建筑材料第一章课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,Civil Engineering Materials,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,土木工程的功能 要求的材料性能,承受荷载,长期可靠性,防水、隔热,隔声、防火,采光、绝缘,不污染环境,强度、刚度,耐久性,物理性能,安全性,土木工程要求材料具备哪些性能,土木工程材料如何满足性能要求？,本章内容,第一节 材料的组成和结构,第二节,材料的物理性质,第三节,材料与水有关的性质,第四节,材料的力学性质,第五节,材料的热工性质,第六节,材料的耐久性与环境协调性,第一节 材料的化学组成与结构,(一）材料的组成,包括化学组成与矿物组成,决定材料各种性质的最基本因素。,材料的化学组成,指构成材料的基本化合物或化学元素的种类与数量。,表示方法：,无机非金属建筑材料的化学组成：以各种氧化物的百分含量的百分率形式表示；,金属材料：以其元素的百分含量来表示；,有机材料：各化合物含量。,作用,：决定着材料的化学性质，影响着物理性质和力学性质。,材料的矿物组成,：,矿物组成,无机非金属材料中由一种或几种化学组成经过一定的生产工艺过程，形成具有一定结构特征的单质或化合物,作用,决定材料的许多重要性质的主要因素。,硅酸盐水泥熟料矿物组成,生料,SiO,2,CaO,化合反应,800,1450,800,左右,分解反应,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,2CaOSiO,2,3CaOSiO,2,3 CaO Al,2,O,3,4 CaOAl,2,O,3,Fe,2,O,3,生料,微观结构的,主要形式：,晶体、玻璃体、胶体,（,1,）晶体,：材料的质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体称为晶体。,特点,：具有特定的几何外形；具有各向异性；具有固定的熔点和化学稳定性；强度高、硬度大，机械性能较好。,一般晶体越细，分布越均匀的晶体材料的强度越高。,微观结构,玻璃体,玻璃体,：指高温熔融物在急速冷却时形成的无定形体。如粉煤灰、普通玻璃等。,特征,：化学活性高；无固定的熔点；力学性质各向同性。,微观结构,胶体,胶体,：指物质以极微小的质点分散在介质中所形成的结构，其粒径为,10,-9,10,-7,m,。,特征,：能保持稳定性；具有黏结性；具有较大的流动性，也就是变形较大。,2.宏观结构,即材料的构造。,材料在宏观可见层次上的组成形式。,宏观分类：,（,1）按孔隙特征分：,致密构造,多孔构造,微孔构造,致密构造,这类材料的孔隙率很低或趋近于零、结构致密的材料。,特征,：,密度较大，吸水性低，抗渗性好，强度较高；,多孔构造,指材料内部有粗大孔隙的结构。,特征,：,密度较小，吸水率高，抗渗性差，但绝热、吸声性好。,微孔构造,指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构。,特征：,一般密度较小，吸水率高，抗渗性差，绝热、吸声性,好。,（2,）按构造特征或存在状态分类,：,颗粒状构造,纤维构造,层状构造,散粒状结构,纹理结构,（2）按构造特征或存在状态分,：,颗粒状构造,分为聚集构造与散粒构造。,固体颗粒的聚集体。如砂、石、混凝土、砂浆、沥青混凝土。,纤维构造,由纤维状物质构成的材料。,（2）按构造特征或存在状态分,：,层状结构,天然形成或采用人工黏结等方向将材料叠合而成层状的结构。叠合结构。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。,纹理结构,天然材料在生长或形成过程中自然造就天然纹理，如木材、大理石、人造花岗岩板材、瓷质彩胎砖等。,宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观结构较易改变,两种结构的关系：,组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土；,组成及微观结构不同，宏观结构相同，物理性质相似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加气混凝土）,总之,，建筑材料的组成决定了材料的化学性质，微观结构决定了材料的物理性质，宏观结构决定了其工程性质，它们三者互相联系，互相制约。,第二节 材料的物理性质,（重点内容）,指材料与其各种物理过程（水、热作用）有关的性质。,一、与质量有关的性质,二、与水有关的性质,三、与热有关的性质,一、建筑材料的孔隙,孔隙,材料实体内部被空气所占据的空间。,孔隙状况对建筑各种基本性质具有重要的影响。,产生原因：自然与人为因素。,表示指标：孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径,（,1）孔隙率：孔隙在材料体积中所占的比例。,（2）孔隙直径：分粗大孔、毛细孔、极细微孔三类孔隙。,（3）连通性：连通孔和封闭孔。,建筑材料的孔隙：,（一）孔隙形成的原因,（1）水分子的占据作用（2）外加的发泡作用（3）火山爆发作用（4）焙烧作用,（二）孔隙的分类,（1）按大小分类（2）按形状分类（3）按常压进水与否分类,开口孔隙：对性能影响较大,闭口孔隙：水压较高时，水分可进入,建筑材料的孔隙：,（三）孔隙对材料性质的影响（孔隙增多）,（1）材料的体积密度减小；,（2）材料受力的有效面积减小，强度降低；,（3）导热系数和热容量减小；,（4）透气性、透水性、吸声性、吸湿性、吸水性变大；,（5）对抗冻性、抗渗性，要视孔隙大小和形态而定。有些孔隙能提高抗冻性、抗渗性。,连通孔,开口孔隙,封闭孔,闭口孔隙,材料所处状态：材料在不同状态下的体积构成。,1.,单体材料的状态：,2.,堆积材料的状态,1.材料的密度,、,表观密度,、,体积密度,、,堆积密度,（1）,密度,：,材料在,绝对密实状态下,单位体积的质量。,密度,g/cm,3,或 kg/m,3,；,m材料的质量，g 或 kg；,V材料的绝对密实体积，cm,3,或 m,3,。,密度试验：,测试时,，材料必须是,绝对干燥状态,。,a、,绝对密实状态下的体积,是指不包括孔隙在内的固体物质部分的体积，也称,实体积。,b、对于测定可研磨的非密实材料的密度，要磨成细粉，干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定体积，采用排开液体的方法来测定其体积，材料麿得越细，测得的数值就越接近绝对密实体积。,李氏瓶,天平,（2）表观密度、体积密度、视密度,表观密度,（俗称“容重”）材料在自然状态下，单位体积的质量。,式中,V,/,材料的表观体积，cm,3,或 m,3,总结,：材料的,表观体积,是指包括,内部孔隙,在内的体积,。,通常所指的表观密度，是指,干燥状态下的表观密度,。,（3）堆积密度,散粒状（粉状、颗料状、纤维状）材料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。,0,，,材料的堆积密度,g/cm,3,或,kg/m,3,m,材料的质量，,g,或,kgV,0,材料的堆积体积，,cm,3,或,m,3,测定散粒状材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的体积。,总结,：,散粒状材料在自然堆积状态下的体积，是指含有孔隙在内的散粒状材料的总体积与颗粒之间空隙体积之和。,在建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。,总结：密度,2、材料的密实度与孔隙率,（,1）密实度,_,指材料的内部固体物质填充的程度。,D_材料的密实度,V材料的绝对密实体积，,也即干燥材料在绝对密实状态下的体积,，cm,3,或 m,3,V,0,材料的自然状态下的体积，cm,3,或 m,3,0,材料的自然密度,g/cm,3,或 kg/m,3,密度,g/cm,3,或 kg/m,3,（二）孔隙率,、空隙率,孔隙率,材料孔隙示意图,孔隙率是指材料内，孔隙体积占,总体积的百分率。,物理意义,：材料的,孔隙率,与,密实度,从两个不同的侧面来反映材料的,致密程度,。,其关系为P+D=1，,但通常用孔隙率直接反映孔隙率大小，孔隙率越大，则密实度越小。,孔隙率与密实度之间有什么关系？,空隙率,材料空隙率示意图,空隙率是指散粒材料在,其堆积体积中，颗粒之,间的空隙体积占材料堆,积体积的百分率。,（一）材料的亲水性与憎水性,二、材料与水有关的性质,大多数建筑材料都是亲水材料，憎水材料有,沥青、石蜡、某些高分子材料,等。憎水材料不仅可作为防水材料，还可用于处理亲水材料的表面，以降低材料的吸水性，提高材料的防水防潮性能。,问题：亲水性材料能做防水材料吗？,孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较好的防水性,，防潮性，仍可作为防水或防潮材料使用，如水泥砂浆、水泥混凝土、琉璃瓦等；,（二）,吸水性,定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。,影响吸水性的因素：,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。,质量吸水率,体积吸水率,（三）,吸湿性,定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。,材料的孔隙率,；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性,；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等,；,周围空气的温度和湿度,。,影响吸湿性的因素：,平衡含水率,（四）材料的耐水性,定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。,软化系数,对经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其,K,R,0.85,；,受潮较轻的或次要结构物的材料，其,K,R,0.75,；,衡量指标：,渗透系数,K,s,，单位,cm/h,K,s,越大，材料的抗渗性越差。,（五）,材料的抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。,Q,A,d,H,对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级,P,n,表示。,H,六个试件中三个渗水时的水压力，,MPa,。,影响,材料抗渗性,的,因素,有哪些？,（六）材料的抗冻性,定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。,衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级,Fn,表示，表示经过,n,次冻融循环次数后，,质量损失不超过,5%,，,强度损失不超过,25%,。,冻融破坏的原因及过程：,孔隙及孔隙水,孔隙水结冰材料开裂饱水程度增加开裂加剧材料冻融破坏,三、材料的热工性质,导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（,）表示。,A,t,2,t,1,Q,式中,导热系数（,W/m.K,）,Q,传导的热量（,J,）,A,热传导面积（,m,2,）,d,材料的厚度（,m,）,t,热传导时间（,s,）,(T,2,-T,1,),材料两侧温差（,K,）,一、强度的概念 指材料在外力,(,荷载,),作用下，抵抗破坏的能力。,二、强度的种类 根据受力形式,(,如图,2.2,所示,),分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯（折）强度等四种。,三、强度的计算,1.,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度计算公式如下：,式中,f-,材料的抗压、抗拉、抗剪强度，,Pa,或,MPa,。,F-,试件破坏时的最大荷载，,N,。,A-,试件面积，,m,2,或,mm,2,。,强度、比强度,2.抗弯强度的计算,材料的抗弯(折)强度与材料的受力情况、截面形状及支承条件等关。,一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：,式中,f,m,-,材料的抗弯强度，,MPa,F,max,-,材料受弯破坏时的最大荷载，,NA-,试件受力面积，,mm,2,L-,两支点的间距，,mmb,、,h-,试件横截面的宽及高，,mm,比强度,几种材料的强度比较,材料的比强度,衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，,选用比强度大的材料对增加建筑高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义。,即：,2、弹性与塑性,卸载后材料的变形行为：,变形可完全恢复,变形不可恢复或部分恢复,一、弹性和塑性,1.材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。,具备这种变形特征的材料称为弹性材料。,2.材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。,3.(1)完全弹性材料是没有的；,(2)一些材料在一定外力作用的范围内表现为弹性变形，当超过一定限度后表现为塑性变形。如，建筑钢材；,(3),一些材料弹性变形和塑性变形同时(或先后)发生，当外力取后，弹性变形恢复，而塑性变形不能消失，如，混凝土。,弹性,当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性,；,具有这种性质的材料称为弹性材料；,根据其应力,应变曲线，有,:,线弹性,和,非线弹性,。,塑性,当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性,；,具有这种性质的材料称为塑性材料；,其应力,应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的应力与应变之比都不相同。,2,、弹性与塑性,线弹性特征：,应力与应变成正比；,应力应变曲线是一条直线,应力与应变之比,(,直线斜率,),是弹性模量，为常数。,非线性特征：,应力应变曲线不是直线而是曲线,应力与应变之比,弹性模量不是常数,刚度与弹性模量,刚度:,材料抵抗变形能力的量度,弹性模量,：应力与应变之比,-曲线上的斜率,刚度用弹性模量来测量,例如:对拉伸构件,P,P,EA,E=,d,d,二、脆性和韧性,1.,脆性 材料在荷载作用下，没有明显预兆，表现为突发性破坏的性质。,大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。,2.,韧性 指材料在冲击、振动荷载作用下,能吸收较大能量，同时也产生一定塑性变形而不破坏的性质。,小结,强度材料抵抗外力，不变形或破坏的能力；,比强度材料强度与质量之比；,弹性材料能恢复荷载作用下的变形的性能；,塑性不可恢复荷载作用下的变形的性能；,脆性材料破坏前，不产生明显变形而突发破坏；,韧性材料破坏前，能产生较大变形或吸收较大能力；,