1、土木工程材料全册完整教学课件土木工程材料全册完整教学课件 土木工程材料 Civil Engineering Materials 三问：Why? What? How? 土木工程材料”课程内容和性质是什么 （What）? 为什么必修“土木工程材料”课程（Why) ? 如何学好“土木工程材料”课程 （How）? 土木工程材料”课程性质和内容是什么? 什么是土木工程材料？ 土木工程材料课程性质是什么？ “土木工程材料”课程内容有哪些？ 什么是土木工程材料？ 土木工程材料是人类建造活动所用一切 材料的总称。 广义上，所有物质均可用作土木工程材 料。 土木工程材料包括了迄今已发现和发明 的所有材料。 问题
2、 1.1.你们知道哪些土木工程材料你们知道哪些土木工程材料 ？ 2.2.最古老的土木工程材料是哪些？最古老的土木工程材料是哪些？ 3.3.什么是今天用量最大、用途最广的什么是今天用量最大、用途最广的 土木工程材料土木工程材料？ 云 南 下 关 天 生 石 桥 广西桂林踏步桥广西桂林踏步桥 架木桥架木桥 河北赵州石桥河北赵州石桥 建于1300多年前（桥长约51m，净跨37m） 建造该桥的石材为青白色石灰岩 比意大利人建石拱桥晚400多年,但在主拱肋与桥 面间设计“敞肩拱” ，比外国早了1200多年 敞肩拱不仅减轻自重、节省材料、减轻桥基负 担，使桥台轻巧，且位移很小，地基下沉甚微， 且拱圈内应力
3、很小，是至今位移和沉陷微小且 不坠的重要原因之一； 该桥拱轴线和恒载压力线甚接近，拱圈各横截 面只受压力或微小拉力。该二线重合道理，到 现代才认识。 泸定桥 十七孔桥 芦沟桥 玉带桥 万里长城 天 下 第 一 关 万万 里里 长长 城城 总长度大约有十万里以上！ 所用土木工程材料： 土、石、木料、砖、石灰 关外有关、城外有城，其材料运输量之浩大、 工程之艰巨世所罕见。 体现我国古代建筑 工程的高度成就，表现我国古代劳动人民 的聪明才智。 最古老的建筑材料 天然石材 天然植物：木材、茅草 粘土及其制品 动物的毛发与制胶等 石灰 钢桁梁桥钱塘江桥 钢桁梁桥武汉长江大桥 简支梁桥普兰店桥 T形刚构桥
4、重庆长江大桥 连续梁桥连续梁桥六库怒江桥六库怒江桥 连续刚构桥湖南沅水桥 箱形拱桥红旗桥 结合梁和钢斜拉桥南浦大桥 现代土木工程材料 钢材、混凝土 钢混凝土复合材料 砖混凝土复合材料 高分子及其复合材料 土木工程材料的分类与发展 1.土木工程材料的分类 按化学组成分类 按来源分类 按建筑功能分类 按用途分类 有三大类： 无机材料：金属、非金属 有机材料：植物、高分子、沥青 复合材料：有机无机 金属非金属 有两大类： 天然材料：石材、粘土、植物等； 人工材料：金属、水泥、陶瓷、玻璃 塑料、橡胶、纤维等 有： 承重材料、防水材料、隔热保温材料、 防护材料、装饰材料、吸声隔音材料、 粘结密封材料、智
5、能材料等。 有： 结构材料、墙体材料、屋面材料、 地面材料、吊顶材料、墙面材料等。 2. 土木工程材料的发展历程 发展历程大致可分为三个阶段： 天然材料 人类最初直接从自然界中取材作为土木工程材料，如： 土、石材、木材等。 人工材料 随着人类文明和技术的进步，开始人工合成和制造各种 土木工程材料，以满足土木工程发展的需要。如：砖、瓦、 陶瓷、玻璃、水泥、金属、高分子材料、复合材料等 复合材料 随环境条件的变化而具有应变能力的材料：如：变色调 光玻璃、可自修复混凝土、调温、调湿墙体（面）材料、 形状记忆合金等。 人类最初直接从自然界中取材作为土木工程材料，如：土、 石材、木材等。 随着人类文明和
6、技术的进步，开始人工合成和制造各种土 木工程材料，以满足土木工程发展的需要。如：砖、瓦、 陶瓷、玻璃、水泥、金属、高分子材料、复合材料等 为了满足土木工程结构与功能的要求，又能节约材料、节 约资源，最大限度地发挥各种材料的优势，避免其不足， 将不同组成与结构的材料复合形成各种复合材料，如玻纤 增强塑料、纤维混凝土、金属陶瓷等。 3.土木工程材料的发展趋势 高性能化 高强、高耐久、高抗渗、高保温等新型高性能土木工程 材料。 多功能化 具有多种功能或智能的土木工程材料。 工业规模化 土木工程材料的生产要实现现代化、工业化，而且为了 降低成本、控制质量、便于机械化施工，生产要标准 化、大型化、商品化
7、等。 生态化 为了降低环境污染、节约资源、维护生态平衡，生产节 能型、环保型和保健型的生态建材。 土木工程土木工程 材料材料 材料 科学 土木 工程 课程性质： “材料科学”与“土木工程”间的桥 梁 材料科学”与“土木工程”间的桥梁 土土 木木 工工 程程 房屋建筑工程房屋建筑工程 桥梁工程桥梁工程 道路工程道路工程 水利工程水利工程 铁道工程铁道工程 市政工程市政工程 土木工程是应用各种工程材料设计、建 造各类土木工程的科学技术 材料科学的任务 研究材料的组成、结构与性能的关 系和材料的制备技术，涉及: 金属材料 无机非金属材料 有机材料 复合材料 土木工程材料学 以土木工程科学与技术为背景
8、，研究满足以土木工程科学与技术为背景，研究满足 建造各种土木工程所需的材料的组成、结构与建造各种土木工程所需的材料的组成、结构与 其工程性能的关系和制备与施工技术，涉及其工程性能的关系和制备与施工技术，涉及 水泥与混凝土水泥与混凝土 钢材与铝合金材料钢材与铝合金材料 沥青材料沥青材料 工程高分子材料工程高分子材料 建筑复合材料建筑复合材料 建筑功能材料与制品建筑功能材料与制品 土木工程材料”课程学习内容 第一章 土木工程材料的基本性质 第二章 无机胶凝材料 第三章 混凝土 第四章 砌筑材料 第五章 金属材料 第六章 木 材 第七章 建筑高分子材料 第八章 沥青材料 土木工程材料”试验内容 基本
9、试验技能试验 水泥性质 骨料性质 混凝土拌合物与力学性质 土木工程材料的力学性质 开放式“三性”试验 自选题、自行设计和自主进行试验 本课程的学习目的 学习有关土木工程材料的基本理论、 基本知识和基本技能，为土木工程专业 课程的学习和今后从事专业技术工作打 下必要的基础。 本课程的主要任务 以土木工程应用为背景，运用材料科学原理， 讲解土木工程材料的理论基础知识； 为学生毕业后从事工程技术工作，就材料的选 择与应用、材料验收、质量鉴定、材料试验、 储存运输、防腐处理及试验研究等方面，打下 必要的基础。 为什么必修“土木工程材料”课程? 土木工程材料是一切土木工程或构筑物的物质基础。 土木工程材
10、料的质量与正确选择、应用直接影响土木工程 的质量、使用功能、运营安全与耐久性； 土木工程材料的创新能促进结构形式的变化和施工方法的 改进，并能创造新的结构形式和新的施工方法。 土木工程的不断发展和技术进步又促进了土木工程材料的 创新和发展。 不知道土木工程材料的”来龙去脉“(ins and outs of Civil Engineering Materials)，就只能是一位” 撇脚“的土木工程师！ 新型建材促进结构工程发展 古罗马万神殿古罗马万神殿，半球穹顶直径半球穹顶直径43.5m，重重12000吨吨 波兰钢筋混凝土世纪大厅肋形拱顶直径波兰钢筋混凝土世纪大厅肋形拱顶直径65m，重重 150
11、0吨吨 墨西哥钢混薄壁构件饭店双曲抛物面薄壳屋盖直墨西哥钢混薄壁构件饭店双曲抛物面薄壳屋盖直 径径32m、厚厚4cm，重仅重仅100吨吨 德国玻璃纤维增强水泥园艺展览厅双曲抛物面屋德国玻璃纤维增强水泥园艺展览厅双曲抛物面屋 盖盖，直径直径31m、厚厚1cm，重重25吨吨 近年出现彩板轻钢仅厚近年出现彩板轻钢仅厚1mm，现场加工成大跨度现场加工成大跨度 屋面屋面，重量进一步减轻重量进一步减轻 建筑膜搭建厚度仅为建筑膜搭建厚度仅为0.2mm的新型膜结构每平方的新型膜结构每平方 米重量米重量20Kg 工程师是做什么的？ 科学讲分析，它设法去了解自 然是什么； 工程要综合，它努力去创造可 能的东西。
12、Wm. A.Wulf（美国工程院院长） 科学家的任务 工程师的任务 土木工程师的任务是创造！ 运用各种设计理论设计各种土木工程的结 构和施工方法。 应用“土木工程材料”的知识，结合设计 要求，合理选择和利用各种工程材料。 应用“土木工程材料”的知识，建造或创 造各种“土木工程”。 名言： What we cant create we dont understand ! 名言： A structural engineer who is ignorant about the “ins and outs”of the civil engineering materials can never be
13、a competent designer. 不熟悉土木工程材料的“来龙去脉”的结构 设计师，就不可能成为一位称职的设计师 如何学好“土木工程材料”课程? 课前预习和阅读教材，善于提问 课堂上认真学习、积极参与讨论 课外阅读文献与书籍 认真做好试验与练习 勤于分析思考与归纳总结 1)1)实践性强实践性强 接近工程实际，不像基础理论课程接近工程实际，不像基础理论课程 那样：对具体的现象或结构进行简化、抽象；那样：对具体的现象或结构进行简化、抽象； 2)2)综合性强综合性强 面对浩瀚的工程学复杂问题，需要面对浩瀚的工程学复杂问题，需要 广泛知识和综合能力。不像基础理论课程那样，广泛知识和综合能力。不
14、像基础理论课程那样， 着重深入分析，而是要善于归纳总结。着重深入分析，而是要善于归纳总结。 土木工程材料课程 特点 第一，阅读大量文献和书籍，获得有关材料组成、第一，阅读大量文献和书籍，获得有关材料组成、 结构与性能关系及其规律的理性认识。结构与性能关系及其规律的理性认识。 第二，通过对材料进行相关试验，获得有关性质第二，通过对材料进行相关试验，获得有关性质 的数据，例如强度、弹性模量，为结构设计或分析的数据，例如强度、弹性模量，为结构设计或分析 提供依据。提供依据。 第三，材料加工、运输和现场施工的工程实践是第三，材料加工、运输和现场施工的工程实践是 感性认识的另一重要来源。感性认识的另一重
15、要来源。 第四，由于材料科学和检测技术的发展，对材料第四，由于材料科学和检测技术的发展，对材料 的组成、结构与性能进行深入研究得到的认识的组成、结构与性能进行深入研究得到的认识。 如何获取知如何获取知 识识 学习方法 掌握知识 注重掌握各种土木工程材料的组成、结构与性能的内在联 系；注重掌握内外因素对土木工程材料各项性能的影响及其 规律；做好听课笔记。 加强训练 认证做好每个试验，通过实验验证所学的基本理论，熟悉 土木工程材料检验方法，掌握试验技能，做好作业，积极参 与科技活动，。 培养能力 认真思考问题，对课程内容进行分析、归纳和总结，并注 意观察一些建筑物中所用的土木工程材料及其应用情况，
16、培 养自学和正确分析与解答问题的能力。 学习土木工程材料学习土木工程材料，有一个很深的印象有一个很深的印象，就是就是 要懂得事物的模糊性要懂得事物的模糊性，不确定的一面不确定的一面。 以往的学习以往的学习，我们总想得到一个确定的我们总想得到一个确定的（精确精确 的的）解解。但实际工程远不是这样但实际工程远不是这样，我们必须面对我们必须面对 不确定性不确定性、模糊性模糊性问题问题。 希望从建材课开始培养这方面的能力希望从建材课开始培养这方面的能力认识认识 和解决不确定性的问题和解决不确定性的问题。 学习心得 土木工程材料品种多、课程内容多为叙述、土木工程材料品种多、课程内容多为叙述、 分析、综合
17、论述各种材料的原料、生产、组成、分析、综合论述各种材料的原料、生产、组成、 结构、构造及其对材料性能的影响，根据材料的结构、构造及其对材料性能的影响，根据材料的 共性与特性来确定其应用技术（配制、施工、检共性与特性来确定其应用技术（配制、施工、检 验、以及运输、储存、维护和经济效益等）。验、以及运输、储存、维护和经济效益等）。 因此，在学习时，因此，在学习时， 应抓住重点、要点，注意思路的整理与发展。应抓住重点、要点，注意思路的整理与发展。 通过自学、作业、面授、答疑、试验等环节，注意通过自学、作业、面授、答疑、试验等环节，注意基基 础理论础理论（基理）、（基理）、基本知识基本知识（基知）、（
18、基知）、基本技能基本技能（基（基 技）的学习和掌握。技）的学习和掌握。 学习心得学习心得 本课程的考核方式 课堂提问，回答问题 5 平时作业 10 中间测验 20 试验报告 15 期终综合考试 50 考核成绩评定 A 能清楚地解答问题，对课程内容有深刻的认 识，并能熟练掌握； B 能 C D E 希望同学们： 努力学习、认真思考、 积极训练、善于归纳 预祝同学们： 取得优异成绩，毕业后成 为一名出色的土木工程师！ 第 一 章 土木工程材料导论 Introduction to Civil Engineering Materials 三问：What ? How ? Which ? 土木工程要求材料
19、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
20、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 Engineering Materials 组成 化学组成 相组成 结构 微观结构 细观结构 宏观结
21、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
22、量。 矿物组成 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（-
23、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
24、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
25、-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；
26、 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 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。 3. 微观结
27、构 微观结构指尺寸范围在10-1010-6m内，组成材 料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与 离子排列、连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体 晶 体 结构特点结构特点 晶体结构中晶体结构中，质点质点（离子离子、原子或分子原子或分子）作三维空间作三维空间 有序堆积有序堆积、并呈周期重复并呈周期重复，由此构成点阵格子结构由此构成点阵格子结构（晶晶 格格）。 晶体类型晶体类型 根据质点根据质点（离子离子、原子或分子原子或分子）间结合键的不同分为：间结合键的不同分为： 1）离子晶体离子晶体 离子键结合离子键结合，如如:
28、 亚硝酸钠亚硝酸钠、硫酸铝等；硫酸铝等； 2）共价晶体共价晶体 共价键结合共价键结合，如：如：金刚石金刚石、碳化硅等；碳化硅等； 3）分子晶体分子晶体 分子键结合分子键结合，如：减水剂如：减水剂、液晶等；液晶等； 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。 晶体中原子排列的作用 原子排列 研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布 规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到 改善和发展新材料的途径；才能根据工程结构要求， 选择合适的材料。 组织 性能 材料中的气相 材料中均或多或少地含有气相； 气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料 中，因此孔隙有一定的
29、结构孔结构； 孔 (缝)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； 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。 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 P
30、roperties 1、质量与体积 密度密度 表观密度表观密度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 问题问题 ？ 对于某一种材料来说，其密度、表观密度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
31、 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
32、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
33、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
34、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% =(12.404/2.66)=9.624% 其中：其中： P开 开= 36/416=8.653% P闭 闭= 9.624 8.65=0.974% 3) D=
35、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境下吸湿，与环境中湿度 达到平衡时的含水率。 m2m m m1m m 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
36、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 Physicoc
37、hemical 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
38、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。 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
39、 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 Mecha
40、nical 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 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
41、 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 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
42、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)
43、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
44、 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 生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在 120180 C干
45、燥下脱水制备； 凝结硬化机理溶解沉淀”理论，即通过半水石膏 在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、 相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化； 性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨 胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻 性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、 耐火、对人体和环境无害。 应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。 进一步研究开发的课题 先进纤维石膏基复合材料 高强石膏及其制品 提高石膏及其制品的耐水性 外墙保温砂浆及其装饰 钢结构防火涂层 非密闭煅烧脱水工艺及其产品 CaSO42H2O 120180C 可 溶 无 水 石 膏 -半水石膏 200360C 400500 C 难溶无水石膏 500750C 不 溶 无 水 石 膏 随着煅烧温度升高： 二水石膏转变为-型半水石膏 -型转变可溶性无水石膏 可溶性转变为难溶性无水石膏 难溶性转变为不溶性无水石膏 密闭蒸练工艺及其产品：
