(土木工程材料课件)第一章材料的基本性能

❖ 矿物组成
土木工程材料中的矿物种类及其含量。
❖ 例如：
硅酸盐水泥熟料中 的主要矿物相有：
➢ 硅酸三 钙 ➢ 硅酸二 钙 ➢ 铝酸三
钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体
化学组成
化学组成——化学成分是指材料中各物相所 含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如：
❖ 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）；
❖ 颗粒的堆积结构—空隙率
空隙率越大，材料的堆积 孔隙率越大，材料的表
密度越小，反之亦然
观密度越小反之亦然
问题 ？
对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密 度之间的相互关系怎样？
答：密度＞表观密度＞堆积密度
为什么？
答： ➢ 自然状态下的体积＝绝对密实体积＋孔隙体积； ➢ 堆积体积＝密实体积＋孔隙体积＋空隙体积。
特征有关：
➢金属＞非金属；
➢多孔材料＜密实材料 ➢封闭孔隙＜开口连通孔隙
三、声学性质
❖ 吸声性与吸声系数
➢ 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为吸声性； ➢ 工程材料的吸声性用吸声系数表示。
❖ 隔声性
➢ 隔空气声 隔绝由空气传播的声能 ➢ 隔固体声 隔绝由于声源撞击固体材料，引起固体材
料受迫振动而发出的声能。 ➢ 材料的隔声能力用隔声量R表示，单位为dB。
❖
热传导性与导热系数 热传导性
非晶体材料＞晶体材料 热 量 从 温 度 较 高
的 一 面 传 导 到 温➢
度较低的一面，这 种性质称为热传 导性，用导热系数
λ= Q·D/Z·A·⊿t
材料的组成、密度和 孔隙特征
比热容与热容 来表示
❖
单位质量材料，在
线膨胀系数 比热容
温度升降 1K 时所 吸收或放出的热
❖ 根据分辨率的大小，材料结构分为 宏观、细观和微观三个层次；
❖ 材料的结构取决其组成和制造工艺 及其条件(温度、压力等)；
❖ 相同组成的材料可以有不同的结构；
❖ 相同结构的材料可以有不同的组成。
水泥混浆凝体土的内微部观的结宏构观：结构：
以混凝土为例 硬化由水由晶泥大体浆小态体不水的等化细、物观形、结状非构各晶：异态水 化物孔的和隙砂微、、小水石孔分颗隙布粒及于与孔由孔隙水隙中泥以的矿及水物构 水成化水物分、布未在水水化泥的浆水体泥中颗而粒构构成 的固成体连续相组成
什么是视密度？如何测量？
2、孔隙率（P）与密实度（D）的计算
1) 孔隙率
定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为 孔隙率P。
P= V0-V ×100% V0
如果材料处于干燥状态：
P=[1－
ρ0 ρ
]×100%
2) 密实度
定义：材料体积中被固体物质充实的程度D，
D= V ×100% = 1－P
3) D=1－P=90.376%
P’=[1－ρ0’/ρ0] ×100% =(1－1.35/2.404)=43.8% D’=1－P’=1－43.8%=56.2%
3、含水率、吸水率、平衡含水率
❖ 含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比：
w = m1’－m ×100% m
式中：m—材料干燥状态下的质量，g; m1’—材料在含水状态下的质量，g。
例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O，但它有-、 -、- 等3种矿物相。
❖ 不同的矿物相，其化学组成可能相同。
例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相 的化学成分均是CaO和SiO2。
❖ 矿物组成相同，其化学组成一定相同。
Summary ❖材材料料组 成物相与性化能合的物或关元系素
❖
量。
材料的组成结构
某块材料在温度
最高使用温度 ❖
热容
升降 1K 时所吸收 或放出的热量。
C=cm
材料的比热容 与质量
线膨胀 系数
材料由于温度上 升或下降 1C 时， 所引起的线长度 与它在 0C 时的线 长度之比。
材料导热性的测量 材料的组成结构
材料的导热性用导热系数或热阻表示 导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙
要求的材料性能 强度、刚度 耐久性
物理性能
不污染环境
安全性
土木工程材料如何满足性能要求？
❖ 材料的组成 ❖ 材料的结构 ❖ 材料的构造 ❖ 材料的复合
组成
结构
性能
材料的组成—结构—性能关系
材料组成、结构与性能之关系 ——现代材料科学的核心
本章主要内容
❖ 材料的组成与结构 ❖ 材料的技术性能及其测试方法 ❖ 材料组成、结构与性能间的关系
则， Vo = 791－(1411－10碎36石) =在4水16中mL吸水的质量 ∴ ρ0 =（m’/V0）= 1000/41＝6 =开2口.40孔4 隙体积 ∵ V=18.8mL, m=50g; ∴ ρ=(m/V)= 50/18.8=2.66
2) P = [1－ρ0/ρ] ×100% =(1－2.404/2.66)=9.624% 其中： P开= 36/416=8.653% P闭= 9.624－8.65=0.974%
❖ 纯➢组铁不成强同；度的不矿高物且相较，柔其软化，学而组钢成较可强能韧相，同生铁较硬脆， 其主
❖ ❖
材要聚在➢料原氯组矿可因乙成物组以是烯上组成通它树,成前与过们脂相者性的[改同的-C能含，变大H的C其2分材-量C化关子料H百学系链C的分l组上-]之组n成含与几成一C聚的l定来¯乙微离相改烯小子同善醇差，[材别-而C；料后H2者的-C含H性OO能HH-。¯]n离，
1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？
2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？
3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？
解答：
1）∵ V’o=10L, m’2=13.5kg; ρ0’=（m’/V0’）= 13.5/10 = 1.35 ∵ m’=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度＝1。
基本性质
密度 孔隙率 湿含量
热学性质 声学性质 光学性质
General Properties
Density or Relative Density Porosity Moisture Content
Thermal Properties Acoustical Properties Optical Properties
堆积体积＝自然状态体 积＋堆积空隙体积
轻原子组成的材料，其密度较小，如铝Al
重原子组成的材料，其密度较大，如铁Fe
材料密度排序：
材料密度与组成、结组构成材的料关的化系➢合金物属或材矿料物的摩
❖ 原子的质量
尔质量越大，➢其无密机度非越金大属材料 ➢ 高分子材料
❖ 固体相的摩尔质量 晶体相的密➢度纤大维于复非合晶材体料相 ❖ 固体相的微观结构 胶晶体体相相的的密密➢度度木小取材于决玻于璃晶体体结构 ❖ 固体相的堆聚结构—孔隙率 ➢ 泡沫材料
§1.1 土木工程材料的组成与结构
Composition and Structure of Civil Engineering Materials
❖ 组成
➢ 化学组成 ➢ 相组成
❖ 结构
➢ 微观结构 ➢ 细观结构 ➢ 宏观结构
一、材料的组成
❖ 材料均由各种物相组成
材料的物相组成： 固相 气相 液相
物理化学性质 Physicochemical Properties
力学性质
Mechanical Properties
耐久与安全性质 Durability and innoxious
§1.2 土木工程材料的物理性质
General Properties of Civil Engineering Materials
❖ 每种物相由化合物组成
❖ 化合物由分子组成
❖ 分子由原子组成
材料的化学组成： 元素 化合物
物相组成
❖ 固相
矿物 化合物
➢ 连续相
➢ 分散相：纤维与颗粒
❖ 气相
分布的孔隙及其含量
❖ 液相
包含的液体种类与含量
矿物组成
❖ 矿物
具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也
指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然 矿物的物相或化合物。
❖ 吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率：
＝ m2’－m ×100% m
式中： m1’—材料在吸水饱和状态下的质量，g。 ❖ 平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环境中湿度
达到平衡时的含水率。
材料线膨胀系数的测量
线膨胀系数的单位：/C
二、热学性质 性 能
材料的线膨胀系数与组成和结构有关： 定 义 ➢有机公材料式 ＞金属影材响料因＞素无机非金属材料
土木工程材料的技术性能及其测试方法
物理性质
Physical Properties
密度
Density
热学性质
Thermal Properties
电与磁性质 Electrical and magnetic Properties
声学性质
Acoustical Properties
光学性质
Optical Properties
➢ 堆积密度ρ0’ ——松散堆积状态下，m’/V0’
密度、表观密度和堆积密度测量方法
排除任何孔隙后，材料的绝
❖ 密度为什么要蜡封？ 对密实体积
试样— 粉末；体积测量自—然排状液态法下。体积＝绝对密实体
❖ 表观密度
积＋孔隙(开口与闭口)体积
ห้องสมุดไป่ตู้
试样 — 块体；体积测量—直接测、蜡封排液法。
❖ 堆积密度
试样—颗粒；质量测量—固定体积法
子➢ ，材因料而组，成后微者小是差水别溶就性可的引，起而材前料者性不能是根。本的改变
…➢ 材…料等中等物。相含量的变化就可导致材料质的突变
二、 材料的结构
尺寸为～ 10-3m (肉眼可分辩)
❖ 材料的结构
➢ 材料中所含各物相的类型、尺寸、尺形寸状为、1数0量-6 及~1其0-3m
分布。
(光学显微镜可辩)
➢土物木相工组成程：材固料相的、组液成相、不气同相，其性能可完全不同。
例两如条➢ 化：基学本组原成则：：化合物、元素
❖❖ 矿生H➢2物石化O在的膏学组选数C组成a用量成S与O不材相4化·同料同2H学，，时2O因组其，与而矿成必熟，物的石须后组关膏了者成系C有解不aS水一材O化定4料·0活相.的5性同H化2，O学而的前差组者别成没在和有所物；含相
1、质量与体积
密度
单位体积材料的质量＝密度
体积与质量材是料可在变绝的对，密密实度状是态不下变，的
态相有同关质量的单材位料体位散的材积体粒体料的积材积在质的料与自量质在物然。量堆相状。积和态状质下态点，下的单，堆积状
➢ 密度ρ
——单绝位对体密实积状的态质下量，。m/V
➢ 表观密度ρ0 ——自然堆聚状态下，m’/V0
(土木工程材料课件)第一章材料的基 本性能
三问：What ? How ? Which ?
❖ 土木工程要求材料具备什么性能（What）? ❖ 土木工程材料如何满足工程要求（How）? ❖ 本章学习哪些内容（Which）?
土木工程要求材料具备哪些性能？
土木工程的功能 承受荷载
长期可靠性
防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘
V0
材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越 小、导热性越大。
例题
某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥， 用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg； 再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干， 称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并用水注满这 广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将碎石倒出后， 这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净完全 干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛成细粉，称取 50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请问？
学习目的
通过本章学习，掌握各类土木工程材料 的“来龙去脉”，为自己成为一名称职的 “土木材工料程的师组成”与打结下构工程材料学基础。
材料在服役环境下的行为——性能
➢ 力学性能 ➢ 物理性能 ➢ 耐久与安全性
材料组成、结构、性能与施工工艺间的关系
本章主要内容
❖ 材料的组成与结构 ❖ 材料的技术性能及其测试方法 ❖ 材料组成、结构与性能间的关系
➢ 物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等 质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。
❖ 材料结构层次：
➢ 宏观构造
尺寸为＜10-6m
(电子显微镜)
➢ 细观结构
➢ 微观结构
尺寸为10-10~10-8m
(高倍电镜)
Summary
❖ 材料的结构——材料所含各物相 (固、液、气)的形态、尺寸、堆积 方式和分布情况；构成各物相的质 点的堆积方式和分布情况；
❖ 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； ❖ 水泥中四种矿物相所含的化合物是：
CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 ❖ 聚氯乙烯塑料的化学组成有：
PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等。
化学组成与矿物组成的关系
❖ 化学组成相同，其矿物组成不一定相同；