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为SiO2，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能
26、。磨细石英粉的化学组成也为SiO2，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。硅粉和磨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。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 第52页/共58页创新能力培养创新能力培养绿色建材 1988年第一届国际材料科学研究会上，首次提出了“绿色材料”的概念，绿色已成为人类环保愿望的标志。“绿色建材”也成为了一个发展趋势。你的家乡的土木工程材料有哪些是属于“绿色建材”？有哪些不属于“绿色建材”？请思考、讨论。第53页/共58页常常见问题及解答及解答 1-1 测定含大
27、量开口孔隙的材料表观密度时，直接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？1-2 相同组成材料的性能为何不一定是相同的？1-3 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 解答解答第54页/共58页常常见问题及解答及解答 1-1 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接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？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。而直接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
28、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，然后方能用排水法测定其自然状态下的体积。第55页/共58页常常见问题及解答及解答 1-2 相同组成材料的性能为何不一定是相同的？解答：例如同是二氧化硅成分组成的材料，蛋白石是无定型二氧化硅，石英是结晶型二氧化硅。它们的分子结构不同，因而它们的性质不同。第56页/共58页常常见问题及解答及解答 1-3 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻性不会差。第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页