第一章 土木工程材料的基本性质
本章导学
学习目的：土木工程材料有无机材料、有机材料及复合材料，它具有结构或功能的作用。而土木工程包括建筑工程、道路工程、桥梁工程、地下工程、岩土工程等，土木工程材料为这些工程服务，通过学习其基本性质，了解土木工程基本性质与工程特性的关系。
教学要求：通过工程实例说明土木工程材料的分类；通过各种土木工程特点的分析，说明土木工程材料的物理、力学性质及耐久性；重点讲解土木工程材料的密度、与水有关的性质、强度、弹性、粘性与塑性。
1.1土木工程材料的分类
土木工程材料是指在土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。它是一切土木工程的物质基础。由于组成、结构和构造不同，土木工程材料品种繁多、性能各不相同、在土木工程中的功能各异，而且价格相差悬殊，在土木工程中的用量很大，因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程结构物安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。 由于土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和论述方便，常从不同角度对它进行分类。最通常的是按材料的化学成分及其使用功能分类。
1.1.1按化学成分分类
根据材料的化学成分，可分为有机材料、无机材料以及复合材料三大类，如表1－1所示。
分类 实例
无机材料 金属材料 黑色金属 钢、板及其合金、合金钢、不锈钢等
有色金属 铝、铜、铝合金等
非金属材料 天然石材 砂、石及石材制品
烧土制品 粘土砖、瓦、陶瓷制品等
胶凝材料及制品 石灰、石膏及制品、水泥及混凝土制品等
玻璃 普遍平板玻璃、特种玻璃等
无机纤维材料 玻璃纤维、矿物棉等
有机材料 植物材料 木材、竹材、植物纤维及制品等
沥青材料 煤沥青、石油沥青及其制品等
合成高分子材料 塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等
复合材料 有机与无机非金属材料复合 聚合物混凝土、玻璃纤维增强塑料等
金属与无机非金属材料复合 钢筋混凝土、玻璃纤维混凝土等 金属与有机材料复合 PVC钢板、有机涂层铝合金板等
皿圆 土木工程材料基本性质的试验教学讨论 成全喜． （天津城市建设学院土木工程系 天津 ３００３８４） 学术论坛
摘要：材料基本性质试验是土木工程材料课程基本试验之一，密度、表观密度、堆积密度等内容是该项试验的核心，准确解读不同的密 度概念及其它们的区别与联系，正确选择试验方法，是指导学生完成试验的关键。 关键词：土木工程材料 密度 中图分类号：Ｇ７１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０９（ｃ）－０１９０－－０１ “土木工程材料”课程是土木工程专业 必修的专业基础课，土木工程材料试验是 该课程的重要组成部分，其中材料基本性 质试验涉及内容较多，是该课程的基本试 验之一，密度、表观密度等知识点是该试验 的核心内容，准确解读不同的密度概念及 其它们的区别与联系，是指导学生完成试 验的关键。 １密度的相关概念 密度（Ｄｅｎｓｉｔｙ）是指材料在绝对密实状态 ， 下，单位体积的质量。按下式计算Ｐ ，式 ｙ 中 为密度，ｇ／ｃｍ ； 为材料的质量，ｇ；Ｖ 为材料在绝对密实状态下的体积，ｃｍ 。 表观密度（Ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）是指材料自 然状态下，单位体积的质量。按下式计算 ｍ ，式中Ｐｏ为表观密度，ｇ／ｃｍ３ｇ￣ｋｇ／ｍ３； ｍ为材料的质量，ｇ或ｋｇ； 为材料在自然状 态下的体积，ｃｍ 或ｍ 。 堆积密度（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ ｄｅｎｓｉｔｙ）是粉状 或颗粒材料，在堆积状态下，单位体积的质 ．，。 量。按下式计算 ，式中 为堆积密 度，ｋｇ／ｍ ； 为材料的质量，ｋｇ｛ 为材料 的堆积体积，ｍ 。 密度、表观密度和堆积密度既有联系 又有区别， ＞Ｖｏ＞Ｖ，Ｐ ＜Ｐｏ＜Ｐ。 在土木工程材料中，除钢材、玻璃等少 数材料，大多数材料内部均存在孔隙。材料 的孔隙有闭口和开口之分，材料的孔隙率 是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的 百分率。材料的空隙率则是指散粒状材料 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。材料的这些特征状态对其性质有重 要影响。并直接影响不同密度的测定方法 和仪器的选用。 ２密度的相关试验 实际试验当中，各个实验室选用水泥、 石料、矿粉等不同的材料进行试验，涉及不 同的国际标准与工程规范，例如 ＧＢ／Ｔ ２０８一ｌ ９９４水泥密度测定方法》、《ＧＢ／Ｔ １４６８４—２００１建筑用砂））、《ＧＢ／Ｔ １４６８５— ２００１建筑用卵石、碎石》、（（ＪＴＧ Ｅ４ｌ一２００５ 公路工程岩石试验规程》、（（ＪＴＧ Ｅ４２—２００５ 公路工程集料试验规程》、（（ＪＴＧ Ｅ３０—２００５ 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》、 ⅨＧＢ ９９６６．３—２００１天然饰面石材试验方法 第３部分体积密度、真密度、真气孔率、吸水 率试验方法》等。 工程实践当中，由于材料状态及测定 条件的不同，为了使密度的测定具有特定 的工程意义，还衍生出了真实密度、表干密 度、毛体积密度及对应的相对密度等概念， 各个规范当中定义的表述、符号也存在差 异，因此需透彻掌握密度测定的方法、内涵 以及仪器的工作原理。 密度测定的关键与难点是材料体积的 测定，而质量测定较为简单。 密度公式所指的体积是绝对密实状态 下的体积，它不包括材料内部的体积。为测 定有孔材料的绝对密实体积，需把材料磨 细，干燥后用李氏瓶测定，主要仪器还有恒 温水槽、烘箱、干燥器、天平等。 测试原理是根据阿基米德定律，材料 的体积等于它所排开的液体体积，从而算 出处理单位体积的质量即为密度，为使测 定的材料（例如水泥、石粉）不产生水化反 应，液体介质通常采用无水煤油。并应对亲 水性粉状材料做液体介质测定。材料细度 直接影响测试结果，材料磨得越细（至少小 于０．２０ｍｍ），测得的数值越接近真实绝对体 积。 需要注意的是，试样的恒温条件应与 测试条件相一致。李氏瓶呈现极强的热胀 冷缩性能，对温度的反应比较灵敏，通常的 做法是同时侧试密度瓶＋试样＋试液的质 量和以及密度瓶＋试液的质量和，要求两次 侧量时温度保持一致，以减少测试环境温 度的变化对测试值的影响。 在工程上，亦将材料密度与４℃纯水密 度之比称为相对密度。 表观密度亦称“视密度”，公式所指体 积包含材料的实体材料成分及闭口孔隙， 不包括能吸水的开口孔隙的体积。 表观密度的测定与含水量的关系较 大，材料在自然状态下的体积是指包含材 料内部开Ｉｑ孔隙和闭口孔隙的体积。对于 外形规则的材料，可用量具直接测得体积。 对于外形不规则的材料，应采用排水法测 体积，轻质颗粒的体积需采用涂蜡法测定。 粗集料的表观密度，应首先采用“网篮 法”测定体积，主要仪器有浸水天平、吊篮、 溢流水槽、烘箱、标准筛等。 当粗集料颗粒较小时也可采用“容量 瓶法”。主要仪器有浸水天平、容量瓶、烘 箱、标准筛等。在实验室快速测定时，可用 广Ｉｑ瓶代替容量瓶，但由于瓶外的水的影 响及玻璃盖不易盖好等原因，会降低试验 精度。 １ ９０ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 细集料表观密度测定，可采用李氏瓶 测体积，但一般采用“容量瓶法”，主要仪器 有容量瓶、天平、烘箱、烧杯等。这两种方法 的取舍，（（ＪＴＧ Ｅ４２—２００５公路工程集料试 验规程》作了对比：“容量瓶法”通过称重计 算，不是由刻度线体积计算，材料的体积是 排开水的体积，计算得到的是该温度下细 集料对水的相对密度，然后进行温度换算 计算得到表观密度，测定的途径不一样。实 践表明，对细集料，采用李氏瓶测定时很难 去除细集料附着的气泡，所以很难测定准 确。还要在试验前对比重瓶的体积予以校 正，容易造成误差。因此实践中一般都不采 用此方法，而采用“容量瓶法”测定。 堆积密度原称“松散容重”，公式所指 的体积包含材料的实体材料部、内部的所 有孔隙体积和颗粒问的空隙体积。 粗集料堆积密度的测定，可采用容量 筒测定体积，再配备天平或台秤等设备。 细集料堆积密度的测定，亦采用容量 筒测定体积，但必须配有标准漏斗，再配备 烘箱、天平或台秤等设备。 堆积密度的测定操作简单、测试结果 受人为因素影响较多，误差较大，因此应注 意材料的取样缩分、试样的制备、容量筒规 格的选用及操作人员的操作手法。 ３结语 准确解读不同的密度概念及其它们的 区别与联系，注意区别不同材料的性质，准 确选用不同的试验方法，牢固树立国家标 准和规范的意识，透彻掌握试验仪器的工 作原理，才能准确测定各种密度，取得良好 的试验教学效果。 参考文献 ［１］梅锡，陈正池．土木材料试验【Ｍ】．台北： 东华书局印行，１９９１． 【２】湖南大学等．土木工程材料【Ｍ】．北京： 中国建筑工业出版社，２００２． ［３１张会兵等．轻质颗粒料体积密度检测方 法的探讨【Ｊ】．耐火材料，２００６，４０（２）： 】４３～ｌ ４４．
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843钢筋混凝土结构
滕智明等.《混凝土结构及砌体结构》（上下册）.中国建筑工业出版社,2003..
1.简述孔隙率和孔隙特征对材料性能的影响。答：孔隙率的大小反映了材料的致密程度。材料的力学性质、热工性质、声学性质、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性等都与孔隙有关。孔隙率相同的情况下，材料的开口孔越多，材料的抗渗性、抗冻性越差。在材料的内部引入适量的闭口孔可增强其抗冻性。一般情况下，孔越细小、分布越均匀对材料越有利。 2.硅酸盐水泥腐蚀的外界条件和内因？答：内因: 1.水泥石中存在易受腐蚀的成分Ca(OH)2和C3AH6 2.水泥石中存在孔隙外因:环境中存在有害介质（软水、酸、盐等）,而且液态的腐蚀介质较固态的引起腐蚀更为严重，较高的温度、压力、较快的流速、适宜的湿度及干湿交替等均可加速腐蚀过程。 3．为什么生产硅酸盐水泥时掺适量石膏对水泥不起破坏作用，而水泥在有硫酸盐的环境介质中生成石膏对水泥石就有破坏作用？答：硫酸盐对水泥石的侵蚀作用，是指水或环境中的硫酸盐与水泥石中水泥水化生成的氢氧化钙与水化铝酸钙，产生1.5倍的体积膨胀。由于这一反应是在变形能力很小的水泥石内产生的，因而造成水泥石破坏，对水泥石具有腐蚀作用；生产水泥时掺入的适量石膏也会和水化产物水化铝酸钙反应生成膨胀性产物水化硫铝酸钙，但该水化物主要在水泥浆体凝结前产生，凝结后产生的较少。由于此时水泥浆还未凝结，尚具有流动性和可塑性，因而对水泥浆体的结构物破坏作用。并且硬化初期的水泥石中毛细孔含量较高，可以容纳少量膨胀的钙矾石，而不会使水泥石开裂，因而生产水泥时掺入的适量石膏对水泥石不产生破坏作用，只起到缓凝的作用。 4.某钢筋混凝土工程，原混凝土配合比采用的是中砂，后因工地无中砂而用细砂代替。在保持原流动性、砂石用量、水泥用量及标号不变条件下施工，最后混凝土强度比要求的低很多，你能指出造成这种情况的原因吗？如何做才是正确的？答：在其他条件不变的情况下，砂过细，砂子颗粒表面积过大，虽混凝土粘聚性、保水性较好，但由于需要较多的水泥浆来包裹砂粒表面，故用于润滑的水泥浆则较少，混凝土拌和物流动性差，导致响混凝土的强度的强度降低。重新购买中砂，如果要用细砂施工的话，此时，应增加粗集料的用量，减小砂率。曾加水泥浆用量。 5.现场浇灌混凝土时，能否随意向混凝土拌合物中加水？为什么？成型后能否洒水？为什么？答：加水是水灰比的改变，塌落度不符合现场施工要求时有两种情况，一是拌合时加水不足计量不准确或原料的含水量测试不准确，二是等待时间久开始初凝。成型后洒水与前述加水是本质的区别，理论上讲，混凝土自身的水分可以保证混凝土中水泥化学反应需要的水分，但是实际中水分是流失的，所以需要在养护期间洒水补充水分及混凝土表面进行降温防止收缩裂纹。 6.分析影响混凝土强度的主要因素。答：水泥强度，浆集比（浆和集料的比例），外加剂掺量，沙石级配，砂子的粗细，砂子的含泥量，砂子的矿物组成，石头的质量，施工工艺，养护温度，养护湿度，水的质量 7.与石油沥青比较，煤沥青的性质、特点、用途如何？答：煤沥青与石油沥青相类似，也有粘性、塑性等技术性能。但因煤沥青化学组成中主要是芳香族烃，有较多的表面活性物质，因此有不同于石油沥青的技术性能。①煤沥青的温度稳定性较差。煤沥青是较粗的分散系，其中软质树脂的温感性高，由固态或粘稠态转变为液态或流动态的温度范围较窄，受热易软化，低温易开裂。②煤沥青抗老化能力低。煤沥青所含易挥发成分及不饱和烃类，在温度较高或与氧接触或日光照射时，某些低分子量成分容易发生聚合或缩合反应，向高分子量成分转化。所以煤沥青的老化过程比石油沥青快。③煤沥青与石料粘附性较好。煤沥青中含有酸、碱性物质较多，它们是极性物质，使煤沥青有较高的表面活力和粘附力，与酸、碱性石料均能较好地粘附在一起。④煤沥青的塑性和耐久性差。因为煤沥青含有较多的游离碳，塑性低，低温下易开裂。煤沥青组分中含有较多的不饱和芳香族化合物，它们有较大的化学潜能，在自然环境中，易产生氧化、聚合，使老化过程加快。⑤煤沥青含有害的成分较多，臭味较重，应注意防护。
①材料的吸湿性是指材料在空气中吸收水分的性质。②材料的抗冻性以材料在吸水饱和态下所能抵抗的冻融循环次数来表示。③水可以在材料表面展开，即材料表面可以被水浸润，这种性质称为亲水性。④按材料结构和构造的尺度范围，可分为三种：宏观结构、亚微观结构和微观结构。⑤低碳钢受拉直至破坏，经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和劲缩阶段四个阶段。⑥按冶炼时脱氧成都分类，钢可以分成：镇静钢、沸腾钢、半镇静钢和特殊镇静钢。⑦碳素结构钢Q215AF表示屈服点为215MPa的A级沸腾钢。⑧石灰的特性有：可塑性好、硬化缓慢、硬化时体积收缩大和耐水性差等。⑨建筑石膏具有以下特性：凝结硬化快、孔隙率高、表观密度小、强度低、凝结硬化时体积略膨胀、防火性能好。⑩国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。
①建筑石膏的技术要求包括强度、细度和凝结时间。②建筑生石灰的技术要求包括CaO和MgO含量、CO2含量、未消化残渣含量、产浆量四项。③混凝土拌合物的和易性包括流动性、粘聚性和保水性三个方面的含义。④测定混凝土拌合物和易性的方法有坍落度法或维勃稠度法。⑤以无水石膏或工业氟石膏作调凝剂的水泥，当使用木质素磺酸盐减水剂时会出现异常凝结现象。⑥混凝土按体积密度的大小可分为重混凝土、普通混凝土和轻混凝土。⑦目前所用的墙体材料有砖、砌块和板材三大类。⑧烧结普通砖具有自重大、体积小、生产能耗低和施工效率高等缺点。
材料的空隙率：指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间孔隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率。
堆积密度：指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间孔隙体积）物质颗粒的质量，有干堆积密度及湿堆积密度之分。
弹性模量：钢材受力初期，在弹性阶段，应力与应变成比例增长，应力与应变之比为常数，称为弹性模量。
屈服强度：低碳钢拉伸时，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当盈利达到某点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。
