材料的定義為了達到特定的目的，而為人類所使用的物質。材料是由一定配比的若干相互作用的元素所構成，具有一定的結構層次和確定的性質，并能用于制造工具、器件、設備和建筑物等的系統。材料的定義為了達到特定的目的，而為人類所使用的物質。1土木工程師需要具有的材料知識材料的使用性能：它們在使用中的行為?材料對外界作用的反應。強度、體積穩定性、耐久性、工作性材料性能的本質：它們為什么有這么行為? 材料組成、結構與性能的關系材料性能的利用和改善：我們可以做哪些來改善他們的行為?

土木工程師需要具有的材料知識材料的使用性能：它們在使用中的行2本書所涉及的建筑材料：

承受荷載的結構工程材料主要關心其力學性能、變形性能（體積穩定性）、耐久性能、工作性能。本書所涉及的建筑材料：3內容1.1物質的存在狀態與結合力1.2物體受力時的變形性能1.3固體的界面行為1.4材料的斷裂與強度本章不系統教授材料科學理論，只討論涉及建筑材料性能的幾個方面。內容1.1物質的存在狀態與結合力4第1章建筑材料科學基礎1.1物質的存在狀態與結合力世界上所有物質由100余種元素組成。不同化學組成的物質具有不同的性質，同樣化學組成的物質也可能具有不同性質。

第1章建筑材料科學基礎1.1物質的存在狀態與結合力5物質的三種單相存在狀態：

氣體、液體、固體膠體物質： 復相物質，由氣、液、固三種物質中的兩種構成的高分散體系。物質的三種單相存在狀態：61.1.1固體物質

具有確定的宏觀外形（不可自由變形）的物質。組成固體的內部質點彼此之間有相對固定的幾何關系。使質點保持這種幾何關系的作用力即化學鍵。 固體物質可分為：晶體（如金屬）與非晶體（如玻璃）包含什么？1.1.1固體物質包含什么？7第1章建筑材料科學基礎原子間力引力fa：原子間異性電荷的相互吸引力，隨原子間距的減小而呈指數增長。斥力fr：原子間同性電荷的相互排斥力及電子云相互重疊所引起的斥力。第1章建筑材料科學基礎原子間力8第1章建筑材料科學基礎rrrFU斥力引力r0fafrftUaUrUt原子間相互作用力（F）、能量（U）與原子間距（r）的關系dU/dr=0第1章建筑材料科學基礎rrrFU斥力引力r0fafr9當IfaI=Ifr

I，合力為零，原子處于穩定狀態，體系的能量最低。此時所對應的能量E0為物質中原子的結合能。第1章建筑材料科學基礎當IfaI=IfrI，合力為零，原子處于穩定狀態，10第1章建筑材料科學基礎

從物質內部原子間作用力與間距，原子間結合能與間距的關系，可得出如下結論：1）當材料受拉或受壓時，外力和材料長度成正比，即著名的虎克定律（F=kr），F~r曲線在r=r0時的斜率即為通常定義的材料彈性模量（剛度）。2）F~r曲線在平衡位置兩側是對稱的，所以材料的剛度在拉伸和壓縮時相同。第1章建筑材料科學基礎 從物質內部原子間作用力與間距11第1章建筑材料科學基礎3）原子間引力存在最大值，即材料受拉應力有極限值。4）原子間斥力可以無限增大，所以材料不會受壓破壞，在壓力作用下材料破壞仍由材料內拉應力或剪切應力達到其極限值而引起。5）溫度升高，原子震動加劇，其間距增大，因而材料受熱時向各向膨脹；由于原子震動將削弱原子間的結合強度，因此溫度升高，材料抗拉強度降低。第1章建筑材料科學基礎3）原子間引力存在最大值，即材12第1章建筑材料科學基礎1.1.2膠體物質 由具有物質三態(固、液、氣）中某種狀態的高分散粒子作為分散相，分散于另一相（分散介質）中所形成的系統。

第1章建筑材料科學基礎1.1.2膠體物質13特性：流變性；聚結不穩定性；觸變性常見固液兩相膠體種類：

溶膠，凝膠特性：14第1章建筑材料科學基礎問題：試舉出生活中常見膠體的例子？瀝青，果凍，水泥漿，泥漿第1章建筑材料科學基礎問題：瀝青，果凍，水泥漿，泥15膠體的例子膠體的例子16觸變性與反觸變性觸變性：泥漿在靜置以后變稠和凝固，但再次攪拌則可恢復原來的流動狀態。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而減小。反觸變性：泥漿在攪拌時變稠和凝固，靜止以后又可恢復原來的流動狀態。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而增大。第1章建筑材料科學基礎觸變性與反觸變性觸變性：反觸變性：第1章建筑材料科學17 混凝土路面攤鋪 鉆井泥漿 結構基礎下的流砂和土壤液化觸變性的應用： 混凝土路面攤鋪觸變性的應用：18滑模攤鋪滑模攤鋪19滑模攤鋪滑模攤鋪20土壤液化液化就是飽和砂質土壤由地震導致突然失去強度.搖動引起飽和的土壤沉淀下來,占有更小的體積.土地“液化”，結構物就處在水層上.引起建筑物沉降，傾斜，土壩失效.為了探測一個地區是否易于液化,必須鉆深達30m的孔洞分析土壤的地質概況。費用的原因，這項工作很少去做。

土壤液化21土壤液化

日本，新滹,1964土壤液化

日本，新滹,196422流體能自由變形固體不能自由變形理想剛體與實際材料的差異第1章建筑材料科學基礎1.2物體受力時的變形性能彈模無限大內部質點相對位置固定有限彈模內部質點相對位置可變流體能自由變形第1章建筑材料科學基礎1.2物體受23第1章建筑材料科學基礎1.2.1.彈性體1）應力正應力：剪切應力：應力單位：N/m2(Pa),N/mm2(MPa)FFA1A2FA第1章建筑材料科學基礎1.2.1.彈性體FFA1A24第1章建筑材料科學基礎2)應變正應變:剪切應變:應變無量綱LLLL第1章建筑材料科學基礎2)應變LLLL25第1章建筑材料科學基礎3)應力與應變的關系E稱為楊氏彈性模量G稱為剪切模量E，G的量綱：Pa,MPa,GPa只發生彈性變形的物體稱為彈性體。0E虎克定律第1章建筑材料科學基礎3)應力與應變的關系0E虎26第1章建筑材料科學基礎4)材料的泊松比（Poisson’sRatio)：材料的泊松比L’LL’LL’第1章建筑材料科學基礎4)材料的泊松比（Poisso27第1章建筑材料科學基礎幾種典型材料的彈性模量及泊松比第1章建筑材料科學基礎幾種典型28第1章建筑材料科學基礎5)材料的體積模量在彈性范圍內，固體在各向相同的應力（）作用下，其自身的體積變化（V=V2-V1）與所加應力之間服從如下關系：K稱為材料的體積模量第1章建筑材料科學基礎5)材料的體積模量29第1章建筑材料科學基礎6)固體材料常數之間的關系 四個材料常數（E，G，K，）中，只有兩個是獨立的，對各向同性材料，有第1章建筑材料科學基礎6)固體材料常數之間的關系30因為為了在變形過程中使物體體積不變，應有ν=0.5，此為理想流體。只有橡膠的泊松比接近0.5。第1章建筑材料科學基礎因為第1章建筑材料科學基礎31一般金屬材料的泊松比為0.29～0.33。大多數無機非金屬材料的泊松比為0.2～0.25。這些材料在單向拉伸時體積增大。因為拉應力作用方向上原子間距地增加會促使側向收縮，但原子之間的排斥力又會限制這種收縮，使其達不到維持體積不變所必需的收縮量。一般金屬材料的泊松比為0.29～0.33。32第1章建筑材料科學基礎7)彈性變形能第1章建筑材料科學基礎7)彈性變形能331.2.2.理想流體（牛頓流體）

組成流體的微粒可以自由運動，所以即使很小的外力也可以引起流體的不可逆流動。對于理想流體：第1章建筑材料科學基礎η：粘性系數（粘度）1.2.2.理想流體（牛頓流體）第1章建筑材料科學34液體具有體積模量，但沒有剪切模量。固體既具有體積模量，也有剪切模量。是否具有剪切模量，是固體與液體的區別所在。液體具有體積模量，但沒有剪切模量。351.2.3.塑性體剪切應力小于屈服應力時不發生變形；當剪切應力達到屈服應力時立即發生極大剪切變形。這種在瞬間發生的極大變形，稱為塑性流動。具有這種性質的理想物體稱為塑性體。第1章建筑材料科學基礎1.2.3.塑性體第1章建筑材料科學基礎361.2.4.真實物體同時具有彈性、粘性和塑性。

真實物體在外力的作用下產生的變形，特別是與作用時間有關的變形，是流變學研究的內容。第1章建筑材料科學基礎1.2.4.真實物體第1章建筑材料科學基礎37第1章建筑材料科學基礎第1章建筑材料科學基礎38第1章建筑材料科學基礎1.2.5.粘彈性應變隨時間逐漸增加，趨近極限徐變應力松弛第1章建筑材料科學基礎1.2.5.粘彈性應變隨時間39粘性迄今為止討論的材料性能均為材料對應力的短期響應。

如果材料是理想的彈性體，只需要考慮一種響應。但大多數建筑材料存在對應力的附加響應成分，它是隨時間變化的。材料的變形隨受力時間延長而增加，這種性能叫材料的粘性。粘性迄今為止討論的材料性能均為材料對應力的短期響應。40第1章建筑材料科學基礎混凝土徐變tt=00t不可恢復變形-塑性粘性系數或粘度第1章建筑材料科學基礎混凝土徐變tt=00t不41第1章建筑材料科學基礎新拌水泥漿剪切變形與時間的關系tt=00t粘性系數或粘度第1章建筑材料科學基礎新拌水泥漿剪切變形與時間的關系42第1章建筑材料科學基礎粘彈性材料既具有彈性性質，又具有粘性性質，我們稱該材料為具有粘彈性的材料。問題：如何用流變學模型來描述材料的粘彈性？t0t第1章建筑材料科學基礎粘彈性t0t43第1章建筑材料科學基礎描述材料粘彈性的基本流變學模型a)彈性元件b)粘性元件c)塑性元件abcf為兩滑塊間的最大摩擦力第1章建筑材料科學基礎描述材料粘彈性的基本流變學模型44第1章建筑材料科學基礎麥克斯韋（Maxwell）模型（通常用來描述混凝土徐變及應力松弛）SF因為：第1章建筑材料科學基礎麥克斯韋（Maxwell）模型45有：第1章建筑材料科學基礎兩式相加，得到Maxwell流變方程Maxwell模型同時具有彈性和粘性。由于串聯粘性元件，在微小外力作用下，變形將持續增加。Maxwell模型本質上是液體。有：第1章建筑材料科學基礎兩式相加，得到Maxwel46對恒定荷載：=0時E，純粘性體，純彈性體第1章建筑材料科學基礎tt=00/E當應力不變時應變逐漸增加的現象稱為徐變對恒定荷載：=0時第1章建筑材料科學基礎t47問題：當t時，，是否合理？例如混凝土徐變tt=00/E問題：tt=00/E48第1章建筑材料科學基礎對恒定變形：=0時解此微分方程，并注意當t=0時=0，有

t0t=0應力松弛公式在一定時間內，應力松弛程度取決于材料參數E與的比值。第1章建筑材料科學基礎對恒定變形：=0時t49第1章建筑材料科學基礎開爾文（Kelvin）模型=

0時,解此微分方程，并注意當t=0時=0，有當t時

，=0/EEt0/E第1章建筑材料科學基礎開爾文（Kelvin）模型50開爾文模型——推遲模型如果只有彈性元件，當應力作用時，應變立即達到最大值。當并聯粘性元件后，應變被推遲了。如果開爾文模型在發生應變0后突然卸載，=0，有：即卸載后應變逐漸減小，稱為彈性后效。開爾文模型——推遲模型如果只有彈性元件，當應力作用時，應變立51Maxwell模型--松弛時間理想固體:能夠無限的承受應力,即

=。理想流體:松弛與加載同時完成,例如水的松弛時間為=10-11s。短長理想固體理想流體Maxwell模型--松弛時間理想固體:能夠無限52Maxwell模型--松弛時間松弛時間恒定，如果加載速度足夠快,t<,那么材料呈現彈性。如果加載速度足夠慢,t>,那么材料呈現流動性。例如，許多聚合物如瀝青。Maxwell模型--松弛時間松弛時間恒定，53徐變與

加載速度Raphael在大壩混凝土的試驗研究中認為，提高壓應力的加載速率3個數量級(地震中可能出現的情況)強度提高大約30%。相對于加載速度為0.2MPa/s時的百分比徐變與加載速度Raphael在大壩混凝土的試驗研究中認為54應用麥克斯韋模型與開爾文模型模擬徐變現象時的異同。t0/Ett=00/E應用麥克斯韋模型與開爾文模型模擬徐變現象時的異同。t0/55第1章建筑材料科學基礎f賓漢姆（Bingham）模型:某些材料，如油漆，從流動性方面看似乎是粘性液體；但將其刷在垂直墻面，卻可以承受一定的剪應力而不流走，又具有固體的性質。可用右圖所示模型表示：第1章建筑材料科學基礎f賓漢姆（Bingham56第1章建筑材料科學基礎當f

時，=0，所以d/dt=0當f

時，d/dtf第1章建筑材料科學基礎當f時，=0，所以57第1章建筑材料科學基礎2）求解如圖所試體系的流變方程，并分析恒定應力及恒定應變兩種特例，做t及t圖。E1E2第1章建筑材料科學基礎2）求解如圖所試體系E158第1章建筑材料科學基礎1.3固體界面行為任何材料都是以各種性質的界面相臨接的。

固固界面；固氣界面；固液界面 （表面）第1章建筑材料科學基礎1.3固體界面行為59界面：兩個相之間的分界面。表面：界面的一種，固-氣界面表面的特殊性：

化學鍵不飽和，具有表面能。納米材料科學的發展。第1章建筑材料科學基礎考慮邊長分別為1000個和10個原子的立方體，表面原子數占總原子數的比例。界面：兩個相之間的分界面。第1章建筑材料科學基礎考慮60第1章建筑材料科學基礎1.3.1表面能與表面張力1）表面張力：液體或固體表面上存在著一種力圖縮小表面的張力，我們稱這種張力為材料的表面張力。通常用單位長度上的力來表示(N/m）。2）表面能：把材料內部的原子移到表面，需要克服原子間的引力而做功。形成單位表面所做的功即為材料的表面能(J/m2)。第1章建筑材料科學基礎1.3.1表面能與表面張力61第1章建筑材料科學基礎3)表面能與表面張力的關系在液體狀態下，表面能與表面張力等值。 可擴展框中的肥皂膜實驗表面能，U肥皂膜xfL固體表面能與表面張力不等第1章建筑材料科學基礎3)表面能與表面張力的關系表62第1章建筑材料科學基礎1.3.2吸附、濕潤與粘附1）吸附由于固體或液體表面存在著大量具有不飽和鍵的原子或離子，它們都能吸引外來的原子或分子而產生吸附。吸附的作用：可改變固體表面的結構和性質，如降低材料的表面能及強度（由于吸附使微裂紋表面能下降。第1章建筑材料科學基礎1.3.2吸附、濕潤與粘附63第1章建筑材料科學基礎2）潤濕當液體與固體表面相結觸時，能使固體的表面能降低，這種現象稱為潤濕。潤濕的程度與兩相之間的表面張力有關。Alvslsv蒸氣液體固體（1）0<sv-sl<lv

則

<90o,固體能被液體潤濕（2）sv-sl=lv

則

=0，固體完全被液體潤濕（3）sv<sl

則

>90o，固體不能被液體潤濕第1章建筑材料科學基礎2）潤濕Alvslsv蒸64毛細作用： 毛細管半徑為r，表面張力為γLV，則有：第1章建筑材料科學基礎毛細作用：第1章建筑材料科學基礎65第1章建筑材料科學基礎1.4材料的斷裂與強度 材料抵抗外力破壞的能力稱為材料的強度，通常用材料所受極限應力來表達。第1章建筑材料科學基礎1.4材料的斷裂與強度661.4.1材料的實際強度與理論強度(1)定義: 理論強度：克服固體內部質點間的結合力，形成兩個新表面時所需應力的大小。 實際強度：通過試驗測得的強度為材料的實際強度。1.4.1材料的實際強度與理論強度67第1章建筑材料科學基礎第1章建筑材料科學基礎68第1章建筑材料科學基礎(2)理論強度的推算Orowan原子間力與原子間距的關系模型

th為理論結合強度,為正弦曲線的波長。分開單位面積原子平面所做的功W為xoa0/2th第1章建筑材料科學基礎(2)理論強度的推算xoa69設材料表面能為U（形成單位表面積所需要的能量），則W＝2U。有：設材料表面能為U（形成單位表面積所需要的能量），則W＝2U。70第1章建筑材料科學基礎如何求解？由虎克定律：

a為晶格間距

第1章建筑材料科學基礎如何求解？由虎克定律：71第1章建筑材料科學基礎實際材料中只有一些極細的纖維和晶須，其實際強度接近理論強度，例如：熔融的石英玻璃纖維的強度可達24.1GPa，約為E/4。實際尺寸較大的材料的實際強度遠比理論強度低。那么，這是為什么？第1章建筑材料科學基礎72第1章建筑材料科學基礎1.4.2微裂紋理論1）應力集中Inglis結果：2a2bxyxy,maxx,maxyx第1章建筑材料科學基礎1.4.2微裂紋理論2a2b73第1章建筑材料科學基礎2）斷裂模式（裂紋尖端過程區的概念）小中大脆性亞脆性塑性第1章建筑材料科學基礎2）斷裂模式（裂紋尖端過程區的74第1章建筑材料科學基礎3）Griffith能量理論（適用于脆性材料）設有一塊無限大的單位厚度的薄板，在均勻外力作用下產生一條長度為2a的微裂紋，生成微裂紋時，其周圍材料彈性應變能減少量為：形成裂紋所需的表面能：2a第1章建筑材料科學基礎3）Griffith能量理論75第1章建筑材料科學基礎3）Griffith

能量理論（適用于脆性材料）裂紋擴展所需的能量為：當dW/da=0時，裂紋將自動擴展相應的應力為臨界應力，裂紋長度為臨界裂紋長度，即能量aTUWa0第1章建筑材料科學基礎3）Griffith能量理論76建筑材料科學基礎知識課件77斷裂強度判據如果脆性材料中有一些尺寸不等裂紋，則斷裂強度由最嚴重點裂紋，也就是最長的裂紋決定。斷裂強度判據如果脆性材料中有一些尺寸不等裂紋，則斷裂強度由最78第1章建筑材料科學基礎3）Griffith

能量理論（用于塑性材料）必需引入擴展裂紋所需的塑性功，P，即通常P，如高強鋼P103，普通強度鋼P=104106）結論：1）對塑性材料，P控制斷裂過程；2）塑性是阻止裂紋擴展的重要因素之一2a塑性區第1章建筑材料科學基礎3）Griffith能量理論79建筑材料科學基礎知識課件80第1章建筑材料科學基礎斷裂韌性k1C：判斷材料是否容易發生脆性斷裂的依據。Y：幾何因子。可以由理論計算得到，也可以實驗測定。k1C反映材料內部微裂紋尖端附近區域局部應力的極限狀態。材料的應力因子k1不能大于k1C，材料在使用時才是安全的。第1章建筑材料科學基礎斷裂韌性k1C：判斷材料是否81建筑材料科學基礎知識課件82材料的定義為了達到特定的目的，而為人類所使用的物質。材料是由一定配比的若干相互作用的元素所構成，具有一定的結構層次和確定的性質，并能用于制造工具、器件、設備和建筑物等的系統。材料的定義為了達到特定的目的，而為人類所使用的物質。83土木工程師需要具有的材料知識材料的使用性能：它們在使用中的行為?材料對外界作用的反應。強度、體積穩定性、耐久性、工作性材料性能的本質：它們為什么有這么行為? 材料組成、結構與性能的關系材料性能的利用和改善：我們可以做哪些來改善他們的行為?

土木工程師需要具有的材料知識材料的使用性能：它們在使用中的行84本書所涉及的建筑材料：

承受荷載的結構工程材料主要關心其力學性能、變形性能（體積穩定性）、耐久性能、工作性能。本書所涉及的建筑材料：85內容1.1物質的存在狀態與結合力1.2物體受力時的變形性能1.3固體的界面行為1.4材料的斷裂與強度本章不系統教授材料科學理論，只討論涉及建筑材料性能的幾個方面。內容1.1物質的存在狀態與結合力86第1章建筑材料科學基礎1.1物質的存在狀態與結合力世界上所有物質由100余種元素組成。不同化學組成的物質具有不同的性質，同樣化學組成的物質也可能具有不同性質。

第1章建筑材料科學基礎1.1物質的存在狀態與結合力87物質的三種單相存在狀態：

氣體、液體、固體膠體物質： 復相物質，由氣、液、固三種物質中的兩種構成的高分散體系。物質的三種單相存在狀態：881.1.1固體物質

具有確定的宏觀外形（不可自由變形）的物質。組成固體的內部質點彼此之間有相對固定的幾何關系。使質點保持這種幾何關系的作用力即化學鍵。 固體物質可分為：晶體（如金屬）與非晶體（如玻璃）包含什么？1.1.1固體物質包含什么？89第1章建筑材料科學基礎原子間力引力fa：原子間異性電荷的相互吸引力，隨原子間距的減小而呈指數增長。斥力fr：原子間同性電荷的相互排斥力及電子云相互重疊所引起的斥力。第1章建筑材料科學基礎原子間力90第1章建筑材料科學基礎rrrFU斥力引力r0fafrftUaUrUt原子間相互作用力（F）、能量（U）與原子間距（r）的關系dU/dr=0第1章建筑材料科學基礎rrrFU斥力引力r0fafr91當IfaI=Ifr

I，合力為零，原子處于穩定狀態，體系的能量最低。此時所對應的能量E0為物質中原子的結合能。第1章建筑材料科學基礎當IfaI=IfrI，合力為零，原子處于穩定狀態，92第1章建筑材料科學基礎

從物質內部原子間作用力與間距，原子間結合能與間距的關系，可得出如下結論：1）當材料受拉或受壓時，外力和材料長度成正比，即著名的虎克定律（F=kr），F~r曲線在r=r0時的斜率即為通常定義的材料彈性模量（剛度）。2）F~r曲線在平衡位置兩側是對稱的，所以材料的剛度在拉伸和壓縮時相同。第1章建筑材料科學基礎 從物質內部原子間作用力與間距93第1章建筑材料科學基礎3）原子間引力存在最大值，即材料受拉應力有極限值。4）原子間斥力可以無限增大，所以材料不會受壓破壞，在壓力作用下材料破壞仍由材料內拉應力或剪切應力達到其極限值而引起。5）溫度升高，原子震動加劇，其間距增大，因而材料受熱時向各向膨脹；由于原子震動將削弱原子間的結合強度，因此溫度升高，材料抗拉強度降低。第1章建筑材料科學基礎3）原子間引力存在最大值，即材94第1章建筑材料科學基礎1.1.2膠體物質 由具有物質三態(固、液、氣）中某種狀態的高分散粒子作為分散相，分散于另一相（分散介質）中所形成的系統。

第1章建筑材料科學基礎1.1.2膠體物質95特性：流變性；聚結不穩定性；觸變性常見固液兩相膠體種類：

溶膠，凝膠特性：96第1章建筑材料科學基礎問題：試舉出生活中常見膠體的例子？瀝青，果凍，水泥漿，泥漿第1章建筑材料科學基礎問題：瀝青，果凍，水泥漿，泥97膠體的例子膠體的例子98觸變性與反觸變性觸變性：泥漿在靜置以后變稠和凝固，但再次攪拌則可恢復原來的流動狀態。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而減小。反觸變性：泥漿在攪拌時變稠和凝固，靜止以后又可恢復原來的流動狀態。即泥漿的粘度隨剪切變形速率增大而增大。第1章建筑材料科學基礎觸變性與反觸變性觸變性：反觸變性：第1章建筑材料科學99 混凝土路面攤鋪 鉆井泥漿 結構基礎下的流砂和土壤液化觸變性的應用： 混凝土路面攤鋪觸變性的應用：100滑模攤鋪滑模攤鋪101滑模攤鋪滑模攤鋪102土壤液化液化就是飽和砂質土壤由地震導致突然失去強度.搖動引起飽和的土壤沉淀下來,占有更小的體積.土地“液化”，結構物就處在水層上.引起建筑物沉降，傾斜，土壩失效.為了探測一個地區是否易于液化,必須鉆深達30m的孔洞分析土壤的地質概況。費用的原因，這項工作很少去做。

土壤液化103土壤液化

日本，新滹,1964土壤液化

日本，新滹,1964104流體能自由變形固體不能自由變形理想剛體與實際材料的差異第1章建筑材料科學基礎1.2物體受力時的變形性能彈模無限大內部質點相對位置固定有限彈模內部質點相對位置可變流體能自由變形第1章建筑材料科學基礎1.2物體受105第1章建筑材料科學基礎1.2.1.彈性體1）應力正應力：剪切應力：應力單位：N/m2(Pa),N/mm2(MPa)FFA1A2FA第1章建筑材料科學基礎1.2.1.彈性體FFA1A106第1章建筑材料科學基礎2)應變正應變:剪切應變:應變無量綱LLLL第1章建筑材料科學基礎2)應變LLLL107第1章建筑材料科學基礎3)應力與應變的關系E稱為楊氏彈性模量G稱為剪切模量E，G的量綱：Pa,MPa,GPa只發生彈性變形的物體稱為彈性體。0E虎克定律第1章建筑材料科學基礎3)應力與應變的關系0E虎108第1章建筑材料科學基礎4)材料的泊松比（Poisson’sRatio)：材料的泊松比L’LL’LL’第1章建筑材料科學基礎4)材料的泊松比（Poisso109第1章建筑材料科學基礎幾種典型材料的彈性模量及泊松比第1章建筑材料科學基礎幾種典型110第1章建筑材料科學基礎5)材料的體積模量在彈性范圍內，固體在各向相同的應力（）作用下，其自身的體積變化（V=V2-V1）與所加應力之間服從如下關系：K稱為材料的體積模量第1章建筑材料科學基礎5)材料的體積模量111第1章建筑材料科學基礎6)固體材料常數之間的關系 四個材料常數（E，G，K，）中，只有兩個是獨立的，對各向同性材料，有第1章建筑材料科學基礎6)固體材料常數之間的關系112因為為了在變形過程中使物體體積不變，應有ν=0.5，此為理想流體。只有橡膠的泊松比接近0.5。第1章建筑材料科學基礎因為第1章建筑材料科學基礎113一般金屬材料的泊松比為0.29～0.33。大多數無機非金屬材料的泊松比為0.2～0.25。這些材料在單向拉伸時體積增大。因為拉應力作用方向上原子間距地增加會促使側向收縮，但原子之間的排斥力又會限制這種收縮，使其達不到維持體積不變所必需的收縮量。一般金屬材料的泊松比為0.29～0.33。114第1章建筑材料科學基礎7)彈性變形能第1章建筑材料科學基礎7)彈性變形能1151.2.2.理想流體（牛頓流體）

組成流體的微粒可以自由運動，所以即使很小的外力也可以引起流體的不可逆流動。對于理想流體：第1章建筑材料科學基礎η：粘性系數（粘度）1.2.2.理想流體（牛頓流體）第1章建筑材料科學116液體具有體積模量，但沒有剪切模量。固體既具有體積模量，也有剪切模量。是否具有剪切模量，是固體與液體的區別所在。液體具有體積模量，但沒有剪切模量。1171.2.3.塑性體剪切應力小于屈服應力時不發生變形；當剪切應力達到屈服應力時立即發生極大剪切變形。這種在瞬間發生的極大變形，稱為塑性流動。具有這種性質的理想物體稱為塑性體。第1章建筑材料科學基礎1.2.3.塑性體第1章建筑材料科學基礎1181.2.4.真實物體同時具有彈性、粘性和塑性。

真實物體在外力的作用下產生的變形，特別是與作用時間有關的變形，是流變學研究的內容。第1章建筑材料科學基礎1.2.4.真實物體第1章建筑材料科學基礎119第1章建筑材料科學基礎第1章建筑材料科學基礎120第1章建筑材料科學基礎1.2.5.粘彈性應變隨時間逐漸增加，趨近極限徐變應力松弛第1章建筑材料科學基礎1.2.5.粘彈性應變隨時間121粘性迄今為止討論的材料性能均為材料對應力的短期響應。

如果材料是理想的彈性體，只需要考慮一種響應。但大多數建筑材料存在對應力的附加響應成分，它是隨時間變化的。材料的變形隨受力時間延長而增加，這種性能叫材料的粘性。粘性迄今為止討論的材料性能均為材料對應力的短期響應。122第1章建筑材料科學基礎混凝土徐變tt=00t不可恢復變形-塑性粘性系數或粘度第1章建筑材料科學基礎混凝土徐變tt=00t不123第1章建筑材料科學基礎新拌水泥漿剪切變形與時間的關系tt=00t粘性系數或粘度第1章建筑材料科學基礎新拌水泥漿剪切變形與時間的關系124第1章建筑材料科學基礎粘彈性材料既具有彈性性質，又具有粘性性質，我們稱該材料為具有粘彈性的材料。問題：如何用流變學模型來描述材料的粘彈性？t0t第1章建筑材料科學基礎粘彈性t0t125第1章建筑材料科學基礎描述材料粘彈性的基本流變學模型a)彈性元件b)粘性元件c)塑性元件abcf為兩滑塊間的最大摩擦力第1章建筑材料科學基礎描述材料粘彈性的基本流變學模型126第1章建筑材料科學基礎麥克斯韋（Maxwell）模型（通常用來描述混凝土徐變及應力松弛）SF因為：第1章建筑材料科學基礎麥克斯韋（Maxwell）模型127有：第1章建筑材料科學基礎兩式相加，得到Maxwell流變方程Maxwell模型同時具有彈性和粘性。由于串聯粘性元件，在微小外力作用下，變形將持續增加。Maxwell模型本質上是液體。有：第1章建筑材料科學基礎兩式相加，得到Maxwel128對恒定荷載：=0時E，純粘性體，純彈性體第1章建筑材料科學基礎tt=00/E當應力不變時應變逐漸增加的現象稱為徐變對恒定荷載：=0時第1章建筑材料科學基礎t129問題：當t時，，是否合理？例如混凝土徐變tt=00/E問題：tt=00/E130第1章建筑材料科學基礎對恒定變形：=0時解此微分方程，并注意當t=0時=0，有

t0t=0應力松弛公式在一定時間內，應力松弛程度取決于材料參數E與的比值。第1章建筑材料科學基礎對恒定變形：=0時t131第1章建筑材料科學基礎開爾文（Kelvin）模型=

0時,解此微分方程，并注意當t=0時=0，有當t時

，=0/EEt0/E第1章建筑材料科學基礎開爾文（Kelvin）模型132開爾文模型——推遲模型如果只有彈性元件，當應力作用時，應變立即達到最大值。當并聯粘性元件后，應變被推遲了。如果開爾文模型在發生應變0后突然卸載，=0，有：即卸載后應變逐漸減小，稱為彈性后效。開爾文模型——推遲模型如果只有彈性元件，當應力作用時，應變立133Maxwell模型--松弛時間理想固體:能夠無限的承受應力,即

=。理想流體:松弛與加載同時完成,例如水的松弛時間為=10-11s。短長理想固體理想流體Maxwell模型--松弛時間理想固體:能夠無限134Maxwell模型--松弛時間松弛時間恒定，如果加載速度足夠快,t<,那么材料呈現彈性。如果加載速度足夠慢,t>,那么材料呈現流動性。例如，許多聚合物如瀝青。Maxwell模型--松弛時間松弛時間恒定，135徐變與

加載速度Raphael在大壩混凝土的試驗研究中認為，提高壓應力的加載速率3個數量級(地震中可能出現的情況)強度提高大約30%。相對于加載速度為0.2MPa/s時的百分比徐變與加載速度Raphael在大壩混凝土的試驗研究中認為136應用麥克斯韋模型與開爾文模型模擬徐變現象時的異同。t0/Ett=00/E應用麥克斯韋模型與開爾文模型模擬徐變現象時的異同。t0/137第1章建筑材料科學基礎f賓漢姆（Bingham）模型:某些材料，如油漆，從流動性方面看似乎是粘性液體；但將其刷在垂直墻面，卻可以承受一定的剪應力而不流走，又具有固體的性質。可用右圖所示模型表示：第1章建筑材料科學基礎f賓漢姆（Bingham138第1章建筑材料科學基礎當f

時，=0，所以d/dt=0當f

時，d/dtf第1章建筑材料科學基礎當f時，=0，所以139第1章建筑材料科學基礎2）求解如圖所試體系的流變方程，并分析恒定應力及恒定應變兩種特例，做t及t圖。E1E2第1章建筑材料科學基礎2）求解如圖所試體系E1140第1章建筑材料科學基礎1.3固體界面行為任何材料都是以各種性質的界面相臨接的。

固固界面；固氣界面；固液界面 （表面）第1章建筑材料科學基礎1.3固體界面行為141界面：兩個相之間的分界面。表面：界面的一種，固-氣界面表面的特殊性：

化學鍵不飽和，具有表面能。納米材料科學的發展。第1章建筑材料科學基礎考慮邊長分別為1000個和10個原子的立方體，表面原子數占總原子數的比例。界面：兩個相之間的分界面。第1章建筑材料科學基礎考慮142第1章建筑材料科學基礎1.3.1表面能與表面張力1）表面張力：液體或固體表面上存在著一種力圖縮小表面的張力，我們稱這種張力為材料的表面張力。通常用單位長度上的力來表示(N/m）。2）表面能：把材料內部的原子移到表面，需要克服原子間的引力而做功。形成單位表面所做的功即為材料的表面能(J/m2)。第1章建筑材料科學基礎1.3.1表面能與表面張力143第1章建筑材料科學基礎3)表面能與表面張力的關系在液體狀態下，表面能與表面張力等值。 可擴展框中的肥皂膜實驗表面能，U肥皂膜xfL固體表面能與表面張力不等第1章建筑材料科學基礎3)表面能與表面張力的關系表144第1章建筑材料科學基礎1.3.2吸附、濕潤與粘附1）吸附由于固體或液體表面存在著大量具有不飽和鍵的原子或離子，它們都能吸引外來的原子或分子而產生吸附。吸附的作用：可改變固體表面的結構和性質，如降低材料的表面能及強度（由于吸附使微裂紋表面能下降。第1章建筑材料科學基礎1.3.2吸附、濕潤與粘附145第1章建筑材料科學基礎2）潤濕當液體與固體表面相結觸時，能使固體的表面能降低，這種現象稱為潤濕。潤濕的程度與兩相之間的表面張力有關。Alvslsv蒸氣液體固體（1）0<sv-sl<lv

則

<90o,固體能被液體潤濕（2）sv-sl=lv

則

=0，固體完全被液體潤濕（3）sv<sl

則

>90o，固體不能被液體潤濕第1章建筑材料科學基礎2）潤濕Alvslsv蒸146毛細作用： 毛細