1、 土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷載 長(zhǎng)期可靠性 防水、隔熱 隔聲、防火 采光、絕緣 不污染環(huán)境強(qiáng)度、剛度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具備哪些性能土木工程材料如何滿足性能要求？本章內(nèi)容u第一節(jié) 材料的組成和結(jié)構(gòu)u第二節(jié) 材料的物理性質(zhì)u第三節(jié) 材料與水有關(guān)的性質(zhì)u第四節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì)u第五節(jié) 材料的熱工性質(zhì)u第六節(jié) 材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性 第一節(jié)第一節(jié) 材料的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)u (一）材料的組成一）材料的組成包括化學(xué)組成與礦物組成 決定材料各種性質(zhì)的最基本因素。u材料的化學(xué)組成材料的化學(xué)組成 指構(gòu)成材料的基本化合物或化學(xué)元素的種類與數(shù)量。 表示方法：表示方法

2、： 無(wú)機(jī)非金屬建筑材料的化學(xué)組成：以各種氧化物的百分含量的百分率形式表示； 金屬材料：以其元素的百分含量來(lái)表示； 有機(jī)材料：各化合物含量。作用作用：決定著材料的化學(xué)性質(zhì)，影響著物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。u材料的礦物組成材料的礦物組成：礦物組成礦物組成無(wú)機(jī)非金屬材料中由一種或幾種化學(xué)組成經(jīng)過(guò)一定的生產(chǎn)工藝過(guò)程，形成具有一定結(jié)構(gòu)特征的單質(zhì)或化合物作用作用決定材料的許多重要性質(zhì)的主要因素。生料SiO2CaO化合反應(yīng)8001450800左右分解反應(yīng)Al2O3Fe2O32CaOSiO23CaOSiO23 CaO Al2O34 CaOAl2O3Fe2O3生料（二）材料的結(jié)構(gòu)（二）材料的結(jié)構(gòu) 分宏觀、微觀、細(xì)觀結(jié)

3、構(gòu) 作作 用用決定材料各種性質(zhì)的重要因素。1.微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 指用電子顯微鏡、X射線衍射儀等手段來(lái)分析研究材料的原子分子原子分子層次的結(jié)構(gòu)特征，其尺寸范圍在 10-1010-6m。 作用作用決定材料的許多物理、力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。 u 微觀結(jié)構(gòu)的主要形式：主要形式：晶體、玻璃體、膠晶體、玻璃體、膠體體 （1）晶體）晶體：材料的質(zhì)點(diǎn)（原子或分子、離子）按一定規(guī)律在空間重復(fù)排列的固體稱為晶體。 特點(diǎn)特點(diǎn)：具有特定的幾何外形；具有各向異性；具有固定的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性；強(qiáng)度高、硬度大，機(jī)械性能較好。 一般晶體越細(xì)，分布越均勻的晶體材料的強(qiáng)度越高。微觀結(jié)構(gòu)玻璃體玻璃體玻璃體玻璃體

4、：指高溫熔融物在急速冷卻時(shí)形成的無(wú)定形體。如粉煤灰、普通玻璃等。特征特征：化學(xué)活性高；無(wú)固定的熔點(diǎn)；力學(xué)性質(zhì)各向同性。微觀結(jié)構(gòu)膠體膠體膠體膠體：指物質(zhì)以極微小的質(zhì)點(diǎn)分散在介質(zhì)中所形成的結(jié)構(gòu)， 其粒徑為10-910-7m。 特征特征：能保持穩(wěn)定性；具有黏結(jié)性；具有較大的流動(dòng)性，也就是變形較大。 2.宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu) 即材料的構(gòu)造。 材料在宏觀可見(jiàn)層次上的組成形式 。u宏觀分類：宏觀分類：（1）按孔隙特征分： 致密構(gòu)造致密構(gòu)造 多孔構(gòu)造多孔構(gòu)造 微孔構(gòu)造微孔構(gòu)造u致密構(gòu)造致密構(gòu)造這類材料的孔隙率很低或趨近于零、結(jié)構(gòu)致密的材料。特征特征：密度較大，吸水性低，抗?jié)B性好，強(qiáng)度較高；u多孔構(gòu)造多孔構(gòu)造指材

5、料內(nèi)部有粗大孔隙的結(jié)構(gòu)。特征特征：密度較小，吸水率高，抗?jié)B性差，但絕熱、吸聲性好。u微孔構(gòu)造微孔構(gòu)造指材料內(nèi)部有分布較均勻的微細(xì)孔隙的結(jié)構(gòu)。 特征：特征：一般密度較小，吸水率高，抗?jié)B性差，絕熱、吸聲性好。u（2）按構(gòu)造特征或存在狀態(tài)分類）按構(gòu)造特征或存在狀態(tài)分類： 顆粒狀構(gòu)造顆粒狀構(gòu)造纖維構(gòu)造纖維構(gòu)造層狀構(gòu)造層狀構(gòu)造散粒狀結(jié)構(gòu)散粒狀結(jié)構(gòu)紋理結(jié)構(gòu)紋理結(jié)構(gòu)u（2）按構(gòu)造特征或存在狀態(tài)分）按構(gòu)造特征或存在狀態(tài)分： 顆粒狀構(gòu)造顆粒狀構(gòu)造分為聚集構(gòu)造與散粒構(gòu)造。分為聚集構(gòu)造與散粒構(gòu)造。 固體顆粒的聚集體。如砂、石、混凝土、砂漿、瀝青混凝土。 纖維構(gòu)造纖維構(gòu)造由纖維狀物質(zhì)構(gòu)成的材料。 （2）按構(gòu)造特征或存

6、在狀態(tài)分）按構(gòu)造特征或存在狀態(tài)分： 層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)天然形成或采用人工黏結(jié)等方向?qū)⒉牧席B合而成層狀的結(jié)構(gòu)。疊合結(jié)構(gòu)。如膠合板、紙面石膏板、塑料貼面板等。 紋理結(jié)構(gòu)紋理結(jié)構(gòu)天然材料在生長(zhǎng)或形成過(guò)程中自然造就天然紋理，如木材、大理石、人造花崗巖板材、瓷質(zhì)彩胎磚等。 宏觀結(jié)構(gòu)是影響材料性質(zhì)的重要因素，材料的宏觀宏觀結(jié)構(gòu)是影響材料性質(zhì)的重要因素，材料的宏觀結(jié)構(gòu)較易改變結(jié)構(gòu)較易改變兩種結(jié)構(gòu)的關(guān)系：兩種結(jié)構(gòu)的關(guān)系：組成及微觀結(jié)構(gòu)相同，宏觀結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)不組成及微觀結(jié)構(gòu)相同，宏觀結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加氣混凝土；同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加氣混凝土；組成及微觀結(jié)構(gòu)不同

7、，宏觀結(jié)構(gòu)相同，物理性質(zhì)相組成及微觀結(jié)構(gòu)不同，宏觀結(jié)構(gòu)相同，物理性質(zhì)相似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加氣混凝土）似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加氣混凝土）總之總之，建筑材料的組成決定了材料的化學(xué)性質(zhì)，微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的物理性質(zhì)，宏觀結(jié)構(gòu)決定了其工程性質(zhì)，它們?nèi)呋ハ嗦?lián)系，互相制約。第二節(jié)第二節(jié) 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)（重點(diǎn)內(nèi)容）（重點(diǎn)內(nèi)容） 指材料與其各種物理過(guò)程（水、熱作用）有關(guān)的性質(zhì)。 一、與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì) 二、與水有關(guān)的性質(zhì) 三、與熱有關(guān)的性質(zhì) 一、建筑材料的孔隙一、建筑材料的孔隙u 孔隙材料實(shí)體內(nèi)部被空氣所占據(jù)的空間。u 孔隙狀況對(duì)建筑各種基本性質(zhì)具有重要的影響。u產(chǎn)生原因：自然與人為

8、因素。u表示指標(biāo)：孔隙率、孔隙連通性和孔隙直徑 （1）孔隙率：孔隙在材料體積中所占的比例 。（2）孔隙直徑：分粗大孔、毛細(xì)孔、極細(xì)微孔三類孔隙。（3）連通性：連通孔和封閉孔 。建筑材料的孔隙：（一）孔隙形成的原因（1）水分子的占據(jù)作用（2）外加的發(fā)泡作用（3）火山爆發(fā)作用（4）焙燒作用（二）孔隙的分類（1）按大小分類（2）按形狀分類（3）按常壓進(jìn)水與否分類開(kāi)口孔隙：對(duì)性能影響較大閉口孔隙：水壓較高時(shí)，水分可進(jìn)入建筑材料的孔隙：（三）孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響（孔隙增多）（1）材料的體積密度減??；（2）材料受力的有效面積減小，強(qiáng)度降低；（3）導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量減小；（4）透氣性、透水性、吸聲性、吸濕性、

9、吸水性變大；（5）對(duì)抗凍性、抗?jié)B性，要視孔隙大小和形態(tài)而定。有些孔隙能提高抗凍性、抗?jié)B性。連通孔開(kāi)口孔隙封閉孔閉口孔隙材料所處狀態(tài)：材料在不同狀態(tài)下的體積構(gòu)成。1.單體材料的狀態(tài)：2.堆積材料的狀態(tài)1.材料的密度材料的密度、表觀密度表觀密度、體積密度體積密度、堆積密度堆積密度 （1）密度密度：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。密度, g/cm3 或 kg/m3 ； m材料的質(zhì)量，g 或 kg； V材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3 或 m3 。 vm密度試驗(yàn)：密度試驗(yàn)：測(cè)試時(shí)測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)絕對(duì)干燥狀態(tài)。a、絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積是指不包括孔隙在內(nèi)的固體

10、物質(zhì)部分的體積，也稱實(shí)體積。實(shí)體積。b、對(duì)于測(cè)定可研磨的非密實(shí)材料的密度，要磨成細(xì)粉，干燥后用密度瓶（李氏瓶）測(cè)定體積，采用排開(kāi)液體的方法來(lái)測(cè)定其體積， 材料麿得越細(xì)，測(cè)得的數(shù)值就越接近絕對(duì)密實(shí)體積。李氏瓶天平（2）表觀密度、體積密度、視密度）表觀密度、體積密度、視密度u表觀密度表觀密度（俗稱“容重”）材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 式中 V/材料的表觀體積，cm3 或 m3總結(jié)總結(jié)：材料的表觀體積表觀體積是指包括內(nèi)部孔隙內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。u通常所指的表觀密度，是指干燥狀態(tài)下的表觀密度干燥狀態(tài)下的表觀密度。/Vm （3）堆積密度）堆積密度散粒狀（粉狀、顆料狀、纖維狀）材料在自然堆積狀態(tài)下

11、，單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度。00Vm0，材料的堆積密度, g/cm3 或 kg/m3m 材料的質(zhì)量，g 或 kgV0材料的堆積體積，cm3 或 m3 測(cè)定散粒狀材料的堆積密度時(shí)，材料的質(zhì)量是指填充在一定容器內(nèi)的材料質(zhì)量， 其堆積體積是指所用容器的體積。 u總結(jié)總結(jié)： 散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下的體積，散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下的體積，是指含有孔隙在內(nèi)的散粒狀材料的總體積與是指含有孔隙在內(nèi)的散粒狀材料的總體積與顆粒之間空隙體積之和。顆粒之間空隙體積之和。 u在建筑工程中，計(jì)算材料用量、構(gòu)件的自重，配料計(jì)算以及確定堆放空間時(shí)經(jīng)常要用到材料的密度、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)：密度Vm00Vm0

12、0Vmu2、材料的密實(shí)度與孔隙率、材料的密實(shí)度與孔隙率（1）密實(shí)度）密實(shí)度_指材料的內(nèi)部固體物質(zhì)填充的程度。D_材料的密實(shí)度V材料的絕對(duì)密實(shí)體積，也即干燥材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積也即干燥材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3 或 m3V0材料的自然狀態(tài)下的體積，cm3 或 m30材料的自然密度, g/cm3 或 kg/m3密度, g/cm3 或 kg/m3 000mmVVD（二）孔隙率、空隙率材料孔隙示意圖材料孔隙示意圖 000100%) 100%VVPV(1-u物理意義物理意義：材料的孔隙率孔隙率與密實(shí)度密實(shí)度從兩個(gè)不同的側(cè)面來(lái)反映材料的致密程度致密程度。 其關(guān)系為P+D=1， 但通常用孔隙率

13、直接反映孔隙率大小，孔隙率越大，則密實(shí)度越小 ?？紫堵逝c密實(shí)度之間有什么關(guān)系？材料空隙率示意圖材料空隙率示意圖00000100%(1) 100%1VVPDV （一）材料的親水性與憎水性二、材料與水有關(guān)的性質(zhì) 大多數(shù)建筑材料都是親水材料，憎水材料有瀝青、石蠟、某些高分子材料等。憎水材料不僅可作為防水材料，還可用于處理親水材料的表面，以降低材料的吸水性，提高材料的防水防潮性能。 問(wèn)題：親水性材料能做防水材料嗎？ 孔隙率較小的親水性材料同樣也具有較孔隙率較小的親水性材料同樣也具有較好的防水性好的防水性，防潮性，仍可作為防水或防潮材料使用，如水泥砂漿、水泥混凝土、琉璃瓦等；（二）吸水性u(píng)定義：吸水性是

14、指材料在水中吸收水分的性質(zhì)，其大小用吸水率表示。 %100 mmmWbmu影響吸水性的因素：u材料的孔隙率；u材料的本身的性質(zhì)，如親水性或憎水性；u孔隙構(gòu)造特征，如孔徑大小、開(kāi)口與否等 。質(zhì)量吸水率體積吸水率（三）吸濕性100%m-mmWshu定義：材料在空氣中，吸收空氣中水分的性質(zhì)，稱為吸濕性。其大小用含水率表示。 u材料的孔隙率；u材料的本身的性質(zhì)，如親水性或憎水性；u孔隙構(gòu)造特征，如孔徑大小、開(kāi)口與否等；u周圍空氣的溫度和濕度 。 影響吸濕性的因素：平衡含水率（四）材料的耐水性u(píng)定義：材料在長(zhǎng)期水作用下，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)，稱為耐水性。其衡量指標(biāo)為：gbRffK u軟化系數(shù)越小，說(shuō)

15、明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低越多，其耐水性越差。 軟化系數(shù)對(duì)經(jīng)常處于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物的材料，其KR0.85； 受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其KR0.75； 越大，材料的抗?jié)B性越差。（五）材料的抗?jié)B性QAdH對(duì)于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)表示。H六個(gè)試件中三個(gè)滲水時(shí)的水壓力，MPa。 AtHQdKs影響材料抗?jié)B性的因素有哪些？（六）材料的抗凍性u(píng)定義：材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。u衡量指標(biāo)：抗凍性指標(biāo)用抗凍等級(jí)Fn表示，表示經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)次數(shù)后，質(zhì)量損失不超過(guò)5%，強(qiáng)度損失不超過(guò)25%。u凍融破壞的原因及過(guò)程：孔隙及孔隙水孔隙水

16、結(jié)冰材料開(kāi)裂飽水程度增加開(kāi)裂加劇材料凍融破壞三、材料的熱工性質(zhì)三、材料的熱工性質(zhì)導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。其大小用熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)（）表示。12QdA TTt12(T -T ) AQdt At2t1Q 式中 導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K） Q傳導(dǎo)的熱量（J） A熱傳導(dǎo)面積（m2） d材料的厚度（m） t熱傳導(dǎo)時(shí)間（s） (T2-T1)材料兩側(cè)溫差（K） 一、 強(qiáng)度的概念 指材料在外力(荷載)作用下，抵抗破壞的能力 。二、 強(qiáng)度的種類 根據(jù)受力形式 (如圖2.2所示) 分為抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎（折）強(qiáng)度等四種 。三、 強(qiáng)度的計(jì)算 1.抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如下

17、 ： 式中 f - 材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度，Pa 或 MPa。 F - 試件破壞時(shí)的最大荷載，N 。 A - 試件面積，m2 或 mm2 。 強(qiáng)度、比強(qiáng)度AFfmax2.2.抗彎強(qiáng)度的計(jì)算抗彎強(qiáng)度的計(jì)算材料的抗彎材料的抗彎 ( (折折) ) 強(qiáng)度與材料的受力情況、截面形狀及支承條強(qiáng)度與材料的受力情況、截面形狀及支承條件等關(guān)。件等關(guān)。 一般試驗(yàn)方法是將條形試件放在兩支點(diǎn)上，中間作用一集中荷載對(duì)矩形截面試件，則其抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：2max23bhLFfm 式中 fm-材料的抗彎強(qiáng)度， MPa Fmax-材料受彎破壞時(shí)的最大荷載，NA-試件受力面積，mm2L-兩支點(diǎn)的間距，mmb、h-試件橫截

18、面的寬及高，mm比強(qiáng)度 幾種材料的強(qiáng)度比較材料的比強(qiáng)度 衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的一個(gè)指標(biāo)，材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比，選用比強(qiáng)度大的材料對(duì)增加建筑高度、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià)等具有重大意義。即：0f比強(qiáng)度2、彈性與塑性 卸載后材料的變形行為：u變形可完全恢復(fù)u變形不可恢復(fù)或部分恢復(fù)一、彈性和塑性一、彈性和塑性1. 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)變形）。具備這種變形特征的材料稱為彈性材料 。 2. 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形）。 3. (1) 完全彈性材料是沒(méi)有的； (2)一些材料在一定外力作用的范圍內(nèi)表現(xiàn)為彈性變形，當(dāng)超過(guò)一定限度后表現(xiàn)為塑性變形。如，建筑鋼材； (3)一些材料彈性變形和塑性變形同時(shí) (或先后) 發(fā)生，當(dāng)外力取后，彈性變形恢復(fù)，而塑性變形不能消失，如，混凝土。u彈性 當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料能夠完全恢復(fù)原來(lái)變當(dāng)撤去外力或外力恢復(fù)到原受力狀態(tài)，材料能夠完全恢復(fù)原來(lái)變形的性質(zhì)稱為彈性形的性質(zhì)稱為彈性； 具有這種性質(zhì)的材料稱為彈性材料； 根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變曲線，有:線彈性和非線彈性