第1章(XXXX)土木工程材料的基本性质

土木工程材料ConstructionMaterials青海大学张伟勤主讲第一章土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。学习目的：通过学习材料的基本性质，了解土木工程结构物的基本性质与工程特性关系。教学要求：通过分析各种土木工程的特点，说明建筑材料的基本性质及耐久性；重点材料的基本力学性质、与水有关的性质等。第一节材料的组成与结构1-1.1材料的组成1-1.1.1化学组成无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。金属材料以元素含量来表示。化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。一矿物组成材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质。矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。二相组成材料中结构相近、性质相同的均匀部分。三材料的结构与构造一宏观结构（构造）材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织。尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。二宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：致密结构多孔结构微孔结构纤维结构层状结构散粒结构致密结构基本上是无孔隙存在的材料。如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。多孔结构具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质材料等。微孔结构微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。纤维结构木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。层状结构采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填充料的塑料制品等。散粒结构松散颗粒状结构。如混凝土骨料、用作绝热材料的粉状和粒状的添充料。1-1.2.2微观结构微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。材料的微观结构，基本上可分为晶体与非晶体。晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列。非晶体也称玻璃体或无定形体，如无机玻璃。玻璃体是化学不稳定结构，容易与其它物体起化学作用。亚微观结构亚微观结构也称作细观结构，是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式。如金属材料晶粒的粗细及其金相组织，木材的木纤维，混凝土中的孔隙及界面等。从宏观、亚微观和微观三个不同层次的结构上来研究土木工程材料的性质，才能深入其本质，对改进与提高材料性能以及创制新型材料都有着重要的意义。第二节材料的物理性质一材料的体积体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。1材料的绝对密实体积干材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以Ｖ表示材料的绝对密实体积。2材料的表观体积材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0表示材料的表观体积。3材料的堆积体积粉状或粒状材料，在堆集状态下的总体外观体积。根据其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可能不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。一般以V’来表示。二材料的密度(交通）材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV—材料的绝对密实体积，cm3或m3Vm测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。三材料的表观密度表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：00Vm式中:ρ0—材料的表观密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV0—材料的表观体积，cm3或m3材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关。四材料的堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：式中ρ0′—材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV0′—材料的堆积体积，cm3或m3'0'0Vm粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆、放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。五材料的密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下：对于绝对密实材料，因ρ0＝ρ，故密实度D＝1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0＜ρ，故密实度D＜1或D＜100%。ρ—密度；ρ0—材料的表观密度00VVD六孔隙率材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：0001VVVPV—材料的绝对密实体积，cm3或m3V0—材料的表观体积，cm3或m3ρ0—材料的表观密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m3七空隙率空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：ρ0—材料的表观密度;ρ0，—材料的堆积密度00000011VVVVVP空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。八材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性2.材料的吸水性3.材料的吸湿性4.材料的耐水性5.材料的抗冻性6.材料的抗渗性与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。1材料的亲水性和憎水性工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分。润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿角θ愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角θ＜９０˚时，为亲水性材料；当材料的润湿角θ＞９０˚时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中，见图1-1。图1－1材料润湿示意图（ａ）亲水性材料；（ｂ）憎水性材料材料吸收水分的能力吸水性的大小以吸水率表示2材料的吸水性质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：%100ggbmmmmW式中mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WＶ表示。体积吸水率WＶ的计算公式为：%10010WgbvVmmW式中mb—材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg—材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。V0—材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）ρw—水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。3材料的吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的。材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以Ｗh表示，其计算公式为：%100ggshmmmW式中：ms—材料吸湿状态下的质量（ｇ或kg）mg—材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）材料的含水率显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。（即材料的含水率与空气湿度相同）材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR：gbRffK式中KR—材料的软化系数。fb—材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）。fg—材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。4材料的耐水性软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将ＫＲ＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。5材料的抗冻性抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。6材料的抗渗性渗透系数AtHQdKK—渗透系数,（cm/h）;Q—渗水量，（cm3）A—渗水面积,（cm2）H—材料两侧的水压差，（cm）d—试件厚度（cm）t—渗水时间（h）材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。抗渗等级1.导热性2.热容量和比热3.热阻和传热系数4.温度变形性九材料的热工性质1导热性当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质。导热性用导热系数λ表示。)(12ttFZQdλ—导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ｑ—传导的热量，Ｊｄ—材料厚度，ｍ；Ｆ—热传导面积，m2Ｚ一热传导时间，h；（t2-t1）－材料两面温度差，K在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1Ｋ时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1㎡)的热量。温度换算：1。F=0.555556。K。C=5/9（。F-32）。F=9/5。C+32材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。)(12ttmQCC-材料的比热，J/（g·K）Q-材料吸收或放出的热量(热容量)m-材料质量，g（t2-t1）-材料受热或冷却前后的温差，K2热容量和比热热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为：Ｒ＝ｄ/λ式中Ｒ—材料层热阻，（m2·K）/W；ｄ—材料层厚度，ｍ；λ—材料的导热系数，Ｗ／(ｍ·K)热阻的倒数１／Ｒ称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材