第1章建筑材料的基本性质.ppt
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1、第一章 建筑材料的基本性质,2/73,概 述,一、学习目的与内容 二、本章的学习要求、重点和难点,3/73,一、学习目的与内容,1 学习目的 了解建筑材料基本性质,以便按要求正确选用 材料。 2 学习内容 将具有共同性和比较重要的材料性质作为基本 性质进行重点讲述,其它性质将在有关章节中介绍,4/73,二、本章的学习要求、重点和难点, 学习要求 了解建筑物及其周围环境对材料的基本要求; 熟练掌握材料的物理性质、力学性质、与水有 关的性质和耐久性; 了解材料热学性质的一般概念; 了解材料的组成、结构和构造; 了解材料性质与其组成、结构、构造的关系。,5/73, 重点和难点 重 点:材料的物理性质
2、、力学性质、与水 有关的性质和耐久性。 难 点:基本物理性质相互之间的关系; 材料组成、结构、构造对材料性质的影响。,6/73,第一节 材料的组成、结构及构造,一、材料的组成,材料的组成是指材料的化学组成和矿物组成 (一)化学组成 材料的化学组成是指组成材料的化学元素种类和数量 材料的化学组成,直接影响材料的化学性质,也是决定材料 物理性质和力学性质的重要因素 材料化学组成的表示: 金属: 以化学元素含量百分数表示 无机非金属材料:以元素的氧化物含量表示 有机高分子材料:以构成高分子材料的单体表示,8/73,(二) 矿物组成, 材料中具有特定化学成分、特定结构和特定物理力学性能的物质或单质称为
3、矿物 材料的矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量 矿物是构成岩石和各类无机非金属材料的基本单元。 如: 花岗岩的矿物组成主要是石英和长石; 石灰岩的矿物组成为方解石; 硅酸盐水泥的矿物组成主要是硅酸钙、铝酸钙 材料的矿物组成直接影响无机非金属材料的性质,9/73,(三)相组成, 材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相 凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料 建筑材料大多数是多相固体,可以看作复合 材料,如混凝土,二、材料的结构,材料的结构是指材料的内部组织情况,可分为: 微观结构 显微结构 宏观结构,11/73,(一)微观结构,微观结构是原子分子层次的结构,可用电子显微镜或X射线
4、衍射仪来分析研究该层次的结构特征,寸范围在10-1010-6m(级,1=10-1nm)。 材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导电性等都是由微观结构所决定的。 材料在微观结构层次上可分为晶体、非晶体。,12/73,1.晶体,晶体是由原子、离子或分子等质点在空间按一定方式重复排列而成的固体. (1)特征 具有固定的几何外形,各向异性,在一定的压力下具有固定的熔点,受到外力作用时可产生弹性变形,NaCl晶体中Na+、Cl-离子有规则排列,方解石,石英,菱锰矿,13/73,14/73,(2)晶体分类,按组成晶体的质点及化学键的不同,晶体可分为: 原子晶体,如石英 离子晶体,如CaCl2 分子
5、晶体,如有机化合物 金属晶体,如钢铁材料,15/73,(2)晶格缺陷,肖特基缺陷(a)、弗伦克尔缺陷(b),置换型杂质(a)、间隙型杂质(b),16/73,(2)晶格缺陷,17/73,2. 非晶体,非晶体结构又称无定形结构或玻璃体结构。 上近程有序,远程无序。其有序范围只有有序单位尺寸的几倍距离。 玻璃体的特点是无一定的几何外形,无熔点而只有软化现象,各向同性,化学性质不稳定。,钠硅玻璃结构,粉煤灰中的玻璃微珠,18/73,(二)显微结构,显微结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构,其尺寸范围在10-610-3m(微米级) 如:金属材料的金相组织;木材的木纤维;水泥水化产物形貌等 材料细观特
6、征、数量、分布和界面性质对材料性能有重要影响,19/73,20/73,(三)宏观结构,宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织,其尺寸在10-3m级(毫米级)以上。 材料的宏观结构可按其特征分为: 致密结构(钢材、玻璃等) 多孔结构(泡沫塑料、加气混凝土等) 纤维结构(竹材、纤维板等) 层状结构(胶合板等),21/73,22/73,(四)微粉、超微颗粒和胶体,粒径在10-710-4m间的各种矿物或者金属粉末,通常属于散粒的显微层次,1. 微粉,2. 超细颗粒,粒径在10-910-7m间的各种微粒,一般大于微观尺度的原子团,小于通常的微粉 由它可构成各种纳米材料,23/73,胶体是指粒径为1
7、0-710-9m的颗粒在介质中形成的分散体系。 溶胶在胶体结构中,介质对胶体的物理力学性能起决定作用。 凝胶胶粒数量较多或在物理化学作用下,胶粒相互吸附凝聚而形成网状结构,胶体反映出胶粒的物理力学性质。,溶胶 凝胶,3. 胶体,24/73,第二节 材料的密度、表观密度和孔隙率,25/73,一、密 度,密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 材料的密度可按下式计算: 式中 密度,g/cm3; m材料的质量,g; V材料在绝对密实状态下的体积, g/cm3 。 每种材料的密度是固定不变的。,26/73,二、表观密度,表观密度(俗称容重)是指材料在自然状态下(包含孔隙)单位体积的质量。材料的表
8、观密度可按下式计算: 式中 表观密度,g/cm3(kg/m3); m材料的质量,g(kg); V0材料在自然状态下的体积,cm3(m3)。 材料的表观密度通常是指在气干状态下的表观密度.,27/73,孔隙率,孔隙率是指材料中孔隙体积与总体积的百分比。材料的孔隙率可按下式计算: Vp V0 V 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。,28/73,孔隙的构造特征,材料中的孔隙,可分为与外界连通的开口孔和与外界隔绝的闭口孔。孔隙本身又按尺寸大小分为极细孔隙(D1.0mm),闭口孔,开口孔,29/73,几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率,30/73,第三节 材料的力学性质,材料的力学性质是指材料在外
9、力作用下的有关变形性质和抵抗破坏的能力。 材料的变形性质 材料的强度,31/73,一、材料的变形性质,材料的变形性质是指材料在荷载作用下发生形状及体积变化的有关性质。 (一)弹性变形与塑性变形 弹性变形是指在外荷载作用下产生、卸荷后可以自行消失的变形。 塑性变形是指在外力去除后,材料不能自行恢复到原来的形状而保留的变形,也称残余变形。,32/73,33/73,(二)横向变形与体积变化,材料受拉伸或者压缩时,除了产生轴向变形外,还产生横向变形。受压时轴向缩短而横向膨胀;受拉时,则与之相反 材料受拉伸或者压缩时,会发生体积变化,34/73,(三)徐变与应力松弛,固体材料在外力作用下,变形随时间的延
10、长而逐渐增长的现象称为徐变 材料在荷载作用下,若所产生的变形因受约束而不能发展时,其应力将随时间的延长而逐渐减小,这一现象称为应力松弛,35/73,二、材料的强度,材料的强度是指材料抵抗外力(荷载)作用引起的破坏的能力 (一)材料的静力强度 在静荷载作用下,材料达到破坏前所承受的应力极限值,称为材料的静力强度(简称材料强度)或极限强度 根据作用荷载的不同,材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度(或抗折强度)和抗剪强度等,36/73,材料强度的测定,材料强度的测定常用破坏性试验方法来进行。即将材料制成试件,置于试验机上,按规定的速度均匀地加荷,直到试件破坏,由试件破坏时的荷载值,按相应计算公
11、式,可求得材料强度,37/73,抗压、抗拉及抗剪强度的计算,式中 f材料强度,MPa; F破坏时荷载,N; A试件受力断面面积,mm2,38/73,抗弯强度的计算,抗弯强度的计算公式分别为: (中间加一个集中荷载)和 在跨度的三分点上作用两个集中荷载) 式中 fm抗弯强度,MPa; F破坏荷载,N; L梁的跨度,mm; b、h梁断面的宽与高,mm。,39/73,影响材料强度测定结果的主要因素,()材料本身的组成、结构和构造 不同品种的材料,强度不同。即使同种材料,其内部孔隙率、构造等不同时,强度也不相同 ()试件的形状和尺寸 多数情况下,材料的强度随试件尺寸的增加而降低,当尺寸大到一定程度后,
12、强度不再下降,这一现象称为尺寸效应。试件的形状也会对材料的强度结果产生影响。以脆性材料的单轴抗压强度为例,采用棱柱体或圆柱体试件测得的强度要比采用立方体试件测得的强度小,40/73,()试件的表面状态,试件的表面状态同样会对强度结果产生影响。试件表面(受压面)凹凸不平或有掉角等缺损时,会引起应力集中而降低强度测定值,41/73,()试件端部的约束情况,试件端部的约束情况不同,压板与试件承压面之间的摩擦力,测定的强度也不同。出现正摩擦时,强度偏高,负摩擦时,强度偏低。脆性材料立方体试件在有(正摩擦)无摩擦时的破坏特征,42/73,()试验加荷速度,试验时,若加荷速度较快,则由应力引起的材料变形的
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