土木工程材料课件(2)

度是在规定温度(25℃)条件下，以规定重量(100g)的 标准针，在规定时间(5s)内贯入试样中的深度表示， 单位以1/10mm计。 标准粘度是将一定量的液体沥青，在某温度下经
一定直径的小孔流出50cm3所需的时间，以秒表示。 常用符号“CtdT ”表示粘滞度，其中d为小孔直径 (mm)，t为试样温度，T为流出50cm3沥青的时间。d 有10、5、3(mm)三种，t通常为20、25、30或60℃ 。
，应注意防止过分软化。
土木工程材料
第6章 沥青及沥青混合料
据高温季节测试，沥青屋面达到的表面温度比
当地最高气温高25—30℃，为避免夏季流淌，屋面 用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达
到的最高温度高20℃以上。但软化点也不宜选择过 高，否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。在地下防
水工程中，沥青所经历的温度变化不大，为了使沥
度较低时又易变硬开裂。
温度敏感性以软化点指标表示。软化点是人为规
定的沥青从固态转变到粘流态时的温度。沥青软化点
一般采用环球法测定。它是把沥青试样装入规定尺寸
的铜环内，试样上放置一标准钢球，浸入水或甘油中，
以规定的速度升温(5℃／min)，当沥青软化下垂至规
定距离(25．4mm)时的温度即为其软化点，以(℃)计。
一般不作沥青的化学分析。通常从使用角度出发，
将沥青中按化学成分和物理力学性质相近的成分划
分为若干个组，这些组就称为“组丛”或“组分”。
在沥青中各组丛含量的多寡与沥青的技术性质有着
直接的关系。
土木工程材料
第6章 沥青及沥青混合料
1) 油分：油分为淡黄色至红褐色的油状液体，
是沥青中分子量最小和密度最小的组分，在石油沥
主干路沥青面层。必须使用时，应采用抗剥离措施。

三、材料与水有关的性质
（2） 抗渗等级
材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材 料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母 P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等 级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增 高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而 不渗透。
1.1 为后续课程的学习提供必要的知识 1.2 为今后从事专业技术工作时，合理选择和使用建筑材料打下
基础 2.任务 2.1 了解材料在建筑物上所起的作用和要求 2.2 了解常用材料的生产、成分和构造 2.3 掌握常用材料的技术性质， 以及影响材料性质的主要因素及 其相互关系 2.4 掌握常用材料的标准，熟悉其分类、分等和规格
国际标准协会
3.2 重视学好试验 学习常用建筑材料的检验方法——合格性判断
和验收 对实验数据、试验结果进行分析判别 培养从事科学研究的能力
2024/3/11 22
一、材料与质量有关的性质
材料的体积构成 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状
态，因而表现出不同的体积。
材料内部固体物质体积（V）
二.建筑材料的发展： 随生产力发展而发展
原始时代——天然材料：木材、岩石、竹、粘土 石器、铁器时代——
金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉宫 ：石材、石灰砂浆 罗马圆形剧场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆
18世纪中叶——钢材、水泥 (J.Aspdin,1824） 19世纪——钢筋混凝土（1890-1892）；
（4）材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等， 分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻 融循环。

质量吸水率
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图1.1 硅氧四面体示意图
SiO4四面体可以形成链状结构， 如石棉。其纤维与纤维之间的 键合力要比链状结构方向上的 共价键弱得多。所以容易分散 成纤维状。
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粘土、云母、滑石等那么是由SiO4 四面体单元互相连结成片状结构， 许多片状结构再迭合成层状结构。 层与层之间是由范德华力结合的， 故其键合力弱，此种结构容易剥 成薄片。
混凝土配合比中，砂、石用量计算时往往 需要知道的是砂、石的近似密度。
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〔2〕表观密度〔apparent density〕 表观密度是指材料在自然状态下，单位体
积的质量，按下式计算：
式中:ρ0- 表观密度
m-枯燥材料的质量 v0-材料自然状态下的体积
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材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料孔隙 内有水分时，其重量和体积均将有所变化，故测定 表观密度时，须注明其含水情况。一般是指材料在 气干状态〔长期在空凝土可认为是集料颗粒〔集料相〕分散在水泥 浆基体〔基相〕中所组成的两相复合材料。
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1.1.2材料的结构 －材料的结构是决定材料性质的极其重要因素。
－分为：宏观结构、细观结构和微观结构。
〔1〕宏观结构(macrostructure)
－土木工程材料的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级以上。
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相 填充的致密程度。
空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算 含砂率的依据。
空隙率
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1.2.4材料的亲水性和憎水性(hydrophilic and hydrophobic nature)
材料与水接触，首先遇到的问题就是材料是否能被 水润湿。润湿是水被材料外表吸附的过程。它和 材料本身的性质有关。

• 化学组成：材料组成的化学组成 • 矿物组成：无机非金属材料具有的特点、晶体结
构和特定物理力学性能的组织结构。 • 相组成：材料中具有相同物理化学性质的均匀部
分。具有两相或两相以上的材料是复合材料。注 意界面
建筑材料的组成（以水泥熟料为例）
元素表示：Ca、Al、Si、Fe、O； 化学成份
氧化物表示：CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3


m V
式中 ρo—材料的表观密度，kg/m3 或g/cm3； m—材料的质量（干燥至恒重），kg或 g；
Vo—材料在包含内部孔隙条件下的体积 （即包含内部闭口孔和开口孔）， 见图1－2，m3或cm3。
V0=V+Vop+Vcl
所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内 部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。

3FmaxL 2bh2
式中fm——抗弯强度，MPa；
Fmax——弯曲破坏时的最大荷载,N； b，h ——试件横截面的宽和高,mm。
L—— 两支点间的距离，mm。
若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载， 抗弯强度按下式计算：
fm

FmaxL bh2
影响材料强度的因素
1.材料的组成、结构与构造：材料的强度与其组成及结构有关， 即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不一样。
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。
强度的定义和种类 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。也可以说
是材料单位面积所能承受的极限荷载(MPa）。 根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉

强度小 质软 熔点高
导电性小
晶体结构（构造）
晶体的结构形式采用X射线衍射或 电子射线扫描等方法来确定。
在晶体内部，可细分为完全相等 单位的构造在三维空间重复着，如 右图所示。
立方晶体沿三个垂直方向有相同 的排列：a1=a2=a3,大部分金属和相 当数量的陶瓷材料是立方晶系的。 非立方晶体的重复排列沿三个坐标 轴方向不一样或者其三个晶轴间的 夹角不全等于900。自然界中共有7 种可能的晶系。这七种晶系的名称 和它们的几何特征列于下表。
(3)相组成
材料中具有相同的物理、力学性质的均匀部分称为 相.自然界中的物质有气相、液相、固相之分。材料 的相组成是指组成材料的相种类、数量及分布状况。 土木工程材料大多数是多相固体，可看成复合材料。
复合材料不同相之间存在界面，材料的性质与材料 的相组成和界面特性有密切关系。实际材料中，相 与相之间的这一过渡面是一个薄弱区，它的成分与 结构与其两侧的相都不相同，是不均匀的 ，可将其 作为“界面相”来处理。因此，通过改变和控制材 料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。
物质内能与体积随 温度的变化而变化
玻璃体的特性
当玻璃组成一定时，Tg应该是一个随冷却速度 而变化的温度范围。低于Tg时的固体称为玻璃，而 高于此温度范围它就是熔体。因而玻璃体无固定的 熔点，而只有熔体←→玻璃体可逆转的温度范围。
常见的玻璃体有硅酸盐玻璃，如石英玻璃是将 熔化的二氧化硅（SiO2）经过急速冷却所得的产物。 这种熔融体冷却时形成较大的网状构造而使粘性增 大，在不产生规则整齐排列的SiO4晶体的情况下， 直接转变为非晶质固体，也可称为无定形晶体。玻 璃就属于这类非晶质固体，此外，还有合成树脂和 橡胶等。
4）固溶体
在离子相中也会产生置换 固溶体。在离子固溶体中，原 子和离子的大小是很重要的。 右图表示了一个简单的离子固 溶 体 的 例 子 。 在 此 MgO 结 构 （见右图）中，Mg2+离子被Fe2+ 所取代。由于两个离子的半径 分 别 为 0.066nm 和 0.074nm, 故 可以完全地取代。另一方面， Ca2+离子则不能用来取代Mg2+， 因 其 半 径 为 0.099nm ， 相 对 较

320国道湖南段，1992~93年建成
三、耐久性的评定
1、最可靠判断——使用条件下的长期观测和评定（时间太长， 美国1999太平洋中部考埃教堂1000年）
2、人为模拟实验 ①快速实验——抗渗、抗冻、碳化、盐溶液浸泡、紫外线干燥
循环等（与实际相关性较差）
②实际环境下的模拟建筑或构件 a、日本1984海边建混凝土结构，混凝土的不同部位加和不加Cl-，
土，西直门立交桥）
78年12月开工，99年3月拆
敦煌－电线杆
引自巴恒静的资料
太原化肥厂
高速公路不高速
3月24日，车辆小心翼翼地在位于安徽省内的合巢芜高速公路上行驶……这段 长约100km的高速公路路面处处千疮百孔、断裂破损，被行车师傅们称为“补 丁路”、“搓板路”。这段过去只需1.5h的车程，现在至少要走4h ……。
做和不做保护层，进行观测。 B、同济用钢砼小试件放在海边不同位置长期观测 模拟实验应与实际条件一致才能得出正确结论。
Байду номын сангаас
四、研究材料耐久性的意义
研究和提高材料耐久性，按耐久性进行材料选用、 工程设计、施工、检测评定是今后的发展方向和目 标，方可实现工程建设的可持续发展。
不同材料组成和结构不同，所经受的环境作用也 不尽相同 不同的材料耐久性研究内容不同
（混凝土-冻融，钢材-锈蚀，有机材料-老化，木材-腐朽）
同一材料，由于环境因素的复杂性、综合性及差 异性,耐久性研究内容也不尽相同
（如海工、道路、民用建筑混凝土，北方-南方混凝土）
材料耐久性是一项综合性质——由于环境因素的 综合性，材料的耐久性表现为一项综合性质， 实际工程中，应根据环境，分清主次、综合研 究，才能达到提高材料耐久性的目的。（路面混凝

气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并保持和继续发展强度者称为气硬 性胶凝材料。（石灰、石膏等）
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土木工程概论
2.4.1石灰
石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。 1、石灰的生产及分类 将主要成分为碳酸钙的天然岩石，在900 ℃～1100 ℃下燃烧，排除分解 出的二氧化碳后，所得以CaO为主要成分的产品即为生石灰。工程常用的石灰
砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；按所用原材料分为粘土砖、页岩 砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等；按有无孔洞分为空心砖、多 孔砖和实心砖（见图2-8）。
图2-8 各种墙体砖材
机械工业出版社
土木工程概论
2.3.3瓦
瓦，一般指粘土瓦。中国瓦的生产比砖早，因称“秦砖汉瓦”。中国目 前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦等（如图2-9）。
CaSO4·2H2O → β-CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O 建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而强度较 低。 ⑸ 高强石膏—将二水石膏置于具有0.13MPa、124℃的过饱和蒸汽条件下蒸 压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的α型半水石膏（αCaSO4·1/2H2O），高强石膏晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小，因而强度较 高。
（7）道路水泥:由较高铁铝酸钙含量的硅酸盐道路水泥熟料，0％～10％活 性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥。特 点是抗裂性能好。
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土木工程概论
4、水泥的贮存、运输和保管 （1）分类贮存：不同品种、不同标号的水泥应分别存放，不可混杂。 （2）防潮防水：水泥受潮后即产生水化作用，凝结成块，影响水泥的正常 使用。 （3）贮存期不宜过长：贮存期过长，由于空气中的水汽、二氧化碳作用而 降低水泥强度。一般来说，贮存三个月后的强度约降低10％～20％。所以， 通用水泥存放期一般不应超过三个月。快硬水泥、高铝水泥的规定贮存期限 更短（分别为一、二个月）。过期水泥，使用时必须经过试验，并按试验重 新确定的标号使用。