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建筑材料建筑材料第一章第一章 建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 在工程中承担的作用在工程中承担的作用 要求的材料具有的性质要求的材料具有的性质承受荷载承受荷载承受荷载承受荷载强度、刚度强度、刚度强度、刚度强度、刚度长期可靠性长期可靠性长期可靠性长期可靠性耐久性耐久性耐久性耐久性防水、隔热防水、隔热防水、隔热防水、隔热隔声、防火隔声、防火隔声、防火隔声、防火相应的物理性能相应的物理性能相应的物理性能相应的物理性能采光、绝缘采光、绝缘采光、绝缘采光、绝缘建筑工程要求材料具备哪些性质？建筑工程要求材料具备哪些性质？材料的性质材料的性质n指在负荷与环境因素的联合作用下材料所具有指在负荷与环境因素的联合作用下材料所具有的属性。的属性。n如何满足性质要求？如何满足性质要求？qq材料的组成材料的组成材料的组成材料的组成qq材料的结构材料的结构材料的结构材料的结构qq材料的构造材料的构造材料的构造材料的构造qq材料的复合材料的复合材料的复合材料的复合性能性能组成组成结构结构材料的组成材料的组成结构结构性能关系性能关系材料组成、结构与性能之关系材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心现代材料科学的核心本本 章章 主主 要要 内内 容容n n材料的组成与结构材料的组成与结构n n材料的基本性质及其测试方法材料的基本性质及其测试方法n n材料组成、结构与性能间的关系材料组成、结构与性能间的关系材料的组成n材料均由各种物相组成材料均由各种物相组成n每种物相由化合物组成每种物相由化合物组成n化合物由分子组成化合物由分子组成n分子由原子组成分子由原子组成材料的物相组成：材料的物相组成：u固相固相u气相气相u液相液相材料的化学组成：材料的化学组成：u元素元素u化合物化合物第一节第一节 材料的组成、结构与构造材料的组成、结构与构造n一、材料的组成（一、材料的组成（Composition）qq化学组成化学组成：指组成材料的化学元素及化合物的种类：指组成材料的化学元素及化合物的种类和数量。和数量。qq矿物组成矿物组成：组成材料的矿物种类和数量。：组成材料的矿物种类和数量。q链节：链节：由一种或几种低分子化合物按特定结构构成由一种或几种低分子化合物按特定结构构成的结构单元。（有机高分子材料）的结构单元。（有机高分子材料）qq相组成相组成：结构相近、性质相同的均匀部分。结构相近、性质相同的均匀部分。n界面相界面相决决定定材材料料的的性性质质：化化学学性性质质、物物理理性性质质、耐久性等。耐久性等。化学组成（化学成分）化学组成（化学成分）指组成材料的化学元素或单质与化合物的种类和总含量。指组成材料的化学元素或单质与化合物的种类和总含量。例如：例如：n 钢材钢材中四种矿物相所含的化学元素是：中四种矿物相所含的化学元素是：FeFe、C C及其它微量元素（及其它微量元素（CrCr、MnMn、NiNi等）；等）；n 生石灰生石灰的化学组成是：的化学组成是：CaOCaO，熟石灰熟石灰的化学组成是的化学组成是Ca(OH)Ca(OH)2 2；n 水泥熟料水泥熟料的化学成分是（用氧化物表示）：的化学成分是（用氧化物表示）：CaOCaO、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3等。等。n 聚氯乙烯塑料聚氯乙烯塑料的化学组成（用单体表示）有：的化学组成（用单体表示）有：PVCPVC树脂（树脂（-CH-CHCHCl-CHCl-n n）、二丁酯、）、二丁酯、CaCOCaCO3 3等。等。矿物组成矿物组成n矿物组成矿物组成q指组成材料的矿物种类和数量。指组成材料的矿物种类和数量。n矿物矿物q具具有有一一定定化化学学成成分分和和结结构构特特征征，以以及及特特定定物物理理力力学学性性质质的的化合物或单质的总称。化合物或单质的总称。q构成岩石及各种无机非金属材料的基本单元。构成岩石及各种无机非金属材料的基本单元。举例举例：硅酸盐水泥熟料中的主要矿物：硅酸盐水泥熟料中的主要矿物：硅酸三钙硅酸三钙 硅酸二钙硅酸二钙 铝酸三钙铝酸三钙 铁铝酸四钙铁铝酸四钙花岗岩中的矿物组成：花岗岩中的矿物组成：花岗岩中的矿物组成：花岗岩中的矿物组成：uuuu 石英石英石英石英uuuu 长石长石长石长石化学组成与矿物组成的关系化学组成与矿物组成的关系n化学组成相同，其矿物组成不一定相同；化学组成相同，其矿物组成不一定相同；q例如：半水石膏的化学成分为例如：半水石膏的化学成分为CaSO4 0.5H2O，但它有但它有-、-、-等等3种矿物相。种矿物相。n矿物组成相同，其化学组成一定相同。矿物组成相同，其化学组成一定相同。n n相同的化学组成，矿物组成不同，结构和性质常有相同的化学组成，矿物组成不同，结构和性质常有相同的化学组成，矿物组成不同，结构和性质常有相同的化学组成，矿物组成不同，结构和性质常有较大差异。较大差异。较大差异。较大差异。材料化学组成相同或接近，但矿物组成不同，材料化学组成相同或接近，但矿物组成不同，也会导致性质的巨大差异。也会导致性质的巨大差异。图图1-1两种钢材的矿物组成两种钢材的矿物组成物相组成物相组成n固相固相连续相：如，胶凝材料硬化体连续相：如，胶凝材料硬化体分散相：如，纤维与颗粒分散相：如，纤维与颗粒n气相气相n液相液相分布的孔隙及其含量分布的孔隙及其含量包含的液体种类与含量包含的液体种类与含量界面相界面相n从广义来讲从广义来讲:界面是指多相材料中相与相之间界面是指多相材料中相与相之间的分界面。的分界面。n在实际材料中，界面是一个薄区，它的成分在实际材料中，界面是一个薄区，它的成分及结构与及结构与本体本体相是不一样的，它们之间是不相是不一样的，它们之间是不均匀的，可将其作为均匀的，可将其作为“界面相界面相”来处理。来处理。n复合材料的性质与材料的组成及界面特性有复合材料的性质与材料的组成及界面特性有密切关系。密切关系。n通过改变和控制材料的相组成，可改善和提通过改变和控制材料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。高材料的技术性能。骨料骨料氢氧化钙氢氧化钙混凝土中骨料与水泥石间的界面混凝土中骨料与水泥石间的界面二、二、材料材料的结构的结构v材料的结构材料的结构材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其分布。分布。物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等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。质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。v材料结构层次：材料结构层次：宏观构造（结构）宏观构造（结构）显微结构显微结构微观结构微观结构尺寸为尺寸为10-3m(肉眼可分辩肉眼可分辩)尺寸为尺寸为10-610-3m(光学显微镜可辩光学显微镜可辩)尺寸为尺寸为10-6m(电子显微镜电子显微镜)尺寸为尺寸为10-1010-8m(高倍电镜高倍电镜)以混凝土为例以混凝土为例混凝土内部的宏观结构：混凝土内部的宏观结构：由大小不等、形状各由大小不等、形状各异的砂、石颗粒与孔隙以异的砂、石颗粒与孔隙以及及水水分布在水泥浆体中而分布在水泥浆体中而构成构成硬化水泥浆体的显微结构：硬化水泥浆体的显微结构：孔隙、水分布于由水泥矿物孔隙、水分布于由水泥矿物水化物、未水化的水泥颗粒构成水化物、未水化的水泥颗粒构成的固体连续相组成的固体连续相组成水泥浆体的微观结构：水泥浆体的微观结构：由晶体态水化物、非晶态水由晶体态水化物、非晶态水化物和微小孔隙及孔隙中的水构化物和微小孔隙及孔隙中的水构成。成。二、二、材料的结构材料的结构 各组成空间的分布各组成空间的分布（一）微观结构（一）微观结构（Microstructure）指指在在电电子子显显微微镜镜下下观观察察到到的的组组成成材材料料原原子子、分分子子的的排列方式、结合状况等。排列方式、结合状况等。n分辨程度分辨程度10-10m。q晶体晶体q非晶体非晶体晶体的微观结构晶体的微观结构 晶格晶格晶胞晶胞晶格：在晶体内部，质点在空间整齐排列形成的空间格子晶胞：晶胞：晶格的最小基本单位，即重复结晶格的最小基本单位，即重复结构单元称为晶胞。晶胞由晶格常数有构单元称为晶胞。晶胞由晶格常数有a a、b b、c c矢量及其矢量及其、夹角。夹角。1.1.晶体晶体n由由质质点点（离离子子、原原子子或或分分子子）在在三三维维空空间间作作有有规规律律的的重重复复排排列列（远远程程有有序序）而而成成的的固固体体，具具有有固固定的几何外形。定的几何外形。q空间格子（晶格）空间格子（晶格）：有规则的行列：有规则的行列q晶胞晶胞：构成晶格的最基本的单元：构成晶格的最基本的单元q化学键化学键：质点之间相互结合力：质点之间相互结合力q晶体晶体是由大量形状、大小和位向完全相同的晶胞堆是由大量形状、大小和位向完全相同的晶胞堆砌而成。砌而成。q晶体结构晶体结构取决于晶胞的类型和尺寸。取决于晶胞的类型和尺寸。n晶体类型晶体类型 根根据据质质点点（离离子子、原原子子或或分分子子）间间结结合合键键的的不不同分为：同分为：1 1）离离子子晶晶体体 离离子子键键结结合合，如如:亚亚硝硝酸酸钠钠、硫硫酸酸铝铝等；等；2 2）共价晶体共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；3 3）分子晶体分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等；分子键结合，如：减水剂、液晶等；4 4）金属晶体金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。金属键结合，如：金属材料等。n混合键混合键n晶格缺陷晶格缺陷q点缺陷点缺陷q线缺陷（位错）线缺陷（位错）q面缺陷面缺陷取代原子取代原子晶体矿物具有规则的几何外形晶体矿物具有规则的几何外形石英晶体石英晶体晶体材料的性质晶体材料的性质n特点：特点：q稳定，强度高，变形小；有固定熔点；各向异性稳定，强度高，变形小；有固定熔点；各向异性n其特性取决于：其特性取决于：q质点的本性质点的本性q晶体结构形态晶体结构形态空间点阵空间点阵q质点间的结合力质点间的结合力q缺陷缺陷q晶粒的大小晶粒的大小q晶粒的分布状态晶粒的分布状态2.2.非晶体非晶体 也称无定形结构。也称无定形结构。结构特点：结构特点质点排列无序，且无周期性；质点排列无序，且无周期性；没有固定的几何外形。没有固定的几何外形。如硅酸钠玻璃是典型的玻璃体结构，其结构中，Na、Si、和O离子无序堆积。而石英玻璃是晶体，其结构中Si、和O离子有序堆积。非晶体的特点非晶体的特点n不具有空间格子构造，其质点排列没有一定的规不具有空间格子构造，其质点排列没有一定的规律（或仅在局部存在规律）。律（或仅在局部存在规律）。n没有特定的几何外形，而且是各向同性。没有特定的几何外形，而且是各向同性。n没有固定的熔点。没有固定的熔点。n具有较高的具有较高的化学活性化学活性。n例如：粒化高炉矿渣，火山灰，粉煤灰等活性掺合例如：粒化高炉矿渣，火山灰，粉煤灰等活性掺合料、混合材等。料、混合材等。玻璃体玻璃体粉煤灰玻璃体粉煤灰玻璃体（二）显微结构（二）显微结构（细观结构）（细观结构）指可用光学显微镜观察到的组成及结构。指可用光学显微镜观察到的组成及结构。n分辨率：分辨率：110-3mmn对性质有重要的影响对性质有重要的影响q水泥混凝土：水泥混凝土：q天然岩石：天然岩石：q木材：木材：q钢铁材料：钢铁材料：显微结构 n材料是由多物相和多晶体构成的。材料是由多物相和多晶体构成的。n显微结构的尺寸范围为显微结构的尺寸范围为10-610-3m，它是指材料，它是指材料内部组织结构和各物相的堆积结构。内部组织结构和各物相的堆积结构。如：如：n钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；n岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相的堆积结构等；的堆积结构等；n高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。铁铁碳碳合合金金的的显显微微结结构构照照片片天然岩石的显微结构天然岩石的显微结构木材的显微结构（三）微粉、超微颗粒及胶体（三）微粉、超微颗粒及胶体 （亚微观结构）（亚微观结构）（Sub-microstructure）1.1.微粉微粉2.2.超微颗粒超微颗粒3.3.胶体胶体1.1.微粉微粉n粒径在粒径在10-40.1mm（10-710-4m）间的各种矿物或间的各种矿物或粉末。粉末。q通常是由宏观物体破碎而成。通常是由宏观物体破碎而成。q可增加比表面积；可增加比表面积；q加快溶解；加快溶解；q加快表面反应速度；加快表面反应速度；q消除宏观物体裂纹和内部孔隙。消除宏观物体裂纹和内部孔隙。2.2.超微颗粒超微颗粒n指粒径在指粒径在10-610-4mm（10-1010-7m）间的各种微间的各种微粒（金属、晶体或非晶体等）。粒（金属、晶体或非晶体等）。q可构成纳米材料。可构成纳米材料。n纳米材料不同于传统材料的特性：抗菌性、抗纳米材料不同于传统材料的特性：抗菌性、抗腐蚀、自洁等。腐蚀、自洁等。q很大的比表面积；很大的比表面积；q表面原子增多；表面原子增多；q界面组元所占体积分数显著增大；界面组元所占体积分数显著增大；q表面能和表面张力显著增加。表面能和表面张力显著增加。3.3.胶体结构胶体结构n指指粒粒径径10-610-4mm的的固固体体颗颗粒粒（超超微微颗颗粒粒）分散在介质中的分散体系。分散在介质中的分散体系。n触变（复原）性：触变（复原）性：自发凝聚自发凝聚溶胶溶胶凝胶凝胶搅拌、振动搅拌、振动胶体结构胶体结构非晶态结构非晶态结构 由微细的固体粒子和分散介质（液体）组成的结构由微细的固体粒子和分散介质（液体）组成的结构当固体粒子含量较少，并分散在介质中则构成溶胶结构；当固体粒子含量较少，并分散在介质中则构成溶胶结构；当固体粒子含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。当固体粒子含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。如：如：CSH凝胶凝胶、沥青、塑料、密封材料沥青、塑料、密封材料胶体的微观结构胶体的微观结构胶体胶体图图1-3水泥凝胶体水泥凝胶体材料的化学组成相同，显微结构的材料的化学组成相同，显微结构的差别将导致材料性能的差异差别将导致材料性能的差异 图图1-4化学组成相同，微观结构不同的两种熟料化学组成相同，微观结构不同的两种熟料三、材料的构造三、材料的构造 n指具有特定性质的材料结构单元相互搭配情况。指具有特定性质的材料结构单元相互搭配情况。n构构造造与与宏宏观观结结构构的的区区别别在在于于其其进进一一步步强强调调了了相相同材料或不同材料间的搭配与组合关系。同材料或不同材料间的搭配与组合关系。q如岩石的纹理，材料的孔隙等如岩石的纹理，材料的孔隙等图图1-5大理石的纹理结构大理石的纹理结构宏观构造宏观构造 材材料料构构造造是是指指宏宏观观的的组组织织状状态态和和具具有有特特定定性性质质的的材材料料单单元元的的组组合合情情况况，其其尺尺寸寸范范围围在在10-3m以以上，肉眼可分辨。上，肉眼可分辨。如：如：n材料内部的孔隙特征和孔结构；材料内部的孔隙特征和孔结构；n混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；n纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。混凝土的宏观结构天然石膏晶体颗粒的堆积结构天然石膏晶体颗粒的堆积结构纤维轴向平行纤维轴向平行蜂蜂窝窝结结构构宏观结构宏观结构（Macrostructure）n按孔隙特征可分为：按孔隙特征可分为：n1 1致密结构致密结构n2 2多孔结构多孔结构n3.3.微孔结构微孔结构n按组织结构特征分：按组织结构特征分：n1 1堆聚结构堆聚结构n2 2纤维结构纤维结构n3 3层状结构层状结构n4 4散粒结构散粒结构致密结构致密结构图图1-6大理岩的致密表面大理岩的致密表面多孔结构多孔结构图图1-7加气混凝土砌块加气混凝土砌块纤维结构纤维结构图图1-8竹的纤维构造竹的纤维构造层状结构层状结构图图1-9胶合板的层状构造胶合板的层状构造散粒结构散粒结构图图1-10陶粒的粒状构造陶粒的粒状构造材料的宏观构造对材料的性质的影响材料的宏观构造对材料的性质的影响n材料的构造不同，即使组成和结构相同，材料材料的构造不同，即使组成和结构相同，材料的性质与用途也不同：的性质与用途也不同：q例如玻璃与泡沫玻璃，灰砂砖与加气砖；例如玻璃与泡沫玻璃，灰砂砖与加气砖；n即使材料的组成和结构不同，材料的构造相同即使材料的组成和结构不同，材料的构造相同或相似的，也有相似的性质和用途：或相似的，也有相似的性质和用途：q如泡沫玻璃和加气砖；如泡沫玻璃和加气砖；n宏观构造易于改变。宏观构造易于改变。这为控制材料的质量和改这为控制材料的质量和改善材料的性质提供了理论基础。善材料的性质提供了理论基础。第二节第二节材料的密度、表观密度和孔隙率材料的密度、表观密度和孔隙率n是是材材料料最最基基本本的的物物理理性性质质，反反映映了了材材料料的的密密实程度。实程度。一、密度一、密度 (Density)如何测？如何测？排液置换法（李氏瓶法）排液置换法（李氏瓶法）n要点：要点：（1 1）磨细，排除孔隙；）磨细，排除孔隙；（2 2）恒温；）恒温；（3 3）液体不与材料起反应。）液体不与材料起反应。详见：教材详见：教材p260 p260 第十四章建筑第十四章建筑材料试验材料试验 第一节第一节二、表观密度（容重）（二、表观密度（容重）（Unit weightUnit weight）如何如何测测？表观密度试验方法表观密度试验方法n自然状态下材料的体积自然状态下材料的体积q形状规则的试件形状规则的试件n几何公式计算的方法几何公式计算的方法q形状不规则的试件形状不规则的试件n不溶于水或其吸水率小于不溶于水或其吸水率小于0.5%排水法排水法n溶于水或其吸水率大于溶于水或其吸水率大于0.5%蜡封法蜡封法详见：教材详见：教材p261第十四章建筑材料试验第十四章建筑材料试验第一节第一节三、孔隙率（三、孔隙率（Percentageofvoids）材料中的气相材料中的气相n材料中均或多或少地含有气相；材料中均或多或少地含有气相；n气相以各种尺寸和形态的孔隙存在于材料中，气相以各种尺寸和形态的孔隙存在于材料中，因此孔隙有一定的结构因此孔隙有一定的结构孔结构孔结构；n孔隙对材料性能有很大影响：孔隙对材料性能有很大影响：有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等；无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等；有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。材料内部的孔结构材料内部的孔结构n根据孔径尺寸，分为：根据孔径尺寸，分为：微孔微孔纳米级孔纳米级孔细孔细孔微米级孔微米级孔大孔大孔毫米级及以上的孔毫米级及以上的孔n根据孔隙连续性特征，分为：根据孔隙连续性特征，分为：连通孔连通孔 相互连通，构成孔隙网络相互连通，构成孔隙网络封闭孔封闭孔不连通，独立分散不连通，独立分散大孔细孔纳米孔纳米孔开开口口、连连通通孔孔封闭孔封闭孔孔隙特征孔隙特征1.开口、闭口开口、闭口2.孔隙大小孔隙大小3.分布均匀程度分布均匀程度图图1-12材料内部孔隙示意材料内部孔隙示意体积与孔隙体积与孔隙四、散粒材料的视密度、堆积密度和空隙率四、散粒材料的视密度、堆积密度和空隙率密度、表观密度、视密度、堆积密度测量方法密度、表观密度、视密度、堆积密度测量方法n密度密度 试样试样 粉末；体积测量粉末；体积测量排液法。排液法。n视密度视密度 试样试样 原状样品；体积测量原状样品；体积测量排液法。排液法。n表观密度表观密度 试样试样 块体；体积测量块体；体积测量直接测、蜡封排液法。直接测、蜡封排液法。n堆积密度堆积密度 试样试样颗粒；质量测量颗粒；质量测量固定体积法固定体积法排除任何孔隙后，材料排除任何孔隙后，材料的绝对密实体积的绝对密实体积自然状态下体积绝对密实体积自然状态下体积绝对密实体积孔隙孔隙(开口与闭口开口与闭口)体积体积堆积体积自然状态体积堆积空隙体积堆积体积自然状态体积堆积空隙体积为什么要蜡封？体积绝对密实体积闭口孔隙体积体积绝对密实体积闭口孔隙体积问题问题？l对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密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？度之间的相互关系怎样？答：密度表观密度堆积密度答：密度表观密度堆积密度l为什么？为什么？答：答：自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积；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。堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。第三节第三节 材料的力学性质材料的力学性质 指材料在外力作用下的有关变形性质指材料在外力作用下的有关变形性质及抵抗破坏的能力。及抵抗破坏的能力。一、材料的变形性质一、材料的变形性质 n 材材料料在在荷荷载载作作用用下下，发发生生形形状状及及体体积积变变化化的的有关性质。有关性质。q可恢复的变形可恢复的变形 q不可恢复的变形不可恢复的变形（一）弹性变形（一）弹性变形（一）弹性变形（一）弹性变形（ElasticityElasticity）与塑性变形与塑性变形与塑性变形与塑性变形（MouldMould）卸载后材料的变形行为：卸载后材料的变形行为：u变形可完全恢复变形可完全恢复u变形不可恢复或部分恢复变形不可恢复或部分恢复n根据材料在破坏前塑性变形显著与否根据材料在破坏前塑性变形显著与否:q脆性材料（脆性材料（FragilityFragility）：如混凝土）：如混凝土 q塑性材料（塑性材料（TenacityTenacity）：如沥青）：如沥青脆性材料在受压下的破坏形式脆性材料在受压下的破坏形式Failure of Brittle Materials韧性材料受压下的破坏形式韧性材料受压下的破坏形式“Failure”of Ductile Material?PPFriction forcesbulgebulge脆性材料与韧性材料脆性材料与韧性材料n具有脆性性质的材料称具有脆性性质的材料称脆性材料脆性材料。q脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性十倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性材料只适合用作承压构件。材料只适合用作承压构件。q土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土等。结普通砖、混凝土等。n 具有韧性性质的材料称具有韧性性质的材料称韧性材料韧性材料。q在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。q土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。（二）横向变形与体积变化（二）横向变形与体积变化（三）徐变、松弛（三）徐变、松弛n长期外力作用下的变形性质。长期外力作用下的变形性质。1 1徐变：外力不变，变形随时间增加。徐变：外力不变变形随时间增加。2 2松松弛弛：保保持持变变形形不不变变，塑塑性性变变形形增增加加，弹弹性性变变形形减少，对应于弹性应力随时间延长而降低。减少，对应于弹性应力随时间延长而降低。二、材料的强度二、材料的强度 （StrengthStrength）（一）材料的理论强度（一）材料的理论强度 结构完整的理想固体所具有的强度，称为该材结构完整的理想固体所具有的强度，称为该材料的理论强度。料的理论强度。q固体材料的强度固体材料的强度取决于取决于？q材料破坏的原因材料破坏的原因？q材料会被材料会被“压压”坏吗？坏吗？q实际强度与理论强度一致吗？实际强度与理论强度一致吗？（二）（二）材料的静力强度材料的静力强度 在在静静荷荷载载作作用用下下，材材料料达达到到破破坏坏前前所所承承受受的的应应力极限值。简称材料强度或极限强度。力极限值。简称材料强度或极限强度。1 1材料强度的测定材料强度的测定n破破坏坏试试验验法法以以材材料料试试件件达达到到破破坏坏时时的的极极限限应力值表示。应力值表示。工程中材料的强度工程中材料的强度n强度强度:材料抵抗外力（荷载）作用引起的破坏的能力。材料抵抗外力（荷载）作用引起的破坏的能力。n根据荷载种类与作用方向，强度有：根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗压强度抗拉强度抗拉强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度n工程设计所涉及的材料强度：工程设计所涉及的材料强度：n强度等级强度等级:土木工程材料常根据其极限强度值的大小，土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干人为划分的若干“强度等级强度等级”。抗压强度测试直接拉伸测试劈裂拉伸测试四点弯曲试验弹性极限强度弹性极限强度:材料应力材料应力应变曲线上的弹性区最大应力；应变曲线上的弹性区最大应力；极限强度极限强度:材料应力材料应力应变曲线上的最大应力；应变曲线上的最大应力；破坏破坏(断裂断裂)强度强度:材料破坏材料破坏(断裂断裂)时的强度。时的强度。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。()压压()拉拉()折折()剪剪图图1-16材料的受力形式材料的受力形式强度的计算：强度的计算：n式中f材料的抗压、抗拉或抗剪强 度，MPa；F材料破坏时的最大荷载，N；A受力截面面积，mm2。nf材料的抗弯（抗折）强度，MPa；F材料破坏时的最大荷载,N；b，h 试件横截面的宽和高，mm。按单位体积质量计算的材料强度按单位体积质量计算的材料强度衡量材料轻质高强的依据衡量材料轻质高强的依据衡量材料轻质高强的依据衡量材料轻质高强的依据2 2影响材料强度测定结果的主要因素影响材料强度测定结果的主要因素（1 1）试件的尺寸、形状、表面状况试件的尺寸、形状、表面状况（2 2）试件的温度及湿度试件的温度及湿度（3 3）试验机加荷速度及试验装置情况试验机加荷速度及试验装置情况环箍效应环箍效应n脆性材料立方体试件受压破坏特征脆性材料立方体试件受压破坏特征 有无摩擦阻力的存在有无摩擦阻力的存在n n环箍效应演示环箍效应演示3材料的强度等级材料的强度等级n材料测试的目的：对材料进行分级。材料测试的目的：对材料进行分级。n为为便便于于材材料料的的生生产产和和使使用用，主主要要结结构构材材料料均均按按强度值作为划分强度等级或标号的标准。强度值作为划分强度等级或标号的标准。q例如：水泥，抗压和抗折强度划分标号。例如：水泥，抗压和抗折强度划分标号。q 混凝土，立方体抗压强度划分等级。混凝土，立方体抗压强度划分等级。（三）材料的持久强度和疲劳极限（三）材料的持久强度和疲劳极限n暂时强度暂时强度 持久强度持久强度n疲劳极限疲劳极限 水本身分子间的内聚力水本身分子间的内聚力亲水性亲水性材料与水之间的分子亲合力材料与水之间的分子亲合力水本身分子间的内聚力水本身分子间的内聚力憎水性憎水性亲水性与憎水性材料的特征亲水性与憎水性材料的特征：材料的亲水性与憎水性主要取决于材材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。无机材料都是亲水性。水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面对工程防水有利。水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。亲水性材料与憎水性材料亲水性材料与憎水性材料n亲水性材料亲水性材料：砖、瓦、砂、石、气硬性胶凝：砖、瓦、砂、石、气硬性胶凝材料、混凝土、木材、玻璃等。材料、混凝土、木材、玻璃等。n憎水性（疏水性）材料憎水性（疏水性）材料：沥青、石蜡、焦油：沥青、石蜡、焦油等。等。q防水材料防水材料n亲液材料、憎液材料亲液材料、憎液材料 二、吸水性与吸湿性二、吸水性与吸湿性WaterandMoistureAbsorptionn材料吸收水分的性质。材料吸收水分的性质。1.1.含水率含水率2.材料的含水状态材料的含水状态3.吸水率吸水率(Hygroscopicity)各种材料的吸水率差异很大各种材料的吸水率差异很大n花岗岩的吸水率只有花岗岩的吸水率只有0.5%0.7%，n混凝土的吸水率为混凝土的吸水率为2%3%，n烧结普通砖的吸水率为烧结普通砖的吸水率为8%20%，n木材的吸水率可超过木材的吸水率可超过100%。吸湿性吸湿性n材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。n材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。率，称为平衡含水率。吸水性和吸湿性吸水性和吸湿性 n吸水性吸水性材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质材料与水接触时其内部孔隙会吸收水分，这种性质称为吸水性。称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。材料的吸水性用吸水率表示。n吸湿性吸湿性材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用平衡含水率表示材料的吸湿性用平衡含水率表示。材料的吸水（湿）性与材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构材料内部孔隙结构以及以及材料材料的亲水性或憎水性的亲水性或憎水性密切相关：密切相关：u 材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水开口孔隙越多，材料吸水率越大；开口孔隙越多，材料吸水率越大；开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。u 亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性孔壁使水自动吸入；亲水性孔壁使水自动吸入；憎水性孔壁难以使水吸入。憎水性孔壁难以使水吸入。材料的吸水性和吸湿性对材料性质的影响材料的吸水性和吸湿性对材料性质的影响？n表观密度、导热性、体积表观密度、导热性、体积 n强度、保暖性、抗冻性强度、保暖性、抗冻性三、耐水性三、耐水性(Water resistance)(Water resistance)n材材料料在在水水的的作作用用下下不不会会损损坏坏，其其强强度度也也不不显显著降低的性质。著降低的性质。n1强度降低的原因？强度降低的原因？q材料微粒间的结合力被渗入的水膜削弱；材料微粒间的结合力被渗入的水膜削弱；q材料中含有某些易于被水软化的物质。材料中含有某些易于被水软化的物质。软化系数（软化系数（K软）软）n软化系数软化系数K值越小，材料的耐水性越差。值越小，材料的耐水性越差。n选用材料需注意的耐水性问题选用材料需注意的耐水性问题q工程中工程中KR0.80的材料，通常认为是耐水的材料。的材料，通常认为是耐水的材料。q在在设设计计长长期期处处于于水水中中或或潮潮湿湿环环境境中中的的重重要要结结构构时时，必须选用必须选用KR0.85的建筑材料。的建筑材料。q对对用用于于受受潮潮较较轻轻或或次次要要结结构构物物的的材材料料，其其KR值值不不宜宜小于小于0.75。四、抗渗性四、抗渗性(Water tightness)(Water tightness)n在压力水作用下，材料抵抗水渗透的能力。在压力水作用下，材料抵抗水渗透的能力。n决定材料抗渗性高低的因素决定材料抗渗性高低的因素？q亲水性亲水性q孔隙率孔隙率q孔隙特征孔隙特征n材料抗渗性影响材料的材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能其它耐久性性能耐水性耐水性耐水性耐水性耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性抗冻性抗冻性抗冻性抗冻性抗渗指标：抗渗指标：n（1）渗透系数渗透系数(Percolationcoefficient)n达达西西定定律律在在一一定定的的时时间间t内内，透透过过材材料料的的水水量量Q，与与试试件件断断面面积积A及及水水头头差差H成成正正比比，而而与与试试件件的的高高度度d成成反比。反比。K渗透系数渗透系数Q透水量透水量A透水面积透水面积d试件高度试件高度H水头差水头差t透水时间透水时间（2)抗渗等级（略）：指标用抗渗等级（略）：指标用Wx表示表示n以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，以符号水压力来确定，以符号“Wn”表示，其中表示，其中n为该材为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍倍数表示。数表示。q如如W4、W6、W8、W10、W12等分别表示材料能承等分别表示材料能承受受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的水压而不渗水。的水压而不渗水。参见见参见见p302第十四章建筑材料实验第五节混凝土实验部分。第十四章建筑材料实验第五节混凝土实验部分。第五节第五节 材料的耐久性材料的耐久性（durability）n一、一、耐久性的概念耐久性的概念n材材料料在在各各种种自自然然因因素素作作用用下下经经久久不不易易破破坏坏，也也不易丧失原有性能的性质。不易丧失原有性能的性质。图图1-18路面磨损路面磨损材料的耐久性材料的耐久性材料经受的环境作用材料经受的环境作用物理物理作用作用化学化学作用作用机械机械作用作用生物生物作用作用温度、湿度温度、湿度(冷热、干湿、冻冷热、干湿、冻融融)大气、环境中的酸、碱、盐大气、环境中的酸、碱、盐的腐蚀作用的腐蚀作用;日光、紫外日光、紫外线对有机材料的老化作用线对有机材料的老化作用荷载的持续作用，交变荷荷载的持续作用，交变荷载引起的疲劳、机械冲载引起的疲劳、机械冲击、磨损作用击、磨损作用菌类、昆虫等的侵害，如菌类、昆虫等的侵害，如木材的腐朽、虫蛀木材的腐朽、虫蛀自然因素自然因素n物理作用：如一般矿物质材料；物理作用：如一般矿物质材料；n化学作用：如金属材料；化学作用：如金属材料；n生生物物作作用用：木木材材等等其其它它植植物物纤纤维维组组成成的的有有机机质质材料。材料。n最可靠的测定方法：最可靠的测定方法：q进行实地长时间观察和测定；进行实地长时间观察和测定；q但费时长，不利于新材料的应用。但费时长，不利于新材料的应用。n通常：通常：q快速检验法，如快冻法测定混凝土的抗冻性等。快速检验法，如快冻法测定混凝土的抗冻性等。材料抵抗上述侵害作用的能力材料抵抗上述侵害作用的能力材料耐久性的测定材料耐久性的测定n采用快速检验法，模拟实际使用条件，将材料采用快速检验法，模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有关的快速试验，根据试验结果在实验室进行有关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性作出判定。对材料的耐久性作出判定。n在实验室进行快速试验的项目主要有：在实验室进行快速试验的项目主要有：q干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。二、二、抗冻性抗冻性(Freeze-thow durability)(Freeze-thow durability)n材材料料在在水水饱饱和和状状态态下下，能能经经受受多多次次冻冻融融循循环环而而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。不破坏，同时也不严重降低强度的性能。抗冻性抗冻性n抗冻性抗冻性材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的能力材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的能力n抗冻等级抗冻等级材料丧失性能前能承受的最多冻融循环次材料丧失性能前能承受的最多冻融循环次数，次数愈多，等级越高。数，次数愈多，等级越高。n冻融循环试验冻融循环试验n冻融破坏的原因冻融破坏的原因n抗冻性的影响因素抗冻性的影响因素混凝土 抗冻性试验 1.冰胀压力作用；冰胀压力作用；2.水压力作用；水压力作用；3.显微析冰作用显微析冰作用水结冰时，体积膨胀9；当材料内部孔隙饱水情况下，发生多次冻融循环，在水结冰时产生的拉力作用下，产生裂缝、扩展、延伸，和连通，导致材料破坏。内因：内因：内因：内因：（1 1）吸水饱和程度：亲水性；孔隙特征：毛细孔）吸水饱和程度：亲水性；孔隙特征：毛细孔（2 2）抵抗结冰应力破