土木工程材料第2版柯国军配套教学课件PPT 01土木工程材料.ppt 43页

'第1章土木工程材料的基本性质返回总目录 材料的基本物理性质材料的力学性质材料的耐久性材料的组成、结构、构造与性质思考题本章内容 材料的基本物理性质一、材料的体积组成大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连通两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔，与外界不相连通的叫闭口孔。含孔材料的体积组成如图1.1所示。图1.1含孔材料体积组成示意图1.固体物质；2.闭孔；3.开孔 材料的基本物理性质从图1.1可知，含孔材料的体积包括以下三种。(1)材料绝对密实体积。用V表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。(2)材料的孔体积。用VP表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积(记为VK)和闭口孔体积(记为VB)。(3)材料在自然状态下的体积。用V0表示，是指材料的实体积与材料所含全部孔隙体积之和。上述几种体积存在以下的关系：V0=V+VP(1.1)其中VP=VK+VB(1.2) 散粒状材料的体积组成如图1.2所示。其中V0′表示材料堆积体积，是指在堆积状态下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，Vj表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系如下：V0′=V0+Vj=V+VP+Vj(1.3)图1.2散粒材料堆积体积组成示意图1.颗粒的固体物质；2.颗粒的闭口孔隙；3.颗粒的开口孔隙；4.颗粒间的间隙材料的基本物理性质 二、材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为材料的密度(俗称比重)。其计算式如下：(1.4)式中——材料的密度(g/cm3)。m——材料的质量(干燥至恒重)(g)。V——材料的绝对密实体积(cm3)。密度的单位在SI制中为kg/m3，我国建设工程中一般用g/cm3，偶尔用kg/L，忽略不写时，隐含的单位为g/cm3，如水的密度为1。多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积。在常用的土木工程材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法(李氏瓶，见15.1.1)测得的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的体积也就越精确，因此，一般要求细粉的粒径至少小于0.2mm。对于砂石，因其孔隙率很小，VV0，常不经磨细，直接用排水法测定其密度。对于本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重。材料的基本物理性质 材料的基本物理性质2.表观密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度(原称容重)。其计算式如下：(1.5)式中——材料的表观密度(kg/m3)。m——材料的质量(kg)。V0——材料在自然状态下的体积(m3)。测定材料在自然状态下的体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算；若外观形状不规则，可用排液法测得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度(见15.3.3)，如果要测定砂石真正意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干(气干)、烘干、饱和面干和湿润四种。一般为气干状态，烘干状态下的表观密度叫干表观密度。 材料的基本物理性质3.堆积密度散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积密度(原称松散容重)。其计算式如下：(1.6)式中——散粒材料的堆积密度(kg/m3)。m——材料的质量(kg)。——散粒材料的堆积体积(m3)。材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积(人工捣实后)。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。 材料的基本物理性质表1-1常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称密度(g/cm3)表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)石灰岩2.6～2.81800～2600—花岗岩2.7～3.02000～2850—水泥2.8～3.1—900～1300(松散堆积)1400～1700(紧密堆积)混凝土用砂2.5～2.6—1450～1650混凝土用石2.6～2.9—1400～1700普通混凝土—2100～2500—粘土2.5～2.7—1600～1800钢材7.857850—铝合金2.7～2.92700～2900—烧结普通砖2.5～2.71500～1800—建筑陶瓷2.5～2.71800～2500—红松木1.55～1.60400～800—玻璃2.45～2.552450～2550—泡沫塑料—10～50— 材料的基本物理性质三、材料的密度、表观密度和堆积密度1.孔隙率材料中孔隙体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率()。其计算式如下：(1.7)材料孔隙率的大小反映了材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。工程中对保温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。工程上，一般通过测定材料的密度和表观密度来计算材料的孔隙率。2.空隙率散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的空隙率()。其计算式如下：(1.8)空隙率的大小反映了散粒材料堆积时的致密程度，与颗粒的堆积状态密切相关，可以通过压实或振实的方法获得较小的空隙率，以满足不同工程的需要。 材料的基本物理性质四、材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性当水与材料表面相接触时，不同的材料被水所润湿的情况各不相同，这种现象是由于材料与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的(如图1.3所示)。亲水性材料(b)憎水性材料图1.3材料的润湿角 材料、水和空气三相接触的交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角称为润湿角。当水分子间的内聚力小于材料与水分子间的分子亲合力时，≤90°，这种材料能被水润湿，表现为亲水性。当水分子间的内聚力大于材料与水分子间的分子亲合力时，≥90°，这种材料不能被水润湿，表现为憎水性。土木工程材料中石材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材为亲水性材料；沥青、塑料、橡胶和油漆等为憎水性材料，工程上多利用材料的憎水性来制造防水材料。材料的基本物理性质2.吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料的吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达形式。 材料的基本物理性质1)质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水量占材料干质量的百分率。其计算式如下：(1.9)式中Ｗm——材料的质量吸水率(%)。mb——材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mg——材料在干燥状态下的质量(g)。2)体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料自然体积的百分率。其计算式如下：(1.10)式中Ｗv——材料的体积吸水率(%)。mb——材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mg——材料在干燥状态下的质量(g)。V0——材料的自然体积(cm3)。——水的密度，常温下取1.0g/cm3。 材料的吸水率一般用质量吸水率表示。体积吸水率与质量吸水率之间存在以下关系：(1.11)材料吸水率的大小主要取决于它的孔隙率和孔隙特征。水分通过材料的开口孔隙吸入，通过连通孔隙渗入其内部，通过润湿作用和毛细管作用等因素将水分存留住。因此，具有较多细微连通孔隙的材料，其吸水率较大；而具有粗大孔隙的材料，虽水分容易渗入，但也仅能润湿孔壁表面，不易在孔内存留，其吸水率并不高；致密材料和仅有闭口孔隙的材料是不吸水的。3.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，材料的吸湿性是可逆的。当较干燥材料处于较潮湿空气中时，会从空气中吸收水分；当较潮湿材料处于较干燥空气中时，材料就会向空气中放出水分。材料的吸湿性受所处环境的影响，随环境的温度、湿度的变化而变化。当空气的湿度保持稳定时，材料中的湿度会与空气的湿度达到平衡，也即材料的吸湿与干燥达到平衡，这时的含水率称为平衡含水率。材料的基本物理性质 含水率计算式如下：（1.12）式中Ｗh——材料的含水率(%)。ms——材料吸湿后的质量(g)。mg——材料在干燥状态下的质量(g)。4.耐水性材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称耐水性。材料的耐水性用软化系数来衡量，其计算式如下：（1.13）式中ＫR——材料的软化系数。——材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa)。——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。材料吸水后，水分会吸附到材料内物质微粒的表面，减弱微粒间的结合力，从而致使其强度下降，这是吸水材料性质变化的重要特征之一，软化系数反映了这一变化的程度。材料的基本物理性质 材料的基本物理性质软化系数ＫR的范围在０～1之间，它是选择使用材料的重要参数。工程中通常将ＫR＞0.85的材料看作是耐水材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要结构；用于受潮较轻或次要结构时，材料的ＫR值也不得低于0.75。5.抗渗性材料抵抗压力水渗透的能力称为抗渗性。材料中含有孔隙、孔洞或其他缺陷，当材料两侧受水压差的作用时，水可能会从高压一侧向低压一侧渗透。水的渗透会对材料的性质和使用带来不利的影响；尤其当材料处于压力水中时，材料的抗渗性是决定其工程使用寿命的重要因素。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。渗透系数计算式如下：(1.14)式中Ks——材料的渗透系数(cm/h)。Q——时间内的渗水总量(cm3)。d——材料试件的厚度(cm)。A——材料垂直于渗水方向的渗水面积(cm2)。t——渗水时间(h)。H——材料两侧的水头高度(cm)。 材料的基本物理性质渗透系数Ｋs的物理意义是一定时间内，在一定水压力作用下，单位厚度的材料，单位渗水面积上的渗水量。材料的Ｋs越小，说明材料的抗渗性越好。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级用标准方法进行渗水性试验，测得材料能承受的最大水压力，并依此划分成不同的等级，常用“Pn”表示，其中n表示材料所能承受的最大水压力MPa数的10倍值，如P6表示材料最大能承受0.6MPa的水压力而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。材料的抗渗性与其孔隙多少和孔隙特征关系密切，开口并连通的孔隙是材料渗水的主要渠道。材料越密实、闭口孔越多、孔径越小，水越难渗透；孔隙率越大、孔径越大、开口并连通的孔隙越多的材料，其抗渗性越差。此外，材料的亲水性、裂缝缺陷等也是影响抗渗性的重要因素。工程上常采用降低孔隙率提高密实度、提高闭口孔隙比例、减少裂缝或进行憎水处理等方法来提高材料的抗渗性。6.抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性质称为抗冻性。当温度下降到负温时，材料内的水分会由表及里地冻结，内部水分不能外溢，水结冰后体积膨胀约9%，产生强大的冻胀压力，使材料内毛细管壁胀裂，造成材料局部破坏，随着温度交替变化，冻结与融化循环反复，冰冻的破坏作用逐渐加剧，最终导致材料破坏。 材料的基本物理性质材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是用标准方法进行冻融循环试验，测得材料强度降低不超过规定值，且无明显损坏和剥落时所能承受的冻融循环次数来确定，常用“Fn”表示，其中n表示材料能承受的最大冻融循环次数，如F100表示材料在一定试验条件下能承受100次冻融循环。材料的抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和冷冻速度等因素有关。材料的强度越高，其抵抗冰冻破坏的能力也越强，抗冻性越好；材料的孔隙率及孔隙特征对抗冻性影响较大，其影响与抗渗性相似。五、材料的热工性质1.热容量与比热容热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力；比热容也叫比热，指单位质量的材料在温度每变化１Ｋ时所吸收或放出的热量，用“Ｃ”表示。（1.15） 材料的基本物理性质(1.16)式中Q——材料的热容量(kJ)。C——材料的比热容，kJ/(kg•K)。m——材料的质量(kg)。t1―t2——材料受热或冷却前后的温差(K)。比热容与材料质量的积称为材料的热容量值，即材料温度上升1K须吸收的热量或温度降低1K所放出的热量。材料的热容量值对于保持室内温度稳定作用很大，热容量值大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动；屋面材料也宜选用热容量值大的材料。2.导热性指材料传导热量的能力。导热性可用导热系数来表示，其物理意义是厚度为1m的材料，当其相对表面的温度差为1K时，1s时间内通过1m2面积的热量。 材料的基本物理性质导热系数的计算式如下：(1.17)式中——材料的导热系数(W/(m•K))。Q——传导的热量(J)。a——材料的厚度(m)。A——材料传热的面积(m2)。T——传热时间(s)。t1―t2——材料两侧的温度差(K)。材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。工程上把＜0.23W/(m•K)的材料称为绝热材料。常用材料的热工性质指标见表1-2。 材料的基本物理性质表1-2常用材料的热工性质指标材料名称导热系数，W/(m·K)比热容，kJ/(kg·K)线膨胀系数10-6/K铜3700.3818.6钢550.4610～12石灰岩2.66～3.230.749～0.8466.75～6.77花岗岩2.91～3.450.716～0.925.60～7.34大理岩2.450.8756.50～10.12普通混凝土1.80.885.8～15烧结普通砖0.4～0.75～7松木0.17～0.352.51玻璃2.7～3.260.838～10泡沫塑料0.031.30水0.604.187密闭空气0.0231材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。因为，密闭空气的导热系数仅为0.023W/(m•K)，所以，当材料中含有较多闭口孔隙时，其导热系数较小，材料的隔热绝热性较好；但当材料内部含有较多粗大、连通的孔隙时，则空气会产生对流作用，使其传热性大大提高。水的导热系数远大于空气，当材料吸水或吸湿后，其导热系数增加，导热性提高，隔热绝热性降低。 材料的基本物理性质3.耐火性指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性能，用耐火度表示。工程上用于高温环境的材料和热工设备等都要使用耐火材料。根据材料耐火度的不同，可分为三大类。1)耐火材料耐火度不低于1580℃的材料，如各类耐火砖等。2)难熔材料耐火度为1350℃～1580℃的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。3)易熔材料耐火度低于1350℃材料，如普通粘土砖、玻璃等。4.耐燃性指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据材料耐燃性的不同，可分为三大类。1)不燃材料遇火或高温作用时，不起火、不燃烧、不碳化的材料，如混凝土、天然石材、砖、玻璃和金属等。需要注意的是玻璃、钢铁和铝等材料，虽然不燃烧，但在火烧或高温下会发生较大的变形或熔融，因而是不耐火的。2)难燃材料遇火或高温作用时，难起火、难燃烧、难碳化，只有在火源持续存在时才能继续燃烧，火源消除燃烧即停止的材料，如沥青混凝土和经防火处理的木材等。 材料的基本物理性质3)易燃材料指遇火或高温作用时，容易引燃起火或微燃，火源消除后仍能继续燃烧的材料，如木材、沥青等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。5.温度变形指材料在温度变化时产生的体积变化，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。温度变形在单向尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩，一般用线膨胀系数来衡量，线膨胀系数用“α”表示，其计算式如下：(1.18)式中α——材料在常温下的平均线膨胀系数1/K。——材料的线膨胀或线收缩量(mm)。——温度差(K)。——材料原长(mm)。材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解决温度变形问题。 材料的力学性质一、材料受力状态材料在受外力作用时，由于作用力的方向和作用线(点)的不同，表现为不同的受力状态，典型的受力情况如图1.4所示。(a)压力(b)拉力(c)弯曲(折)(d)弯曲(折)(e)剪切图1.4材料的受力状态 材料的力学性质二、材料的强度1.强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以单位面积上所能承受的荷载大小来衡量。材料的强度本质上是材料内部质点间结合力的表现。当材料受外力作用时，其内部便产生应力相抗衡，应力随外力的增大而增大。当应力(外力)超过材料内部质点间的结合力所能承受的极限时，便导致内部质点的断裂或错位，使材料破坏。此时的应力为极限应力，通常用来表示材料强度的大小。根据材料的受力状态，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯(折)强度和抗剪强度。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算式如下：（1.19）式中f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度(MPa)。F——材料承受的最大荷载(Ｎ)。A——材料的受力面积(mm2)。 抗弯(折)强度在图1.4(c)受力状态时的计算式如下：(1.20)式中f——材料的抗弯(折)强度(MPa)。F——材料承受的最大荷载(Ｎ)。b——材料受力截面的宽度(mm)。h——材料受力截面的高度(mm)。材料的强度与其组成和构造有关。不同种类的材料抵抗外力的能力不同；同类材料当其内部构造不同时，其强度也不同。致密度越高的材料，强度越高。同类材料抵抗不同外力作用的能力也不相同；尤其是内部构造非匀质的材料，其不同外力作用下的强度差别很大。如混凝土、砂浆、砖、石和铸铁等，其抗压强度较高，而抗拉、弯(折)强度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。为了掌握材料性能、便于分类管理、合理选用材料、正确进行设计、控制工程质量，常将材料按其强度的大小，划分成不同的等级，称为强度等级，它是衡量材料力学性质的主要技术指标。脆性材料如混凝土、砂浆、砖和石等，主要用于承受压力，其强度等级用抗压强度来划分；韧性材料如建筑钢材，主要用于承受拉力，其强度等级就用抗拉时的屈服强度来划分。材料的力学性质 材料的力学性质2.比强度指单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值(f/)。比强度是衡量材料轻质高强特性的技术指标。土木工程中结构材料主要用于承受结构荷载。多数传统结构材料的自重都较大，其强度相当一部分要用于抵抗自身和其上部结构材料的自重荷载，而影响了材料承受外荷载的能力，使结构的尺度受到很大的限制。随着高层建筑、大跨度结构的发展，要求材料不仅要有较高的强度，而且要尽量减轻其自重，即要求材料具有较高的比强度。轻质高强性能已经成为材料发展的一个重要方向。3.弹性与塑性1)弹性与弹性变形弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质；这种变形称为弹性变形。弹性变形的大小与所受应力的大小成正比，所受应力与应变的比值称为弹性模量，用“E”表示，它是衡量材料抵抗变形能力的指标。在材料的弹性范围内，E是一个常数，按下式计算：(1.21) 材料的力学性质式中E——材料的弹性模量MPa。——材料所受的应力(MPa)。——材料在应力作用下产生的应变，无量纲。弹性模量越大，材料抵抗变形能力越强，在外力作用下的变形越小。材料的弹性模量是工程结构设计和变形验算的主要依据之一。2)塑性与塑性变形塑性指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质；这种不可恢复的变形称为塑性变形。材料的塑性变形是因为其内部的剪应力作用，致使部分质点间产生相对滑移的结果。完全的弹性材料或塑性材料是没有的，大多数材料在受力变形时，既有弹性变形，也有塑性变形，只是在不同的受力阶段，变形的主要表现形式不同。当外力去除后，弹性变形部分可以恢复，塑性变形部分不能恢复。有的材料如钢材，在受力不大的情况下，表现为弹性变形，而在受力超过一定限度后，就表现为塑性变形；有的材料如混凝土，受力后弹性变形和塑性变形几乎同时产生。 材料的力学性质4.脆性与韧性1)脆性指材料在外力作用下，无明显塑性变形而发生突然破坏的性质，具有这种性质的材料称为脆性材料，如普通混凝土、砖、陶瓷、玻璃、石材和铸铁等。一般脆性材料的抗压强度比其抗拉、抗弯强度高很多倍，其抵抗冲击和振动的能力较差，不宜用于承受振动和冲击的场合。2)韧性指材料在振动或冲击荷载作用下，能吸收较多的能量，并产生较大的变形而不破坏的性质，具有这种性质的材料称为韧性材料，如低碳钢、低合金钢、铝合金、塑料、橡胶、木材和玻璃钢等。材料的韧性用冲击试验来检验，又称为冲击韧性，用冲击韧性值即材料受冲击破坏时单位断面所吸收的能量来衡量。冲击韧性值用“”表示，其计算式如下：(1.22)式中ak——材料的冲击韧性值(J/mm2)。AK——材料破坏时所吸收的能量(J)。A——材料受力截面积(mm2)。韧性材料在外力作用下，会产生明显的变形，变形随外力的增大而增大，外力所做的功转化为变形能被材料所吸收，以抵抗冲击的影响。材料在破坏前所产生的变形越大，所能承受的应力越大，其所吸收的能量就越多，材料的韧性就越强。用于道路、桥梁、轨道、吊车梁及其他受振动影响的结构，应选用韧性较好的材料。 材料的力学性质5.硬度与耐磨性1)硬度指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的能力。为保持较好表面使用性质和外观质量，要求材料必须具有足够的硬度。非金属材料的硬度用摩氏硬度表示，它是用系列标准硬度的矿物块对材料表面进行划擦，根据划痕确定硬度等级。摩氏硬度等级如表1-3所示。表1-3摩氏硬度等级表金属材料的硬度等级常用压入法测定，主要有布氏硬度法(HB)，是以淬火的钢珠压入材料表面产生的球形凹痕单位面积上所受压力来表示；洛氏硬度法(HR)，是用金刚石圆锥或淬火的钢球制成的压头压入材料表面，以压痕的深度来表示。硬度大的材料其强度也高，工程上常用材料的硬度来推算其强度，如用回弹法测定混凝土强度，即是用回弹仪测得混凝土表面硬度，再间接推算出混凝土的强度的。标准矿物滑石石膏方解石萤石磷灰岩长石石英黄玉刚玉金刚石硬度等级12345678910 2)耐磨性指材料表面抵抗磨损的能力。耐磨性常以磨损率衡量，以“”表示，其计算式为：(1.23)式中G——材料的磨损率(g/cm2)。m1-m2——材料磨损前后的质量损失(g)。A——材料受磨面积(cm2)。材料的耐磨性与材料的组成结构、构造、材料强度和硬度等因素有关。材料的硬度越高、越致密，耐磨性越好。路面、地面等受磨损的部位，要求使用耐磨性好的材料。材料的力学性质 材料的耐久性是指其在长期的使用过程中，能抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。由于环境作用因素复杂，耐久性也难以用一个参数来衡量。工程上通常用材料抵抗使用环境中主要影响因素的能力来评价耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗老化和抗碳化等性质。环境对材料的破坏作用，可分为物理作用、化学作用和生物作用，不同材料受到的环境作用及程度也不相同。影响材料耐久性的内在因素很多，除了材料本身的组成结构、强度等因素外，材料的致密程度、表面状态和孔隙特征对耐久性影响很大。一般来说，材料的内在结构密实、强度高、孔隙率小、连通孔隙少、表面致密，则抵抗环境破坏能力强，材料的耐久性好。工程上常用提高密实度、改善表面状态和孔隙结构的方法来提高耐久性。土木工程中材料的耐久性与破坏因素的关系如表1-4所示。材料的耐久性 表1-4材料的耐久性与破坏因素的关系注：＊表示可参考强度变化率、开裂情况、变形情况等进行评定。破坏原因破坏作用破坏因素评定指标常用材料渗透物理压力水渗透系数、抗渗等级混凝土、砂浆冻融物理水、冻融作用抗冻等级混凝土、砖磨损物理机械力、流水、泥砂磨蚀率混凝土、石材热环境物理、化学冷热交替、晶型转变＊耐火砖燃烧物理、化学高温、火焰＊防火板碳化化学CO2、H2O碳化深度混凝土化学侵蚀化学酸、碱、盐＊混凝土、老化化学阳光、空气、水、温度＊塑料、沥青锈蚀物理、化学H2O、O2、Cl－电位锈蚀率钢材腐朽生物H2O、O2、菌类＊木材、棉、毛虫蛀生物昆虫＊木材、棉、毛碱－骨料反应物理、化学R2O、H2O、SiO2膨胀率混凝土材料的耐久性 材料的组成、结构、构造与性质一、材料的组成材料的组成指组成材料的化学成分或矿物成分。它是决定材料性质的本质因素。1.化学组成化学组成即化学成分，是构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。无机非金属材料常用组成其的各氧化物的含量来表示；金属材料常用组成其的各化学元素的含量来表示；有机材料则常用组成其的各化合物含量来表示。化学组成是决定材料化学性质、物理性质、力学性质的主要因素。2.矿物组成矿物是具有一定化学成分和结构特征的稳定单质或化合物。无机非金属材料是由各种矿物组成的。材料的化学组成不同，其矿物组成不同；相同的化学组成，可组成多种不同的矿物。矿物组成不同的材料，其性质也不同。如硅酸盐水泥中，CaO和SiO2是其主要的化学成分，它们组成的主要矿物是硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)，这二者的性质相差很大，其组成比例是决定水泥性质的主要因素。 材料的组成、结构、构造与性质二、材料的结构1.微观结构指材料物质的原子级或分子级的结构，需要用电子显微镜、Ｘ射线衍射等技术手段来观察研究，包括材料物质的种类、形态、大小及其分布特征。土木工程材料的使用状态一般为固体，固体的微观结构可分为晶体和非晶体两大类。1)晶体晶体是质点(原子、离子、分子)按一定规律在空间重复排列的固体，具有特定的几何外形和固定的熔点。由于质点在各方向上的排列的规律和数量不同，单晶体具有各向异性的性质；但实际应用的材料，是由细小的晶粒杂乱排列组成的，其宏观性质常表现为各向同性。无机非金属材料的晶体，其键的构成不是单一的，往往是由共价键、离子键等共同联结，其性质差异较大。材料的微观结构形式与主要特征如表1-5所示。 材料的组成、结构、构造与性质表1-5材料的微观结构形式与主要特征微观结构常见材料主要特征晶体原子、离子、分子按一定规律排列原子晶体(共价键)金刚石、石英强度、硬度、熔点高，密度较小离子晶体(离子键)氯化钠、石膏、石灰岩强度、硬度、熔点较高，但波动大。部分可溶，密度中等分子晶体(分子键)蜡、斜方硫、萘强度、硬度、熔点较低，大部分可溶，密度小金属晶体(库仑引力)铁、钢、铜、铝及合金强度、硬度变化大，密度大非晶体(玻璃体)原子、离子、分子以共价键、离子键或分子键结合，但为无序排列玻璃、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、化学稳定性、导热性、导电性较差，各向同性 2)非晶体非晶体是相对晶体而言的，又称玻璃体、无定形体，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质点无序排列的固体或固态液体。非晶体没有固定的熔点和几何外形，各向同性，其强度、导热性和导电性等低于晶体。非晶体的质点无排列规律，即质点未到达能量最低的稳定位置，保留了高温下的高能量状态，内部还有大量的化学能未能释放出来，而以内能的形式储存起来。故玻璃体具有化学活性，稳定性较差，易与其他物质反应或自行缓慢向晶体转变。如粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等混合材料，都是经过高温急冷得到，含大量玻璃体，工程上利用它们活性高的特点，用于水泥和混凝土的生产，以改善水泥和混凝土的性质。硅酸盐水泥水化后的主要产物水化硅酸钙凝胶体，也是非晶体。水化硅酸钙凝胶体的尺寸只有几十至几百微米，内表面积巨大，具有很高的胶凝性，硬化后具有很高的强度。2.亚微观结构指用光学显微镜和一般扫描透射所能观察到的结构，其尺度介于微观和宏观之间，范围在10―3m～10―9m。亚微观结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面的形态、孔隙与微裂纹的大小形状及分布，如水泥石的孔隙结构、金属的金相组织、木材的纤维和管胞组织等。材料的组成、结构、构造与性质 材料的亚微观结构对材料的性质影响很大。通常，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，其受力越均匀、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越好，则其强度和耐久性越好。从亚微观结构层次上改善材料的性能，相对比较容易，具有十分重要的意义。尺度范围在10―7m～10―9m的结构为纳米结构，一般要用扫描透射电子显微镜观察。由于纳米级微粒具有独特的小尺寸效应和表面界面效应等基本特性。由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇特的物理和化学性质，自20世纪80年代以来，研究进展迅速，应用前景广阔。3.宏观结构(构造)指用肉眼或放大镜即可观察到的毫米级以上的组织。宏观结构主要研究和分析材料的组合与复合方式、组成材料的分布情况、材料中的孔隙构造、材料的构造缺陷等。材料按其组成可分为单一材料和复合材料两大类，常见的结构形式有密实结构、多孔结构、纤维结构、聚集结构、叠合(层状)结构、散粒结构和纹理结构。材料宏观结构及主要特征如表1-6所示。材料的组成、结构、构造与性质 表1-6材料宏观结构及主要特征材料的组成、结构、构造与性质宏观结构常用材料主要特征密实结构钢材、玻璃、沥青、塑料高强、不透水、耐腐蚀多孔结构泡沫塑料、泡沫玻璃质轻、保温、绝热、吸声纤维结构木、竹、石棉、玻璃纤维抗拉强度高、质轻、保温、吸声聚集结构陶瓷、砖、天然岩石强度高散粒结构砂、石子、陶粒、膨胀珍珠岩混凝土集料、轻集料、保温绝热材料纹理结构木材、大理石装饰性强粒状聚集结构混凝土、砂浆综合性能好、价格低纤维聚集结构石棉水泥制品、岩棉板、纤维板、纤维增强塑料抗拉强度高、质轻、保温、吸声多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土质轻、保温叠合结构纸面石膏板、胶合板、夹芯板综合性能好纹理结构人造石材、复合地板装饰性强 复合材料是两种或两种以上的材料结合构成的新材料。它集中了组成材料的优点，避免了单一材料的缺陷，性能更优越，功能更强大，是材料发展的主要方向之一。具有相同组成和微观结构的材料，可以制成宏观构造不同的材料，其性质和用途随宏观构造的不同差别很大，如玻璃与泡沫玻璃、塑料与泡沫塑料、混凝土与加气混凝土；而宏观构造相似的材料，即便其组成和微观结构不同，也具有某些相同或相似的性能和用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土，都具有保温隔热的功能。工程上常用改变材料的密实度、孔隙结构，应用复合材料等方法，来改善材料的性能，以满足不同的需要。三、材料内部孔隙与性质1.内部孔隙的来源与产生无论是天然材料，还是人造材料，在宏观和亚微观层次上都含有一定数量和一定大小的孔隙，所以说孔隙是材料的组成部分之一，仅少数致密材料(如玻璃、金属)可近似看成是绝对密实的(如图1.1所示)。材料的组成、结构、构造与性质 天然材料的内部孔隙是在其形成过程中产生的。如天然植物的生长需要养分的输送，其内部形成了一定数量的孔管结构，形成孔隙；天然石材由于在造岩运动中内部夹入部分空气，形成孔隙。人造材料的内部孔隙是在生产过程中，受生产条件所限，混入气体，而又去除不完全形成；或是为改变其性质，在材料设计和制造中，有意形成的孔隙。如钢在冶炼过程中，须将生铁熔融进行氧化，其中的碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，使碳含量达到一定范围，但脱氧不完全时，就会形成内部气泡；混凝土是由水泥胶结散粒材料形成的，材料在混合中有一定量的气体引入，为保证施工成型用水量也大大超过水泥水化的需要，多余水分蒸发后，又形成一定量的孔隙；保温绝热材料，则需要其内部有大量密闭空气，以降低导热系数。2.孔隙的分类按内部孔隙的大小，可将孔隙分为微细孔、毛细孔、较粗大孔和粗大孔等。无机非金属材料中，孔径小于20nm的微细孔，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔隙。按孔隙的形状可分为球状孔隙、片状孔隙(裂纹)、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、尖角孔隙等。按常压下水能否进入，可分为开口孔隙(连通孔隙)和闭口孔隙(如图1.1所示)。闭口孔隙常压下水不能进入，但当水压力高于孔壁阻力时，水也会进入其中。球状孔隙是闭口孔隙，其他形状的孔隙为开口孔隙。开口孔隙对材料性质的影响较大，可使材料的大多数性质降低。材料的组成、结构、构造与性质 3.孔隙对材料性质的影响同一种材料其孔隙率越高，密实度越低，则材料的表观密度、体积密度、堆积密度越小；强度、弹性模量越低；耐磨性、耐水性、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性及其他耐久性越差；而吸水性、吸湿性、保温性、吸声性越强。孔隙是开口还是闭口，对性质的影响也有差异。水和侵蚀介质容易进入开口孔隙，开口孔隙多的材料，其强度、耐磨性、耐水性、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等性质下降更多，而其吸声性、吸湿性和吸水性更好，孔隙的尺寸越大，其影响也越大。适当增加材料中密闭孔隙的比例，可阻断连通孔隙，部分抵消冰冻的体积膨胀，在一定范围内提高其抗渗性、抗冻性。由此可见，改变材料内部孔隙，是改善材料性能的重要手段。材料的组成、结构、构造与性质 1.材料的孔隙和体积形式有哪几种？材料各密度与孔隙之间有什么关系？2.有某湿材料206kg，已知其含水率为3％，其干燥质量是多少？3.什么是材料的耐水性，用什么表示？在材料选用时有什么要求？4.材料的孔隙率及孔隙特征与抗渗性、抗冻性等性质有什么关系？5.什么是材料的导热性？用什么表示？一般如何利用孔隙提高材料的保温性能？6.什么是材料的强度，强度等级？强度等级与极限强度是什么关系？7.什么是材料的耐久性？通常用哪些性质来反映？8.材料的宏观结构(构造)对其性质有什么影响？9.某工地有砂50吨，密度为2.65g/cm3，堆积密度为1450kg/m3；石子100吨，密度为2.70g/cm3，堆积密度为1500kg/m3。试计算砂石的空隙率，若平均堆积高度为1.2m；各需要多大面积存放？10.一岩石试件破碎、磨细、过筛，烘干，称取60克，用李氏瓶法测得其体积为22.64cm3；一卵石试样，称取1000克，用广口瓶法测得其体积为370cm3。试计算二试样的密度，并说明各是什么密度。11.一标准混凝土试体，尺寸为150mm×150mm×150mm，测得其28天抗压破坏荷载为531kN，试计算其强度。12.绿色材料的含义是什么？材料绿色化有什么意义？思考题'