Transcript 1 材料的基本性质
1 材料的基本性质 1 材料的基本物理性质 2 材料的基本力学性质 3 材料的耐久性 4 材料的组成、结构和构造 1 材料的基本性质 1 材料的基本物理性质 2 材料的基本力学性质 3 材料的耐久性 4 材料的组成、结构和构造 1.1 材料的基本物理性质 1 材料的密度、表观密度、堆积密度 2 材料的密实度与孔隙率 3 材料的填充率与空隙率 4 材料与水相关的性质 5 材料的热工性质 1.1.1材料的密度、表观密度、堆积密度 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 m V 0 m V0 0 m V0 材料的绝对密实体积是指材料内部没有孔隙时的体积，或不包含内部孔隙 表观密度 材料在自然状态下单位体积的质量 材料的表观体积是包含内部孔隙的体积 堆积密度 粉状或散粒材料在自然状态下单位体积的质量 材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙 3 1.1.1材料的密度、表观密度、堆积密度 土木工程中常用材料密度 材料名称 密度 （g/cm³ ） 表观密度 （kg/m ³） 堆积密度 （kg/m³ ） 钢材 7.85 - - 铝合金 2.7 - - 石灰石 2.4～2.6 1600～2400 1400～1700（碎石） 花岗石 2.7～3.0 2500～2900 - 砂 2.5～2.6 - 1450～1650 粘土 2.5～2.7 - 1600～1800 粉煤灰 1.95～2.40 - 550～800 水泥 2.8～3.1 - 1250～1600 普通混凝土 - 1900～2500 - 空心砖 2.6～2.7 - 1000～1400 玻璃 2.45～2.55 2450～2500 - 红松木 1.55～1.60 400～500 - 石油沥青 0.96～1.04 - - 泡沫塑料 - 20～50 - 1.1.2材料的密实度与孔隙率 密实度 材料的体积内被固体物质填充的程度 D V 100% 0 100% V0 孔隙率 材料内部孔隙的体积占其总体积的百分率 P D 1 孔径大小、孔隙特征对材料的性 能也具有重要的影响 P V0 V 100% (1 0 )100% V0 1.1.2材料的密实度与孔隙率 材料孔隙特征直接影响材料的多种性质 吸水、透水、 吸声 强度、抗渗 抗冻、耐久性 1.1.3材料的填充率与空隙率 填充率 在某堆积体积中，被散粒状所填充的程度 D 空隙率 V0 100% 0 100% V0 0 散粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙的体积占其总体积的百分率 P V0 V0 100% (1 0 ) 100% V0 0 计算配合比 粗集料空隙被细集料填充，细集料空隙被 细粉填充，细粉空隙被胶凝材料填充，以 达到节约胶凝材料的效果。 P D 1 1.1.4材料与水相关的性质 亲水性与 憎水性 吸水性与 吸湿性 抗冻性 材料与水相 关的性质 耐水性 抗渗性 1.1.4材料与水相关的性质 亲水性与憎水性 θ 亲水性材料 90°时为亲水性材料 亲水性材料 当θ 憎水性材料 当θ>90°时为亲水性材料 憎水性材料 1.1.4材料与水相关的性质 亲水性和憎水性 亲水性和憎水性 当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润 湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有 亲水性，后者称具有憎水性。 1.1.4材料与水相关的性质 质量吸水率 吸水性与吸湿性 Wm m1 m 100 % m 吸水性 Wm WV 材料与水接触时吸收水分的性质 材料吸水会使材料的强度降 低，表观密度和热导率增大， 体积膨胀，往往对材料性质 产生不利影响。 WV W O m1 m 1 100% V0 W 体积吸水率 1.1.4材料与水相关的性质 吸水性与吸湿性 材料吸水率的大小，主要决定于孔隙的孔隙特征 吸湿性 含水率 材料所含水的质量占材料干燥质量的百分率 mk m Wk 100 % m 1.1.4材料与水相关的性质 耐水性 材料在饱和水的长期作用下维持不破坏而且强度也不明显降低的性质 软化系数 f1 KR f0 1.1.4材料与水相关的性质 抗渗性 渗透系数 材料抵抗压力水渗透的性质 渗透系数越小， 材料抗渗性也越 好 抗渗等级 K Qd AtH P 10 H 1 与材料的孔隙率、孔隙特征及亲水性、 憎水性有密切关系 1.1.4材料与水相关的性质 抗冻性 材料在吸水饱和状态 下，能抵抗多次冻融 循环作用而不破坏， 同时强度也不严重降 低的性质。 抗冻等级 强度损失率不超过25%且质量损失率不超过5% 相对动弹性模量 高抗冻性 混凝土 快冻法 质量损失率 2 fn P 2 f0 Wn G0 Gn 100 G0 冻融破坏的大坝坝面 使用20年的高速公路桥梁 1.1.5材料的热工性质 导热性 热阻 材料将热量从温度 Q 高的一侧传递到温 At(T2 T1 ) 度低的一侧的 能力 ， 用导热系数表示。 R=δ/λ(m2· K/W) 热量通过材料层时 所受到的阻力 材料的热工性质 材料将热量从温度 高的一侧传递到温 Q 度低的一侧的 能力 ，c m(T1 T2 ) 用导热系数表示。 热容量 材料的热容量对保 持室内温度的 稳定 、 减少能耗、冬季施 工等有很重要的作 用。 1.1.4材料的热工性质 常用土木工程材料的导热系数和比热 导热系数 W/(m·k) 比热 kJ/(kg·k) 钢 55 0.46 普通混凝土 1.80 0.88 加气混凝土 0.16 - 松木（横纹） 0.15 1.63 花岗石 2.90 0.80 大理石 3.40 0.88 泡沫塑料 0.035 1.30 静止空气 0.025 1.00 水 0.60 4.19 冰 2.20 2.05 粘土砖 0.55 0.84 材 料 名 称 1 材料的基本性质 1 材料的基本物理性质 2 材料的基本力学性质 3 材料的耐久性 4 材料的组成、结构和构造 1.2 材料的基本力学性质 1 材料的强度和比强度 2 材料的硬度与耐磨性 3 材料的弹性与塑形 4 材料的韧性与脆性 1.2.1材料的强度和比强度 强度 材料在荷载作用下抵抗破坏的能力 材料内部抵抗破坏的极限应力 抗压、抗拉、抗剪强度 F f A 两支点中 心加载 抗弯强度 三分点处 加载 3Fl fm 2bh 2 Fl fm 2 bh 1.2.1材料的强度和比强度 强度 强度 孔隙率 与其组成、构造 等因素有关 与其含水状态及 温度有关 测试条件和方法 等外部因素有很 大关系 1.2.1材料的强度和比强度 强度 常用土木工程材料的强度(MPa) 材 料 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 建筑钢材 215～1500 215～1500 215～1500 普通混凝土 7.5～60 1～4 3.0～10.0 烧结普通砖 10～30 - 1.8～4.0 松木（顺纹） 30～50 80～120 60～100 花岗岩 100～250 5～8 10～14 kg/m3 1.2.1材料的强度和比强度 比强度 按单位体积质量计算的材料强度，其值等于材料的强度 与其表观密度的比值。比强度是衡量材料轻质高强的重 要指标，比强度值越大，材料轻质高强的性能越好。 常用结构的比强度 材 料 强 度 MPa 表观密度 比强度 低碳钢 420 7850 0.054 普通混凝土（抗压） 40 2400 0.017 松木（顺纹抗拉） 100 500 0.200 玻璃钢（抗弯） 450 2000 0.225 1.2.1材料的强度和比强度 （a） （b） 环箍效应作用示意图 （a）因环箍效应引发的试件内应力分布; （b）立方体试件破坏后形状 混凝土路面砖抗折强度试验 混凝土路面砖抗压强度试验 钢筋抗拉强度试验 1.2.2 材料的弹性与塑形 弹性 材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全恢复的性质 弹性体的变形曲线是一条闭合曲线，即弹性变形属于可逆变形 塑形 E值越大，表明材料越不容易变形，即刚性好。 E 物体在外力作用下产生变形，当取消外力后，有一部分变形不能恢复 a 1.2.2 材料的弹性与塑形 A 荷载 荷载 A O a O 变形 B b 变形 图1-4 弹性材料的变形曲线 图1-5 塑性材料的变形曲线 荷载 O b a 变形 图1-6弹塑性材料的变形曲线 1.2.2 材料的韧性与脆性 脆性 外力作用于材料，并达到一定值 时，材料并不产生明显变形即发 生突然破坏的性质 A 荷载 韧性 变形 材料在冲击、振动荷载作用下能吸 收大量能量并能承受较大的变形而 不突然破坏的性质 图1-7脆性材料的变形曲线 1 材料的基本性质 1 材料的基本物理性质 2 材料的基本力学性质 3 材料的耐久性 4 材料的组成、结构和构造 1.3 材料的耐久性 1 材料的耐久性与安全 2 材料的耐久性与经济 3 耐久性试验方法原理 1.2.2 材料的弹性与塑形 材料在长期使用过程中，抵抗其自身和环境的长期破 坏作用，保持其原有性能不破坏的能力称为材料的耐 久性。 机械作用 耐久性 化学作用 生物作用 物理作用 1.3.1 材料的耐久性与安全 案例 北京地区的立交桥，由于冻融循环和除冰盐腐蚀破损严重。 国内最早建成的北京西直门立交桥就因此被迫拆除，使用时间不 到19年；北京东直门、大北窑桥等二十座立交桥已不得不提前进 行大修加固。天津中环路上的众多立交桥，在运行十余年后，也 因钢筋锈蚀和混凝土冻蚀陆续进行大修或部分更换。 结论 耐久性是影响结构物长期安全性的重要性质 1.3.2 材料的耐久性与经济 材料的耐久性与结构物的使用年限直接相关， 耐久性好，就可以延长结构物的使用寿命，减少维修 费用，土木工程所消耗的材料数量巨大，生产这些材 料不但破坏生态、污染环境、资源枯竭。 案例 我国东北寒冷地区的路面常有很严重的剥落现象。有许多大 型水电站如丰满、云峰等也遭受到严重的冻融破坏，有些防波堤 的混凝土块受海水侵蚀，不到几年时间就严重破坏。 1.3.3 耐久性试验方法原理 材料在实际环境中的耐久性指标需要经过长期 观察或测定才能获得，不可能像强度指标那样由破坏 试验直接获得强度值。 同时，材料耐久性包括多方面内容，是一个综合 性质。 耐久性包括的内容很多，许多性能指标的试验 方法还不成熟，对于试验结果与实际环境中材料耐久 性能之间的关系研究还不深入。 1 材料的基本性质 1 材料的基本物理性质 2 材料的基本力学性质 3 材料的耐久性 4 材料的组成、结构和构造 1.4.1 材料的组成 化学组成 矿物组成 指构成材料的基本化合物或化学元素的种类和数量 构成材料的矿物种类和数量 决定材料性质的主要因素 将材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相 相组成 凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料 1.4.2 材料的结构 孔隙 特征 宏 观 结 构 致密结构 致密结构指孔隙率很低或趋近为零、结构致密的材料 多孔结构 多孔结构指材料内部有粗大孔隙的结构 微孔结构 微孔结构指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构 1.4.2 材料的结构 组织 结构 宏 观 结 构 聚集结构 由集料与具有胶粘性或粘结性物质胶结而成的结构 纤维结构 由纤维状物质构成的材料结构 层状结构 天然形成或人工粘结等方法将材料叠合成层状的结构 散粒结构 材料呈松散颗粒状结构 大理岩的致密表面 加气混凝土砌块的多孔构造 胶合板的层状构造 竹的纤维构造 陶粒的粒状构造 1.4.2 材料的结构 细观结构 指在光学显微镜下能观察到的结构 原子晶体 晶体 离子晶体 分子晶体 微观结构 金属晶体 指用电子显微镜、 扫描电子显微镜 或x射线来分析 研究材料的原子、 分子层次的结构 特征。 玻璃体 胶体 晶体结构与玻璃结构的差别 O Si 近 程 有 序 ， 远 程 无 序 [SiO4]4- 石英晶体结构 石英玻璃结构 玻璃态物质的化学活性 玻璃态处于介稳状态，含过剩内能，具活性， 有助于化学反应。 化学反应是破坏作为 反应物的化学物质的化 学键，重新建立新的化 学键从而形成新的化学 物质的过程。 建筑材料中涉及到的玻璃态物质 火山灰 pozzolana 粉煤灰 fly ash 水淬高炉矿渣 granulated blastfurnace slag 练 习 1、无机非金属材料一般均属于脆性材料，最适 宜承受__________力。 答案 静压力 2、比强度是衡量材料__________的指标。 答案 轻质高强 3、材料的强度的确定视材料的种类不同而不同， 对于脆性材料常以_________作为该材料的强 度；对于韧性材料而言则以__________作为该 材料的强度。 答案 极限应力值 屈服应力值 4、材料在进行强度试验时，大试件较小试件的 试验结果值 ；加荷速度快者较加荷速度慢者 的试验结果值 。 答案 小 大 5、弹性材料具有( A.无塑性变形 C.塑性变形小 答案 AD )的特点。 B.不变形 D.恒定的弹性模量 6、下列性质属于力学性质的是( )。 A.强度 B.硬度 C.弹性 D.脆性 E.比强度 答案 ABCDE 【例题】有一石材试样，质量为256g，把它浸水；吸水饱 和排出水体积115 cm3，将其取出后擦干表面，再次放入 水中，排出水体积为118 cm3，若试样体积无膨胀，求此 石材的表观密度、近视表观密度、质量吸水率和体积吸水 率。 m 256 答案 近视表观密度： V 115 2.23 g/cm3 m 256 表观密度： V 118 2.17 g/cm3 饱和吸水时， m水＝V水·ρW= Vk·ρW=(V0－V′)·ρW ＝(118－115)×1＝3 g Wm＝m水/m×100%＝3/256×100%＝1.2 % WV ＝ V水/ V0 ×100%＝3/118×100%＝2.54 % 0 0 【例题】某材料密度为2.60 g/cm3，表观密度为1 600 kg/m3，现将一 重为954 g的该材料浸入水中，吸水饱和后取出称重为1 086 g，试求该 材料的孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率和闭口孔隙率。 P (1 【答】该材料的孔隙率为 质量吸水率为 Wm 0 1.600 ) 100% (1 ) 100% 38.5% 2.60 m1 m 1086 954 100 % 100 % 13.8% m 954 1kg克中含水138 ml，1 kg材料自然状态下的体积为 1/1600 m3∴开口孔隙率为 138106 Pk 100% 22.08% 1 / 1600 闭口孔隙率为Pb=P－Pk=38.5%－22.08%=16.42% 开口孔隙率等于体积吸水率