建 筑 材 料 主讲：张玉稳 山东农业大学水土学院 联系电话：13181811905；E-mail：zywsdta64163.com,第 1 章 土木工程材料的基本性质,刘家峡水电站,【学习指导】 学习目标： （1）了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系； （2）熟练掌握土木工程材料的基本力学性质； （3）掌握土木工程材料的基本物理性质； （4）掌握土木工程材料耐久性的基本概念。 本章的难点： 材料的组成及其对材料性质的影响。,概 述 建筑材料用在不同的建筑物中，处于不同的环境，起着各种不同的作用，要求具有相应的性质。如： 承重结构构件要求材料具有足够的强度、刚度； 功能材料要求具有相应的功能性要求； 建筑物还应具有与环境相适应的耐久性。,合理选用材料是保证建筑物经久耐用的关键，而材料的性质是选用材料的重要依据。 所谓材料的性质是指在负荷与环境因素联合作用下材料所具有的属性。 建筑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。,1.1 材料的组成、结构及构造,一、材料的组成 材料的组成是指材料的化学成分，包括材料的化学组成、矿物组成、相组成。 （一）化学组成 化学组成是指构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量。 当材料在使用过程中与周围环境及各类物质接触时，将按照化学变化规律发生作用。,（二）矿物组成 矿物是指在无机非金属材料中，某些元素或化合物以特定的组合形式存在，并具有特定的物理、化学性质的组织结构。 矿物组成是指组成材料的矿物种类和数量。 矿物组成是决定材料性质的主要因素。,（三）相组成 相：材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相。 凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。 界面（界面相）：两相之间的分界面称为界面，在实际工程材料中，界面是一个很薄的薄弱区，可称为界面相。 许多材料的破坏往往首先发生在界面。界面强度往往决定复合材料的强度 。,二、材料的结构、构造 （一）材料的结构 材料的结构是指材料的微观组织状况，可分为宏观结构、细观结构、微观结构。 1、宏观结构 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 土木工程材料的宏观结构按其孔隙特征分为三种： 致密结构、多孔结构、微孔结构。 1）致密结构：指具有无可吸水、透气孔隙的结构。 2）多孔结构：指具有粗大孔隙的结构。 3）微孔结构：指具有微细孔隙的结构。,材料的宏观结构按其组织构造特征分为四种： 堆聚结构、纤维结构、层状结构、散粒结构。 1）堆聚结构：指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶结而成的结构。如水泥砼 。 2）纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。如木材 。 3）层状结构：指由天然形成或人工粘结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。如胶合板。 4）散粒结构：指由松散粒状物质形成的结构。如砼集料、粉煤灰 。,2、细观结构（亚微观结构） 细观结构是指用光学显微镜可以观察到的材料内部结构。一般可分辨范围是1 10-3mm。 根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构： 显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-310-7m。 纳米结构是指用一般扫描透视电子显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-710-9m 。 纳米结构材料具有许多奇异的物理和化学性能，发展迅速，在土木工程中也得到应用，如磁性液体、纳米涂料等。,3、微观结构 微观结构是指组成材料原子、分子的排列方式、结合状况等。可分辨尺寸范围在纳米（10-6mm）以上。 材料在微观结构层次上可分为晶体、非晶体、胶体。,（1）、晶 体 1）晶体、晶格、晶胞： 晶体是由离子、原子或分子等质点，在三维空间按一定方式重复排列而成的固体，具有特定的外形。 这种有规则的排列称为晶体的空间格子(晶格)； 构成晶格的最基本单元（平行六面体单元 ）称为晶胞。 晶体颗粒具有各向异性。但晶体材料可能是各向同性。 2）晶体的物理力学性质，除与晶格形态有关外，还与质点间结合力有关。这种结合力称为化学键，可分为共价键、离子键、分子键、金属键。 3）晶体分类： 按组成材料的晶体质点及化学键的不同，晶体可分为原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体。,晶体、晶格、晶胞结构示意图：,面心立方晶胞,一般情况下，晶胞都是平行六面体。整块晶体可以看成是无数晶胞无隙并置而成的。 无隙相邻晶体之间没有任何间隙； 并置所有晶胞都是平行排列的取向相同。,在实际材料中，晶体结构往往都有各种晶格缺陷。主要有点缺陷、线缺陷、面缺陷三种。 1）点缺陷：是指晶格中有空位和填隙原子。 晶格空位削弱了晶体材料的强度，但它是材料发生固相反应的介质。 填隙原子造成晶格畸变，使晶体强度增加、塑性降低。 2）线缺陷（位错）：是指晶体中存在多余的半平面。 位错是使晶体材料成为不完全弹性体的原因之一，也是影响晶体结构生长、造成杂质在晶体中扩散并改变其性能的原因。 3）面缺陷：晶体材料中相邻两晶粒的晶格常存在相位差，在界面处原子排列不规则，称为面缺陷。 面缺陷使界面处原子滑移困难。面缺陷使晶体材料强度提高、塑性降低。 材料的性质还与晶粒大小及分布状态有关。一般晶粒越细、分布越均匀，材料的强度越高。,（2）、非晶体（玻璃体） 1）定义：将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使内部质点来不及作有规则的排列就凝固了，这时形成的物质结构即为非晶体。非晶体又称为无定形体或玻璃体，是相对晶体而言的。 2）特性： 内应力较大，具有明显脆性。 存在化学内能，具有化学不稳定性，即在一定条件下，易与其它物质发生化学反应。 质点的排列没有一定的规律性，没有特定的几何外形。 各向同性。 没有固定的熔点。,（3）、胶 体 胶体：是指细小颗粒质点（胶粒）分散于连续介质中，形成的分散体系结构称为胶体，又称为胶凝材料。 溶胶：在胶体结构中，若胶粒较少，则胶粒悬浮、分散在液体连续相中，此时液体介质对胶体的性质影响较大，称这种结构为溶胶结构。溶胶具有可流动性。 凝胶：由于胶体颗粒极细，具有很大的表面积和表面能，当胶体数量较多时或在物理化学作用下，胶体相互吸附凝聚而成网状结构。此时，胶体反映出胶粒的物理力学性质，而使胶体强度增大，变形减小，形成固体或半固体状态，称此胶体结构为凝胶结构。 在特定的条件下，胶体亦可形成溶胶-凝胶结构。 在剪力作用下，溶胶-凝胶能互变，称为触变性。 胶体与玻璃体及晶体相比，胶体结构的强度较低，变形较大。,（二）、材料的构造 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。 材料构造与结构相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。 材料的性质与其构造有密切的关系:如 随着孔隙率的增大，表观密度减小、强度降低。 含有大量分散不连通的多孔材料，常常具有良好的保温、隔热、抗冻性能。 含有大量与外界连通的微孔或气孔的材料，能吸收声能，是良好的吸声材料。 对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。,1.2 材料的基本物理性质,一、 与质量有关的性质 （一）、密度、表观密度、堆积密度 1定义 ： 密 度 ：材料在绝对密实状态（不包括材料孔隙在内）下，单位体积的干质量。 视 密 度 ：材料单位体积（包括材料实体及闭口孔隙）的干质量。 表观密度0 ：材料在自然状态下，单位体积（包括材料实体及其开口孔隙、闭口孔隙）的质量。亦称体积密度。 堆积密度0 ：是指散粒状材料在堆积状态下，单位体积（包括颗粒实体及其开口、闭口孔隙及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量。,2.说明： 各种密度测定的关键是材料在各种状态下的体积测定。 1）绝对体积V： 即材料绝对密实状态下的体积，是指不包括孔隙在内的体积。 绝对体积测定方法如下： 密实材料：当其外观规则时，直接量取外观尺寸计算体积； 当其外观不规则时采用排液置换法计算体积。 有孔隙材料：把材料磨成细粉，干燥后，用李氏密度瓶测定粉末体积，即为材料绝对密实状态下的体积。 材料磨的越细，测得的精度越高。 2）视密度体积V1： 包括材料实体及闭口孔隙，但不含开口孔隙。 采用排液置换法或水中称重法测量。,3）自然状态下的体积V0 : 是指包含材料实体及内部孔隙（包括开口、闭口孔隙）在内的体积。即材料表面轮廓线所包围的毛体积。 测定方法： 对于形状规则的材料，用量具测体积； 对于形状不规则的材料，用蜡封法测体积。 a当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积均有变化，则表观密度变化。故测定表观密度时，需注明含水情况。 b一般所说的表观密度(不注明含水状态)，是指材料在气干状态下的表观密度。 c材料在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度（干体积密度）。,4）堆积体积V0 : 即包含材料颗粒固体体积、内部孔隙体积又包含颗粒之间空隙的体积。 散粒材料的堆积密度测定方法为容量筒法。分为： 松散堆积密度 紧密堆积密度 干堆积密度 湿堆积密度 工程上通常所说的堆积密度是指松散堆积密度。,对于同一种材料，材料含水量不同： 密度不变，表观密度、堆积密度可变； 密度 表观密度0 堆积密度0 研究密度的意义： 工程上可以利用密度、表观密度、堆积密度推算材料用量，计算构件自重，确定材料的堆放空间。计算普通砼、沥青砼配合比。,（二）、孔隙率、空隙率 1.孔隙率 1).定义 孔隙率是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率。 计算公式： P = ( V0 - V)/ V0 = 1- V/ V0 = (1 - 0/) * 100% 孔隙率的大小直接反映了材料的密实程度，孔隙率越小，密实度越高。 孔隙率相同的材料，其孔隙特征可能不同。,2）孔隙特征（孔隙构造）： 材料内部孔隙按构造不同分： 连通孔隙：不仅彼此连通而且与外界相通。 封闭孔隙：不仅彼此封闭而且与外界隔绝。 材料内部孔隙按孔径尺寸大小分： 极微细孔隙 细 小孔隙 粗 大孔隙 3）.影响材料孔隙率的因素 a.材料的组成 ； b.结构及制造工艺。,4）.孔隙对材料性质的影响 材料的许多工程性质取决于孔隙率的大小及 构造特征。 如孔隙率增大，则： (1).材料的表观密度减小。 (2).材料受力的有效面积减小,强度降低。 (3).表观密度减小,导热系数和热容随之减小。 (4).透气性,透水性,吸水性变大。 (5).对抗冻性,要视孔隙大小和形态而定,如封闭孔隙能提高抗冻性。,2.空隙率,1）.定 义 空隙率P：指散粒材料在堆积状态下，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。 计算公式： P=( V 0 - V0)/ V 0 =1- V0 / V 0 =(1-0/ 0 )*100% 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。,2）孔隙率P与空隙率P的异同： 异： P对一般材料而言；P对散粒材料而言。 P为材料颗粒内部孔隙体积所占比例； P还包括材料颗粒之间空隙体积所占比例。 同： 均表示材料的致密程度（数值愈小，材料愈密实）。 P1 ，P1 。,二、材料与水有关的性质 （一）、材料的亲水性与憎水性 亲水性： 材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料。 憎水性： 材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。 具备这种性质的材料称为憎水性材料。,材料的亲水性与憎水性可用润湿角来说明： 润湿边角：当材料与水接触时，在材料、水和空气三相交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所形成的夹角（）称为润湿边角（接触角）。 愈小，表明材料愈易被水湿润。如果润湿边角为零，则表示该材料完全被水浸润。,亲水性材料： 当900时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面被水浸润，这种性质称为材料的亲水性。具有这种性质的材料称为亲水性材料。 憎水性材料： 当900时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，材料表面不会被水浸润，这种性质称为材料的憎水性。具有这种性质的材料称为憎水性材料。 这一概念也可用于其它液体对固体材料表面的浸润情况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。,