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土木工程材料(材料基本性质)

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(完整版)《土木工程材料》

(完整版)《土木工程材料》

《土木工程材料》重要知识点一、材料基本性质（1）基本概念1.密度：状态下单位体积（包括材料实体及开口孔隙、闭口孔隙）的质量，俗称容重；3.表观密度：单位体积（含材料实体及闭口孔隙体积）材料的干质量，也称视密度；4.堆积密度：散粒状材料单位体积（含物质颗粒固体及其闭口孔隙、开口孔隙体积以及颗粒间孔隙体积）物质颗粒的质量；5.孔隙率：材料中的孔隙体积占自然状态下总体积的百分率6.空隙率：散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率；7.强度：指材料抵抗外力破坏的能力（材料在外力作用下不被破坏时能承受的最大应力）8.比强度：指材料强度与表观密度之比，材料比强度越大，越轻质高强；9.弹性：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质；10.塑性：指在外力作用下材料产生变形，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，这种不能恢复的变形称为塑性变形；11.韧性：指在冲击或震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质；12.脆性：指材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质；13.硬度：指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力；14.耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力；15.亲水性：当湿润角≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的相互吸引力，这种性质称为材料的亲水性；16.憎水性：当湿润角＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的吸引力，这种性质称为材料的憎水性；亲水性材料憎水性材料17.润湿边角：当水与材料接触时，在材料、水和空气三相交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角称为湿润边角；18.吸水性：指材料在水中吸收水分的性质；19.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；20.耐水性：指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质；21.抗渗性：指材料抵抗压力水渗透的性质；22.抗冻性：指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质；23.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；24.热容量：材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。

土木工程材料基本性质

土木工程材料基本性质

式中：
W m1 m 100% m
m1—材料吸湿状态下旳质量（ｇ或kg） m—材料在干燥状态下旳质量（ｇ或kg）。
（3）含水对材料性质旳影响 材料吸水后，强度下降 材料体积密度和导热性增长 几何尺寸略有增长 材料保温性、吸声性下降、并使材料受到旳冻害、
腐蚀加剧
材料旳含水率受所处环境中空气湿度旳影响。当空气 中湿度在较长时间内稳定时，材料旳吸湿和干燥过程处于 平衡状态，此时材料旳含水率保持不变，其含水率叫作材 料旳平衡含水率。
V0'
0
ρ0—材料旳表观密度;ρ0，—材料旳堆积密度
（2）填充率
定义：是指在某堆积体积中，被散粒材料旳颗粒所填 充旳程度。
计算式：
D'
V
100%
' 0
100%
V0'
0
填充率和空隙率旳关系：
P' D' 1
三、材料与水有关旳性质
1.材料旳亲水性与憎水性 材料与水接触时，能被水润湿，为亲水性材料。 材料与水接触时，不能被水润湿，为憎水性材料。 表达措施：润湿角
思索：硬度、耐磨性与强度旳关系。
第四节 材料旳耐久性
一.耐久性
材料旳耐久性是泛指材料在使用条件下，受多种内在 或外来自然原因及有害介质旳作用，能长久地保持其使 用性能旳性质。
二.影响耐久性旳主要原因
1.内部原因：构成、构造
2.外部原因：
材料在建筑物之中，除要受到多种外力旳作用之外， 还经常要受到环境中许多自然原因旳破坏作用。这些破 坏作用涉及物理、化学、机械及生物旳作用。
比强度越大，材料轻质高强性能越好。
几种材料旳比强度： 低碳钢—0.045 一般混凝土—0.017 松木（顺纹抗拉）—0.2 粘土砖—0.006

土木工程材料材料基本性质

土木工程材料材料基本性质

火烧
难碳化
防火处理的 木材和刨花板
可燃材料
高温 火烧
立即起火 或微燃
木材
42
1.1.4 热工性质
• 耐燃性
钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高温作 用会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧
材料，但不是耐燃的材料
43
1.1.4 热工性质
• 耐燃性
44
1.1.4 热工性质
• 耐燃性案例
某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏
组成相同，其构造不同，强度也不同。
孔隙率愈大
强度愈低
53 6-23
1.2.1 强度
• 影响材料强度的几个因素
2. 材料的强度也与其含水状态有关， 含有水分的材料，其强度较干燥时的低
3. 材料的强度也与其温度有关 一般温度高时，材料的强度将降低
例如：沥青混凝土，钢铁
54 7-23
1.2.1 强度
• 影响材料强度的几个因素
• 耐水性
材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质
耐水性用 软化系数
KR的大小表明材料在浸 水饱和强度降低的程度。
KR值愈小，表示材料吸水饱和后 强度下降愈多，即耐水性愈差。
28
1.1.3 与水有关的性质
• 耐水性
一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是 因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱
对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。 封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，
但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。
24
1.1.3 与水有关的性质
•吸水性与吸湿性
空气湿度 环境温度
吸湿性
微小开口孔隙

土木工程材料基本性质

土木工程材料基本性质

1.1.3 与水有关的性质
3.耐水性(Water resistance)
材料长期在水的作用下既不破坏强度又不显著下降的性质
指标：软化系数
fb KR fg
fb——材料饱水状态抗压强度，MPa fg——材料干燥状态抗压强度，MPa KR>0.85，称为耐水材料
砖浸水后强度下降
现象
某地发生历史罕 见的洪水。洪水退后， 许多砖房倒塌，其砌 筑用的砖多为未烧透 的多孔的红砖，见右 图。请分析原因。
土木工程要求材料具备哪些性能？
土木工程的功能
承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘
要求的材料性能
强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性
不污染环境
第1章 土木工程材料基本性质
1.1 材料的物理性质 1.2 材料的力学性质 1.3 材料的耐久性与环境协调性
1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响
值越大，材料越轻质高强
1.2.2 弹性与塑性
1.弹性——外力作用产生变形,外力取消能完全恢复。
指标：弹性模量
E
意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越大，材料
越不易变形，即抵抗变形的能力越强。
2.塑性——外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复
1.2.3 韧性与脆性
1.脆性——无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等
1.3 材料的耐久性与环境协调性
基础知识
1.3.1 材料的耐久性
1.3.2 材料的环境协调性
1.3.1 材料的耐久性
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 性质，统称之为耐久性，它是一种 复杂的、综合的性质,包括材料的 抗冻性、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 的耐久性特点，合理地选用。

土木工程材料的基本性质

土木工程材料的基本性质

第一部分土木工程材料的基本性质一.名词解释:1.密度、表观密度、堆积密度2.强度等级、比强度3.弹性、塑性4.脆性、韧性5.耐水性、软化系数6.抗渗性7.抗冻性8.热容量、导热性9.耐久性10.亲水性、憎水性二.填空题:1、材料的吸水性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性分别用(吸水率),(软化系数),(抗渗等级或渗透系数),(抗冻等级),(导热系数)表示。

2、当材料的孔隙率一定时,孔隙尺寸越小,材料的强度越 (高),保温性能越(好),耐久性(愈好) 。

3、选用墙体材料时,应选择导热系数较(小)、容量较(大)的材料,才能使室内尽可能冬暖夏凉。

4、材料受水作用,将会对其(质量)、(强度)、(保温性能)、(抗冻性能)、及(体积)等性能产生不良影响。

5、材料的孔隙率较大时(假定均为开口孔),则材料的表观密度(较小)、强度(较低)、吸水率(较大)、抗渗性(较差)、抗冻性(较差)、导热性(较大)、吸声性(较好)。

6、材料的耐水性用(软化系数)表示,其值愈大则材料的耐水性愈(好)。

软化系数k 大于(0.85)的材料认为是耐水的。

7、评价材料是否轻质高强的指标为(比强度),它等于(材料的强度与表观密度之比),其值越大,表明材料(越轻质高强)。

8、无机非金属材料一般均属于脆性材料,最宜承受(静压力)。

9、材料的弹性模量反映了材料(抵抗变形)的能力。

10、材料的吸水率主要取决于(孔隙率)及(孔隙特征),(孔隙率)较大,且具有(细小开口)而又(连通)孔隙的材料其吸水率往往较大。

11、材料的耐燃性按耐火要求规定分为(非燃烧材料),(难燃烧材料)和(燃烧材料)三大类。

材料在高温作用下会发生(热变形)和(热变质)两种性质的变化而影响其正常使用。

(不要求)12、材料在使用环境中,除受荷载作用外,还会受到(物理作用)、(化学作用)和(生物作用)等周围自然因素的作用而影响其耐久性。

13、材料强度试验值要受试验时试件的(形状),(尺寸),(表面状态),(含水率),(加荷速度)及(温度)等的影响。

土木工程材料的基本性质

土木工程材料的基本性质

金属材料
有 机 材 料 复 合 材 料
植物质材料 沥青材料 高分子材料 无机非金属材 料和有机材料 的复合
建筑结构材 料
砖混结构 ：石材，砖，水泥混凝土， 钢筋 钢木结构：建筑钢材，木材
砖及砌块：普通砖、空心砖，硅酸盐 及砌块 墙板：混凝土墙板、石膏板、 复合墙板 防水材料：沥青及其制品 绝热材料：石棉、矿棉，玻璃棉、膨 胀珍珠岩石 吸声材料；木丝板、毛毡，泡沫塑料 采光材料：窗用玻璃 装饰材料：涂料、塑料装饰材料、铝 材
建 筑 材 料
墙体材料
建筑功能材 料
第一篇
绪论
二、土木工程材料分类
2、按功能及用途分类 建筑结构材料：承重、传力 建筑功能材料：非承重、非传力 防水材料、装饰材料、保温材料、遮 挡及分隔等墙体材料

第一篇
绪论
三、建筑结构材料的主要种类
1、水泥混凝土及其组成材料 水泥、砂、石、掺合料、外加剂、水。 2、承重墙体材料及其组成材料、地基用材料 水硬性及气硬性胶凝材料、建筑砂浆、砖 （主要为烧结砖及部分蒸养砖和免烧砖）。 3、钢材 板材、管材、型钢、钢筋及钢绞线、高 强螺拴及锚具。

五、土木工程材料的基本性质
（二）、力学性质



3、脆性和韧性 脆性：材料受力达到一定程度后，无明显塑性变形， 便突然破坏的性质。 如：混凝土、玻璃、陶瓷等。 特点：抗压强度高，抗冲击、抗拉、抗振、抗折（弯） 强度低。 韧性：材料在振动或冲击作用下，能吸收较大能量， 并产生较大变形而不突然破坏的性质。 如：低碳钢、合金钢、木材、某些高分子材料等。 特点：抗拉、抗折（弯）强度高。 Wk 冲击韧性指标： k A


1、强度 强度与应力的关系 强度是材料在应力作用下抵抗外力破 坏的能力，它表征材料的力学本性， 是材料本身的性质（抗拉、抗压、抗 剪、抗弯）。 应力是施加于材料上的单位面积的作 用力，是表征外力对材料的作用，与 材料本性无关（压应力、拉应力、剪 应力、弯应力）。

第一章 土木工程材料的基本性质

第一章 土木工程材料的基本性质

空气声： 选择密实、沉重的材料
固体声： 采用不连续的结构处理
第1章 土木工程材料的基本性质
1.2 材料的基本力学性质 一、 强度和比强度
强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力
极限强度：材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力 根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强
度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
耐久性
第1章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的物理性质 一、 与质量状态有关的物理性质
1. 密度：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
m V
––– 密度，g/cm3；
m ––– 材料在干燥状态下的质量，g； V––– 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
测量方法 有较多孔隙的材料，
比强度：按单位体积的质量计算的材料强度， 等于材料强度与其容积密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
常用土木工程材料的强度（单位：MPa） 材料名称 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 120~250 5~8 10~14 花岗岩 7.5~30 1.8~4.0 普通粘土砖 7.5~60 1.0~4.0 普通混凝土 30~50 80~120 60~100 松木(顺纹) 235~600 235~600 建筑钢材
膨胀珍珠岩
矿棉
矿棉板
膨胀珍珠岩板
第1章 土木工程材料的基本性质
2.热阻R
热阻: 材料层厚度与导热系数的比值，表明热量通过材料 层时所受到阻力。 影响因素： 孔隙结构，含水状况，材料的组成，温度等
第1章 土木工程材料的基本性质
3.热容量——用比热c表示
热容量: 材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。
Q 比热： c m (T1 T2 )

土木工程材料的基本性质

土木工程材料的基本性质
与其自然状态下的体积之比,可按下式计算:
• ５. 孔隙率 • 孔隙率是指固体材料的体积内孔隙体积所占的比例,可按下式计算:
• 材料的密实度与孔隙率之和等于１,即D＋P＝１.材料的密实度和孔隙 率是从两个不同侧面反映材料密实程度的指标.
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2.1 材料的物理性质
• 闭口孔隙率是指材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之 比的百分率.即闭口孔隙率＝孔隙率－开口孔隙率.
• １. 亲水性与憎水性 • 材料与水接触时,根据其是否能被水润湿,可将材料分为亲水性材料与
憎水性材料.在材料、空气和水的交点处,沿水滴表面的切线与水和材 料接触面所成的夹角称为润湿边角.润湿边角越小,材料越易被水润湿. • 材料能被水润湿的性质称为亲水性(润湿边角θ≤９０°),具有这种性质 的材料为亲水性材料[图２-３(a)].大多数材料都属于亲水材料,如无机 胶凝材料、烧结普通砖、混凝土、木材、砂、石等,不但表面能够吸 附水分,而且还能将水分吸入内部的毛细孔中.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.1 材料的物理性质
• 两种密度的计算均可采用表观密度计算公式,但需区分开两者体积的 含义.视密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义.
• 当材料含有水分时,其质量和体积都会发生变化.一般测定表观密度时, 以干燥状态为准,如果在含水状态下测定表观密度,须注明其含水情况.
• 土木工程材料中绝大部分材料都是存在一定孔隙的,如石材、砖、混 凝土等,为测定有孔隙材料的绝对密实体积,常将其磨细干燥后用李氏 瓶(图２-１)测定其体积,材料磨得越细,测得的数值越接近材料的真实 体积.一般将要求磨细的细粉粒径至少小于０.２０mm.
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第1章 土木工程材料的基本性质

第1章 土木工程材料的基本性质

(2) 砖浸水后强度下降
某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许 多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的 多孔的红砖，见下图。请分析原因。

原因分析：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

未烧透的的重红量，砖从而导致房屋倒塌。
保温层的目的是较少外界温度变化对住户的 影响，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。观
A B 察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构， B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。
7.其它性质
1 耐火性
耐火材料、难熔材料、易熔材料
2 耐燃性
韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。
1.2.4 材料的硬度和耐磨性（了解性内容）
1.硬度——抵抗外物压入或刻划的能力。 可采用：莫氏硬度（石料、陶瓷等）； 布氏、洛氏硬度（金属材料）。 特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。
2.耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力。
（路面材料要求）
1.3 材料的耐久性
材料在各种环境因素作用下，在长期使用过程中 保持其性能稳定的性质。
5. 材料的抗冻性
——材料饱水状态下<，思能考经>：受孔多隙次率冻越融交替作用， 既不破坏，强度又不大显，著材降料低的的抗性冻质性。
抗冻等级：能经受冻融是否循越环差的？最大次数，

记为F50、F100、F200、F300 …
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

土木工程材料的基本性质

土木工程材料的基本性质
土木工程材料的基本性质
土木工程材料基本性质
内容提要
基本物理性质 力学性质 与水有关性质 热工性质 耐久性
土木工程材料基本性质
1 材料的基本物理性质
材料的物理性质主要掌握材料的六个基本参数, 即: 三个状态参数:密度,表观密度,堆积密度 三个计算参数:密实度,孔隙率,空隙率
1.1 三个状态参数
一,密度(ρ) 密度(
二,比热及热容量
土木工程材料基本性质
1.
比热:单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量 称为热容量系数或比热.计算式如下: Q c= m(t1 t2 ) Q —材料吸收或放出的热量,J; M —材料质量,g; (t1-t2)—材料受热或冷却前后的温差,K.
式中:C —材料的比热,J/gK;
土木工程材料基本性质
二,孔隙率(P)
1定义:孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体 积的百分率. 2.公式: p = V0 V ×100% = (1 ρ0 ) ×100% V0 ρ 3.密实度与孔隙率关系:
p + D =1
4.孔隙对材料的影响:(1)孔隙的多少(孔隙率) (2)孔隙的特征
Q d (t1 t2 )FZ
土木工程材料基本性质
3. 导热系数影响因素
(1)材料的组成与结构 (2)材料的孔隙率 通常金属材料,无机材料,晶体材料 的导热系数分别大于非金属材料,有机材料,非晶体材料; 由于材料孔隙内的密闭空气的导热系数很 小,所以导热系数随孔隙率增大而减小,孔隙的大小和连通程 度对导热系数也有影响.细小孔隙,闭口孔隙比粗大孔隙,开 口孔隙对降低导热系数更为有利,因为减少或降低了对流传热; (3)含水率 (4)温度 材料含水或含冰时会使导热系数急剧增加,因为 温度越高材料的导热系数越大(金属材料除外) 水和冰的导热系数分别是空气的20倍和80倍;

第1章 土木工程材料的基本性质

第1章 土木工程材料的基本性质

不同材料，强度等级有不同的划分方法，具体划分在各章分讲 不同材料，强度等级有不同的划分方法，
常用材料强度
比强度——指材料强度与其表观密度 2. 比强度 指材料强度与其表观密度 之比。 之比。 意义：反映材料轻质高强的指标。值越大 材料越轻质高强 影响材料强度的因素 ①材料的组成、结构和构造 ②试验条件：试验方面的因素有：试件 大小、试件形状、加荷速度以及试件的 平整度等。 ③材料的含水情况 ④温度
1.4
耐久性与环境协调性
耐久性——材料抵抗外力破坏的能力。 材料抵抗外力破坏的能力。 1.4.1 耐久性 材料抵抗外力破坏的能力 综合性质： 抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐热性、耐磨 性等不同环境中，应考虑相应的性质。 1.4.2 环境协调性 ——对资源和能源消耗少,对环境污染小,循环再生利用 率高。 目前，提倡“绿色建材”
注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 KR：0~1之间，通常>0.80则认为是耐水材料 0~1之间，通常>0.80则认为是耐水材料 之间 >0.80则认为是 若在潮湿环境下的重要建筑物，必须选用>0.85的材料建造 若在潮湿环境下的重要建筑物，必须选用>0.85的材料建造 潮湿环境下的重要建筑物 >0.85
1.5.2 弹性和塑性 1.弹性——外力作用产生变形,外力取消能完全恢复。 指标：弹性模量
σ E= ε
意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越大，材料 越不易变形，即抵抗变形的能力越强。 2.塑性——外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复
混凝土的应力应变曲线
钢的应力应变曲线
1.5.3 韧性和脆性 1.脆性——无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等 特点：抗压强度远高于抗拉强度 2.韧性——产生一定变形不破坏,能吸收较大的能量。 韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。 采用冲击试验测定。

1-土木工程材料的基本性质

1-土木工程材料的基本性质
当材料两侧存在不同压力时，一切破坏因素 (如腐蚀性介质)都可通过水或气体进入材料内 部，然后把所分解的产物代出材料，使材料逐 渐破坏，如地下建筑、基础、压力管道、水工 建筑等经常受到压力水或水头差的作用，故要 求所用材料具有一定的抗渗性，对于各种防水 材料，则要求具有更高的抗渗性。
材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系 数和抗渗等级。
材料的抗冻性:材料在水饱和状态下，能经受多次冻 融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。
抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下， 测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥 落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻等级， 用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。 如F25、F50等。
冻融破坏的大坝坝面
五、材料的热工性质
1、材料的导热性
材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数表
示，即
Qa
At(T2 T1 )
式中：λ——材料的导热系数，w/（m·K）； Q ——总传热量，J； a ——材料厚度，m；
材料具有亲水性的原因是材料与水接触 时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身 分子间的内聚力。当材料与水பைடு நூலகம்间的分子亲 合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表 现为憎水性。
材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料 与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点 处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接 触面的夹角，称为润湿边角（润湿角）。
材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。
孔隙按尺寸分为微孔（≤2nm，无害孔）
毛细孔（2~50nm，少害孔）
大孔（≥50nm，有害孔）。
孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响很大。

土木工程材料的基本性质

土木工程材料的基本性质

第一节 材料的物理性质
二、与水有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
3.吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收水分的性质,称为吸湿性。 用含水率 含水率表示： 含水率
影响材料吸湿性的因素有： (1)自身的特性(亲水性、孔隙率和孔隙特征)。 (2)周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，材料的含水率 就越大。 (3)材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，称为平衡含 水率。
第一节 材料的物理性质
二、与水有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
5.抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性(不透水性)。 材料的抗渗性可用以下两种方法表示: (1)渗透参数K 渗透参数K 渗透系数越大,表明材料的透水性越好而抗渗性越差。 (2)抗渗等级 是指材料在标准试验方法下进行透水试验,以规定的试件在透水 前所能承受的最大水压力p(MPa)来确定。P 越大,材料的抗渗性 越好。 影响材料抗渗性的因素： 与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。 孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。
(3)测定方法：磨细、烘干、称量、排水法测体积。
第一节 材料的物理性质
一、与质量和体积有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
2.视密度 (1)定义：包括闭口孔隙在内的单位体积的质量。 (2)计算公式： （g/cm3）
(3)适用范围及测定方法：已经是粒状的材料，如：砂、石子、水泥 等,不再磨细，直接用排水法测定其体积。
反映块状材料密实程度的二个指标： 反映块状材料密实程度的二个指标： 块状材料密实程度的二个指标 5.密实度D 6.孔隙率P 显然，D+P=1。 显然，D+P=1

第1章 土木工程材料的基本性质

第1章 土木工程材料的基本性质
性的环境作用及评定。 【重点】材料基本性质的概念含义、公式表达，各性质之
间的区别与联系，材料性质与其组成、结构、构造以及环境因
素的关系，材料强度的计算与测定。 【难点】材料基本性质的影响因素及其作用机理。
Civil Engineering Materials
1.1 材料的物理性质
1.1.1 与质量有关的性质
mb mg Vw 1 WV 100% 100% Vg Vg w
（1-9）
式中 WV ——材料的体积吸水率（%）；
VW ——材料吸水饱和时吸入水的体积（cm3 ） ；
Civil Engineering Materials
1.1.2 与水有关的性质
Vg ——材料在干燥状态下的自然体积（cm3）；
1.1.1 与质量有关的性质
2．密实度与孔隙率 （l）密实度（D） 密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料中固 体物质的体积占材料总体积的百分率。按下式计算：
D
V 100% 0 100% V0
（1-4）
（2）孔隙率（P）
孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。可用
Civil Engineering Materials
常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
材料 石灰石 花岗岩 碎石（石灰石） 砂 黏土 普通黏土砖 黏土空心砖 水泥 普通混凝土 轻骨料混凝土 木材 钢材 泡沫塑料 玻璃 密度 （g/cm3） 2.60 2.60～2.90 2.60 2.60 2.60 2.50～2.80 2.5 3.1 — — 1.55 7.85 — 2.55 表观密度 （kg/m3） 1800～2600 2500～2800 — — — 1600～1800 1000～1400 — 2000～2800 800～1900 400～800 7850 20～50 2550 堆积密度 （kg/m3） — — 1400～1700 1450～1650 1600～1800 — — 1200～1300 — — — — — — 孔隙率（%） — 0.5～3.0 — — — 20～40 — — 5～20 — 55～75 0 — 0

土木工程材料(材料基本性质)

土木工程材料(材料基本性质)

∴
,闭口孔隙 V开
V0
V实 + V开 + V闭 =230 cm3
PB
V闭 V0
同理：
m
V
0
m V0
1.3 材料的力学性质
1.3.1 强度与比强度
（1）材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 1.1.2 材料的结构与构造 通常，按材料的结构和构造的尺度范围，可分为微
观结构、细观结构和宏观结构。 • 1.微观结构
指可用电子显微镜或X射线来分析研究的原子或分子 层次的结构。土木工程材料的使用状态一般为固体， 固体的微观结构可分为晶体和非晶体两大类。 • （1）晶体结构
土木工程材料
第一章
土木工程材料的基本性质
本章重点及难点
• 材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、 力学性质、耐久性等的影响
思考题？
1. 为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学 性质、耐久性）？ 2. 建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？
材料的性质分四个方面
⑴物理性质： 与质量有关的基本物理参数★
从应力应变图中看材料的脆性
（2）韧性 材料在冲击或震动荷载作用下， 能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
【分析与讨论】对比分析韧性材料与脆性材料
的差异及工程应用。
脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，不能 承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉部位，只适 用于承压构件。大多无机非金属材料为脆性材料， 如：天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土、烧结普 通砖等；
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m g 1.密度 V ( cm3 ) 式中：V—实体体积,李氏密度瓶测V m m g kg ) ( 或 3 3 2.表观密度 0 V V V V cm m 0 开 闭 实
式中：V0—表观体积，表面封蜡测V0 表观密度又称容重，分
m干 干容重 0 V0 m湿 湿 湿容重 0 V0 饱水容重 饱 m饱 0 V0
②
孔隙 孤立孔 三大 是否相互贯通 特征 连通孔 开口孔
与外界是否连通
材料的内部孔隙示意
闭口孔
孔隙、孔隙率与孔隙(形态)特征对材性的影响
1.一般来说,(单个)孔隙尺寸增大, 材料强度降低,导热系数增大 2.孔隙率增大，材料表观密度减小；强度降低；导热系数 减小；吸水率增大；透气、透水性变大。抗冻性是否降 低，要视孔隙大小和形态特征而定
粗孔与细孔
——毛细孔使材料吸水率增大、耐久性降低。
3.孔隙(形态)特征
一般来说粗孔不易吸满水，微细孔隙吸水率 非常大.
开孔与闭孔
——开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性更 不利.或增加闭口孔隙，可提高材料保温性、耐久性.
4.孔隙率
V实 0 V孔 V0 V实 P 1 1 100% V0 V0 V0
思考题
1.上面几种密度有何区别？如何测定？材料含水对四者 有何影响？ 2.测知各种材料的几种密度有何用途？ 3.材料的孔隙、空隙、间隙的区分，孔隙率与空隙率、 间隙率的区别？ 4.材料的密实度和填充率有何区别？密实度和孔隙率有 何关系？填充率和间隙率有何关系？ 5.材料密度、体积密度、孔隙率之间有何关系？ 6.材料的堆积密度和间隙率有何关系？ 7.材料内部孔隙对材性的影响应从哪两方面分析？
5、空隙率P′
材料之间空隙体积占堆积体积的百分率
材料的体积组成
闭口孔 隙
开口孔 隙
空 隙
开口孔隙 闭口孔隙
V开 V 闭 V孔
V空
Vo V ' o
V0 =ΣV0i
实 体 V空=ΣV空
实 体
V实
孔隙体积 V孔= V开 + V闭
表观体积 Vo= V实+ V孔= V实+V开 + V闭
堆积体积 Vo'= Vo + V空=V实+V开 + V闭+ V空
M M V开 1 干 饱 P开 Pk 100% 5.开口孔隙率 V0 V H O 0 2
V闭 V孔 V开 V孔 V开 PB P Pk 闭 6.闭口孔隙率 P V0 V0 V0 V0
7.空隙率
V空 V0 V0 V0 0 100% P 1 1 V0 V0 V0 0
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑 性变形同时发生，外力去除后，弹性变形 恢复，塑性变形保留。
（土木工程用材料多为弹塑性材料）
1.2.3 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。（属塑性变形）
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。 徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。 分析徐变对结构的影响？
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• (2)非晶体 非晶体是相对晶体而言的，又称玻璃体、无定形体 。非晶体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排 列，而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。非 晶体没有固定的熔点和几何形状，且各向同性，其强度 、导电性、导热性等低于晶体。 • 2.细观结构 细观结构（亚微观结构）是指用光学显微镜所能观 察到的材料结构。其尺寸范围介于宏观和微观之间。 材料的细观结构对材料的性质影响很大。通常，材 料内部的晶粒越细小、分布越均匀，其受力越均匀、强 度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料组成 之间的界面粘结越好，则其强度和耐久性越好。
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 3.宏观结构 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构 和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上的材料结构。 材料的宏观结构形式主要有以下几种： （1）按其孔隙特征可分为 ①致密结构 ②微孔结构 ③多孔结构 （2）按存在状态或构造特征可分为 ①纤维结构 ②层状结构 ③散粒结构 ④堆聚结构 宏观结构不同的材料具有不同的性质和用途。工程上 常用改变材料的密实度、孔隙结构，应用复合材料等方 法，来改善材料的性能，以满足不同的需要。
玻璃钢：0.225；低碳钢：0.054； 铝合金：0.160；砼：0.056
1.3.2
材料的弹性与塑性
弹性与塑性 材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复
变形，而残留一部分不能消失的变形，该
残留部份称为塑性变形。
• 【分析与讨论】
抗弯强度 1）
2）
3 PL ff 2bh 2 PL ff bh 2
(中点集中荷载) (三分点两相等集中荷载)
ff –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
b –––– 试件横截面积宽度，mm； h –––– 试件横截面积高度，mm。
∴
V闭 PB V0
同理：
m V
0
m V0
1.3 材料的力学性质
1.3.1 强度与比强度
（1）材料的强度
定义
材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强
度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F F F/2 F
土木工程材料
第 一 章
土 木 工 程 材 料 的 基 本 性 质
本章重点及难点
• 材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、 力学性质、耐久性等的影响
思考题？
1. 为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学 性质、耐久性）？ 2. 建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？
材料的性质分四个方面
⑴物理性质： 与质量有关的基本物理参数★ 与水有关的若干性质★ 与热有关的若干性质 与声音有关的性质 ⑵力学性质： 材料在应力作用下有关抵抗破坏和变 形的能力，包括强度、比强度、弹性 塑性、韧性及脆性。 ⑶化学性质： 材料发生化学变化的能力及抵抗化学 腐蚀的稳定性。 ⑷耐久性： 材料在使用过程中能长久保持其原有 性质的能力
土木工程材料的基本性质
材料性质 （性能） （特性） 技术要求 检验检测 常用规格 取决 于 材料组成 材料结构 物理性质 化学性质 力学性质 耐久性
掌握
目 的
合理应用
试验条件
化学组成 材料组成 矿物组成 相组成 宏观结构 材料结构
细观结构
微观结构
晶体结构 玻璃体结构
胶体结构 纳观结构 试件形状、尺寸 试件表面状况、含水状态 试验条件 试验温、湿度；加荷速度
弹性变形与塑性变形的区别
（a）弹性变形曲线（b）塑性变形曲线
材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下 公式： σ ＝Ε ε σ —— 应力； ε ——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比； Ε ——弹性模量；
弹性模量E ：材料刚度的度量，反映材料抵抗 变形的能力，是结构设计中变形验算的主要参数之一。 低碳钢：21 砼：1.45~3.60 （104MPa） 花岗岩200~600
1.2 材料的基本状态参数 (与质量有关的性质）
1.2 材料的基本状态参数 1、密度ρ 材料在绝对密实状态下单位体积重量
材 料 2、表观密度ρ0 材料在自然状态下单位体积重量 与 容重 体积密度 质 毛体积密度 量 有 3、堆积密度ρ0′ 散粒材料在堆积状态下单位体积重量 关 松散容重 的 性 4、孔隙率P 材料内部孔隙体积占表观体积的百分率 质 比重
常用材料密度与体积密度值
材料 密度 （g/cm3) 钢材 7.85 பைடு நூலகம்岗岩 2.6-2.9 石灰岩 2.6 普通砼 2.7 砂 2.6 水泥 3.1 粘土空心砖 2.5 木材 1.55 毛体积密度 (kg/m3) 7850 2500-2800 1800-2600 2000-2600 1000-1400 400-800 堆积密度 (kg/m3) 1450-1650 1200-1300 -
1.1 材料的组成、结构与构造对材 料性质的影响
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 1.1.1 材料的组成
材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材 料物理、力学性质的重要因素。
• 1.化学组成
化学组成是指材料的化学元素及化合物的种类和数 量。无机非金属材料的化学成分常用各氧化物的含量 来反映。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有 关，如耐火性、力学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等 。
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 2.物相组成 物相是指具有相同物理、化学性质，以及一定化学 成分和结构特征的物质。自然界中的物质可分为气相 、液相和固相。凡由两相或两相以上物质组成的材料 称为复合材料，土木工程材料大多数是多相固体。 • 3.矿物组成 矿物是指材料中具有特定的晶体结构和特定物理力 学性能的组织结构。矿物组成是指构成材料的矿物的 种类和数量。
干 0
3.堆积密度
0
m m ( g 3 或 kg 3 ) m V0 V实 V开 V闭 V空 cm
式中： V0′—堆积体积，容量筒测V0′
或得：V0 V0 V 经比较可得： 0 0
某些致密材料，如卵石等，可用直接 排液法，用这种方法测量的体积，由 于无法排除内部封闭的孔隙，所以称 这样测得的密度为近似密度( ′)。
土木工程材料常以其强度大小 划分为若干等级，俗称