建筑材料课件材料的基本性质说课讲解.ppt
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1、建筑材料课件材料的基本性质一)化学组成一)化学组成 1)1)定义定义 组成材料的化学元素种类和数量,直接影响材料的组成材料的化学元素种类和数量,直接影响材料的化学性质,也是决定材料物理力学性质的重要因素。化学性质,也是决定材料物理力学性质的重要因素。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关,如水土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关,如水泥中泥中CaOCaO、MgOMgO含量影响着水泥的安定性。含量影响着水泥的安定性。2)2)表示方法表示方法 金属金属化学元素的含量来表示,如碳素钢以碳元素化学元素的含量来表示,如碳素钢以碳元素含量来划分:含量来划分:25Mn25Mn(平均含(平均含C=0.2
2、5%C=0.25%、含、含Mn0.7%-1.2%Mn0.7%-1.2%的镇静钢)。的镇静钢)。非金属非金属元素氧化物含量,如水泥的元素氧化物含量,如水泥的SiO2SiO2、Al2O3Al2O3含含量。量。有机高分子材料有机高分子材料低分子化合物,如乙烯。低分子化合物,如乙烯。二)矿物组成二)矿物组成 指指组成材料的矿物种类和数量组成材料的矿物种类和数量,矿物是具有一定化,矿物是具有一定化学成分和一定结构及物理力学性质的物质和单质的总学成分和一定结构及物理力学性质的物质和单质的总称,是构成岩石和无机非金属材料的基本单元。例如称,是构成岩石和无机非金属材料的基本单元。例如硅酸盐水泥熟料的矿物组成:
3、硅酸盐水泥熟料的矿物组成:C C3 3S S、C C2 2S S、C C3 3A A、C C4 4AFAF。三)链节三)链节 合成高分子材料常以其链节表示,链节是一种或几合成高分子材料常以其链节表示,链节是一种或几种低分子化合物按特定结构构成的单元。如聚乙烯的种低分子化合物按特定结构构成的单元。如聚乙烯的链节是链节是C C2 2H H4 4等。等。四)组成与材料性能的关系四)组成与材料性能的关系 组成决定性能组成决定性能高铝水泥与硅酸盐水泥。高铝水泥与硅酸盐水泥。组成相同时,结构决定性能组成相同时,结构决定性能金刚石与石墨的成分均金刚石与石墨的成分均为为C C,但由于,但由于C C原子排列不同
4、,前者为无色极坚硬的晶原子排列不同,前者为无色极坚硬的晶体,后者为黑色光滑的无定型粉末。体,后者为黑色光滑的无定型粉末。二、材料的结构n材料的结构是指材料的微观组织状况,可分为微观结构和显微结构。一)微观结构能用显微镜观察到的组成材料的原子、分子的排列方式、结合状况等。材料的微观结构可分为晶体、非晶体。1)晶体晶体是质点(原子、分子、离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列(远程有序)而形成的固体。按晶体质点间键能的大小以及结合键的特性,可将晶体分为:原子晶体、离子晶体、金属晶体、分子晶体。其性能如下表:材料的微观结构材料的微观结构 常见材料常见材料 主要特性主要特性 原子晶体原子晶体(以共价
5、以共价键结合键结合)金刚石、石英、金刚石、石英、刚玉刚玉 强度、硬度、熔点均强度、硬度、熔点均高,密度较小高,密度较小 离子晶体离子晶体(以离子以离子键结合键结合)氧化钠、石膏、氧化钠、石膏、石灰岩石灰岩 强度、硬度、熔点较强度、硬度、熔点较高,但波动大,部分高,但波动大,部分可溶,密度中等可溶,密度中等 分子晶体分子晶体(以分子以分子键结合键结合)蜡及有机化合蜡及有机化合物晶体物晶体 强度、硬度、熔点较强度、硬度、熔点较低,大部分可溶,密低,大部分可溶,密度小度小 金属晶体金属晶体(以金属以金属键结合键结合)铁、钢、铜、铁、钢、铜、铝及其合金铝及其合金 强度,硬度变化大,强度,硬度变化大,密
6、度大密度大 实际材料中的晶体,都有各种晶格缺陷,主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷,这些缺陷会显著改变晶体材料的性质。此外,材料的性质还与晶粒的大小和分布状态有关。2)非晶体无定形结构或玻璃体结构。它是一种不稳定的结构,具有较高的化学活性,如硅酸盐水泥熟料。二)显微结构指用光学显微镜可以观察到的材料组成及结构,其尺度范围在0.0011mm,对材料性质有重要影响。例如水泥混凝土材料可分为水泥基相、集料分散相、界面过渡区及孔隙等,它们的状态、数量及性质将决定水泥混凝土的物理力学性能。钢材的晶粒尺寸直接影响钢材的强度。对于土木工程材料而言,从显微结构层次上研究并改善材料的性能十分重要。三)微粉、超微颗粒及
7、胶体1)微粉 粒径在0.00010.1mm间的各种矿物或金属粉末。2)超微颗粒(纳米微粒)粒径在10-610-4 mm间的各种微粒。由于纳米微粒有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性,使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理化学性能,在土木工程中也得到了应用。例如磁性液体、纳米涂料等。3)胶体超微颗粒在介质中形成的分散体系。按其物理力学性质取决于介质还是微粒,将胶体分为溶胶和凝胶。溶胶凝胶互变的性质称为触变性。三、材料的构造n n 指材料的宏观组织状况,材料的性质与其构造有密切指材料的宏观组织状况,材料的性质与其构造有密切指材料的宏观组织状况,材料的性质与其构造有密切指材料的宏观组织状况,材
8、料的性质与其构造有密切联系。联系。联系。联系。n n 构造致密的材料强度高构造致密的材料强度高构造致密的材料强度高构造致密的材料强度高如钢材;疏松如钢材;疏松如钢材;疏松如钢材;疏松多孔的材料密度多孔的材料密度多孔的材料密度多孔的材料密度和强度低和强度低和强度低和强度低如无机非金属材料;层状或纤维状的材料各如无机非金属材料;层状或纤维状的材料各如无机非金属材料;层状或纤维状的材料各如无机非金属材料;层状或纤维状的材料各项异性项异性项异性项异性木材。木材。木材。木材。n n 材料的孔材料的孔材料的孔材料的孔 多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外,还与孔多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外
9、,还与孔多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外,还与孔多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外,还与孔隙的构造特征有关。隙的构造特征有关。隙的构造特征有关。隙的构造特征有关。孔特征参数孔特征参数 孔隙多少(孔隙率孔隙多少(孔隙率P)随着孔隙率的增大,材料表观密度减小,强度下降。随着孔隙率的增大,材料表观密度减小,强度下降。孔隙大小(孔半径孔隙大小(孔半径r)对于开口孔隙,粗大孔隙易于水分透过,但不易被水对于开口孔隙,粗大孔隙易于水分透过,但不易被水充满;极细孔隙,水分易被吸入,但不易在其中流动;充满;极细孔隙,水分易被吸入,但不易在其中流动;介于两者之间的毛细孔隙,既易被水充满,水分又易介于
10、两者之间的毛细孔隙,既易被水充满,水分又易在其中渗透,对材料的抗渗性、抗冻性及抗侵蚀性能在其中渗透,对材料的抗渗性、抗冻性及抗侵蚀性能不利。不利。孔隙结构孔隙结构(孔隙分布孔隙分布)含有大量分散不连通孔隙的材料具有良好的保温隔热含有大量分散不连通孔隙的材料具有良好的保温隔热性能。含有大量与外界连通的微孔或气泡的材料具有性能。含有大量与外界连通的微孔或气泡的材料具有良好的吸声隔音性能。良好的吸声隔音性能。孔隙形状孔隙形状(开口与闭口孔开口与闭口孔)闭口孔隙,不易被水分及溶液侵入,对材料的抗渗、闭口孔隙,不易被水分及溶液侵入,对材料的抗渗、抗冻及抗侵蚀性能的影响较小。抗冻及抗侵蚀性能的影响较小。2
11、材料的密度、表观密度和孔隙率是本章的重点要求掌握基本概念、计算等内容主要讲解块状材料与散体材料的:密度与视密度表观密度与堆积密度密实度D、孔隙率P与空隙率P一、密度一)定义材料在绝对密实状态下单位体积的质量。二)公式m/Vg/cm3,密度mg,绝对密实状态下的质量Vcm3,绝对密实状态下的体积三)注意必须强调材料绝对密实状态的概念必须强调密度是材料自身固有的性质,与外界条件变化与否无关二、表观密度一)定义在自然状态下(包含孔隙)单位体积的质量。二)公式m/V0g/cm3(kg/m3),表观密度mg(kg),材料自然状态下的质量V0cm3(m3),材料自然状态下的体积三)注意必须强调材料自然状态
12、的概念自然状态包括孔隙、含水状态等,如干燥状态下的表观密度,或某种含水状态下的表观密度三、密实度与孔隙率一)孔隙率材料中孔隙体积与总体积的百分比P(V0V)/V0(1/)100%二)密实度DV/V0100%P1D三)注意孔隙率与密度及表观密度的关系孔隙率与密实度的关系几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率(P8表1-1)四、散粒材料的视密实度、堆积密度与孔隙率一)视密度 散粒材料采用排液置换法测定体积,计算得到的密度,=m/V。V采用排液置换法测得的包含内部闭口孔隙的体积。二)堆积(表观)密度 自然状态下散粒材料单位体积的质量。按堆放的紧密程度不同,又分疏松堆积密度、振实堆积密度和紧密堆积密度。
13、计算公式可以按表观密度进行三)孔隙率P(1/)100%注意:是指材料干燥状态下的堆积表观密度;是颗粒之间的空隙和开口孔隙占总体积的百分率。四)压实度散粒状材料被压实的程度KY=/m100%施工现场的材料,经压实后的实测干堆积密度;m试验室内,将相同材料试样在一定条件下,经充分压实后的最大干堆积密度。例题:例题:已知某种建筑材料试样的孔隙率为已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%24%,此试样在,此试样在自然状态下的体积为自然状态下的体积为40cm40cm3 3,质量为,质量为85.50g85.50g,吸水饱和,吸水饱和后的质量为后的质量为89.77g89.77g,烘干后的质量为,烘干后的质量为8
14、2.30g82.30g。试求该材。试求该材料的密度、视密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、自然状料的密度、视密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、自然状态下的含水率。态下的含水率。解:密度解:密度=干质量干质量/密实状态下的体积密实状态下的体积=82.30/40(1-=82.30/40(1-0.24)=2.7g/cm0.24)=2.7g/cm33开口孔隙率开口孔隙率=开口孔隙的体积开口孔隙的体积/自然状态下的体积自然状态下的体积=(89.77-82.3)1/40=0.187=18.7%=(89.77-82.3)1/40=0.187=18.7%闭口孔隙率闭口孔隙率=孔隙率孔隙率-开口孔隙率开口孔隙率=0.24
15、-0.187=0.053=0.24-0.187=0.053=5.3%=5.3%视密度视密度=干质量干质量/包含闭口孔隙的体积包含闭口孔隙的体积=82.3/40(1-=82.3/40(1-0.187)=2.53g/cm0.187)=2.53g/cm33含水率含水率=水的质量水的质量/干重干重=(85.5-82.3)/82.3=0.039=3.9%=(85.5-82.3)/82.3=0.039=3.9%3材料的力学性质n材料在外力的作用下有关变形的性质和抵抗破坏的能力。n材料在荷载作用下发生形状及体积变化的有关性质,主要有弹性变形、塑性变形、徐变及松弛等。一、材料的变形性质一)弹性变形与塑性变形一
16、)弹性变形与塑性变形一)弹性变形与塑性变形一)弹性变形与塑性变形 1 1)定义)定义)定义)定义 弹性变形是外荷作用下产生、卸荷后自行消失的变形。弹性变形是外荷作用下产生、卸荷后自行消失的变形。弹性变形是外荷作用下产生、卸荷后自行消失的变形。弹性变形是外荷作用下产生、卸荷后自行消失的变形。塑性变形是外荷去除后,不能自行恢复到原有形状而保塑性变形是外荷去除后,不能自行恢复到原有形状而保塑性变形是外荷去除后,不能自行恢复到原有形状而保塑性变形是外荷去除后,不能自行恢复到原有形状而保留的变形。留的变形。留的变形。留的变形。材料破坏前有显著塑性变形,称为塑性破坏。破坏前无材料破坏前有显著塑性变形,称为
17、塑性破坏。破坏前无材料破坏前有显著塑性变形,称为塑性破坏。破坏前无材料破坏前有显著塑性变形,称为塑性破坏。破坏前无显著塑性变形,称为脆性破坏。显著塑性变形,称为脆性破坏。显著塑性变形,称为脆性破坏。显著塑性变形,称为脆性破坏。2 2)影响因素)影响因素)影响因素)影响因素 材料是塑性破坏还是脆性破坏,除取决于自身成分、组材料是塑性破坏还是脆性破坏,除取决于自身成分、组材料是塑性破坏还是脆性破坏,除取决于自身成分、组材料是塑性破坏还是脆性破坏,除取决于自身成分、组织、构造等因素外,还与受荷条件、试件尺寸、加荷速织、构造等因素外,还与受荷条件、试件尺寸、加荷速织、构造等因素外,还与受荷条件、试件尺
18、寸、加荷速织、构造等因素外,还与受荷条件、试件尺寸、加荷速度及荷载类型有关。度及荷载类型有关。度及荷载类型有关。度及荷载类型有关。3 3)塑性材料与脆性材料)塑性材料与脆性材料)塑性材料与脆性材料)塑性材料与脆性材料 根据材料破坏前有无显著塑性变形,可分为塑性材料和根据材料破坏前有无显著塑性变形,可分为塑性材料和根据材料破坏前有无显著塑性变形,可分为塑性材料和根据材料破坏前有无显著塑性变形,可分为塑性材料和脆性材料。塑性材料:铜、低碳钢、铝、沥青;脆性材脆性材料。塑性材料:铜、低碳钢、铝、沥青;脆性材脆性材料。塑性材料:铜、低碳钢、铝、沥青;脆性材脆性材料。塑性材料:铜、低碳钢、铝、沥青;脆性
19、材料:石、砖、混凝土、砂浆块。塑性材料与脆性材料可料:石、砖、混凝土、砂浆块。塑性材料与脆性材料可料:石、砖、混凝土、砂浆块。塑性材料与脆性材料可料:石、砖、混凝土、砂浆块。塑性材料与脆性材料可转化性、相对性。转化性、相对性。转化性、相对性。转化性、相对性。二)横向变形与体积变形二)横向变形与体积变形二)横向变形与体积变形二)横向变形与体积变形 泊松比泊松比泊松比泊松比=1 1/;体积比体积比体积比体积比=(V=(VB B-V-V0 0)/V)/V0 0=(1-2)=(1-2)在弹性变形条件下,泊松比为常数,当为塑性变形或在弹性变形条件下,泊松比为常数,当为塑性变形或在弹性变形条件下,泊松比为
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