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1、第一章 材料的基本性质,北京科技大学刘娟红,1 材料的基本性质,1 材料的基本性质,1.1 材料的基本物理性质,1.1.1材料的密度、表观密度、堆积密度,材料在绝对密实状态下单位体积的质量,密度,材料在自然状态下单位体积的质量,表观密度,粉状或散粒材料在自然状态下单位体积的质量,堆积密度,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,材料的表观体积是包含内部孔隙的体积,材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙,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,1.1.2材料的密实度与孔隙率,材料的体积内被固体物质填充的程度,密实度,材料内部孔隙的体积占其总体积的百
2、分率,孔隙率,1.1.2材料的密实度与孔隙率,1.1.3材料的填充率与空隙率,在某堆积体积中，被散粒状所填充的程度,填充率,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,空隙率,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。,计算配合比,1.1.4材料与水相关的性质,耐水性,抗冻性,材料与水相关的性质,抗渗性,吸水性与吸湿性,亲水性与憎水性,1.1.4材料与水相关的性质,亲水性与憎水性,当 90时为亲水性材料,亲水性材料,憎水性材料,当90时为亲水性材料,亲水性材料 憎水性材料,亲水性和憎水性,1.1.4材料与水相关的性质,当材料与
3、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。,亲水性和憎水性,1.1.4材料与水相关的性质,吸水性与吸湿性,材料与水接触时吸收水分的性质,吸水性,质量吸水率,体积吸水率,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。,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,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,1.1.4材料与水相关的性
4、质,抗渗性,渗透系数,抗渗等级,材料抵抗压力水渗透的性质,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%,高抗冻性混凝土,快冻法,相对动弹性模量,质量损失率,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,材料的热工性质,导热性,热阻,热容量,材料将热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧的能力，用导热系数表示。,材料将热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧的能力，用导热系数表示。,热量通过材料层时所受到的阻力,R=/(m2K/W),材料的热容量对
5、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,1 材料的基本性质,1.2 材料的基本力学性质,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,抗弯强度,两支点中心加载,三分点处加载,1.2.1材料的强度和比强度,强度,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),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
6、性能越好。,常用结构的比强度,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,（a）,（b）,1.2.1材料的强度和比强度,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,塑形,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,E值越大，表明材料越不容易变形，即刚性好。,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,1.2.2 材料的弹性与塑形,a,1.2.2 材料的韧性与脆性,外力作用于材料，并达到一定值时，材料并
7、不产生明显变形即发生突然破坏的性质,脆性,韧性,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,1 材料的基本性质,1.3 材料的耐久性,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。,1.3.1 材料的耐久性与安全,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。
8、耐久性是影响结构物长期安全性的重要性质,案例,结论,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。 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。,案例,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
9、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,1.4.1 材料的组成,化学组成,矿物组成,相组成,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,将材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相,决定材料性质的主要因素,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,致密结构,多孔结构,微孔结构,致密结构指孔隙率很低或趋近为零、结构致密的材料,多孔结构指材料内部有粗大孔隙的结构,微孔结构指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构,宏观结构,孔隙特征,1.4.2 材
10、料的结构,聚集结构,纤维结构,散粒结构,由集料与具有胶粘性或粘结性物质胶结而成的结构,由纤维状物质构成的材料结构,材料呈松散颗粒状结构,宏观结构,组织结构,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,大理岩的致密表面,加气混凝土砌块的多孔构造,竹的纤维构造,胶合板的层状构造,陶粒的粒状构造,1.4.2 材料的结构,细观结构,微观结构,玻璃体,指在光学显微镜下能观察到的结构,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。,晶体,胶体,原子晶体,离子晶体,分子晶体,金属晶体,晶体结构与玻璃结构的差别,石英晶体结构 石英玻璃结构,近程有序，远程无序,S
11、iO44-,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 blast-furnace 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
12、 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( )的特点。A.无塑性变形 B.不变形C.塑性变形小 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,AD,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。,近视表观密度： g/cm3 表观密度： g/
13、cm3 饱和吸水时，m水V水W= VkW=(V0V)W(118115)13 gWmm水/m100%3/256100%1.2 % WV V水/ V0 100%3/118100%2.54 %,答案,【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。,【答】该材料的孔隙率为,质量吸水率为,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,闭口孔隙率为Pb=PPk=38.5%22.08%=16.42%,开口孔隙率等于体积吸水率,
