1、绪绪 论论 0.1 土木工程材料的范畴和分类0.1.1 土木工程材料的范畴 土木工程材料可分为广义土木工程材料和狭义土木工程材料。广义土木工程材料是指用于建筑工程中的所有材料。包括三个部分：一是构成建筑物、构筑物的材料，如混凝土、钢材、防水材料、墙体与屋面材料、装饰材料等；二是施工过程中所需要的辅助材料，如脚手架、模板等。三是各种建筑器材，如消防设备、给水排水设备、网络通信设备等。狭义土木工程材料是指直接构成土木工程实体的材料。0.1.2 土木工程材料的分类无机无机材料材料金属材料金属材料黑色金属：铁、碳素钢、合金钢黑色金属：铁、碳素钢、合金钢 等等有色金属：铝、铜等及其合金有色金属：铝、铜等
2、及其合金 等等非金属材料非金属材料天然石材：石板、碎石等天然石材：石板、碎石等烧结及熔融制品：陶瓷、砖、玻璃等烧结及熔融制品：陶瓷、砖、玻璃等胶凝材料：石灰、石膏、水泥等胶凝材料：石灰、石膏、水泥等有机有机材料材料植物质材料植物质材料木材、竹材、植物纤维及其制品木材、竹材、植物纤维及其制品高分子材料高分子材料有机涂料、橡胶、胶粘剂、塑料有机涂料、橡胶、胶粘剂、塑料沥青材料沥青材料石油沥青、煤沥青、沥青制品石油沥青、煤沥青、沥青制品复合复合材料材料金属金属-非金属材料非金属材料无机非金属无机非金属-有机材料有机材料钢纤维混凝土、钢筋混凝土等钢纤维混凝土、钢筋混凝土等聚合物混凝土、沥青混凝土等聚合
3、物混凝土、沥青混凝土等 土木工程材料按使用功能可分为承重结构材料、非承重结构材料及功能材料三大类。按化学成分分类则是最基本的分类。0.2.1 0.2.1 材料是保证土木工程质量的基础材料是保证土木工程质量的基础 材料是构成土木工程建（构）筑物的物质基础，当然也是材料是构成土木工程建（构）筑物的物质基础，当然也是其质量基础。为了确保土木工程的质量，必须实行土木工程材其质量基础。为了确保土木工程的质量，必须实行土木工程材料的标准化。世界范围统一使用的是料的标准化。世界范围统一使用的是ISOISO国际标准。我国的常用国际标准。我国的常用标准有三大类：一是国家标准，包括强制性标准（代号标准有三大类：一
4、是国家标准，包括强制性标准（代号GBGB）和）和推荐性标准（代号推荐性标准（代号GB/TGB/T）；二是行业标准，如建工行业标准）；二是行业标准，如建工行业标准（代号（代号JGJG）、建材行业标准（代号）、建材行业标准（代号JCJC）等；三是地方标准（代）等；三是地方标准（代号号DBDB）和企业标准）和企业标准(代号代号QB)QB)。0.2.2 0.2.2 材料对土木工程造价的影响材料对土木工程造价的影响 在一般土木建筑工程的总造价中，与材料有关的费用占在一般土木建筑工程的总造价中，与材料有关的费用占50%50%以上，而在实际工程中，材料的选用对工程成本影响很大。以上，而在实际工程中，材料的选
5、用对工程成本影响很大。0.2.3 0.2.3 材料对土木建筑工程技术进步起促进作用材料对土木建筑工程技术进步起促进作用 材料与土木工程的设计方法、施工方法都密切相关。材料材料与土木工程的设计方法、施工方法都密切相关。材料应用技术的进步都会直接促进土木建筑工程技术的进步。应用技术的进步都会直接促进土木建筑工程技术的进步。0.2 土木工程与材料的关系0.3.1 0.3.1 按主线点面结合学习按主线点面结合学习 土木工程材料土木工程材料是一门实用性较强的课程，学习可以材料是一门实用性较强的课程，学习可以材料组成、结构、性能与应用为主线。重点是掌握性能与应用，而对组成、结构、性能与应用为主线。重点是掌
6、握性能与应用，而对材料的生产只作一般性的了解。本书每章均有学习指导栏，指出材料的生产只作一般性的了解。本书每章均有学习指导栏，指出了教学大纲所要求的学习目标和学习难点，并提出了学习建议。了教学大纲所要求的学习目标和学习难点，并提出了学习建议。学生可以此突出重点，点面结合地学习。学生可以此突出重点，点面结合地学习。0.3.2 0.3.2 知识、能力和素质的有机统一知识、能力和素质的有机统一 学习本课程不仅仅是为了掌握有关的专业知识和基本技能，学习本课程不仅仅是为了掌握有关的专业知识和基本技能，更重要的是培养分析、解决问题的能力，培养创新精神，提高综更重要的是培养分析、解决问题的能力，培养创新精神
7、，提高综合素质。建议对每章的合素质。建议对每章的创创新能力培养专栏，每节的观察与讨论、新能力培养专栏，每节的观察与讨论、工程实例分析专栏，先联系有关的知识独立思考，才阅读其工程实例分析专栏，先联系有关的知识独立思考，才阅读其讨论讨论分析分析。实验部分建议开展综合设计实验，不仅掌握基本实验技能。实验部分建议开展综合设计实验，不仅掌握基本实验技能能，而且培养综合素质，为日后从事科技工作打下基础。除完成能，而且培养综合素质，为日后从事科技工作打下基础。除完成一般的作业外，还可联系身边的工程实际撰写课程小论文一般的作业外，还可联系身边的工程实际撰写课程小论文 。0.3 土木工程材料的学习方法与要求 课
8、程小论文 过道屋面混凝土剥落漏水分析过道屋面混凝土剥落漏水分析 我家于广东江门市，我家于广东江门市，5 5年前以水泥混凝土现场浇注了过道屋年前以水泥混凝土现场浇注了过道屋面。竣工后不久，发现有不规则小裂纹。经过一年多，裂缝逐面。竣工后不久，发现有不规则小裂纹。经过一年多，裂缝逐步增多，增长，渗漏。此后，该混凝土部分已剥落，并露出已步增多，增长，渗漏。此后，该混凝土部分已剥落，并露出已锈蚀的钢材。结合课程学习分析该混凝土的寿命为何如此之短。锈蚀的钢材。结合课程学习分析该混凝土的寿命为何如此之短。首先，该混凝土的配制有问题。从剥落的混凝土可见，该首先，该混凝土的配制有问题。从剥落的混凝土可见，该混
9、凝土所用的石子粒径较均齐，级配不够合理。当时为现场搅混凝土所用的石子粒径较均齐，级配不够合理。当时为现场搅拌施工，水泥及用水量均较高，故完工后不久就出现较多的干拌施工，水泥及用水量均较高，故完工后不久就出现较多的干缩性的细裂纹。此外，混凝土上部未加防水层，在日晒雨淋作缩性的细裂纹。此外，混凝土上部未加防水层，在日晒雨淋作用下，裂纹就扩展，有利于水的渗入，而水渗入导致了钢筋生用下，裂纹就扩展，有利于水的渗入，而水渗入导致了钢筋生锈。钢筋生锈产生膨胀，又进一步扩展裂缝，破坏混凝土，这锈。钢筋生锈产生膨胀，又进一步扩展裂缝，破坏混凝土，这样就形成了恶性循环。故其寿命仅短短几年。样就形成了恶性循环。故
10、其寿命仅短短几年。（注：此为华南理工大学（注：此为华南理工大学9898级本科生陈懿懿学习级本科生陈懿懿学习土木工土木工程材料程材料课程小论文摘要）课程小论文摘要）第第1 1章章 土木工程材料基本性质土木工程材料基本性质 本章学习指导本章学习指导 本章有本章有4 4个知识点。本章的学习目标是：个知识点。本章的学习目标是：了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。其与材料基本性质的关系。熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。掌握土木工程材料的基本物理性质。掌握土木工程材料的基本物理性质。掌握土木工程材料
11、耐久性的基本概念。掌握土木工程材料耐久性的基本概念。本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系及其在工程实践中的意义。建组成结构与性能的关系及其在工程实践中的意义。建议本章课内外学时数各为议本章课内外学时数各为3 3学时。学时。历史回顾历史回顾因地制宜用材的万里长城因地制宜用材的万里长城 万里长城飞越崇山峻岭，是我国古代劳动人民的杰作，也是建筑史上的丰碑。万里长城选用材料因地制宜，堪称典范。居庸关、八达岭一段，采用砖石结构。墙身用条石砌筑
12、，中间填充碎石黄土，顶部再用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚固耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土磊筑长城，将泥土夯打结实，并以锥刺夯打土检查是否合格。在西北玉门关一带，既无石料又无黄土，以当地芦苇或柳条与砂石间隔铺筑，共铺20层。万里长城因地制宜使用建筑材料，展现了我国劳动人民的勤劳、智慧和创造力。基础知识基础知识 1固体；2闭口孔隙；3开口孔隙 密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。又有差别。密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积表观密度是材
13、料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。的质量。体积密度是指材料在自然状态下，包括材料实体体积密度是指材料在自然状态下，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。位体积的质量。孔隙率是指材料内部孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的孔隙的体积占材料总体积的百分率。百分率。空隙率则是指散粒状材空隙率则是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积体物质间空隙体积(开口孔开口孔隙与间隙之和隙与间隙之和)占堆积体积占堆
14、积体积的百分率。材料的孔隙有闭的百分率。材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材口和开口，其特征状态对材料的性质有重要影响，见右料的性质有重要影响，见右图。图。1 1亲水性与憎水性亲水性与憎水性 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质水与憎水两种不同的性质。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。2 2材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性 材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。吸湿性指材材料的吸水
15、性是指材料在水中吸收水分的性质。吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。3.3.耐水性耐水性 耐水性指材料长期在水的作用下耐水性指材料长期在水的作用下，抵抗其，抵抗其破坏破坏的能力。的能力。4.4.抗渗性抗渗性 材料材料抵抗压力水渗透的性质抵抗压力水渗透的性质。5.5.抗冻性抗冻性 材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。显著下降的性质。憎 1 1热容量和比热热容量和比热 材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力材料的热容量是指材料在温度变化时吸
16、收和放出热量的能力。材料比热容的物理意义是指材料比热容的物理意义是指1kg1kg重的材料，在温度每改变重的材料，在温度每改变1K1K时所时所吸收或放出的热量。吸收或放出的热量。2 2导热性导热性 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。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。材料的导热系数愈小，表示材料的导热性可用导热系数来表示。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。其绝热性能愈好。3.3.耐燃性耐燃性 材料对火焰和高温的
17、抵抗能力称为材料的耐燃性。建筑材料材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性。建筑材料分为三类分为三类：（：（1 1）非燃烧材料，如钢铁、石等；（非燃烧材料，如钢铁、石等；（2 2）难燃材料，）难燃材料，如经过防火处理的刨花板；（如经过防火处理的刨花板；（3 3）可燃材料）可燃材料 ，如一般木材。，如一般木材。观察与讨论观察与讨论孔隙对材料性质的影响孔隙对材料性质的影响 某工程顶层欲加保温层，某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料请问选择何种材料合适合适？讨论讨论AB讨论讨论 保温层的目的是减少外界温度变化对住保温层的目的是减少外界温度变化对
18、住户的影响。户的影响。材料保温性能的主要描述指标为材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见观察两种材料的剖面，可见A A材料为多孔结材料为多孔结构，构，B B材料为密实结构，多孔材料的导热系材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。数较小，适于作保温层材料。工程实例分析工程实例分析(1)(1)加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析(2)(2)火灾中混凝土的破坏火灾中混凝土的破坏(1)(1)加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析 某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、某施工
19、队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度体积密度仅仅700 kg/700 kg/m m3 3 的加气混凝土砌块。的加气混凝土砌块。在抹灰前在抹灰前采用同样方式往墙上浇水采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水但加气混凝土砌块表面看上去浇水不少不少，但实际吸水不多但实际吸水不多。现象现象原因分析原因分析原因分析原因分析 加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨墨水瓶水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔只有少数孔是水分蒸发形
20、成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材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的多少料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构，还需看孔的结构。(2)(2)火灾中混凝土的破坏火灾中混凝土的破坏 某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析原因。概况概况原因分析原因分析原因分析原因分析 混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微
21、观结构破坏。凝土微观结构破坏。基础知识基础知识 材料的力学性质指材料在外力作用下所材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材
22、料可分为脆性材料和韧性材料。在外力作用下，料可分为脆性材料和韧性材料。在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。材料抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力作用下产生变形，当外力去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。除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料在外力作用下产生变形，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，前者塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。为可逆变形，后者为不可逆变形。材料受外力作
23、用，当外力达一定值时，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，同时产生较大载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。的变形而不破坏，这种性质称为韧性。材料另一个重要的力学性质是硬度。它是材料另一个重要的力学性质是硬度。它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属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材料等的硬度常用压入法刻痕压入法刻痕，如布氏硬度法，如布氏硬度法，是
24、以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用等材料常用刻划法测定刻划法测定。一般情况下，硬度大。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。压入法实验压入法实验刻划法实验刻划法实验观察与讨论观察与讨论脆性材料与韧性材料脆性材料与韧性材料 观察以下两动画，请对比分析韧性材料与脆性材料的差异。观察以下两动画，请对比分析韧性材料与脆性材料的差异。讨论讨论讨论讨论 具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的具有脆性性质的材料
25、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，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。土木工程材料中大脆性材料只适合用作承压构件。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、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。混凝土等。具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程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，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
26、料，均应具有较如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。是韧性材料。工程实例分析工程实例分析(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降 现象现象原因分析原因分析(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度 人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。原因分析原因分析(1)(1)测试强度与加荷速度测试强度与加荷速度 材料的强度除与其组成
27、结构有关外，还材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷荷载的增长速度大于材料的变形速度载的增长速度大于材料的变形速度 ，测出的，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。一般都规定其加荷速度范围。现象现象原因分析原因分析(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降 某地发生历史上某地发生历史上罕见的洪水罕见的洪水。洪水退。洪水退后，许多砖房倒塌，后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未其
28、砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，烧透的多孔的红砖，见右见右图。图。原因分析原因分析(2)(2)砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降 这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，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，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，从而强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。导致房屋倒塌。基础知识基础知识 材料在长期使用过程中，能保材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的持其原有性能而不变质、不破坏的性质，性
29、质，统称为耐久性，统称为耐久性，它是一种复它是一种复杂的、综合的性质杂的、综合的性质,包括材料的抗包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点
30、合理地选用。耐久性特点合理地选用。土木工程材料的环境协调问题日益受到土木工程材料的环境协调问题日益受到重视。材料的环境协调性是指材料在生产、重视。材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较废弃时有较高的可回收率高的可回收率。19941994年设立中国环境标志产年设立中国环境标志产品认证委员会，品认证委员会，据此据此土木工程材料中首先对土木工程材料中首先对水性涂料实行环境标志，制定环境标志的
31、评水性涂料实行环境标志，制定环境标志的评定标准。定标准。观察与讨论观察与讨论(1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹(1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物 下下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。有的地方可见白色流迹线。现象现象讨论讨论(1)(1)酸雨腐蚀建筑物酸雨腐蚀建筑物 由于吸附由于吸附了了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物使其建筑物表面使其建筑物表面变黑变黑，而且由于酸，而且由于酸雨的冲洗，雨的冲洗，使石材露出新表面，从而形成流迹线使石材露出新表面，从而形成流迹线。同
32、时，。同时，石灰质碱性岩容易与酸起反应石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物故出现了建筑物的表面腐蚀的表面腐蚀。讨论讨论(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹 经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。现象现象讨论讨论(2)(2)路面磨损裂纹路面磨损裂纹讨论讨论 路面由于长年受到车辆及行人的磨损，路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不够。水泥混凝土的耐磨性不够。工程实例分
33、析工程实例分析(1)(1)室内空气污染室内空气污染 (2)(2)放射性污染放射性污染现象现象原因分析原因分析(1)(1)室内空气污染室内空气污染 某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复正常，再进馆又开始哭闹。正常，再进馆又开始哭闹。原因分析原因分析(1)(1)室内空气污染室内空气污染 该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、脲醛内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、脲醛树脂、合成橡胶胶乳等，释
34、放甲醛、苯类和合成单树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、恶心，刺激眼和鼻，恶心，刺激眼和鼻，严重时引起气喘严重时引起气喘、神志不清、神志不清、呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量一般为一般为0.134 mg/m0.134 mg/m3 30.670 mg/m0.670 mg/m3 3，使用各种装修，使用各种装修材料后的游离甲醛含量可达材料后的游离甲醛含量可达2.3 mg/m2.3 mg/m3 3。现象现象原因分析原因分析(2)(2)放射性污染放射性污
35、染 某家居装修采用一种超过放射性物质控制要求某家居装修采用一种超过放射性物质控制要求规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后被迫拆除更换。被迫拆除更换。原因分析原因分析(2)(2)放射性污染放射性污染 氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学研究表并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学研究表明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时选购石材须索要产品
36、放射性合格证，根据石材的选购石材须索要产品放射性合格证，根据石材的放射性等级作选择。放射性等级作选择。根据美国环保机构的调查数据，无形杀手导根据美国环保机构的调查数据，无形杀手导致人类患肺癌的数量每年在致人类患肺癌的数量每年在70007000 1000010000人人。基础知识基础知识 材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料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。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。如下图所
37、示如下图所示，、为两种钢材的金相照片，两者化学组成，、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，小于接近，主要差别是碳含量不同，小于0.20.2和则为和则为0.20.20.40.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，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。则强度较高。1.1.宏观结构宏观结构2.2.亚微观结构亚微观结构3.3.微观结构微观结构1.1.宏观结构宏观结构 材料的宏观结构是指可用肉眼能观察到的外部材料的宏观结构是指可用肉眼能观察到的外部和内
38、部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：和内部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。结构、纹理结构。密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃钢等。天然石材、玻璃钢等。多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。
39、结普通砖等。2.2.亚微观结构亚微观结构 亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在尺度范围在10103 310109 9 m m。材料的显微结构根据其尺。材料的显微结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在围在10103 310107 7 m m。土木工程材料的显微结构，应根。土木工程材料的显微
40、结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，常研究水泥据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。3.3.微观结构微观结构 材料的微观结构是指物相种类、形态、大小材料的微观结构是指物相种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的
41、相结构木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特性。各具不同特性。材料的构造是指具有特定性质的材料结构单材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的互相搭配组合情况。构造这一概念与结构元间的互相搭配组合情况。构造这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹合关系。如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特
42、有的一些性质。如孔隙是开口、态，决定了材料特有的一些性质。如孔隙是开口、细微且连通细微且连通的的，则材料易吸水、吸湿，耐久性较，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。观察与讨论观察与讨论讨论讨论AB 两种石材性能对比两种石材性能对比 下下图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，使用图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，使用时间相同。大理石石材颜色已变
43、暗且出现裂缝，而花岗岩石材完时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完好如新。好如新。请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的原因请从材料的组成结构角度分析二者性能差异的原因。讨论讨论两种石材性能对比两种石材性能对比 大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质作用下，发生化学反呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及
44、少量云母（片状铝硅酸盐），石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝硅酸盐），为酸性石材，为酸性石材，结构致密具有高抗酸腐蚀的能力结构致密具有高抗酸腐蚀的能力。工程实例分析工程实例分析 现象现象原因分析原因分析 某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好的施工性能，配合比中要求加入硅粉，的施工性能，配合比中要求加入硅粉，并对硅粉的并对硅粉的化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解为磨细石英粉为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，在实际使用中效果不好，水成和细
45、度均满足要求，在实际使用中效果不好，水泥浆体成分不均。泥浆体成分不均。材料微观结构对性能的影响材料微观结构对性能的影响原因分析原因分析 硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为品，其化学组成为SiOSiO2 2，微观结构为表面光滑的，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉的化学组成也为的化学组成也为SiOSiO2 2，微观结构为晶体，表面粗，微观结构为晶体，表面粗糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。硅粉和磨糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。硅粉和磨细石英粉虽然化学成分相同，但细度
46、不同，微观细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观结构不同，导致材料的性能差异明显。结构不同，导致材料的性能差异明显。创新能力培养创新能力培养绿色建材绿色建材 1988 1988年第一届国际材料科年第一届国际材料科学研究会上，首次提出了学研究会上，首次提出了“绿绿色材料色材料”的概念，绿色已成为的概念，绿色已成为人类环保愿望的标志。人类环保愿望的标志。“绿色绿色建材建材”也成为了一个发展趋势。也成为了一个发展趋势。你的家乡的土木工程材料有哪你的家乡的土木工程材料有哪些是属于些是属于“绿色建材绿色建材”？有哪？有哪些不属于些不属于“绿色建材绿色建材”？请思？请思考、讨论。考、讨论。常见问题及解
47、答常见问题及解答 1-1 1-1 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度？积之比不是该材料的表观密度？1-2 1-2 相同组成材料的性能为何不一定是相同的？相同组成材料的性能为何不一定是相同的？1-3 1-3 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？1-1 1-1 解答解答1-2 1-2 解答解答1-3 1-3 解答解答常见问题及解答常见问题及解答 1-1 1-1 测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接
48、测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度？积之比不是该材料的表观密度？解答：表观密度是材料在自然状态下单位体积的质解答：表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量。所谓自然状态下的体积包含材料内的孔隙。而直接量。所谓自然状态下的体积包含材料内的孔隙。而直接将含大量开口孔隙的材料放入水中，部分水进入材料的将含大量开口孔隙的材料放入水中，部分水进入材料的开口孔隙中，故，所测得的体积已不是材料在自然状态开口孔隙中，故，所测得的体积已不是材料在自然状态下的体积。正确的做法是将材料表面
49、涂蜡将其密封，然下的体积。正确的做法是将材料表面涂蜡将其密封，然后方能用排水法测定其自然状态下的体积。后方能用排水法测定其自然状态下的体积。常见问题及解答常见问题及解答 1-2 1-2 相同组成材料的性能为何不一定是相同的？相同组成材料的性能为何不一定是相同的？解答：例如同是二氧化硅成分组成的材料，蛋白解答：例如同是二氧化硅成分组成的材料，蛋白石是无定型二氧化硅，石英是结晶型二氧化硅。它们石是无定型二氧化硅，石英是结晶型二氧化硅。它们的分子结构不同，因而它们的性质不同。的分子结构不同，因而它们的性质不同。常见问题及解答常见问题及解答 1-3 1-3 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？孔隙率越大
50、，材料的抗冻性是否越差？解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材
