1、 第 一 章 土木工程材料基本性质 三问：What ? How ? Which ? 土木工程要求材料具备什么性能（What）? 土木工程材料如何满足工程要求（How）? 本章学习哪些内容（Which）? 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？ 材料的组成 材料的结构 材料的构造 材料的复合 性能 组成 结构 材料的组成结构性能关系 材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心 本 章 主 要 内 容 材料的组成与结构 材料的技术性
2、能及其测试方法 材料组成、结构与性能间的关系 学 习 目 的 通过本章学习，掌握各类土木工程材料通过本章学习，掌握各类土木工程材料 的“的“来龙去脉来龙去脉”，为自己成为一名称职的”，为自己成为一名称职的 “土木工程师”打下工程材料学基础。“土木工程师”打下工程材料学基础。 材料的组成与结构 材料在服役环境下的行为性能 力学性能 物理性能 耐久与安全性 材料组成、结构、性能与施工工艺间的关系 本 章 主 要 内 容 材料的组成与结构 材料的技术性能及其测试方法 材料组成、结构与性能间的关系 1.1 土木工程材料的组成与结构 Composition and Structure of Civil
3、Engineering Materials 组成 化学组成 相组成 结构 微观结构 细观结构 宏观结构 一、材料的组成 材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成 材料的物相组成： 固相 气相 液相 材料的化学组成： 元素 化合物 物相组成 固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 气相 液相 矿 物 化合物 分布的孔隙及其含量 包含的液体种类与含量 矿物矿物 具有一定具有一定化学组成化学组成和和结构特征结构特征的天然化合物或单质的天然化合物或单质， 也指具有特定晶体结构也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能特定物理力学性能，类似于天类似于天 然矿物的物相或化合物然矿
4、物的物相或化合物。 矿物组成矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量土木工程材料中的矿物种类及其含量。 例如：例如： 矿物组成 硅酸盐水泥熟料中 的主要矿物相有： 硅酸三 钙 硅酸二 钙 铝酸三 钙 铁铝酸 四钙 钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体 化学组成 化学组成化学组成化学成分是指材料中化学成分是指材料中各物相各物相所所 含元素或单质与化合物的种类和总含量含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如：例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是：钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等等）； 生石灰的化学组成是：生石灰的化学
5、组成是：CaO，熟石灰的组成是熟石灰的组成是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是：水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有：聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、）、二丁酯、CaCO3等。等。 化学组成与矿物组成的关系 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； 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。 不同的矿物相，其化学组成可能相同。不同的矿物相，其
6、化学组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相 的化学成分均是的化学成分均是CaO和和SiO2。 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。 材料组成与性能的关系材料组成与性能的关系 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。 例如：例如： 生石膏生石膏CaSO4 2H2O与熟石膏与熟石膏CaSO4 0.5H2O的差别在所含的差别在所含 H2O的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有；的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有； 纯铁强度不高且较柔
7、软，而钢较强韧，生铁较硬脆，纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆， 其主其主 要原因是它们的含要原因是它们的含C量百分之几的微小差别；量百分之几的微小差别； 聚氯乙烯树脂聚氯乙烯树脂-CH2-CHCl-n 与聚乙烯醇与聚乙烯醇-CH2-CHOH-n ， 在组成上在组成上,前者的大分子链上含前者的大分子链上含Cl 离子，而后者含离子，而后者含OH 离离 子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。 等等。等等。 Summary 材料 物相 化合物或元素 物相组成：固相、液相、气相 化学组成：化合物、元素 矿物组成与化学组成的关系 化学组成相同，其矿物组成不
8、一定相同 不同的矿物相，其化学组成可能相同 矿物组成相同，其化学组成一定相同 材料组成与性能的关系 材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变 材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变 两条基本原则： 在选用材料时，必须了解材料的化学组成和物相 组成； 可以通过改变材料的组成来改善材料的性能。 二、 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 分布。 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。 材料结构层次： 宏观构造 细观结构 微观结构 尺寸为 10-3m (肉眼可分辩) 尺寸为10-6 10-3m (光学显微镜可辩)
9、 尺寸为10-6m (电子显微镜) 尺寸为10-1010-8m (高倍电镜) Summary 材料的结构材料所含各物相 (固、液、气)的形态、尺寸、堆积 方式和分布情况；构成各物相的质 点的堆积方式和分布情况； 根据分辨率的大小，材料结构分为 宏观、细观和微观三个层次； 材料的结构取决其组成和制造工艺 及其条件(温度、压力等)； 相同组成的材料可以有不同的结构； 相同结构的材料可以有不同的组成。 以混凝土为例 混凝土内部的宏观结构： 由大小不等、形状各异 的砂、石颗粒与孔隙以及 水分布在水泥浆体中而构 成 硬化水泥浆体的细观结构： 孔隙、水分布于由水泥矿物 水化物、未水化的水泥颗粒构成 的固体
10、连续相组成 水泥浆体的微观结构： 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 成 土木工程材料的技术性能及其测试方法 物理性质物理性质 Physical Properties 密度密度 Density 热学性质热学性质 Thermal Properties 电与磁性质电与磁性质 Electrical and magnetic Properties 声学性质声学性质 Acoustical Properties 光学性质光学性质 Optical Properties 物理化学性质物理化学性质 Physicochemical Properties 力学性质力学性质 Mechanical
11、Properties 耐久与安全性质耐久与安全性质 Durability and innoxious 1.2 土木工程材料的物理性质 General Properties of Civil Engineering Materials 基本性质 General Properties 密度 Density or Relative Density 孔隙率 Porosity 湿含量 Moisture Content 热学性质 Thermal Properties 声学性质 Acoustical Properties 光学性质 Optical Properties 1、质量与体积 密度密度 表观密度表观
12、密度0 堆积密度堆积密度0 密 度 单位体积材料的质量密度 体积与质量是可变的，密度是不变的 相同质量的材料的体积与物相和质点的堆积状 态有关 材料在绝对密实状态下， 单位体积的质量。 材料在自然状态下，单 位体积的质量。 散粒材料在堆积状态下， 单位体积的质量。 绝对密实状态 下，m/V 自然堆聚状态下，m/V0 松散堆积状态下，m/V0 密度、表观密度和堆积密度测量方法 密度 试样 粉末；体积测量排液法。 表观密度 试样 块体；体积测量直接测、蜡封排液法。 堆积密度 试样颗粒；质量测量固定体积法 排除任何孔隙后，材料的绝 对密实体积 自然状态下体积绝对密实体 积孔隙(开口与闭口)体积 堆积
13、体积自然状态体 积堆积空隙体积 为什么要蜡封？ 材料密度与组成、结构的关系 原子的质量 固体相的摩尔质量 固体相的微观结构 固体相的堆聚结构孔隙率 颗粒的堆积结构空隙率 轻原子组成的材料，其密度较小，如铝Al 重原子组成的材料，其密度较大，如铁Fe 组成材料的化合物或矿物的摩 尔质量越大，其密度越大 晶体相的密度大于非晶体相 胶体相的密度小于玻璃体 晶体相的密度取决于晶体结构 孔隙率越大，材料的表 观密度越小反之亦然 空隙率越大，材料的堆积 密度越小，反之亦然 材料密度排序： 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 纤维复合材料 木材 泡沫材料 问题问题 ？ 对于某一种材料来说，其密度、表观密度
14、和堆积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？密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 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。 什么是视密度？如何测量？什么是视密度？如何测量？ 2、孔隙率（、孔隙率（P）与密实度（）与密实度（D）的计算）的计算 1) 孔隙率孔隙率 定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为定义：材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为 孔隙率孔隙率P。 P= 如果材料处于干燥状态：如果
15、材料处于干燥状态： P=1 100% V0-V 100% 0 V0 2) 密实度密实度 定义：材料体积中被固体物质充实的程度定义：材料体积中被固体物质充实的程度D， D= 100% = 1P 材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越 小、导热性越大。小、导热性越大。 V V0 例例 题题 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干 燥，用一个燥，用一个10升升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是的金属桶，称得一桶碎石的净质量是 13.50Kg；再从桶中取出；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后的碎石，让其
16、吸水饱和后 用布擦干，称其质量为用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并；然后放入一广口瓶中，并 用水注满这广口瓶，连盖称重为用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为，水温为25 C，将，将 碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另；另 外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛 成细粉，称取成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请毫升。请 问？问？ 1 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？）该碎石的密度、表观密度和堆积密
17、度？ 2 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？）该碎石的密实度、空隙率和填充率？ 解答：解答： 1） Vo=10L, m2=13.5kg; 0 =（m/V0）= 13.5/10 = 1.35 m=1000g, 吸水后质量吸水后质量=1036g. 设水的密度设水的密度1。 则，则， Vo = 791(14111036) = 416mL 0 =（m/V0）= 1000/416 = 2.404 V=18.8mL, m=50g; =(m/V)= 50/18.8=2.66 2) P = 10/ 100% =(12
18、.404/2.66)=9.624% 其中：其中： P开 开= 36/416=8.653% P闭 闭= 9.624 8.65=0.974% 3) D=1P=90.376% P=10/0 100% =(11.35/2.404)=43.8% D=1P=143.8%=56.2% 碎石在水中吸水的质量 开口孔隙体积 3、含水率、吸水率、平衡含水率 含水率 材料所含水的质量与干燥状态下质量之比： w = 100% 式中：m材料干燥状态下的质量，g; m1材料在含水状态下的质量，g。 吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 100% 式中： m1材料在吸水饱和状态下的质量，g。 平衡含水率 材料在一定湿度的环
19、境下吸湿，与环境中湿度 达到平衡时的含水率。 m2m m m1m m 二、热学性质 热传导性与导热系数热传导性与导热系数 比热容与热容比热容与热容 线膨胀系数线膨胀系数 最高使用温度最高使用温度 性性 能能 定定 义义 公公 式式 影响因素影响因素 热传导性热传导性 热量从温度较高热量从温度较高 的一面传导到温的一面传导到温 度较低的一面，这度较低的一面，这 种性质称为热传种性质称为热传 导性，用导热系数导性，用导热系数 来表示来表示 = Q= QD/ZD/ZA At t 材料的组成、 密度和材料的组成、 密度和 孔隙特征孔隙特征 比热容比热容 单位质量材料，在单位质量材料，在 温度升降温度升
20、降 1K1K 时所时所 吸收或放出的热吸收或放出的热 量。量。 材料的组成结构材料的组成结构 热热 容容 某块材料在温度某块材料在温度 升降升降 1K1K 时所吸收时所吸收 或放出的热量。或放出的热量。 C = c C = c m m 材料的比热容材料的比热容 与质量与质量 线膨胀线膨胀 系数系数 材料由于温度上材料由于温度上 升或下降升或下降 1 1 C C 时，时， 所引起的线长度所引起的线长度 与它在与它在 0 0 C C时的线时的线 长度之比。长度之比。 材料的组成结构材料的组成结构 材料线膨胀系数的测量 线膨胀系数的单位：/C 材料的线膨胀系数与组成和结构有关： 有机材料金属材料无机
21、非金属材料 非晶体材料晶体材料 材料导热性的测量 材料的导热性用导热系数或热阻表示 导热系数与组成、结构和孔隙率、孔隙 特征有关： 金属非金属； 多孔材料密实材料 封闭孔隙开口连通孔隙 三、声学性质 吸声性与吸声系数 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为吸声性； 工程材料的吸声性用吸声系数表示。 隔声性 隔空气声 隔绝由空气传播的声能 隔固体声 隔绝由于声源撞击固体材料，引起固体材 料受迫振动而发出的声能。 材料的隔声能力用隔声量R表示，单位为dB。 四、光学性质 光吸收比 材料吸收的光通量与入射光通量之比。 光反射比 材料反射的光通量与入射光通量之比。 光透射比 透过材料的光通量与入射光通量之
22、比。 透明性 材料的透明性也是与光线有关的性质。 既能透光又能透视的物体称为透明体； 只能透光不能透视的物体称为半透明体； 既不能透光又不能透视的物体称为不透明体。 光泽 光泽主要是材料的镜面反射所产生的反射 光。 1.3 工程材料的物理化学性能 Physicochemical Properties of Engineering Materials 亲水性与憎水性亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic Properties 吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 Water and Moisture Absorption 1、亲水性与憎水性 根据水与材料表面的根据水与材料
23、表面的润湿角润湿角（接触角）（接触角）的的 大小，有：大小，有： 亲水性亲水性 0 90时时，材料表面可被水所湿润；材料表面材料表面可被水所湿润；材料表面 被水湿润被水湿润，水可被材料所吸附水可被材料所吸附，材料的这种性能称为材料的这种性能称为 亲水性亲水性，这种材料称为亲水性材料这种材料称为亲水性材料。 憎水性憎水性 90 180时时，材料表面不可被水湿润材料表面不可被水湿润，材料材料 称为憎水性材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎水性这种性能称为材料的憎水性。 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 于材料的组成与结构： 有机材料一般是憎水性， 无机材料都是亲水性。
24、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。 吸水性和吸湿性 吸水性 材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质 称为吸水性。 材料的吸水性用吸水率表示。 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。 材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料 的亲水性或憎水性密切相关： 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； 开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。 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
25、动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入。 创新思维？ 1、为什么房屋一楼潮湿？ 2、如何解决？ 1、地下水沿材料毛细管上升，然 后在空气中挥发。 2、解决问题的原理与办法 阻塞毛细通道，技术措施？ 对材料中的毛细管壁进行憎水处 理 1.4 工程材料的力学性质 Mechanical Properties of Engineering materials 工程结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小 的变形(刚度) 为了工程应用效率最优，应按照材料的强度和 刚度，选择材料 材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强 度与刚度(形变) 工程材料的力学性质 力学概念 荷载(轴向荷载、剪切荷载) 应力与应变
26、 应力应变曲线 材料的力学性能及其测量 强度与比强度 脆性、韧性与柔性 硬度与耐磨性 材料力学性能与组成、结构的关系 一、力学概念 荷载(Load） 轴向荷载 Axial load 剪切荷载 Shear Load 应力(Stress) 应变(Strain) A F 轴向荷载 荷载作用力方向与支撑材料承载面垂直： - 拉伸荷载 : 使材料从末端开始拉长的荷载 - 压缩荷载 :使材料从末端开始压短的荷载 剪切荷载: 荷载作用力方向与承载面相切 应力 单位面积上的荷载 应变荷载作用下材料伸长或压缩与 其原始长度之比(单位变形) o L e o LLe 二、应力应变曲线(stress-strain c
27、urves) 材料中的应力(纵坐标)对应变(横坐标) 的图形(diagram) 该图形给出了材料的行为和性能 (behavior and properties) 每种材料均有不同的应力应变曲线 钢材的应力应变曲线 00.060.120.180.24 Strain 0 125 250 375 500 Stress (MPa) 2024-T351 Aluminum Alloy 铝合金的应力应变曲线 00.0020.004 0.0060.008 Strain 0 125 250 375 500 Stress (MPa) Gray Cast Iron 混凝土的应力应变曲线 韧性塑料的应力应变曲线 橡胶
28、的应力应变曲线 三、材料的力学性能及其测量 强度与比强度 弹性与塑性 脆性与韧性 硬度与耐磨性 Summary 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； 硬度材料抵抗刻划、擦伤、磨损的能力； 1、强度与比强度 强度材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状 (不发生形变)或抵抗破坏的性能量度 根据荷载种类与作用方向，强度有： 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 工程设计所涉及的材料强度。 强度等级
29、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“强度等级” 比强度材料强度与材料的表观密度之比 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：材料应力应变曲线上的弹性区最大应力 极限强度: 材料应力应变曲线上的最大应力 破坏(断裂)强度: 材料破坏(断裂)时的强度 f 钢材拉伸的应力应变曲线 Strain ( ) (e/Lo) 4 1 2 3 5 弹性阶段 塑性阶段 应变硬化 断裂 极限拉 伸强度 UTS 弹性区 斜率=弹性模量 屈服强度 塑性区 极限拉伸强度 应变硬化 断裂 颈缩 屈服强 度y E E 12 y E 断裂
30、强 度F 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 弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全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
31、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。 E 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 Stiffness & Modulus of Elasticity 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 EA PL P P EA E= d d E 3、脆性和韧性(Brittleness and Ductility) 脆性 材料在外力作用下，不发生明显的变形而突然破坏的 一
32、种性能，称为脆性； 特点：其应力应变曲线下的面积很小。 具有这种性质的材料称为脆性材料 韧性 材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较 大的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。 特点：其应力应变曲线下的面积较大，这个面积就 是其破坏前吸收的总能量。 具有这种性质的材料称为韧性材料， 对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。 对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。 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?
33、 P P Friction forces bulge bulge 材料韧性的测量 材料韧性用韧度(Toughness)来量度 韧度材料吸收能量的能力。 韧度有两种测试计算方法： 计算应力应变曲线下的积分面积单位面积吸收的能量 带缺口试件的冲击试验冲击强度测量 1.5 材料的耐久性 Durability of Civil Engineering Mterials 材料耐久性与土木工程的服役寿命 影响材料耐久性的因素 材料的耐久性能及其测试方法 一、材料的耐久性与工程服役寿命 耐久性 材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因 素的破坏，保持其原有性能且不变质、不破坏的能力， 称为耐久性。 工程
34、服役寿命 因材料性能的劣化，使得工程在使用环境下服役到 功能的最低要求时所经历的时间服役寿命。 材料耐久性与工程服役寿命息息相关。 二、影响材料耐久性的因素 材料在使用中会被破坏的原因有两方面： 内因，材料自身的内部因素因： 材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH)2、挥发份、 杂质等； 材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。 外因，材料服役环境因素： 物理作用：光、热、雨水、风等 化学作用：酸、碱、盐、水等 生物作用：细菌、昆虫等 三、材料的耐久性能及其测试 耐水性 抗渗性 抗冻性 耐腐蚀性 耐候性 抗老化 1、耐水性 耐水性材料抵抗水的破坏作用的能力。 软化系数(R) ，并按下式计算：
35、 R = f 饱 / f干 式中： f 饱材料在吸水饱和状态下的抗压强度； f 干材料在干燥状态下的抗压强度。 软化系数R值越小，材料的耐水性越差。 水对材料的破坏作用 溶解溶蚀作用 溶胀作用 削弱质点相互作用力 引起金属的锈蚀作用 2、抗渗性 抗渗性材料抵抗水或溶液渗入或渗透的能力 材料的抗渗性用渗透系数K表示： K=(Q/F t) (d/H) 式中：Q透水量(cm3)；H静水压头(cm)； t时间(h) d试件厚度； F 透水面积 抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关。大孔且连通孔 将使材料的抗渗系数降低。 材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能 抗渗性试验 耐水性 耐化学腐蚀性 抗冻性 3、抗冻性
36、抗冻性材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的 能力 抗冻等级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 冻融循环试验 冻融破坏的原因 抗冻性的影响因素 混凝土 抗冻性试验 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。 材料内部的孔隙率与孔隙特征 孔隙内的饱水程度 材料强度与韧性 环境温度变化 4、耐化学腐蚀性 耐化学腐蚀性 材料抵抗这些化学介质侵蚀，保持其性能不变的能力； 抗蚀系数 材料的耐化学腐蚀性用一定时间后性能衰减率，用浸泡 试验测试； 化学腐蚀作用 地下水、土壤、海水、工
37、业与民用废水、空气等环境介 质中所含有害化合物渗入材料内部引起材料组成和结构的 破坏作用劣化； 耐化学腐蚀性有： 耐酸性、耐碱性、耐盐性、抗碳化性等等； 材料的耐腐蚀性与抗渗性密切相关。 5、耐候性或抗老化性 耐候性或抗老化性 材料抵抗这些因素的作用，而能长期保持其性能的能力。 气候老化作用 空气中的光、热、雨水、臭氧等作用于材料，也会导致材 料组成与结构的变化：如分解、大分子链降解、风化等。 抗老化性有 抗热老化、抗紫外光、抗光老化、耐臭氧性等等。 材料抗老化性主要取决于组成。 土木工程材料技术标准 为了使材料的性能满足土木工程的要求，必须对 材料性能规定一些技术标准。 技术标准包括： 材料
38、组成与性能的技术要求； 材料性能性能的试验方法； 材料组成的分析方法； 材料应用技术规程。 等等。 技术标准和工程建设规范 1. 我国土木工程材料标准分类 国家标准、行业标准、地方标准、和企业标准。 根据执行的力度又分为强制型(Q)和推荐型(T)。 2. 标准表示方法 由标准名称、部门代号(GB、GBJ、JGJ、JC、JG 等)、标准编号、批准年份四部分组成。 如：水泥胶砂强度检验方法(ISO) GB/T176711999。 绿色建材的概念 绿色材料 在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再 生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身 体健康无害的材料。 绿色建材 又称生态建材、环保建
39、材和健康建材等。是指采用 清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业 或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、 有利于环境保护和人体健康的土木工程材料。 绿色建材的基本特征 生产原料生产原料 尽可能少用天然资源，大量使用尾矿、废渣、垃圾、尽可能少用天然资源，大量使用尾矿、废渣、垃圾、 废液等废弃物。废液等废弃物。 不得使用甲醛、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物；不得使用甲醛、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物； 产品中不得含有汞及其化合物；不得用铅、镉、铬等重产品中不得含有汞及其化合物；不得用铅、镉、铬等重 金属及其化合物的颜料和添加剂。金属及其化合物的颜料和添加剂。 生产技术生产技术 采用
40、低能耗制造工艺和无污染环境。采用低能耗制造工艺和无污染环境。 多功能化多功能化 如抗菌、灭菌、防霉、除臭、隔热、阻燃、防火、调如抗菌、灭菌、防霉、除臭、隔热、阻燃、防火、调 温、调湿、消磁、防射线、抗静电等。即产品不仅不损温、调湿、消磁、防射线、抗静电等。即产品不仅不损 害人体健康，而应有益于人体健康。害人体健康，而应有益于人体健康。 循环利用循环利用 可循环或回收再利用，无污染环境的废弃物。可循环或回收再利用，无污染环境的废弃物。 课外复习与自学提纲 1.无机非金属材料、金属材料、高分子材料、复合 材料的组成、结构和性能特点，以及它们间的相 互关系。 2.材料力学性能的基本概念、试验方法、评价指标 和相关标准。 3.材料耐久性的基本概念、试验方法、评价指标和 相关标准。 4.孔隙率和孔隙特征对材料性能的影响及其原理。 5.根据工程应用要求，正确选择材料的方法。 作业？ 1、归纳分析与总结： 用实例叙述材料的孔隙率、开口孔隙与闭口孔隙的测试 和计算方法。 分析论述材料的孔隙率和孔隙特征对材料强度、抗渗性 和吸湿性的影响。 2、创新思维： 如何降低材料的孔隙率和开口孔隙率？ 如何改变材料中孔隙特征和孔结构？ 如何减小或消除孔隙对材料性能的不利影响？ END
