土木工程的功能要求的材料性能

承受荷載長期可靠性防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣不污染環(huán)境強度、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)容第一節(jié)材料的組成和結構第二節(jié)材料的物理性質第三節(jié)

材料與水有關的性質第四節(jié)材料的力學性質第五節(jié)材料的熱工性質第六節(jié)材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性

第一節(jié)材料的化學組成與結構

(一）材料的組成——包括化學組成與礦物組成

——決定材料各種性質的最基本因素。材料的化學組成

——指構成材料的基本化合物或化學元素的種類與數(shù)量。表示方法：無機非金屬建筑材料的化學組成：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表示；有機材料：各化合物含量。作用：決定著材料的化學性質，影響著物理性質和力學性質。材料的礦物組成：礦物組成——無機非金屬材料中由一種或幾種化學組成經(jīng)過一定的生產(chǎn)工藝過程，形成具有一定結構特征的單質或化合物作用——決定材料的許多重要性質的主要因素。硅酸鹽水泥熟料礦物組成生料SiO2CaO化合反應800～1450℃800℃左右分解反應Al2O3Fe2O32CaO·SiO23CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3生料（二）材料的結構——分宏觀、微觀、細觀結構作用——決定材料各種性質的重要因素。1.微觀結構——指用電子顯微鏡、X射線衍射儀等手段來分析研究材料的原子分子層次的結構特征，其尺寸范圍在10-10~10-6m。

作用——決定材料的許多物理、力學性質，如強度、硬度、導熱性、導電性等。

微觀結構的主要形式：晶體、玻璃體、膠體

（1）晶體：材料的質點（原子或分子、離子）按一定規(guī)律在空間重復排列的固體稱為晶體。特點：①具有特定的幾何外形；②具有各向異性；③具有固定的熔點和化學穩(wěn)定性；④強度高、硬度大，機械性能較好。一般晶體越細，分布越均勻的晶體材料的強度越高。微觀結構——玻璃體玻璃體：指高溫熔融物在急速冷卻時形成的無定形體。如粉煤灰、普通玻璃等。特征：化學活性高；無固定的熔點；力學性質各向同性。微觀結構——膠體膠體：指物質以極微小的質點分散在介質中所形成的結構，其粒徑為10-9~10-7m。特征：能保持穩(wěn)定性；具有黏結性；具有較大的流動性，也就是變形較大。

2.宏觀結構

——即材料的構造。

——材料在宏觀可見層次上的組成形式。宏觀分類：（1）按孔隙特征分：①致密構造②多孔構造③微孔構造①致密構造——這類材料的孔隙率很低或趨近于零、結構致密的材料。特征：密度較大，吸水性低，抗?jié)B性好，強度較高；②多孔構造——指材料內(nèi)部有粗大孔隙的結構。特征：密度較小，吸水率高，抗?jié)B性差，但絕熱、吸聲性好。③微孔構造——指材料內(nèi)部有分布較均勻的微細孔隙的結構。特征：一般密度較小，吸水率高，抗?jié)B性差，絕熱、吸聲性好。（2）按構造特征或存在狀態(tài)分類：

①顆粒狀構造②纖維構造③層狀構造④散粒狀結構⑤紋理結構（2）按構造特征或存在狀態(tài)分：

①顆粒狀構造——分為聚集構造與散粒構造。固體顆粒的聚集體。如砂、石、混凝土、砂漿、瀝青混凝土。②纖維構造——由纖維狀物質構成的材料。

（2）按構造特征或存在狀態(tài)分：③層狀結構——天然形成或采用人工黏結等方向將材料疊合而成層狀的結構。疊合結構。如膠合板、紙面石膏板、塑料貼面板等。④紋理結構——天然材料在生長或形成過程中自然造就天然紋理，如木材、大理石、人造花崗巖板材、瓷質彩胎磚等。宏觀結構是影響材料性質的重要因素，材料的宏觀結構較易改變兩種結構的關系：組成及微觀結構相同，宏觀結構不同，物理性質不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加氣混凝土；組成及微觀結構不同，宏觀結構相同，物理性質相似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加氣混凝土）總之，建筑材料的組成決定了材料的化學性質，微觀結構決定了材料的物理性質，宏觀結構決定了其工程性質，它們?nèi)呋ハ嗦?lián)系，互相制約。第二節(jié)材料的物理性質（重點內(nèi)容）——指材料與其各種物理過程（水、熱作用）有關的性質。一、與質量有關的性質二、與水有關的性質三、與熱有關的性質

一、建筑材料的孔隙

孔隙——材料實體內(nèi)部被空氣所占據(jù)的空間。孔隙狀況對建筑各種基本性質具有重要的影響。產(chǎn)生原因：自然與人為因素。表示指標：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、毛細孔、極細微孔三類孔隙。（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）按常壓進水與否分類開口孔隙：對性能影響較大閉口孔隙：水壓較高時，水分可進入建筑材料的孔隙：（三）孔隙對材料性質的影響（孔隙增多）（1）材料的體積密度減?。唬?）材料受力的有效面積減小，強度降低；（3）導熱系數(shù)和熱容量減?。唬?）透氣性、透水性、吸聲性、吸濕性、吸水性變大；（5）對抗凍性、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)下的體積構成。1.單體材料的狀態(tài)：固體物質體積材料在絕對密實狀態(tài)下的體積構成，用V表示。固體物質體積＋孔隙體積材料在自然狀態(tài)下的體積構成，也稱材料的表觀體積，用V’表示。2.堆積材料的狀態(tài)固體物質體積＋孔隙體積＋空隙體積材料在自然堆積狀態(tài)下的體積構成，用V0’1.材料的密度、表觀密度、體積密度、堆積密度

（1）密度：材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。ρ—密度,g/cm3

或kg/m3；

m—材料的質量，g或kg；

V—材料的絕對密實體積，cm3或m3

。密度試驗：測試時，材料必須是絕對干燥狀態(tài)。a、絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括孔隙在內(nèi)的固體物質部分的體積，也稱實體積。b、對于測定可研磨的非密實材料的密度，要磨成細粉，干燥后用密度瓶（李氏瓶）測定體積，采用排開液體的方法來測定其體積，材料麿得越細，測得的數(shù)值就越接近絕對密實體積。李氏瓶天平（2）表觀密度、體積密度、視密度表觀密度（俗稱“容重”）——材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質量。式中

V/—材料的表觀體積，cm3

或m3總結：材料的表觀體積是指包括內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。通常所指的表觀密度，是指干燥狀態(tài)下的表觀密度。

（3）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，單位體積的質量稱為堆積密度。

ρ0’，—材料的堆積密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0’—材料的堆積體積，cm3

或m3

測定散粒狀材料的堆積密度時，材料的質量是指填充在一定容器內(nèi)的材料質量，其堆積體積是指所用容器的體積?？偨Y：

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顆粒之間空隙體積之和。

在建筑工程中，計算材料用量、構件的自重，配料計算以及確定堆放空間時經(jīng)常要用到材料的密度、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。定義計算公式（單位）測定方法實際密度在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質量

（g/cm3）

先磨細，再采用排水法(李氏瓶）表觀密度體積密度在自然狀態(tài)下，單位體積的質量

（g/cm3或kg/m3）外形規(guī)則的材料直接測量；外觀不規(guī)則的材料排水法堆積密度在自然堆積狀態(tài)下，單位體積的質量

（kg/m3）

采用一個已知容積的容器來檢測總結：密度2、材料的密實度與孔隙率（1）密實度_____指材料的內(nèi)部固體物質填充的程度。D___材料的密實度V—材料的絕對密實體積，也即干燥材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，cm3

或m3V0—材料的自然狀態(tài)下的體積，cm3

或m3ρ0—材料的自然密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3

或kg/m3

（二）孔隙率、空隙率孔隙率材料孔隙示意圖

孔隙率是指材料內(nèi)，孔隙體積占總體積的百分率。物理意義：材料的孔隙率與密實度從兩個不同的側面來反映材料的致密程度。其關系為P+D=1，但通常用孔隙率直接反映孔隙率大小，孔隙率越大，則密實度越小?？紫堵逝c密實度之間有什么關系？空隙率材料空隙率示意圖空隙率是指散粒材料在其堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占材料堆積體積的百分率。（一）材料的親水性與憎水性二、材料與水有關的性質

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）吸水性定義：吸水性是指材料在水中吸收水分的性質，其大小用吸水率表示。影響吸水性的因素：材料的孔隙率；材料的本身的性質，如親水性或憎水性；孔隙構造特征，如孔徑大小、開口與否等。質量吸水率體積吸水率……（三）吸濕性定義：材料在空氣中，吸收空氣中水分的性質，稱為吸濕性。其大小用含水率表示。材料的孔隙率；材料的本身的性質，如親水性或憎水性；孔隙構造特征，如孔徑大小、開口與否等；周圍空氣的溫度和濕度。影響吸濕性的因素：平衡含水率（四）材料的耐水性定義：材料在長期水作用下，其強度也不顯著降低的性質，稱為耐水性。其衡量指標為：軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強度降低越多，其耐水性越差。軟化系數(shù)對經(jīng)常處于水中或受潮嚴重的重要結構物的材料，其KR>0.85；受潮較輕的或次要結構物的材料，其KR≥0.75；衡量指標：①滲透系數(shù)Ks，單位cm/hKs越大，材料的抗?jié)B性越差。（五）材料的抗?jié)B性定義：材料抵抗壓力水滲透的性質稱為抗?jié)B性。QAdH②對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級Pn表示。

H－六個試件中三個滲水時的水壓力，MPa。

影響材料抗?jié)B性的因素有哪些？（六）材料的抗凍性定義：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，強度也不顯著降低的性質。衡量指標：抗凍性指標用抗凍等級Fn表示，表示經(jīng)過n次凍融循環(huán)次數(shù)后，質量損失不超過5%，強度損失不超過25%。凍融破壞的原因及過程：孔隙及孔隙水孔隙水結冰→材料開裂→飽水程度增加→開裂加劇→材料凍融破壞三、材料的熱工性質導熱性－材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大小用熱導率，又稱導熱系數(shù)（λ）表示。At2t1Q

式中λ－導熱系數(shù)（W/m.K）

Q－傳導的熱量（J）

A－熱傳導面積（m2）

d－材料的厚度（m）

t－熱傳導時間（s）

(T2-T1)－材料兩側溫差（K）

一、強度的概念指材料在外力(荷載)作用下，抵抗破壞的能力。二、強度的種類根據(jù)受力形式(如圖2.2所示)分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎（折）強度等四種。三、強度的計算

1.抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度計算公式如下：式中f---材料的抗壓、抗拉、抗剪強度，Pa或MPa。F---試件破壞時的最大荷載，N。

A---試件面積，m2

或mm2。

強度、比強度2.抗彎強度的計算材料的抗彎(折)強度與材料的受力情況、截面形狀及支承條件等關。

一般試驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載對矩形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：

式中fm------材料的抗彎強度，MPa

Fmax---材料受彎破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2

L------兩支點的間距，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

比強度

幾種材料的強度比較材料表觀密度(kg/m3)強度f

(MPa)比強度（f/ρo）低碳鋼78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025材料的比強度衡量材料輕質高強的一個指標，材料的強度與其表觀密度之比，選用比強度大的材料對增加建筑高度、減輕結構自重、降低工程造價等具有重大意義。即：2、彈性與塑性卸載后材料的變形行為：變形可完全恢復變形不可恢復或部分恢復一、彈性和塑性

1.材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。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)生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。

3.(1)完全彈性材料是沒有的；

(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，當超過一定限度后表現(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(或先后)發(fā)生，當外力取后，彈性變形恢復，而塑性變形不能消失，如，混凝土。彈性當撤去外力或外力恢復到原受力狀態(tài)，材料能夠完全恢