第1章 土木工程材料的基本性质

第1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(Chemicalcomposition)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。土木工程材料的很多性质都与其化学组成有关。第1章土木工程材料的基本性质（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(Mineral)。矿物组成（Mineralcomposition）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。第1章土木工程材料的基本性质（3）相组成材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相(Phase)。相组成(Phasecomposition）是构成材料的相的种类和数量。第1章土木工程材料的基本性质2.材料的结构（1）宏观结构宏观结构(Macrostructure)是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。第1章土木工程材料的基本性质密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是吸水性小，抗渗性较好，强度较高。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。这类材料质轻，吸水率较高，抗渗性较差，强度较低，但绝热性较好。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。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。第1章土木工程材料的基本性质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，各层材料性质不同，但叠合后材料的综合性能较好，从而扩大了材料的适用范围。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。第1章土木工程材料的基本性质（2）细观结构细观结构（Submicrostructure）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。材料在细观结构层次上的差异对材料的性能有着显著的影响。第1章土木工程材料的基本性质（3）微观结构微观结构(Microstructure)是指用电子显微镜或X射线来 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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。①晶体质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf ，呈周期性排列的固体称为晶体(Crystal)。晶体具有特定的几何形状和固定的熔点，且具有化学稳定性。第1章土木工程材料的基本性质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。第1章土木工程材料的基本性质晶体质点间的结合键的特性决定着晶体材料的特性。从键的结合力来看，共价键和离子键最强，金属键较强，分子键最弱。第1章土木工程材料的基本性质②玻璃体玻璃体(Amorphousbody)是熔融的物质经急冷而形成的无定形体。图1.1晶体与非晶体的原子排列示意图（a）晶体；（b）非晶体（a）（b）第1章土木工程材料的基本性质玻璃体是非晶体，质点排列无规律，因而玻璃体没有固定的几何形状，具有各向同性。玻璃体具有化学不稳定性，即具有潜在的化学活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应。玻璃体没有固定的熔点，加热时会出现软化。第1章土木工程材料的基本性质③胶体胶体(Colloid)是指以粒径为10-7～10-10m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。第1章土木工程材料的基本性质在胶体结构中，若胶粒较少，则胶粒悬浮、分散在连续相介质中，此时连续相介质的性质对胶体的性质影响较大，这种胶体结构称为溶胶结构。若胶粒数量较多，则胶粒在表面能作用下发生凝聚，彼此相连形成空间网络结构，从而胶体强度增大，变形减少，形成固体或半固体状态，这种胶体结构称为凝胶结构。介于两者之间的是溶胶-凝胶结构。第1章土木工程材料的基本性质胶体的分散相（胶粒）很小，比表面积很大。因而胶体表面能大，吸附能力很强，质点间具有很强的黏结力。凝胶结构具有固体性质，但在长期应力作用下会具有黏性液体的流动性质。与晶体及玻璃体结构相比，胶体结构的强度较低，变形较大。第1章土木工程材料的基本性质3.材料的构造材料的构造(Structure)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。第1章土木工程材料的基本性质二、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(Density)是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：ρ=m/V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。第1章土木工程材料的基本性质（2）表观密度表观密度(Apparentdensity)是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：ρ0=m/V0式中，ρ0——表观密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3。一般情况下，表观密度是指气干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。第1章土木工程材料的基本性质（3）堆积密度堆积密度(Bulkdensity)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：ρ’0=m/V’0式中，ρ0’——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V0’——材料的堆积体积，m3。测定散粒状材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的体积，因此，材料的堆积体积包括了颗粒之间的空隙。第1章土木工程材料的基本性质2.材料的密实度与孔隙率（1）密实度密实度(Solidity)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/V0×100%或D=ρ0/ρ×100%（2）孔隙率孔隙率(Porosity)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)/V0×100%或P=(1－ρ0/ρ.)×100%D+P=1第1章土木工程材料的基本性质孔隙率或密实度大小反映了材料的密实程度。通常认为，孔隙对材料性能的影响，一方面是孔隙的多少，另一方面是孔隙的特征。孔隙的多少用孔隙率表示，孔隙的特征是指孔隙的大小、形状、分布、连通与否等孔隙构造方面的特征。第1章土木工程材料的基本性质3.材料的填充率与空隙率（1）填充率填充率(Fillingrate)是指散粒状材料在自然堆积状态下，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/V’0×100%或D’=ρ’0/ρ0.×100%第1章土木工程材料的基本性质（2）空隙率空隙率(Voidage)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’=(V’0－V0)/V’0×100%或P=(1－ρ’0/ρ0.)×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。第1章土木工程材料的基本性质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（Hydrophilicproperty)。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(Hydrophobicproperty）。第1章土木工程材料的基本性质润湿边角：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的夹角(θ)称为润湿边角(Wettingangle)。第1章土木工程材料的基本性质一般认为，当θ≤90°时，此种材料称为亲水性材料；当θ>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）憎水性材料第1章土木工程材料的基本性质材料具有亲水性或憎水性的原因在于材料的分子结构。材料与水接触时，材料分子与水分子之间的相互吸引力大于水分子之间的内聚力，材料表面易被水润湿，表现为亲水性。材料分子与水分子之间的相互吸引力小于水分子之间的内聚力，材料表面不易被水润湿，表现为憎水性。第1章土木工程材料的基本性质（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(Water-absorption)。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。第1章土木工程材料的基本性质质量吸水率(Water-absorptionofquality)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：体积吸水率(Water-absorptionofvolume)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：第1章土木工程材料的基本性质材料的吸水率大小主要取决于材料的孔隙率及孔隙特征。具有微细而连通孔隙且孔隙率大的材料吸水率较大；具有粗大孔隙的材料，虽然水分容易进入，但不易在孔内存留，仅起到润湿孔壁的作用，因而其吸水率不高；孔隙率较小及仅有封闭孔隙的材料，水分难以进入，故吸水率较小。第1章土木工程材料的基本性质（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(Hygroscopicity)。材料的吸湿性常以含水率(Waterpercentageofquality)表示。按下式计算：W=(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。第1章土木工程材料的基本性质（4）材料的耐水性耐水性(Waterresistance)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(Softeningmodulus)表示。按下式计算：K=f饱/f干.软化系数的范围在0～1之间。通常将软化系数大于0.85的材料称为是耐水材料。第1章土木工程材料的基本性质（5）材料的抗渗性抗渗性（Resistancetopenetration)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渗透系数反映了材料抵抗压力水渗透的性质，渗透系数越大，材料的抗渗性越差。第1章土木工程材料的基本性质对于土木工程中大量使用的砂浆、混凝土等材料，其抗渗性能常用抗渗等级来表示。抗渗等级：以 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的试件、在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 试验方法下所能承受的最大水压力来确定。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征密切相关。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。材料的抗渗性与材料的耐久性有着非常密切的关系。第1章土木工程材料的基本性质（6）抗冻性抗冻性(Frostresistance)是指材料在吸水饱和状态下，能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。土木工程中用量最大的材料之一混凝土的抗冻性用抗冻等级或抗冻标号来表示。抗冻等级或抗冻标号是由混凝土试件吸水饱和后，所能承受的最大冻融循环次数来划分。第1章土木工程材料的基本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。材料强度越高，抗冻性越好；孔对抗冻性的影响与其对抗渗性的影响相似。当材料含水未达到饱和时，冻融破坏作用较小。第1章土木工程材料的基本性质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（Thermalconductivity）。第1章土木工程材料的基本性质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（Coefficientofthermalconductivity）按下式计算：热导率与材料孔隙构造密切相关。密闭空气的热导率为λ=0.023W/(m·K)。第1章土木工程材料的基本性质工程中通常把λ≤0.23W/(m·K)的材料称为绝热材料。材料受潮或受冻后，其热导率会大大提高。水和冰的热导率比空气的热导率高很多（分别为0.58W/(m·K)和2.20W/(m·K)）。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。第1章土木工程材料的基本性质（2）热容量热容量（Heatcapacity)是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力，按下式计算：比热容（Specificheatcapacity)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。不同材料的比热不同，即使同一种材料，由于所处物态不同，比热容也不同。第1章土木工程材料的基本性质三、材料的基本力学性质1.材料的强度和比强度（1）强度强度(Strength)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（Compressivestrength)、抗拉强度(Tensilestrength)、抗剪强度(Shearstrength)及抗弯强度(Bendingstrength)等。第1章土木工程材料的基本性质图1.3材料受力示意图第1章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按下式计算：式中，f——材料强度，MPa；F——材料破坏时最大荷载，N；A——试件受力截面面积，mm2。第1章土木工程材料的基本性质（三分点加荷）（单点集中加荷）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：式中，f——材料的抗弯强度，MPa；F——材料破坏时最大荷载，N；L——两支点间距离，mm；b，h——分别为受弯试件截面的宽度和高度，mm。第1章土木工程材料的基本性质不同种类的材料抵抗外力作用的能力不同，即使是相同种类的材料，由于其内部构造不同，其强度也有很大差异。同种材料抵抗不同类型外力作用的能力不同。土木工程材料常根据其强度划分为若干等级，即材料的强度等级。第1章土木工程材料的基本性质（2）比强度比强度（Specificstrength)是按单位体积质量计算的材料强度，或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指标。提高材料承受外荷载的能力，不仅应提高其强度，还应减轻其自重，材料必须具有较高的比强度，才能满足高层建筑及大跨度结构工程的要求。第1章土木工程材料的基本性质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(Elasticity)，这种可恢复的变形称为弹性变形(Elasticdeformation)。图1.4材料的弹性变形曲线第1章土木工程材料的基本性质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(Plasticity)，这部分残余变形称为塑性变形(Plasticdeformation)。图1.5材料的塑性变形曲线第1章土木工程材料的基本性质材料在弹性范围内，其应力(Stress)与应变(Strain)之间的关系符合虎克定律：σ=Eε式中，σ——应力，MPa；ε——应变；E——弹性模量，MPa。弹性模量（Modulusofelasticity)是材料刚度（Rigidity)的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的主要参数之一。第1章土木工程材料的基本性质实际上，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第1章土木工程材料的基本性质3.脆性与韧性材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性(Brittleness)，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第1章土木工程材料的基本性质脆性材料的特点是，破坏时变形很小，抗压强度远大于其抗拉强度，会使结构发生突然破坏，而且对承受振动或抵抗冲击荷载是不利的。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(Toughness)，具有这种性质的材料称为韧性材料。韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度与抗压强度接近。第1章土木工程材料的基本性质4.硬度与耐磨性（1）硬度硬度（Hardness)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。硬度高的材料具有很好的耐磨性，但不易加工。有些材料的硬度与强度具有较好的相关性。第1章土木工程材料的基本性质（2）耐磨性耐磨性（Abrasiveresistance）是指材料表面抵抗磨损的能力，材料的耐磨性用磨损率（Wearrate)表示。按下式计算：式中，N——材料的磨损率，g/cm2；m1－m2——试件磨损前后的质量损失，g；A——试件受磨面积，cm2。材料的耐磨性与其组成、结构和表面硬度有关，材料越致密，硬度越高，耐磨性越好。第1章土木工程材料的基本性质四、材料的耐久性耐久性(Durability)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。材料的耐久性是土木工程耐久性的基础。