土木工程材料－ 土木工程材料的基本性质.pptx

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1、第1页/共82页第2页/共82页 材料的化学组成决定着材料的化学稳定性、材料的化学组成决定着材料的化学稳定性、大气稳定性、耐火性等性质。例如石膏、石灰和大气稳定性、耐火性等性质。例如石膏、石灰和石灰石的主要化学组成分别是石灰石的主要化学组成分别是CaSOCaSO4 4、CaOCaO和和CaCOCaCO3 3 ，均比较单一，这些化学组成就决定了石，均比较单一，这些化学组成就决定了石膏、石灰易溶于水而耐水性差，而石灰石较稳定。膏、石灰易溶于水而耐水性差，而石灰石较稳定。花岗岩、水泥、木材、沥青等化学组成就比较复花岗岩、水泥、木材、沥青等化学组成就比较复杂，花岗岩主要是由多种氧化物形成的天然矿物，杂

2、，花岗岩主要是由多种氧化物形成的天然矿物，如石英、长石、云母等组成，它强度高、抗风化如石英、长石、云母等组成，它强度高、抗风化性好；普通水泥主要由性好；普通水泥主要由CaOCaO、AlAl2 2O O3 3 、FeFe3 3O O4 4 等等氧化物形成的硅酸钙及铝酸钙等矿物组成，它决氧化物形成的硅酸钙及铝酸钙等矿物组成，它决定了水泥易水化形成凝胶体，具有胶凝性，且呈定了水泥易水化形成凝胶体，具有胶凝性，且呈碱性；木材主要由碱性；木材主要由C C、H H、O O形成的纤维素和木质形成的纤维素和木质素组成，故易于燃烧；石油沥青则由多种素组成，故易于燃烧；石油沥青则由多种CHCH化化合物及其衍生物组

3、成，故决定了其易于老化等等。合物及其衍生物组成，故决定了其易于老化等等。第3页/共82页第4页/共82页（二）矿物组成无机非金属材料中具有特定的晶体结构、物理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。某些土木工程材料如天然石材、无机胶凝材料等，其矿物组成是决定其材料性质的主要因素。水泥因所含有的熟料矿物不同或其含量不同，表现出的水泥性质各有差异。例如硅酸盐水泥中，硅酸三钙含量高，其硬化速度较快，强度较高。第5页/共82页（三）相组成材料中具有相同的物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相。即使是同种物质，在温度、压力等条件发生变化时常常会转变

4、其存在状态，例如气相变为液相或固相。凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数可看作复合材料。第6页/共82页第7页/共82页人工复合材料，如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。第8页/共82页1.1材料的物理性质第9页/共82页1.1.1几个密度概念1.密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。材料的密度，g/cm3；m材料的质量（干燥至恒重），g；V 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。第10页/共82页密度的测定在李氏瓶中注入煤油至突颈下部，记下刻度数。将李氏瓶放在盛水的容器中，在试验过程中保

5、持水温为20。称取6090g经烘干的试样，用漏斗将试样逐渐送入李氏瓶内，使液面上升至接近20 cm3的刻度为止。再称剩下的试样，计算送入李氏瓶中的试样质量m(g)。将注入试样后的李氏瓶液面的读数，减去未注前的读数，得试样得绝对体积V(cm3)。第11页/共82页2.表观密度（视密度）a 材料的视密度，g/cm3；m材料的质量，g；V材料在包含闭口孔隙条件下的体积（即只含内部闭口孔，不含开口孔）。图1-1材料内部孔隙示意第12页/共82页3.体积密度（容重）0材料的体积密度，kg/m3或g/cm3；m 材料的质量，kg或g；V0 材料在自然状态下的体积，包括材料实体及其开口孔隙、闭口孔隙，m3或

6、cm3。体积密度的测定：称取试样质量m及蜡封试件在空气中的质量m1。在容量瓶中加入适量的水，记录水的体积数V1。将试样放入容量瓶中，记录水的体积数V2。V0V2-V1-(m1-m)/蜡材料体积密度的大小与其含水情况有关。第13页/共82页4.堆积密度堆积密度是指散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量。0堆积密度，kg/m3；m材料的质量，kg；V0材料的堆积体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积，m3。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。第14页/共82页几种密度的比较比较项目比较项目 实际密度实际密度视密度视密度体积密度体积密度 堆积密度堆积密度材料状态材料状态 绝对密

7、实绝对密实近似绝对近似绝对密实状态密实状态自然状态自然状态 堆积状态堆积状态材料体积材料体积计算公式计算公式应用应用判断材料性质判断材料性质用量计算、体积计算用量计算、体积计算第15页/共82页表表1-1 1-1 常用材料的密度、表观密度及堆积密度常用材料的密度、表观密度及堆积密度材料名称材料名称密度（密度（g/cmg/cm3 3）表观密度（表观密度（kg/mkg/m3 3）堆积密度（堆积密度（kg/mkg/m3 3）钢钢7.857.8578507850花岗岩花岗岩2.802.802500250029002900碎石碎石26502650275027501400140017001700砂砂263

8、02630270027001450145017001700粘土粘土2.602.601600160018001800水泥水泥3.103.101100110013001300烧结普通砖烧结普通砖2.702.701600160019001900烧结空心砖（多孔砖）烧结空心砖（多孔砖）2.702.7080080014801480红松木红松木1.551.55400400800800泡沫塑料泡沫塑料20205050玻璃玻璃2.552.55普通混凝土普通混凝土2100210026002600第16页/共82页1.1.2材料的孔隙率和空隙率孔隙是指材料内部的空隙。按孔隙的构造特征，材料的孔隙可分为两种：连通孔

9、不仅彼此贯通且与外界相通；闭口孔彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为：微孔：孔径0.01mm细孔：孔径1mm大孔：孔径1mm。孔隙在材料内部的分布均匀程度也是孔隙在材料内部的特征表现。第17页/共82页1.材料的孔隙率材料的孔隙率是指，材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，它以P表示。孔隙率P的计算公式为：孔隙率的大小及孔隙特征与材料的许多重要性质都有密切关系，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等。密实度D：表示材料内被固体所填充的程度。D1P。第18页/共82页2.材料的空隙率材料空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积(开口孔隙与间隙之和)占堆积体积的

10、百分率。空隙率P的计算公式为：第19页/共82页1.1.3材料的胀缩 1.湿胀干缩湿膨危害较小。对制品危害较大的是体积收缩。常分为气干收缩和绝干收缩两种。气干收缩是指所含水分在大气中达到与大气湿度相平衡时所产生的收缩。绝干收缩是将材料烘至绝对干燥时所产生的收缩。2.热胀冷缩材料由于大气温度的变化会引起材料的胀缩，称为热胀冷缩。常用线膨胀系数表示。3.碳化收缩材料在大气中受到CO2的作用而碳化，其体积产生收缩，这种收缩称为碳化收缩。这类材料系含有某些硅酸盐类的材料。碳化收缩是硅酸盐制品，混凝土和轻型混凝土预制构件等的重要性能指标之一。第20页/共82页1.1.4与水有关的性质1.亲水性与憎水性材

11、料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角，角愈小，表明材料愈易被水润湿。当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。当90时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。当=0时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。第21页/共82页 材料润湿示意图（）亲水性材料；（）憎水性材料第22页/共82页2.吸水性（1）质量吸水率Wm：式中m材料在干燥状态下的质量，g；m1材料在吸水饱和状态下的质量，g。（2

12、）体积吸水率Wv：式中V0干燥材料自然体积，cm3；w水的密度，g/cm3。第23页/共82页【工程实例分析】加气混凝土砌块吸水某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容重仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。第24页/共82页3.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸

13、湿性用含水率表示：Wh材料的含水率，；ms材料在吸湿状态下的重量，g；m材料在干燥状态下的重量，g。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。第25页/共82页4.材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示：KR材料的软化系数；fb材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；fg材料在干燥状态的抗压强度，MPa。工程中将KR0.80的材料，认为是耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。第26页/共82页5.材料的抗渗性材料抵

14、抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为：K材料的渗透系数,cmh；Q渗透水量,cm3；d材料的厚度,cm；A渗水面积,cm2；t渗水时间,h；H静水压力水头,cm。第27页/共82页材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有

15、关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。材料的抗渗性与材料的耐久性有着密切的关系。第28页/共82页6.材料的抗冻性材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻标号表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Dn”表示，其中“n”即为最大冻融循环次数，如D25、D50等。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。第29页/共82页1.1.5热工性质1.热容量和比热热容量是

16、指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，可用下式表示：式中Q 材料的热容量，kJ；m材料的重量，kg；T1-T2材料受热或冷却前后的温度差，K；C 材料的比热，kJ(kgK)。材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。第30页/共82页2.导热性当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为：式中材料的导热系数，w/（mK）；Q传导的热量，J；a材料的厚度

17、，m；A材料传热的面积，m2；t传热时间，h；（T1-T2）材料两侧温度差，K。第31页/共82页材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把0.23W(mK)的材料称为绝热材料。常用的建筑材料热工性质指标见表。材料名称导热系数W/(mW/(mK)K)比热J/(gJ/(gK)K)钢55550.460.46铜3703700.380.38花岗岩3.493.490.920.92普通混凝土28280.880.88水泥砂浆0.930.930.840.84普通粘土砖0.810.810.840.84粘土空心砖0.640.640.920.92松木0.170.170.350.

18、352.512.51泡沫塑料0.030.031.301.30冰2.202.202.052.05水0.600.604.194.19静止空气0.0250.025第32页/共82页3.耐燃性材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项因素。由此出发，可把建筑材料分为三类：（1）非燃烧材料。在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。用非燃材料制作的构件称非燃烧体。钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高热作用会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧材料，但不是耐火的材料。（2）难燃材料。在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化

19、，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材和刨花板。（3）可燃材料。在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。用这种材料制作的构件称为燃烧体，使用时应作防燃处理。第33页/共82页1.2材料的力学性质第34页/共82页力学性质是指材料抵抗外力的能力及其在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下所表现的强度或变形特性来表示。第35页/共82页1.2.1强度1.材料的理论强度晶体中质点的相互作用可分为两大类：吸引作用是由于异性电荷之间的库仑引力；排斥作用的来源有二：一是同性电荷之间的库仑力，另一是泡利原理所引起的排斥。第36页/

20、共82页在自然状态下，材料质点间的吸引力与排斥力处于初始平衡状态。r表示质点间距，F表示质点间的相互作用力。初始平衡状态时，质点间距为r0，称为质点间的稳定平衡距离。fm即为材料的理论抗拉强度。净作用力曲线在r0处切线的斜率，即是材料的弹性模量(Etg)。第37页/共82页材料的理论抗拉强度可用下式表示：式中：fm理论抗拉强度，N/m2；E弹性模量；单位表面能，J/m2；d原子间的距离。（平均为2108cm）。按理论计算，材料的抗拉强度fm1/10E。第38页/共82页按理论计算，材料的抗拉强度f1/10E。但由于材料中都有缺陷，使破坏应力大大低于理论强度。缺陷主要有：晶格错位杂质混入孔穴及微

21、裂纹存在。如C30混凝土的弹性模量约为3104MPa。理论抗拉强度应为300MPa，而实际抗拉强度仅3MPa左右。第39页/共82页2.材料的静力强度材料抵抗静荷载产生应力的破坏能力，称为材料的静力强度。它是以材料在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值来表示的。材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（抗折）强度、抗剪强度等。()抗压()抗拉()抗折()抗剪材料的受力形式第40页/共82页常见建筑材料的强度/MPa材料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗岩1001002502505 58 810101414普通烧结砖7.57.530301.81.84.04.0普通混凝土7.57.560601 14 4松木

22、(横纹)3030505080801201206060100100建筑钢材2352351600160023523516001600第41页/共82页第42页/共82页比强度反映材料轻质高强的力学参数是比强度，比强度是材料的强度与其表观密度之比（f/0）。几种主要材料的比强度材料表观密度/(kg/m/(kg/m3 3)强度/MPa/MPa比强度低碳钢7 8507 8504204200.0540.054普通混凝土（抗压）2 4002 40040400.0170.017松木（顺纹抗拉）5005001001000.2000.200玻璃钢2 0002 0004504500.2250.225烧结普通砖（抗压

23、）1 7001 70010100.0060.006第43页/共82页砖浸水后强度下降某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。未烧透的红砖未烧透的红砖第44页/共82页 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。第45页/共82页1.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前

24、者为可逆变形，后者为不可逆变形。材料的弹性变形（材料的弹性变形（a）和塑性变形（）和塑性变形（b）曲线）曲线第46页/共82页弹性变形为可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数称为弹性模量，材料在弹性变形范围内，弹性模量为常数。即：材料的应力（MPa）；材料的应变；E材料的弹性模量（MPa）。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，弹性模量愈大，材料愈不易变形，弹性模量是结构设计的重要参数。第47页/共82页1.2.3韧性与脆性材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而

25、不破坏，这种性质称为韧性。第48页/共82页具有脆性性质的材料称脆性材料。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材料只适合用作承压构件。具有韧性性质的材料称韧性材料。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。第49页/共82页1.2.4硬度和耐磨性硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。工程中有时用硬度来

26、间接推算材料的强度，如回弹仪。第50页/共82页耐磨性是材料具有一定的抵抗磨损的能力，常用损率（B）表示：式中：m1、m2试件被磨损前、后的质量（g）；A试件受磨损的面积（cm2）。用于道路、地面、踏步等部位的材料均应考虑其硬度和耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。第51页/共82页路面磨损裂纹经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。出现露石的路面第52页/共82页1.3材料的耐久性材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用

27、，这些破坏作用可分为：物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏。化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等等。生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材常会受到这种破坏作用的影响。第53页/共82页酸雨腐蚀建筑物图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。n解析：解析：整体变黑是由于吸附以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物造成的。由于雨水中硫整体变黑是由于吸附以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物

28、造成的。由于雨水中硫酸的冲洗，使石材露出新表面，形成流迹线；同时石灰质碱性岩容易与酸起反应，酸的冲洗，使石材露出新表面，形成流迹线；同时石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，不久会出现建筑物的整体腐蚀。石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，不久会出现建筑物的整体腐蚀。第54页/共82页1.4影响材料性能的因素1.4.1材料的组成材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。第55页/共82页、为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.

29、2和则为0.20.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。AB第56页/共82页1.4.2材料的结构材料的结构是指材料的微观组织状态。材料的化学组成相同，微观结构的差别将导致材料性能的差异。如图：化学组成相同的水泥熟料，由于的显微结构发育良好，则不然，结果在比表面积相似的情况下，熟料的d、d抗压强度分别比熟料高10.7MPa和6.8MPa。化学组成相同，微观结构不同的两种熟料第57页/共82页1.晶体晶体：当质点（离子、原子或分子）的规则排列在三维空间的延续范围大大超过其本身尺度时，则该物体为晶体。晶格：这种按照一定的几何形

30、状有规则的排列称为晶格。非晶体：如果规则排列只是局部的，则该物体为无定形体或称非晶体。晶体结构：是由质点按照一定规则与周期性排列而成的微观结构。第58页/共82页晶体的特点规则的外形：如食盐的晶体为立方体，石英的晶体为棱角锥体；非晶体无固定的外形。固定的熔点：如铁的熔点为1480。非晶体加热时逐渐变软，开始流动，最后成液体，因而无固定的熔点。各向异性：晶体的某些性质如解理、光学性质、导热性能、机械强度等，从不同方向测定时常常是不同的。这种性质称为各向异性。非晶体具有各向同性。第59页/共82页晶体类型(按质点及结合键分)原子晶体。是由中性原子构成的晶体，其原子之间是由共价键来联系的。原子之间靠

31、数个共同电子对来结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此种晶体的强度、硬度与熔点都是比较高的。如石英、金刚石、碳化硅。离子晶体。是由正、负离子所构成的晶体，因为离子是带电荷的，它们之间是靠静电吸引力（即库仑引力）所形成的离子键来结合的。离子晶体一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是比较高的，但在溶液中离子晶体要离解成离子。如NaCl，KCl，MgCl2等。第60页/共82页分子晶体。中性的分子间靠范德华力结合。因为此种键力较弱，故其硬度、熔点也低。一般分子晶体大部分都属于有机化合物。金属晶体。金属晶体是由金属阳离子排列成一定形式的晶格，在晶格间隙中有自由运动的电子（这些电子称为自由电子）

32、，金属键是通过自由电子的库仑引力而结合的。自由电子可使金属具有良好的导热性和导电性。第61页/共82页晶体的缺陷点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位中

33、，使空位消失或使空位移位。第62页/共82页在一定温度下，晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。点缺陷所引起的晶格周期性破坏，仅发生在一个或几个晶格常数内，一般影响不大，但若是由其他杂质离子代替某些离子，则可改变晶体的物理性质。第63页/共82页线缺陷当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围，就称为线缺陷。位错就是线缺陷，在一条线附近，质点的排列偏离了原周期性。

34、从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。位错影响着晶体的力学、电学、光学方面的性质。第64页/共82页在存在位错的材料晶体中，当施加切应力时，材料并非在受力的晶面上克服所有键力而使所有原子同时移动，而是在切应力的持续作用下，位错逐渐向前推移。当位错运动到晶体表面时，位错消失而成形一个原子间距的滑移台阶。正因为在外力作用下位错的这种运动方式，使材料的实际强度远低于在无缺陷理想状态下沿晶面克服所有键力整体滑移的理论强度。理论强度往往超过实际强度的1001000倍。第65页/共82页晶体材料的性质晶格中质点间的密集程度。质点间的距离越近，其强度也越大，如果要拆开这种结构

35、，所需的能量也越大。这种晶格中质点密集程度很高的材料具有很高的塑性变形能力。如果晶格中质点的密集程度不高，则材料的变形能力很小，呈现脆性固体的性质。质点间的相互作用力。晶体材料的性质又与其质点间的相互作用力（即化学键）有关。离子键晶体其质点（离子）之间的结合力是靠静电引力，一般处于极稳定的状态。共价键晶体其质点（原子）间是靠共用数个电子来结合的，其结合力也是很大的。以上两种晶体的强度、硬度以及熔点都是较高的。分子键晶体的质点（分子）之间的结合力（范德华力）是最弱的。晶粒的形状和大小。晶粒越小，分布越均匀，材料的强度越高。第66页/共82页在复杂的晶体结构中，其原子团可以联结成为空间结构、平面网

36、状结构或链状结构。具有空间结构的晶体，其整体性良好，也比较坚固；平面网状结构的晶体，其平面结构本身是比较坚固的，但平面结构之间的联结往往是比较薄弱的，这种结构容易分解成片状物质，如云母、石墨等。链状结构的晶体，同样是链与链之间的联结弱于链本身的联结，容易分解成纤维状物质，如石棉等。第67页/共82页2.玻璃体将熔融的物质进行迅速冷却（急冷）形成的物质结构即为玻璃体，又称无定形体。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清楚的解理面，加热时无固定的熔点，只出现软化现象。粉煤灰玻璃体第68页/共82页玻璃体的结构（1）无规则网络结构学说：构成玻璃体的质点呈无规则空间网络结构。（2）微晶子学

37、说：构成玻璃体的微观组织为微晶子，微晶子之间，通过变形和扭曲的界面彼此相连。（3）近程有序、远程无序学说：构成玻璃体的微观结构为近程有序、远程无序。玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能，在一定的条件下，易与其它物质发生化学反应。第69页/共82页3.胶体物质以极微小的质点（粒径为1m100m）分散在介质中所形成的结构称为胶体。其中分散粒子一般带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，从而使胶体保持稳定。由于胶体的质点很微小，其总的表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有较强的粘结力。第70页/共82页溶胶结构：在胶体结构中，若胶粒较少，则液体性质对胶体结构的强度及变

38、形性质影响较大，这种胶体机构称为溶胶结构。溶胶具有较大的流动性，建筑材料中的涂料就是利用这一性质配制而成的。凝胶结构：若胶粒数量较多，则胶粒在表面能的作用下产生凝聚作用或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相联，形成空间网络结构，从而使胶体结构的强度增大，变形性能减小，形成固态或半固体状态，此胶体结构称为凝胶结构。凝胶具有触变性，即凝胶被搅拌或振动，又能变成溶胶。当凝胶完全脱水硬化则变成干凝胶体，它具有固体的性质，即产生强度。硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是干凝胶体。第71页/共82页水泥凝胶体水泥凝胶体第72页/共82页1.4.3材料的宏观构造材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的

39、结构。建筑材料常见的构造形式有：大理岩的致密表面n1.1.密实构造密实构造n密实构造的材料内部基本密实构造的材料内部基本上无孔隙，结构致密。上无孔隙，结构致密。n这类材料的特点是强度和这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢天然石材、玻璃、玻璃钢等。等。第73页/共82页2.多孔构造多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高。具有多孔构造的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况，一般来说，这类材料的强度较低，抗

40、渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。加气砼砌块的多孔构造第74页/共82页【观察与讨论】：孔隙对材料性质的影响某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见图。请问选择何种材料？A A B B材料剖面第75页/共82页3.纤维构造纤维构造的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。竹的纤维构造竹的纤维构造第76页/共82页4.层状构造层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料

41、性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。胶合板的层状构造胶合板的层状构造第77页/共82页5.散粒构造散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。陶粒的粒状构造陶粒的粒状构造第78页/共82页6.纹理构造天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。大理石的纹理结构第79页/共82页1.4.4外界因素温度时，材料的塑性，强度，徐变。湿度时，导热性，强度。加荷速度时，所测得的材料的强度，而变形。材料在长期外力作用下，还会产生徐变。介质是影响材料耐久性的主要因素，材料在某些介质作用下会软化或破坏。第80页/共82页结束2023年2月10日兰州大学土木工程与力学学院第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页