主要教學內容,第一章 緒論（） 第二章 材料的基本性質（ ） 第三章 金屬材料（ ） 第四章 無機膠凝材料（ ） 第五章 混凝土與砂漿（ ） 第六章 砌體材料（ ） 第七章 瀝青與瀝青混合材料（） 第八章 合成高分子材料（） 第九章 功能材料（） 第十章 木材(自學）,第一章 緒論,一、土木工程材料及其在國民經濟建設中的地位和作用 二、土木工程材料與土木工程的關系 三、土木工程材料的發展概況和發展方向 四、土木工程材料的分類 五、技術準標準簡介 六：土木工程材料課程學習方法,學習目標是了解土木工程材料的分類，明確土木工程材料在工程中的重要地位，重點是了解土木工程材料的分類、了解各類技術準標準。,四、土木工程材料的分類,化學成分： 有機材料 無機材料 復合材料,五、技術準標簡介,2、土木工程材料的技術標準與規范,國家標準（GB）：指對全國范圍的經濟、技術及生產發展有重大意義的標準。它是由國家標準主管部門委托有關部門起草，或有關部委提出批報，經國家技術監督局會同各有關部委審批，并由國家技術監督局發布。 GB標準為強制性國家標準，任何技術（產品）不得低于此標準,GB 175-1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥,國家標準的代號,標準編號,標準頒布年代號,標準的技術 （產品）名稱,推薦性國家標準，以“GB/T”為標準代號,五、技術準標簡介,行業標準：全國性的某行業范圍的技術標準。由國家中央部委標準機構指定有關研究院所、大專院校、工廠等單位提出或聯合提出，報中央部委主管部門審批后發布，并報國家技術監督局備案。,JC/T 479-92建筑生石灰,建材行業的標準代號,技術標準的二類類目順序號,推薦標準,標準頒發年代號,標準名稱,五、技術準標簡介,地方標準與企業標準：凡國家、部未能頒布的產品與過程的技術標準，可由相應的工廠、公司等單位，根據生產廠能保證的產品質量水平所制定的技術標準，報請本地區或本行業有關主管部門審批后，在該地區或行業中執行。,國際標準 ： 團體標準和公司標準。指國際上有影響的團體和公 司的標準。如美國材料與實驗協會標準（ASTM）等。 區域性標準。如德國工業標準(DIN)等。 國際標準化組織標準，代號ISO。,2.1材料的組成與結構,二、材料的結構和構造 *材料的結構和構造是決定材料性質的重要因素 （一）宏觀結構：指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織，尺寸在10-3m以上。 按其孔隙特征分為： 致密結構玻璃塑料、金屬、天然石材等 多孔結構加氣砼、泡沫塑料 微孔結構石膏制品、水泥制品 按存在狀態或構造特征分： 纖維結構玻璃纖維、礦棉、棉麻 堆聚結構砂漿、瀝青混凝土、水泥混凝土 層狀結構膠合板、紙面石膏板 散粒結構砂、石及粉狀或顆粒狀材料,2.1材料的組成與結構,（二）亞微觀結構又稱細觀結構指用光學顯微鏡觀測手段研究的結構層次。它包括晶體粒子、玻璃體、膠體及材料內孔隙的形態、大小、分布等結構狀況。晶體粒子、玻璃體、膠體及材料內孔隙的形態、大小、分布等不同，都影響材料的性質。 （三）微觀結構指用電子顯微鏡及X射線等手段研究材料內部質點在空間分布情況的結構層次。根據內部質點的分布狀態不同可分為晶體和非晶體。, 2.2材料的基本物理性質,本節主要討論以下5個問題 一、材料的結構特征參數： 密度、表觀密度、堆積密度 二、密實度、孔隙率、空隙率、填充率 三、材料與水有關的性質 四、材料的熱工性質 五、材料的耐熱性與耐燃性,熟練掌握土木工程材料的基本物理性質,一、材料的結構特征參數：,1、密度： 定義：材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量（比重） 測定：除鋼材、玻璃等少數材料外，絕大多數材料都有孔隙，一般進行磨細，干燥后用李氏瓶測其體積（磚、石材）；另外，用排液置換法測量卵石等致密材料近似密度。 特點：不變值,材料的質量（干燥至恒重），g,材料在絕對密實狀態下的體積，cm3,2、表觀密度（俗稱容重）,定義：材料在自然狀態下單位體積的質量（重量） 測定：與材料含水情況有關，故測表觀密度時，應注明含水情況，通常指標在氣干狀態（長期在空氣中狀態）下的表觀密度，在烘干狀態下的表觀密度稱為干表觀密度。 特點：變化值,測定：形狀規則，直接量尺寸，不規則，排液置換，表面涂臘。,3、堆積密度（松散容重）,定義：散粒材料在堆積狀態下，單位體積的質量。 測定：包含了顆粒之間的空隙 特點：變化值,含物質顆粒固體及其閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積,自然堆積密度：散粒材料的堆積方式松散 緊密堆積密度：散粒材料搗實的堆積方式,常用材料的密度、表觀密度，堆積密度,二、密實度 孔隙率 空隙率 填充率,1、密實度：材料體積內被固體物質充實的程度 （物質占比例） 2、孔隙率：孔隙的多少 （孔隙所占比例）,二、密實度 孔隙率 空隙率 填充率,3、空隙率：散粒材料在某堆積體積中，顆粒之間的空隙體積所占的比率 P反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞拿軐嵆潭?4、填充率：散粒材料在某堆積體積中被顆粒填充的程度,空隙率考慮的是材料顆料間的空隙，這對填充和粘結散粒材料時，研究散粒狀材料的空隙結構和計算膠結材料的需要量十分重要,三、材料與水有關的性質,1、親水性、憎水性（疏水性） 2、材料的含水狀態 3、材料的吸水性與吸濕性 4、材料的耐水性 5、材料的抗滲性 6、材料的抗凍性,材料與水接觸時由于水在固體表面潤濕狀態不同，表現為親水與憎水兩種不同的性質；材料在潮濕空氣中或水中吸收水分的性質，分別稱為吸濕性與吸水性；材料耐水性指材料長期在水的作用下不破壞、強度不明顯下降的性質；抗滲性指材料抵抗壓力水不滲透的性質；抗凍性指材料在含水狀態下能忍受多次凍融循環而不破壞，強度也不顯著下降的性質。,1、材料的親水性與憎水性,1、親水性與憎水性：當材料與水接觸時，有些材料能被水潤濕，有些材料則不能被水潤濕，前者稱材料具有親水性，后者稱具有憎水性。 潤濕邊角：材料被水濕潤的情況可用潤濕邊角表示。當材料與水接觸時，在材料、水以及空氣三相的交點處，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角，稱為潤濕邊角,越小，材料親水性越強，越易被水濕潤 =0時，表示材料完全被水濕潤,（）親水性材料；（）憎水性材料,1、材料的親水性與憎水性,親水性材料：當90時，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現出親水性，這種材料稱親水性材料。 例如：磚、木、混凝土等。 憎水性材料：當90時，材料表面不吸附水，此稱憎水性材料。 例如：瀝青、石蠟等。 當= 0時，表明材料完全被水潤濕，稱為鋪展。,2、材料的含水狀態（親水性材料）,(a)干燥狀態-材料的孔隙中不含水或含水極微 (b)氣干狀態-材料的孔隙中所含水與大氣濕度相平衡 (c)飽和面干-材料表面干燥，而孔隙中充滿水達到飽和 (d)濕潤狀態-材料不僅孔隙中含水飽和,而且表面上為水濕潤附有一層水膜,基本含水狀態：,3、材料的吸濕性和吸水性,1）吸濕性：用含水率表示 親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。 還濕性： 親水材料在干燥空氣中放出所含水分的性質。,含水率,影響材料含水率的因素：環境的溫度和濕度 平衡含水率：材料中所含水分與環境溫度所對應的濕度相平衡時的含水率,材料在吸濕狀態下的重量,材料在干燥狀態下的重量,3、材料的吸濕性和吸水性,2）吸水性：材料在水中吸水的性質。 用吸水率表示吸水性：質量吸水率、體積吸水率 質量吸水率：材料吸水飽和時，吸收的水分質量占材料干燥時質量的百分率：,體積吸水率：材料吸水飽和時，吸收的水分體積占材料干燥時體積的百分率：,質量吸水率與體積吸水率關系：,3、材料的吸濕性和吸水性,材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。對于細微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。 各種材料的吸水率很不相同，差異很大 如花崗巖的吸水率只有0.5-0.7 混凝土的吸水率為2-3 粘土磚的吸水率達8-20 木材的吸水率可超過100,材料的吸水性與什么有關？,4、材料的耐水性,定義：材料長期在飽和水作用下不被破壞，強度也無明顯下降的性質。,軟化系數：,KR 在0-1之間 耐水材料：KR 0.85 鋼材、玻璃、瀝青 KR =1黏土KR =0 要求：長期處于水中或潮濕環境中的重要結構 KR 0.85 用于受潮較輕或次要結構： KR 0.75,KR =材料吸水飽和后的抗壓強度/材料干燥時的抗壓強度,5、材料的抗滲性,定義：材料抵抗壓力水滲透的性質,影響因素： 孔隙率及孔隙特征,開口的連通大孔越多,抗滲性越差,閉口孔隙率大的材料,抗滲性仍可良好,抗滲等級:以規定的時間在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力（MPa）來確定， 材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水壓力：,滲透系數一定厚度的材料，在一定水壓力下，在單位時間內透過單位面積的水量,抗滲性是決定材料耐久性的主要指標,6、材料的抗凍性,定義：材料在吸水飽和狀態下能經受多次凍融循環作用而不破環，強度不明顯降低的性質。,抗凍標號（Fn）： 混凝土F50含義：混凝土標準試件經28d標準養護后，浸水4d吸水飽和, 在-15Co- -20Co條件下凍6h,在10-20oC水中融6h，一凍一融為一次凍融，經50次的凍融循環后，質量損失不大于5%，強度損失不超過25%也無明顯損壞和剝落，則該混凝土達到F50。,凍融破壞：材料吸水后，在負溫度下，水在毛細管內結冰，體積膨脹約9，冰的動脹壓力造成材料的內應力，使材料遭到局部破壞，隨著冰凍、融化的循環作用，對材料的破壞加劇，這種破壞即為凍融破壞。,討論：材料與水有關的性質主要和哪些因素有關？,1、材料中所吸水分是通過開口孔隙吸入的，故開口孔隙率愈大，則材料的吸水量愈多。材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。 2、材料的吸濕性隨空氣的濕度和環境溫度的變化而改變，當空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率就大，反之則小。 3、材料的抗滲性與材料內部的孔隙率特別是開口孔隙率有關，開口孔隙率越大，大孔含量越多，則抗滲性越差。材料的抗滲性還與材料的憎水性和親水性有關，憎水性材料的抗滲性優于親水性材料。 4、材料的抗凍性取決于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。 5、從外界條件來看，材料受凍融破壞的程度，與凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度等因素有關。環境溫度愈低、降溫愈快、凍融愈頻繁，則材料受凍破壞愈嚴重。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產生剝落，逐漸向內部深入發展。,四、材料的熱工性質,1、熱容性 2、導熱性 3、熱變形性 4、耐燃性,材料的導熱系數和熱容量是設計建筑物圍護結構（墻體、屋蓋）進行熱工計算時的重要參數，設計時應選用導熱系數較小而熱容量較大的建筑材料，以使建筑物保持室內溫度的穩定性。同時，導熱系數也是工業窯爐熱工計算和確定冷藏庫絕熱層厚度時的重要數據。,材料的熱容指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力。 導熱性指當材料兩側有溫度差時熱量由高溫側向低溫側傳遞的能力，用導熱系數來表示。 熱變形性:指材料在溫度變化時的尺寸變化 耐燃性指材料對火焰和高溫度抵抗能力。,1、熱容性,熱容量是指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質。,用熱容量來比較材料熱容性差別,材料的比熱，kJ(kgK)。,材料受熱或冷卻前后的溫度差，K,材料的熱容量，kJ,材料的質量，kg,材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。用公式表示為,2、導熱性,導熱系數的物理意義是：厚度為1m的材料，當溫度每改變1K時，在lh時間內通過1m2面積的熱量。用公式表示為 ：,當材料兩側存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側、通過材料傳遞到溫度低的一側，材料的這種傳導熱量的能力，稱為導熱性。,材料的導熱性可用導熱系數來表示,材料的導熱系數愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料的導熱系數差別很大，工程中通常把0.23 W(mK)的材料稱為絕熱材料。,材料的導熱系數，W/（mK） a 材料的厚度，m Z-傳熱時間，h A 材料傳熱的面積，m2；,常用土木工程材料的熱工性質指標,3、熱變形性,用線膨脹系數表示熱變形性：,熱變形性:指材料在溫度變化時的尺寸變化,4、耐燃性：材料對火焰和高溫度的抵抗能力稱為材料的耐燃性，是影響建筑物防火、建筑結構耐火等級的一項因素。 可把建筑材料分為三類： 非燃燒材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如鋼鐵、磚、石等。 難燃材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用時難起火、難微燃、難碳化，當火源移走后，已有的燃燒或微燃立即停止的材料，如經過防火處理的木材和刨花板。 可燃材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用時立即起火或微燃，且火源移走后仍繼續燃燒的材料，如木材。,2.3材料的力學性質,本節共討論以下四個問題 一、材料的強度 強度等級 比強度 理論強度 二、材料的的彈性與塑性 三、材料的脆性與韌性 四、材料的硬度和耐磨性,材料的力學性質指材料在外力作用下所引起的變化的性質。這些變化包括材料的變形和破壞。材料的變形指在外力的作用下，材料通過形狀的改變來吸收能量。,一、材料的強度 強度等級 比強度 理論強度,1、強度：在外力作用下，材料抵抗破壞的能力 材料在外力作用下破環時能承受的最大應力。,()抗壓()抗拉()抗彎()抗剪,抗彎強度,抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度：,影響材料強度的因素,自身因素 材料的組成和結構 材料的孔隙率 含水率 試件尺寸大小 受力形式和受力方向 試件表面平整度等,常用材料的強度（Mpa）,一、材料的強度 強度等級 比強度 理論強度,2、強度等級：材料按其強度的大小分為若干不同的等級（標號） 劃分等級的作用： （1）掌握材料性質，合理選用材料 （2）正確進行設計 （3）控制工程質量等,混凝土：C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80,一、材料的強度 強度等級 比強度 理論強度,3、材料的比強度：單位體積重量的材料強度，即材料的強度與其表觀密度之比。 優質的結構材料，應具有較高的比強度（mpacm3/g）,衡量材料是否輕質高強的指標,玻璃增強塑料：450/2=225 高強度鋼絲：1100/7.85=140 普通混凝土:40/2.4=17 輕骨料混凝土:40/1.8=22 燒結普通磚:15/1.7=9,一、材料的強度 強度等級 比強度 理論強度,4、理論強度：從材料內部結構的理論上來分析材料所能承受的最大應力 實際強度：通過試驗實際測定的 例：材料的理論抗拉強度公式： ft：理論抗拉強度 pa E：彈性模量N/m2 r：固體表面能 d：原子間距離，平均 210-10m 材料的理論強度實際強度,鋼:理論強度3000mpa 碳素鋼：400mpa 高強度鋼絲：1800mpa,二、材料的彈性和塑性（使用時受力性質）,1、彈性：這種完全恢復的變形稱為彈性變形（瞬時變形） 2、塑性：這種不能恢復的變形稱為塑性變形（永久變形）,（a）彈性變形曲線 （b）塑性變形曲線,實際上，單純的彈性材料是沒有的，大多數材料在受力不大的情況下表現為彈性，受力超過一定限度后則表現為塑性，所以可稱之為彈塑性材料。,三、材料的脆性與韌性（破壞時的性質）,1、脆性：材料受力達到一定程度，突然發生破壞，且破壞時無明顯塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。 脆性特點：受力達到破壞荷載值時變形值很小，不利于受震動沖擊，抗拉強度抗壓強度 2、韌性（沖擊韌性） ：在沖擊、震動荷載作用下，材料能吸收較大能量，同時也能產生一定的變形而不致破壞的性質。,例如：硅、石材、陶瓷、玻璃。,例：吊車梁、橋梁、路面等結構具有很好的沖擊韌性,四、材料的硬度和耐磨性,1硬度:是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。反映了材料的耐磨性和加工的難易程度。 測量方法：壓入法，刻劃法。 壓入法：常用測定金屬材料等的硬度，根據壓痕的面積或 深度