1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§1.1材料的组成、结构与性质材料的组成和结构决定着材料的各种性质。要了解材料的性质，必须了解材料的组成、结构与材料性质间的关系。一、材料的组成(一)化学组成化学组成即化学成分。无机非金属材料的化学组成以各氧化物的含量来表示，金属材料则常以各化学元素的含量表示，有机材料常用各化合物的含量来表示。化学组成是决定材料化学性质(耐腐蚀性、燃烧性等)、物理性质(耐水性、耐热性、保温性等)、力学性质(强度、变形等)的主要因素之一。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质(二)矿物组成许多无机非金属材料是由各种矿物组成的。矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。矿物组成是决定无机非金属材料化学性质、物理性质、力学性质和耐久性的重要因素。材料的化学组成不同，则材料的矿物组成也不同。而相同的化学组成，也可以有不同的矿物组成(即微观结构不同)，且材料的性质也不同，例如金刚石和石墨。利用材料的组成可以大致判断出材料的某些性质。如材料的组成易与周围介质（酸、碱、盐等）发生化学反应，则该材料的耐腐蚀性差或较差；有机材料的耐火性和耐热性较差，且多数可以燃烧；合金的强度高于非合金的强度等等。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质土木工程材料土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质(三)相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。凡是两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数是多相固体，可看作复合材料。例如，混凝土可认为是骨料颗粒（骨料相）分散在水泥浆基体（基相）中所组成的两相复合材料。两相之间称为界面，即“界面相”，影响这类材料的主要因素是原材料的品质及配合比例。二、材料的结构(一)微观结构利用电子显微镜、X-射线衍射仪等手段来研究原子级或分子级的结构。材料的微观结构可分为晶体和非晶体结构，或晶态和非晶态。晶体是质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，并具有特定的几何外形和固定的熔点。由于质点在各方向上排列的规律和数量的不同，单晶体具有各向异性的性质。按晶体质点间结合键的特性，晶体又分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体。非晶体又称玻璃体，是熔融物在急速冷却时，质点来不及按特定规律排列所形成的内部质点无序排列（短程有序，长程无序）的固体，没有固定的熔点。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质微观结构形式及其主要特性微观结构常见材料主要特性晶体原子、离子、分子有规律排列原子晶体(以共价键结合)金刚石、石英、刚玉强度、硬度、熔点均高，密度较小离子晶体(以离子键结合)氯化钠、石膏、石灰岩强度、硬度、熔点较高，但波动较大。部分可溶，密度中等分子晶体(以分子键结合)石蜡及部分有机化合物强度、硬度、熔点较低。大部分可溶，密度小金属晶体(以金属键结合)铁、钢、铝及其合金强度、硬度变化大，密度大非晶体质点无序排列(短程有序,长程无序)玻璃、高炉矿渣、火山灰、粉煤灰无固定的熔点和几何形状，与同组成的晶体相比，强度、硬度、化学稳定性、导热性、导电性较差，各向同性(二)亚微观结构(显微或细观结构)由光学显微镜所看到的微米级的组织结构。该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。显微镜下的晶体材料是由大量大小不等的晶粒组成的，而不是一个晶粒，因而属于多晶体。多晶体材料具有各向同性的性质，如某些岩石、钢材等。一般而言，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，则材料的受力状态越均匀、强度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料组成之间的界面粘结(或接触)越好，则材料的强度和耐久性越好。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质（三）宏观结构（构造）用肉眼或放大镜即可分辨的毫米级以上的组织称为宏观结构。该结构主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式(或形式)、各组成材料的分布等。如岩石的层理与斑纹、混凝土中的砂石、纤维增强材料中纤维的多少与纤维的分布方向等。两种或两种以上组成材料以适当方式结合而构成的新材料，称为复合材料。复合材料取各组成材料之长，避免了单一材料的某些缺陷，使复合材料具有多种使用功能(如强度、防水、保温、装饰、耐久等)或者具有某些特殊的功能。复合材料的综合性能好，某些性能往往超过组成材料中的单一材料，且经济性更为合理。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质材料的宏观结构及其相应的主要性质材料的宏观结构常用材料主要特性单一材料致密结构钢材、玻璃、沥青、部分塑料高强或不透水、耐腐蚀，自重较大多孔结构泡沫塑料、泡沫玻璃轻质、保温、低强度纤维结构木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维高抗拉、且大多数具有轻质、保温、吸声性质聚集结构陶瓷、砖、某些天然石材强度较高，脆性大复合材料粒状聚集结构各种混凝土、钢筋混凝土综合性能好、价格较低纤维聚集结构岩棉板、纤维板、纤维增强塑料轻质、保温，吸声或高抗拉多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土轻质保温叠合结构纸面石膏板、胶合板、各种加芯板综合性能好材料的宏观结构是影响材料性质的重要因素。材料的宏观结构较易改变。材料的宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同，如玻璃与泡沫玻璃、密实的灰砂硅酸盐砖与灰砂加气混凝土，它们的许多性质及用途有很大的不同。材料的宏观结构相同或相似，即使材料的组成或微观结构等不同，则材料也具有某些相同或相似的性质与用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土等。三、结构中的孔隙与材料性质的关系大多数土木工程材料在宏观层次或亚微观层次上均含有一定大小和数量的孔隙，甚至是相当大的孔洞，这些孔隙几乎对材料的所有性质都有相当大的影响。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质(一)孔隙的分类按孔隙的大小，可将孔隙分为微细孔隙、细小孔隙(毛细孔)、较粗大孔隙、粗大孔隙等。对于无机非金属材料，孔径20nm的微细孔隙，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔隙。按孔隙的形状可将孔分为球形孔隙、片状孔隙(即裂纹)、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带尖角的孔隙等。片状孔隙、尖角孔隙、管状孔隙对材料性质的影响较大，往往使材料的大多数性质降低。按常压下水能否进入孔隙中，将常压下水可以进入的孔隙称为开口孔隙(或称连通孔隙)，而将常压下水不能进入的孔隙称为闭口孔隙(或封闭孔隙)。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。(二)孔隙对材料性质的影响一般情况下，材料内部的孔隙含量(即孔隙率)越多，则材料的体积密度、堆积密度、强度越小，耐磨性、抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性及其它耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性与吸湿性等越强。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质孔隙形状和状态对材料的性质也有不同程度的影响，如开口孔隙、非球形孔隙(如扁平孔或片状孔，即裂纹)相对于闭口孔隙、球形孔隙而言，往往对材料的强度、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、耐水性等更为不利，对保温性稍有不利，而对吸声性、吸水性与吸湿性等有利，并且孔隙尺寸越大，上述影响也越大。(三)材料内部孔隙的来源与产生天然植物材料由于植物生长的需要(输送养料等)，在植物材料的内部形成一定数量的孔隙。天然岩石则由于地质上的造岩运动等在岩石等材料的内部夹入部分气泡或形成部分孔隙。人造材料内部的孔隙是由于人造材料的生产工艺并非尽善尽美，生产时总是不可避免地会卷入部分气泡(或气体)。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质对于无机非金属材料，则在很大程度上与生产时所用的拌合用水量有关，或者是在生产时有意识地在材料内部留下部分孔隙以改善材料的某些性能。人造无机非金属材料在生产过程中，由于组成上和生产工艺上的要求，在生产时必须加入一定数量的水。为达到生产工艺所要求的施工性质，实际用水量往往远远超过组成上的要求。这些多余的水也占有一定空间，蒸发后即在材料内部留下了大量毛细孔隙，即许多孔隙是由水所造成的。影响人造土木工程材料内部孔隙率、孔隙形状、孔隙状态的因素，或影响生产材料时拌合用水量的因素均是影响材料性质的因素。适当控制上述因素，即可使它们成为改善材料性质的措施或途径。如在生产保温材料时，应适当提高产品的孔隙率，而在生产结构用混凝土时，则应尽量降低孔隙率。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质§1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度1.密度：材料在绝对密实状态下（即既没有孔隙又没有空隙的状态下），单位体积的质量。ρ=m/Vg/cm3土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质2.表观密度材料在自然状态下，单位体积的质量ρ0=m/V0g/cm3或kg/m3V0——为材料在自然状态下（材料颗粒内部含孔隙）的外形体积注意！当材料内部孔隙含水时，其质量和体积均将变化，故测定材料的表观密度时，应注意其含水情况。表观密度一般是指材料在气干状态下（长期在空气中干燥）的测定值。干表观密度指材料在烘干状态下的测定值。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质3.堆积密度粉状或粒状材料在堆积状态下（材料颗粒内部含孔隙，材料颗粒间有空隙），单位体积的质量。ρ΄0=m/V΄0kg/m3V΄0——材料的自然堆积体积。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质1.2.2材料的密实度与孔隙率1.密实度材料的体积内被固体物质充实的程度2.孔隙率材料的体积内，孔隙体积所占的比例D+P=1%100%10000VVD%1001%100%1000000VVVVVP孔孔隙的大小、分布以及特征对材料的性能影响很大。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质1.2.3材料的填充率与空隙率1.填充率散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。2.空隙率散装材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例D’+P’=1（注意与孔隙率的区别）%100'%100''0000VVD%100'1%100''%100''000000VVVVVP空土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质1.2.4材料与水相关的性质1.材料的亲水性与憎水性润湿角:亲水性材料θ≤90º憎水性材料θ90º土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质建筑材料大多为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材、玻璃、钢材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料为憎水性材料。材料的亲水性：泥土吸水土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质材料憎水性：叶片上滚动的露珠。表面现象：毛细现象、润湿、粘附以及微小晶体易于溶解等都是表面现象的具体表现。（2）表面张力：表示液体表面单位长度线上的紧缩力，要形成新的表面就必须克服这种紧缩力所做的功。表面现象相关的知识：表面自由能、表面张力、润湿、毛细现象、过饱和现象和吸附等。表面张力表示表面收缩力；表面自由能表示形成表面时所需要的功。（1）表面自由能：在温度、压力和组成恒定时，可逆地增大单位表面积时对体系所做的功，转变成表面分子比内部分子具有多余的自由能。土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质2.材料的吸水性与吸湿性(一)吸水性吸水性是材料在水中吸收水分的性质。用质量吸水率ωm或体积吸水率ωv来表示。两者分别是指材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分率，或所吸水的体积占材料自然状态体积Vo的百分率，定义式如下：%100'%100mmmmmswswm%1001'%100woswoswvVmmVV式中msw—材料吸水饱和时所吸水的质量，g或kg；m'sw—材料吸水饱和时的质量，g或kg；Vsw—材料吸水饱和时所吸水的体积，cm3或m3；ρ'w—水的密度，g/cm3或kg/m3。材料的吸水率可直接或间接反映材料的部分内部结构及其性质，即可根据材料吸水率的大小对材料的孔隙率、孔隙状态及材料的性质做出粗略的评价。开口孔隙率=体积吸水率闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率土木工程材料第1章土木工程材料的基本性质材料吸水率