第1章土木工程材料基本性质分析

1、第第1章章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 土木工程材料土木工程材料 第1章土木工程材料基本性质分析 本本 节节 内内 容容 材料的组成、结构与构造材料的组成、结构与构造 1 材料的物理性质材料的物理性质 2 材料的热工性质材料的热工性质 3 材料的力学性质材料的力学性质 4 材料的化学性质和装饰性材料的化学性质和装饰性 5 材料的耐久性材料的耐久性 6 【本章内容导读本章内容导读】 讲述内容讲述内容本章主要讲述土木工程材料的基本性质，包括本章主要讲述土木工程材料的基本性质，包括 基本物理性质、热工性质、力学性质、化学性基本物理性质、热工性质、力学性质、化学性 质、装饰性质、耐久

2、性以及材料的组成、结构质、装饰性质、耐久性以及材料的组成、结构 与构造等方面内容与构造等方面内容 。 学习重点学习重点 和要求和要求 要求学生重点熟悉和掌握土木工程材料的基本要求学生重点熟悉和掌握土木工程材料的基本 性质，了解材料科学的基本概念，理解材料的性质，了解材料科学的基本概念，理解材料的 组成结构与性能的关系，以便在工程设计和施组成结构与性能的关系，以便在工程设计和施 工中能够正确地选择和合理地使用各种材料工中能够正确地选择和合理地使用各种材料 。 1.1 材料的组成、结构与构造材料的组成、结构与构造 1.1.1 材料的组成材料的组成 材料的组成包括化学组成、矿物组成和相组成材料的组成

3、包括化学组成、矿物组成和相组成。 1.化学组成化学组成 钢材的锈蚀钢材的锈蚀 材料的可燃性和耐火性材料的可燃性和耐火性 木材的腐蚀木材的腐蚀 混凝土的碳化及受到酸碱盐类物质的侵蚀混凝土的碳化及受到酸碱盐类物质的侵蚀 n构成材料的化学元素及构成材料的化学元素及化合物化合物的种类及数量的种类及数量 2.矿物组成矿物组成 硅酸盐水泥硅酸盐水泥：硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙：硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙水泥易水水泥易水 化成碱性凝胶体，具有凝结硬化的性能化成碱性凝胶体，具有凝结硬化的性能 大理石：方解石、白云石，含有少量石英大理石：方解石、白云石，含有少量石英不耐酸腐不耐酸腐 蚀蚀 花岗岩花岗岩：长石、石英和

4、少量云母：长石、石英和少量云母酸性岩石多酸性岩石多耐酸耐酸 性好，但耐火性差性好，但耐火性差 n矿物：具有特定晶体结构、特定物理力学性能的组织结构矿物：具有特定晶体结构、特定物理力学性能的组织结构 n矿物组成：构成材料的矿物种类和数量矿物组成：构成材料的矿物种类和数量。 3.相组成相组成 混凝土：由集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基混凝土：由集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基 相）中所组成的两相复合材料相）中所组成的两相复合材料 复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有 密切关系密切关系 n材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相材料中结

5、构相近、性质相同的均匀部分称为相 n自然界中的物质自然界中的物质:分为气相、液相、固相三种形态分为气相、液相、固相三种形态 n由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。 1.1.2 结构与构造结构与构造 n 材料的结构材料的结构 宏观结构宏观结构 细观结构细观结构 微观结构微观结构 n 材料的构造材料的构造 n 宏观结构是指用肉眼或低倍放大镜能够分辨宏观结构是指用肉眼或低倍放大镜能够分辨 的粗大组织，其尺寸在的粗大组织，其尺寸在10-3m级以上级以上 1宏观结构（宏观结构（Macrostructure） 按孔隙尺度按孔隙尺度 密实结构、多孔结构、

6、微孔结构密实结构、多孔结构、微孔结构 按构成形态按构成形态 堆聚结构、纤维结构、层状结构、堆聚结构、纤维结构、层状结构、 散粒结构散粒结构 基本上无孔隙或孔隙极少，基本上无孔隙或孔隙极少， 结构致密。结构致密。 具有吸水率低、抗渗和抗具有吸水率低、抗渗和抗 冻性较好、强度和硬度较冻性较好、强度和硬度较 高等性质高等性质 如金属材料、致密岩石和如金属材料、致密岩石和 玻璃等玻璃等。 (1)(1)密实结构密实结构 按孔隙尺度分按孔隙尺度分 大理石大理石 n 多孔结构是指在材料中存在多孔结构是指在材料中存在 均匀分布的孤立或适当连通均匀分布的孤立或适当连通 的粗大孔隙。的粗大孔隙。 n 特点：质轻、

7、抗渗性和抗冻特点：质轻、抗渗性和抗冻 性较差、绝热性较好性较差、绝热性较好 n 如加气混凝土、泡沫混凝土如加气混凝土、泡沫混凝土 等。等。 (2)(2)多孔结构多孔结构 加气混凝土砌块加气混凝土砌块 n微孔结构：在材料中存在均匀分布的微孔隙微孔结构：在材料中存在均匀分布的微孔隙 (3)(3)微孔结构微孔结构 n特点：强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。特点：强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。 n如石膏制品、烧结普通砖等。如石膏制品、烧结普通砖等。 (4)(4)堆聚结构堆聚结构 n堆聚结构是指由集料和胶凝材堆聚结构是指由集料和胶凝材 料结合而成的结构料结合而成的结构 n如水泥混凝土

8、、砂浆、沥青混如水泥混凝土、砂浆、沥青混 合料等合料等 水泥混凝土水泥混凝土 按构成形态分按构成形态分 (5)(5)纤维结构纤维结构 n纤维结构是指纤维状的纤维结构是指纤维状的 物质结构物质结构 n在平行纤维方向和垂直在平行纤维方向和垂直 纤维方向上的强度、导热纤维方向上的强度、导热 性及其它一些性质明显不性及其它一些性质明显不 同，即各向异性同，即各向异性 n如木材、竹、玻璃纤维、如木材、竹、玻璃纤维、 石棉等。石棉等。 竹子的纤维构造竹子的纤维构造 (6)(6)层状结构层状结构 n 层状结构由天然形成或层状结构由天然形成或 人工粘结等方法将材料人工粘结等方法将材料 叠合而成。叠合而成。 n

9、 每一层材料的性质不同，每一层材料的性质不同， 但叠合成层状结构后综但叠合成层状结构后综 合性质好，可显著提高合性质好，可显著提高 材料的强度、硬度、绝材料的强度、硬度、绝 热或装饰等性质，扩大热或装饰等性质，扩大 其使用范围。其使用范围。 n 如胶合板、纸面石膏板、如胶合板、纸面石膏板、 塑料贴面板等。塑料贴面板等。 胶合板的层状结构胶合板的层状结构 (7)(7)散粒结构散粒结构 n 散粒结构是指松散颗粒散粒结构是指松散颗粒 状结构。状结构。 n 散粒材料颗粒间存在大散粒材料颗粒间存在大 量的空隙，可以用来拌量的空隙，可以用来拌 制混凝土和用做绝热材制混凝土和用做绝热材 料。料。 n 如混凝

10、土用集料、陶粒、如混凝土用集料、陶粒、 膨胀珍珠岩等。膨胀珍珠岩等。 陶粒的散粒结构陶粒的散粒结构 n 细观结构是指用光学显微镜可以观察到的微细观结构是指用光学显微镜可以观察到的微 米级的组织结构，米级的组织结构，其尺寸范围在其尺寸范围在10-310-6m。 2.细观结构（细观结构（Submicroscopical Structure） 水泥混凝土水泥混凝土=基相基相+集料相集料相+界面界面 天然岩石天然岩石=矿物矿物+晶体颗粒晶体颗粒+非晶体组织非晶体组织 钢材钢材=铁素体铁素体+珠光体珠光体+渗碳体渗碳体 木材木材=木纤维木纤维+导管导管+髓线髓线+树脂道树脂道 研究金属材料细观结构的方法

11、称为金相分析研究金属材料细观结构的方法称为金相分析 研究非金属材料（岩石、水泥、陶瓷等）细观结构的方法称为岩研究非金属材料（岩石、水泥、陶瓷等）细观结构的方法称为岩 相分析相分析 n 微观结构是指用电子显微镜、扫描电子显微微观结构是指用电子显微镜、扫描电子显微 镜和镜和X射线衍射仪等进行研究分析的材料原子、射线衍射仪等进行研究分析的材料原子、 分子层次的结构分子层次的结构，其尺寸范围在其尺寸范围在10-610-10m。 3.微观结构（微观结构（Microstructure） 按材料组成质点的空间排列或联接方式不同，微观结构按材料组成质点的空间排列或联接方式不同，微观结构 分为晶体、玻璃体和胶体

12、结构。分为晶体、玻璃体和胶体结构。 (1)(1)晶体（晶体（Crystalline） n原子晶体。中性原子以共价键而结合成的晶体，如石原子晶体。中性原子以共价键而结合成的晶体，如石 英等。英等。 n离子晶体。正负离子以离子键而结合成的晶体，如离子晶体。正负离子以离子键而结合成的晶体，如 CaCl2等，等， n分子晶体。以分子间的范德华力即分子键结合而成的分子晶体。以分子间的范德华力即分子键结合而成的 晶体，如有机化合物。晶体，如有机化合物。 n金属晶体。以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属金属晶体。以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属 阳离子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。阳离子间的金属

13、键结合而成的晶体，如钢铁材料。 结构特征：内部质点（原子、离子、分子）结构特征：内部质点（原子、离子、分子） 在空间上按特定的规则呈周期性的排列在空间上按特定的规则呈周期性的排列 n 在复杂的晶体结构中，其原子团可以联结成为在复杂的晶体结构中，其原子团可以联结成为 空间结构、平面层状结构或链状结构。空间结构、平面层状结构或链状结构。 空间结构空间结构:其整体性良好，也比较坚固，如石英等；其整体性良好，也比较坚固，如石英等； 平面层状结构平面层状结构：平面结构本身是比较坚固的，但平：平面结构本身是比较坚固的，但平 面结构之间的联结往往是比较薄弱的，这种结构容面结构之间的联结往往是比较薄弱的，这种

14、结构容 易分解成片状物质，如云母、石墨等。易分解成片状物质，如云母、石墨等。 链状结构链状结构：链与链之间的联结弱于链本身的联结，：链与链之间的联结弱于链本身的联结， 容易分解成纤维状物质，如石棉等。容易分解成纤维状物质，如石棉等。 （2 2）玻璃体（玻璃体（Vitreous body） n玻璃体是熔融物在急冷时，质玻璃体是熔融物在急冷时，质 点来不及按一定规则排列而形成点来不及按一定规则排列而形成 的内部质点无序排列的固体或固的内部质点无序排列的固体或固 态液体。态液体。 n特点：没有固定的熔点和几何特点：没有固定的熔点和几何 形状，而且各向同性。急冷时大形状，而且各向同性。急冷时大 量的化

15、学能储存在材料中，化学量的化学能储存在材料中，化学 稳定性差，容易与其它物质发生稳定性差，容易与其它物质发生 化学反应或产生重新结晶化学反应或产生重新结晶 n火山灰、粒化高炉矿渣等均属火山灰、粒化高炉矿渣等均属 玻璃体玻璃体 粉煤灰玻璃体粉煤灰玻璃体 （3 3）胶体（胶体（Colloid） 如硅酸盐水泥的主要水化产物是凝胶体，混凝土如硅酸盐水泥的主要水化产物是凝胶体，混凝土 的徐变就是由于水泥凝胶体的粘性流动而产生的。的徐变就是由于水泥凝胶体的粘性流动而产生的。 n 物质以极微小的质点（粒径为物质以极微小的质点（粒径为10-710-9m）分）分 散在介质中所形成的结构散在介质中所形成的结构 由

16、于胶体的质点很微小，其总的表面积很大，因由于胶体的质点很微小，其总的表面积很大，因 而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有 较强的粘结力。较强的粘结力。 水泥凝胶体水泥凝胶体 4.4.材料的构造材料的构造 n材料的构造材料的构造: :具有特定性质的材料结构单元间的互相具有特定性质的材料结构单元间的互相 组合搭配情况。组合搭配情况。 n强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。 木材的宏观构造和微观构造木材的宏观构造和微观构造 具有特定构造的节能墙板具有特定构造的节能墙板 1.2 材料的物理性质材料的物理性质 1

17、.2.1 材料的四种密度材料的四种密度 n密度密度 n表观密度表观密度 n体积密度体积密度 n堆积密度堆积密度 定义定义:材料在绝对密实状态下，材料在绝对密实状态下， 单位体积的质量。单位体积的质量。 m V 图图1 1 密度测量仪器密度测量仪器 公式公式: 1.密度（密度（Density） n 将该材料磨成细粉，干燥后用密度瓶采用排将该材料磨成细粉，干燥后用密度瓶采用排 液法测定其绝对密实体积液法测定其绝对密实体积 n 要求细粉的粒径至少小于要求细粉的粒径至少小于0.20mm。 密度的测定密度的测定 相对密度相对密度 n 材料的密度与材料的密度与4纯水密度的比值表示，无量纯水密度的比值表示，

18、无量 纲。纲。 定义定义:材料单位表观体积（闭口材料单位表观体积（闭口 +实体）的干质量。实体）的干质量。 公式公式: 2.表观密度（表观密度（Apparent density） m V 干表观密度干表观密度 当材料含水时所测得的表观密当材料含水时所测得的表观密 度，称为湿表观密度。度，称为湿表观密度。 工程中砂石材料在包含闭口孔工程中砂石材料在包含闭口孔 隙条件下的体积采用排液置换隙条件下的体积采用排液置换 法或水中称重法测量。法或水中称重法测量。 表观密度的测定表观密度的测定 定义定义:材料单位毛体积（闭口材料单位毛体积（闭口+ +开开 口口+ +实体）的干质量。实体）的干质量。 公式公式

19、: 3.体积密度（体积密度（Bulk density） 0 0 m V 材料体积密度的大小与其含材料体积密度的大小与其含 水情况有关。当材料含水率水情况有关。当材料含水率 变化时，其重量和体积均有变化时，其重量和体积均有 所变化。因此测定材料体积所变化。因此测定材料体积 密度时，须同时测定其含水密度时，须同时测定其含水 率，并予以注明。率，并予以注明。 l外形规则的材料，如砖，可外形规则的材料，如砖，可直接测量体积直接测量体积得到；得到； l外形不规则的，可采用蜡封法或排液法即水中称外形不规则的，可采用蜡封法或排液法即水中称 重法测定体积；重法测定体积； 体积密度的测定体积密度的测定 反映散粒

20、堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放反映散粒堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放 空间。空间。 定义定义:散粒材料在自然堆积状散粒材料在自然堆积状 态下单位体积态下单位体积（开口（开口+闭口闭口+ 实体实体+间隙）的质量。间隙）的质量。 公式公式: 4.堆积密度（堆积密度（Packing density ） 0 0 m V 堆积密度的测定堆积密度的测定 容量筒容量筒 l 砂的堆积密度实验砂的堆积密度实验 几种密度的特点：几种密度的特点： l相同点：均为单位体积质量相同点：均为单位体积质量 l区别：体积大小不同，测试方法不同区别：体积大小不同，测试方法不同 体积的测试方法：体积的测试方法： l 实体

21、体积实体体积 李氏比重瓶法（粉末）李氏比重瓶法（粉末） l 表观体积（实体闭口）表观体积（实体闭口） 排水法排水法 l 毛体积（实体闭口开口）毛体积（实体闭口开口） 规则试件：计算法；规则试件：计算法； 不规则试件：饱和排水法不规则试件：饱和排水法 l 堆积体积（实体闭口开口间隙）堆积体积（实体闭口开口间隙）容量筒法容量筒法 几种密度的比较几种密度的比较 比较项目比较项目密度密度表观密度表观密度体积密度体积密度堆积密度堆积密度 材料状态材料状态绝对密实绝对密实 近似绝对密近似绝对密 实状态实状态 自然状态自然状态堆积状态堆积状态 材料体积材料体积VV0 计算公式计算公式 应用应用判断材料性质判

22、断材料性质用量计算、体积计算用量计算、体积计算 0 0 V m V m V m 0 0 V m V 0 V 表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度 材料名称材料名称 密度密度/（g/cm3） 表观密度表观密度/ （kg/m3） 堆积密度堆积密度/ （kg/m3） 孔隙率孔隙率/% 石灰岩石灰岩2.6018002600 花岗岩花岗岩2.80250029000.503.00 碎石碎石2.6014001700 砂砂2.6014501650 粘土粘土2.6016001800 普通粘土砖普通粘土砖2.50160018002040 粘土空心砖粘土空心砖2.5010001400 水泥水泥3.1

23、012001300 普通混凝土普通混凝土21002600520 轻骨料混凝土轻骨料混凝土8001900 木材木材1.554008005575 钢材钢材7.8578500 泡沫塑料泡沫塑料2050 沥青（石油）沥青（石油）约约1.0约约1000 普通玻璃普通玻璃2.50245025000 1.2.2 材料的密实度与孔隙率材料的密实度与孔隙率 1. 材料的密实度（材料的密实度（Solidity） 0 0 100%100%100% V D V 实体体积 总体积 定义：定义： 材料的体积内被固体物质所充实的程度材料的体积内被固体物质所充实的程度 。 公式公式 ： 2. 材料的孔隙率（材料的孔隙率（Po

24、rosity） 定义：定义： 材料内部孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率材料内部孔隙的体积占材料自然状态下总体积的百分率 。 公式公式 ： 00 0 =100%1100% VV P V 孔隙体积 总体积 材料的总体积是材料的总体积是 由固体物质及由固体物质及 材料内部的孔材料内部的孔 隙组成的。隙组成的。 孔隙率与密实孔隙率与密实 度的关系：度的关系： P+D=1 孔隙分类孔隙分类 （1）按孔隙之间是否相互贯通，分为连通孔和封闭孔）按孔隙之间是否相互贯通，分为连通孔和封闭孔 （2）按孔隙尺寸大小可分为微孔、细孔和大孔）按孔隙尺寸大小可分为微孔、细孔和大孔 。 n孔隙率的大孔隙率的大 小及

25、孔隙特征小及孔隙特征 与材料的许多与材料的许多 重要性质都有重要性质都有 密切关系，如密切关系，如 强度、吸水性、强度、吸水性、 抗渗性、抗冻抗渗性、抗冻 性和导热性性和导热性 等等 。 吸水率吸水率 强度强度 耐久性耐久性 表观密度表观密度 孔隙对材料性能的影响孔隙对材料性能的影响 K K 0 =100% V P V B B 0 =100% V P V 若开口孔的孔体积为若开口孔的孔体积为VK，闭口孔的孔体积为，闭口孔的孔体积为VB P=PK+PB V0=V+VK+VB 则则 闭口孔隙率闭口孔隙率PB 开口孔隙率开口孔隙率PK 1.2.3 材料的填充率、空隙率和间隙率材料的填充率、空隙率和间

26、隙率 1. 材料的填充率（材料的填充率（Fill ratio） 00 00 100%100% V D V 定义：定义： 散粒材料的自然状态体积占堆积体积的百分率散粒材料的自然状态体积占堆积体积的百分率 。 公式公式 ： 2.材料的空隙率（材料的空隙率（Void ratio） 定义：定义： 散粒材料颗粒间的空隙体积（开口孔隙与间隙之和）散粒材料颗粒间的空隙体积（开口孔隙与间隙之和） 占堆积体积的百分率占堆积体积的百分率 。 公式公式 ： 00 0 100%1100% VV P V 3. 材料的间隙率材料的间隙率 定义：定义： 散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的散粒材料在堆积状态下颗粒

27、间空隙体积占堆积体积的 百分率百分率 。 公式公式 ： 000 0 0 0 100%1100% VV P V 1.2.4 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 1.材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性 （Hydrophilic and Hydrophobic nature） l定义定义:材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质 。 l具有亲水性质的材料称为亲水性材料。具有亲水性质的材料称为亲水性材料。 l大多数土木工程材料均为亲水性材料，如：大多数土木工程材料均为亲水性材料，如：砖、木、砖、木、 石材、混凝土等。石材、混凝土等。 （1）亲水性）亲水性 （

28、2）憎水性）憎水性 l 定义：指材料在空气中与水接触时不能被水润湿的性质定义：指材料在空气中与水接触时不能被水润湿的性质 l 具有这种性质的材料称为憎水性材料。具有这种性质的材料称为憎水性材料。 l 沥青、石蜡等属于憎水性材料，该类材料能阻止水分渗沥青、石蜡等属于憎水性材料，该类材料能阻止水分渗 入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。 l 憎水性材料用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，憎水性材料用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层， 以提高其防水、防潮性能。以提高其防水、防潮性能。 当材料与水接触时，在材料、水和空气的三相交叉点当材料与水接触时，在材料、

29、水和空气的三相交叉点 处，沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的处，沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的 夹角夹角，称为润湿角称为润湿角 90，材料能被水润湿而表现出亲水性，材料能被水润湿而表现出亲水性 90180，材料不能被水润湿而表现出憎水性，材料不能被水润湿而表现出憎水性 角愈小，材料亲水性越强，越容易被水润湿，憎水性角愈小，材料亲水性越强，越容易被水润湿，憎水性 越弱。越弱。 材料润湿示意图材料润湿示意图 （3）润湿角）润湿角 l干燥状态干燥状态:材料的孔隙中不含水或含水极微；材料的孔隙中不含水或含水极微； l气干状态气干状态:材料的孔隙中含水时其相对湿度与大气湿度材料的孔隙

30、中含水时其相对湿度与大气湿度 相平衡；相平衡； l饱和面干状态饱和面干状态:材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱 和；和； l湿润状态湿润状态:材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水 润湿附有一层水膜。润湿附有一层水膜。 亲水性材料的含水状态亲水性材料的含水状态 干燥状态干燥状态 气干状态气干状态 饱和面干状态饱和面干状态 润湿状态润湿状态 2.材料的吸湿性和吸水性材料的吸湿性和吸水性 （1）吸湿性（）吸湿性（Moisture absorption） l 材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性

31、质，称为吸湿性 自然状态自然状态 变值变值 含水率：自然状态，材料内部所含水分质量占其干含水率：自然状态，材料内部所含水分质量占其干 燥质量的百分率燥质量的百分率 sg h g 100% mm W m l当环境湿度增大、温度降低时，材料含水率变大；当环境湿度增大、温度降低时，材料含水率变大； 反之变小。反之变小。 l材料中所含水分与空气中的湿度相平衡时的含水率，材料中所含水分与空气中的湿度相平衡时的含水率， 称为平衡含水率。称为平衡含水率。 l具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。 l 材料在水中吸收水分的性质。材料在水中吸收水分的性质。恒值恒值 饱水状态

32、（吸饱水状态（吸 水饱和）水饱和） l 质量吸水率质量吸水率：材料饱水状态，其内部吸收水分的质：材料饱水状态，其内部吸收水分的质 量占干燥质量的百分率量占干燥质量的百分率 l 体积吸水率体积吸水率：材料饱水状态：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体所吸收水分体积占干体 积百分率积百分率 bg m g 100% mm W m 质量吸水率质量吸水率 （2）吸水性）吸水性 （Water absorption） bg V 0W 1 100% mm W V 体积吸水率体积吸水率 l材料的开口孔越多，吸水量越大。材料的开口孔越多，吸水量越大。 l材料吸水达到饱和时的体积吸水率，即为材料的开口材料吸水达到饱和

33、时的体积吸水率，即为材料的开口 孔隙率。孔隙率。 l材料吸水率与孔隙特征有关。材料吸水率与孔隙特征有关。 质量吸水率和体积吸水率的关系质量吸水率和体积吸水率的关系 Vm0 WW 3.耐水性（耐水性（Water resistance） 材料在长期饱水作用下不破坏、强度也不显著降低的材料在长期饱水作用下不破坏、强度也不显著降低的 性质，称为材料的耐水性性质，称为材料的耐水性 指标：软化系数指标：软化系数 b R g f K f 材料在饱和吸水状态下的抗压强度（材料在饱和吸水状态下的抗压强度（MPa）；）； 材料在干燥状态下的抗压强度（材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。）。 b f g f 注意

34、：注意：材料吸水后，材料吸水后，随含水量增加，减弱其内部结合力，随含水量增加，减弱其内部结合力， 强度均会有所降低强度均会有所降低 n工程中将工程中将KR0.85的材料，的材料，称为耐水材料。为耐水材料。 n在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须 选用选用KR0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构 物的材料，其物的材料，其KR值不宜小于值不宜小于0.75。 b R g f K f 4.抗渗性（抗渗性（Impermeability） 材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性是指材料抵

35、抗压力水渗透的性质。 （1 1）渗透系数）渗透系数 Qd K AtH K材料的渗透系数材料的渗透系数,cm/h； Q渗透水量渗透水量,cm3； d试件厚度试件厚度 ,cm； A渗水面积渗水面积,cm2； t渗水时间渗水时间,h； H静水压力水头高度静水压力水头高度 ,cm。 l 渗透系数的物理意义是：在一定时间渗透系数的物理意义是：在一定时间 内，在一定水压力作用下，单位厚度内，在一定水压力作用下，单位厚度 的材料在单位渗水面积上的渗水量。的材料在单位渗水面积上的渗水量。 lK值越小，表示材料的值越小，表示材料的 抗渗性也越好抗渗性也越好 。 （2 2）抗渗等级）抗渗等级评价材料的抗渗性评价材

36、料的抗渗性 以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压 力来确定，以力来确定，以符号符号“Pn”表示表示。 如：如：P4、P6、P8等，分别表示该材料能承受等，分别表示该材料能承受0.4MPa、 0.6MPa、0.8MPa的水压力而不渗水的水压力而不渗水 材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。 5.抗冻性（抗冻性（Frost resistance） 材料在水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而材料在水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而 不破坏，强度也不显著降低的性质，称为材料的抗冻不破坏，强度也不显著降低的性质，称为材料的抗冻 性性 。 抗冻等级抗冻

37、等级评价材料的抗冻性评价材料的抗冻性 以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定 次数的冻融循环后，强度降低和质量损失均不超过规定次数的冻融循环后，强度降低和质量损失均不超过规定 数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗 冻等级冻等级 ，以符号以符号 “F”及材料可承受的最大冻融循环次及材料可承受的最大冻融循环次 数表示数表示 。 如：如：F25、F50、F100等分别表示该材料可承受等分别表示该材料可承受25次、次、 50次、次、100次的冻融循环次的冻融循环 因素：水、负温度因素：水、

38、负温度 1.3 材料的热工性质材料的热工性质 1.3.1 导热性（导热性（Thermal conductivity） 定义定义当材料两侧有温差时，热量将由温度高的一当材料两侧有温差时，热量将由温度高的一 侧通过材料向温度低的一侧传递，材料的这侧通过材料向温度低的一侧传递，材料的这 种传导热量的能力，称为材料的导热性种传导热量的能力，称为材料的导热性 导热系数导热系数 12 Qd ttAZ （） 导热系数（导热系数（W/（m K）；）； Q传导的热量（传导的热量（J）；）； d材料厚度（材料厚度（m）；）； A材料传热面积（材料传热面积（m2）；）； t1-t2材料两侧温差（材料两侧温差（K）；

39、）； Z传热时间（传热时间（s）。）。 l 导热系数的物理意义是：厚度为导热系数的物理意义是：厚度为1m 的材料，当两侧表面温度差为的材料，当两侧表面温度差为1K时，时， 在单位时间内通过单位面积的热量在单位时间内通过单位面积的热量 。 l材料的导热系数愈小，材料的导热系数愈小， 表示其绝热性能愈好。表示其绝热性能愈好。 n工程中将工程中将导热系数导热系数0.23 W/（m K）的材料称为绝热）的材料称为绝热 材料材料 。 n材料的孔隙率较大者其导热系数较小，隔热绝热性较好；材料的孔隙率较大者其导热系数较小，隔热绝热性较好； 但如果孔隙粗大或贯通，由于对流的作用，材料的导热但如果孔隙粗大或贯通

40、，由于对流的作用，材料的导热 系数反而增高。因此，增加孤立的不连通孔隙能降低材系数反而增高。因此，增加孤立的不连通孔隙能降低材 料的导热能力。料的导热能力。 n材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。 表1-2 常用材料的热工性质指标 材料材料 导热系数导热系数/W/（m K）比热容比热容/J/（gK） 铜铜3700.38 钢钢550.46 石灰岩石灰岩2.663.230.7490.846 花岗岩花岗岩2.913.080.7160.92 大理石大理石2.450.875 普通混凝土普通混凝土1.281.80.481.00 烧结普通砖烧结普通砖0.40.70

41、.84 松木（横纹）松木（横纹）0.151.63 泡沫塑料泡沫塑料0.031.30 沥青混凝土沥青混凝土1.05 水水0.602.05 冰冰2.204.19 密闭空气密闭空气0.0231.00 1.3.2 热容量与比热容热容量与比热容 （Heat capacity and Specific heat） 定义定义 热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热 量的能力量的能力 公式公式 12 Qmc tt（） 1.热容量热容量 2.比热容比热容 定义定义 单位质量的材料在温度升高或降低单位质量的材料在温度升高或降低1K时所吸时所吸 收或放出的热量收或放出的热量 1

42、2 () Q c m tt 公式公式 1.3.3 耐燃性（耐燃性（Heat resistance） 定义定义材料在高温与火焰的作用下不破坏，强度也材料在高温与火焰的作用下不破坏，强度也 不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。 1. 非燃烧材料非燃烧材料 在空气中遇火烧或遇高温不起火、不微燃、不碳化的材料在空气中遇火烧或遇高温不起火、不微燃、不碳化的材料 称为非燃烧材料，如普通石材、混凝土、砖、石棉等。称为非燃烧材料，如普通石材、混凝土、砖、石棉等。 2. 难燃材料难燃材料 在空气中遇火烧或遇高温难起火、难微燃或难碳化的材料在空气中遇火烧或遇高温难起火、难微燃或

43、难碳化的材料 称为难燃材料，如沥青混凝土、经防火处理的木材等。称为难燃材料，如沥青混凝土、经防火处理的木材等。 3. 可燃材料可燃材料 在空气中遇火烧或遇高温即起火或微燃，在火源移去后仍在空气中遇火烧或遇高温即起火或微燃，在火源移去后仍 能继续燃烧或微燃的材料称为可燃材料，如木材、沥青等。能继续燃烧或微燃的材料称为可燃材料，如木材、沥青等。 1.3.4 耐火性（耐火性（Fire resistance） 定义定义材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工 作的性能称为材料的耐火性作的性能称为材料的耐火性 。 1. 耐火材料耐火材料 耐火度不低于耐火度不低于158

44、0的材料，如耐火砖中的硅砖、镁砖、的材料，如耐火砖中的硅砖、镁砖、 铝砖和铬砖等。铝砖和铬砖等。 2. 难熔材料难熔材料 耐火度为耐火度为13501580的材料，如难熔粘土砖、耐火的材料，如难熔粘土砖、耐火 混凝土等。混凝土等。 3. 易熔材料易熔材料 耐火度低于耐火度低于1350的材料，如普通粘土砖、玻璃等。的材料，如普通粘土砖、玻璃等。 1.3.5 温度变形性（温度变形性（Temperature deformation） 定义定义材料的温度变形性是指材料在温度变化时产材料的温度变形性是指材料在温度变化时产 生的尺寸变化生的尺寸变化 。 材料的温度变形在单向尺寸上的变化用线膨胀系数表示材料的

45、温度变形在单向尺寸上的变化用线膨胀系数表示 12 L L tt （） 公式公式 常用土木工程材料的线膨胀系数：钢筋（常用土木工程材料的线膨胀系数：钢筋（10.012.0）10- 6/ ，混凝土（，混凝土（5.812.6）10-6/ 材料抵抗外力破坏的能力。材料抵抗外力破坏的能力。 1.4 材料的力学性质材料的力学性质 1.4.1 材料的强度材料的强度 （Strength） 1.强度强度 （1）抗压）抗压(Compressive)、抗拉、抗拉(Tensile)、抗剪、抗剪(Shearing)强强 度度 （MPa） P f A F破坏时的最大荷载，破坏时的最大荷载，N A受力截面面积，受力截面面积

46、，mm2 （2）抗弯强度（）抗弯强度（ Bending strength） m 2 3 2 PL f bh 单点加荷：单点加荷： 三分点加荷：三分点加荷： m 2 PL f bh L L/2/2L L/2/2 压力试验机压力试验机 压力试验压力试验 钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验 万能试验机万能试验机 l内因内因材料材料组成、构造组成、构造 材料的孔隙率愈大，则强度愈低。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。 同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相 同同 砖、石材、混凝土、铸铁等材料的抗压强度较砖、石材、混凝土、铸铁等材料的抗压强度较 高，而抗拉和抗弯强度却很低；木

47、材和玻璃纤维高，而抗拉和抗弯强度却很低；木材和玻璃纤维 增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度；钢材增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度；钢材 的抗拉和抗压强度都很高。的抗拉和抗压强度都很高。 l外因外因试验条件：试件（尺寸、形状、含水率）试验条件：试件（尺寸、形状、含水率） 温度、加荷速度等温度、加荷速度等 （3）影响强度的因素）影响强度的因素 （4）强度等级）强度等级 l土木工程材料常按其强度的大小划分成若干个等级，土木工程材料常按其强度的大小划分成若干个等级， 称为强度等级。称为强度等级。 l对于脆性材料，如对于脆性材料，如混凝土、砂浆、砖和石材混凝土、砂浆、砖和石材等，由于等，由于 主要

48、用来承受压力，因此，以其抗压强度来划分强度等主要用来承受压力，因此，以其抗压强度来划分强度等 级；级； l对于韧性材料，如对于韧性材料，如建筑钢材建筑钢材，主要用于抗拉，故其强，主要用于抗拉，故其强 度等级按受拉时的屈服强度来划分。度等级按受拉时的屈服强度来划分。 指材料强度与其表观密度之比。指材料强度与其表观密度之比。 意义：反映材料轻质高强的指标。意义：反映材料轻质高强的指标。 比强度越大，材料越轻质高强比强度越大，材料越轻质高强 2.比强度比强度 材料材料 表观密度表观密度 /（kg/m3） 抗压强度抗压强度f /MPa 比强度比强度f / 低碳钢低碳钢78604150.53 松木松木5

49、0034.3（顺纹）（顺纹）0.69 普通混凝土普通混凝土240029.40.012 红砖红砖1700100.006 表表1-3 几种常用材料的比强度几种常用材料的比强度 1.4.2 弹性与塑性弹性与塑性 （Elasticity and Plasticity） 1. 弹性与弹性变形弹性与弹性变形 n弹性弹性外力作用产生变形外力作用产生变形,外力取消能完全恢复。外力取消能完全恢复。 n弹性变形弹性变形这种可恢复的变形称为弹性变形这种可恢复的变形称为弹性变形 弹性变形弹性变形 指标：弹性模量指标：弹性模量 E 意义：意义：E E表示材料抵抗变形的指标，表示材料抵抗变形的指标，E E值越值越 大，材

50、料越不易变形，即抵抗变形的能力大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力 越强。越强。 2. 塑性与塑性变形塑性与塑性变形 n塑性塑性外力作用产生变形外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复。外力取消变形不能恢复。 n塑性变形塑性变形这种不可恢复的变形称为塑性变形。这种不可恢复的变形称为塑性变形。 弹性变形与塑性变形的区弹性变形与塑性变形的区 别在于，前者为可逆变形，别在于，前者为可逆变形， 后者为不可逆变形。后者为不可逆变形。 塑性变形塑性变形 图图 弹塑性材料的变形曲线弹塑性材料的变形曲线 弹塑性材料弹塑性材料 1.4.3 脆性与韧性（脆性与韧性（Brittleness and Toughness

51、） 1.脆性脆性 脆性脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变形，突然破坏。材料在外力作用下，无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、混凝土、陶瓷、玻璃、铸铁等脆性材料：石、砖、混凝土、陶瓷、玻璃、铸铁等 l脆性材料脆性材料抗压强度远大于其抗拉强度抗压强度远大于其抗拉强度 l脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力较差，脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力较差， 因此只适合用作承压构件。因此只适合用作承压构件。 2.韧性韧性 韧性韧性材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大 的能量，产生一定变形不破坏。的能量，产生一定变形不破坏。 韧性材料：低碳钢、木材、玻璃

52、钢等。韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。 采用采用冲击试验冲击试验测定。测定。 冲击韧性冲击韧性 K K A A 在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗振在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗振 要求的结构，如要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面吊车梁、桥梁、路面等所用的材料等所用的材料 都要考虑材料的韧性都要考虑材料的韧性 1.4.4 硬度和耐磨性硬度和耐磨性 （Rigidity and Abrasion resistance） 1.硬度硬度 抵抗较硬物质抵抗较硬物质压入压入或或刻划刻划的能力。的能力。 刻划法刻划法:用于测定天然矿物的硬度。莫氏硬度分为用于测定天然矿物的硬度。莫氏硬度分为1

53、0级；递增的级；递增的 顺序为：滑石顺序为：滑石1；石膏；石膏2；方解石；方解石3；萤石；萤石4；磷灰石；磷灰石5；正长石；正长石6； 石英石英7；黄玉；黄玉8；刚玉；刚玉9；金刚石；金刚石10。 压入法：布氏硬度（金属材料、木材、混凝土等）：是以单位压压入法：布氏硬度（金属材料、木材、混凝土等）：是以单位压 痕面积上所受的压力来表示。有布氏法、洛氏法和维氏法，相应痕面积上所受的压力来表示。有布氏法、洛氏法和维氏法，相应 的硬度称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的硬度称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度 特点：硬度大，强度高，耐磨性强，但不易加工。特点：硬度大，强度高，耐磨性强，但不易加工。 材料表

54、面抵抗磨损的能力。材料表面抵抗磨损的能力。 材料的耐磨性与材料的组成、结构、强度和硬度等因材料的耐磨性与材料的组成、结构、强度和硬度等因 素有关。一般材料的硬度越高，越致密，耐磨性越好。素有关。一般材料的硬度越高，越致密，耐磨性越好。 在土木工程中，用做路面、台阶、踏步等受磨损部位在土木工程中，用做路面、台阶、踏步等受磨损部位 的材料要求其具有较高的耐磨性。的材料要求其具有较高的耐磨性。 材料的耐磨性用磨损率（材料的耐磨性用磨损率（M）表示，其计算公式为）表示，其计算公式为 式中式中: M材料的磨损率（材料的磨损率（gcm2）；）； m1、m2分别为材料磨损前、后的质量（分别为材料磨损前、后的

55、质量（g）；）； A试件受磨损的面积（试件受磨损的面积（cm2）。 01 mm M A 2.耐磨性耐磨性 1.5 材料的化学性质和装饰性材料的化学性质和装饰性 1.5.1 材料的化学性质（材料的化学性质（Chemical property） l在土木工程中，材料的化学性质主要考虑其在使用在土木工程中，材料的化学性质主要考虑其在使用 中的化学变化和化学稳定性中的化学变化和化学稳定性 l土木工程材料的化学变化主要是指材料在生产或施土木工程材料的化学变化主要是指材料在生产或施 工过程中所发生的化学反应。如，石灰的煅烧、消化工过程中所发生的化学反应。如，石灰的煅烧、消化 与碳化，水泥的水化及凝结等与碳

56、化，水泥的水化及凝结等 l化学稳定性是指材料在使用环境中其化学组成和结化学稳定性是指材料在使用环境中其化学组成和结 构是否能保持稳定的性质构是否能保持稳定的性质 。 1.5.2 材料的装饰性材料的装饰性（Ornament property） l材料的装饰性是材料在工程中所表现的美观材料的装饰性是材料在工程中所表现的美观 效果效果 l是通过多种技术指标所反映的综合艺术效果是通过多种技术指标所反映的综合艺术效果 l材料的装饰性主要体现在颜色、光泽、透明材料的装饰性主要体现在颜色、光泽、透明 性、质感、表面组织和形状尺寸、立体造型等性、质感、表面组织和形状尺寸、立体造型等 几个方面几个方面 l土木工

57、程中的装饰材料主要是应用于内外墙土木工程中的装饰材料主要是应用于内外墙 面、地面、天棚等部位的饰面材料面、地面、天棚等部位的饰面材料 材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不 破坏，也不易失去其原有性能的性质，称为材料的耐破坏，也不易失去其原有性能的性质，称为材料的耐 久性久性 。 材料在使用过程中，除受到各种材料在使用过程中，除受到各种外力作用外力作用外，还要受到环外，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：境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为： 物理作用物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环主要有干湿交替、温度变化、冻融循环以及机以及机 械摩擦、冲击械摩擦、冲击等，这些作用会使材料体积产生膨胀或收等，这些作用会使材料体积产生膨胀或收 缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生 破坏。破坏。如水泥混凝土的冻融破坏。如水泥混凝土的冻融破坏。 化学作用化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液 或有害气体的侵蚀作用，使