第一章土木工程材料的基本性质

1、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 1.1材料科学的基本理论 1.2材料的基本物理性质 1.3材料的基本力学性质 1.4材料的耐久性 第一章土木工程材料的基本性质 1.1材料科学的基本理论 1.1.1材料科学与工程 土木工程材料是材料科学与工程的一个组成分； 材料组成的基本理论及不同结构层次的构造论， 材料的组成、结构对其物理力学性能的影响，以 及利用其组成、结构、性能相互的内在关系来设 计、加工、生产和控制材料的使用等相关的理论 方法和技术原理，是材料科学与工程的主要研究 内容； 随着工业化城市化的迅速发展，自然资源日益减 少，如何有效利用自然资源，科学合理利用材料

2、， 适应环境保护及可持续发展，是材料科学与工程 面临的新课题。 第一章土木工程材料的基本性质 1.1.2材料的组成 化学组成：是指构成材料的化学元素及化 合物的种类和数量； 矿物组成：将具有特定的晶体构造、具有 特定的物理力学性能的组织机构称为矿物。 矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量； 相组成:材料中结构相近、性质相同的均匀 部分称为相。由两相（或两相以上）组成 的材料称为复合材料。 第一章土木工程材料的基本性质 1.1.3材料的结构和构造 材料的结构： 1.宏观结构： 材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外 部和内部的结构。 土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、 多孔构造、纤维构造、

3、层状构造、散粒构 造、纹理构造。 2.细观结构（亚微观结构） 3.微观结构 第一章土木工程材料的基本性质 密实构造的材料内部 基本上无孔隙，结构致 密。这类材料的特点是 强度和硬度较高，吸水 性小，抗渗和抗冻性较 好，耐磨性较好，绝热 性差。如钢材、天然石 材、玻璃、玻璃钢等。 大理岩的致密表面 第一章土木工程材料的基本性质 加气混凝土砌块的多孔构造 第一章土木工程材料的基本性质 纤维构造的材料内部 组成有方向性，纵向较 紧密而横向疏松，组织 中存在相当多的孔隙， 这类材料的性质具有明 显的方向性，一般平行 纤维方向的强度较高， 导热性较好。如木材、 竹、玻璃纤维、石棉等。 竹的纤维构造 第一

4、章土木工程材料的基本性质 层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不 同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其 每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料 后，可获得平面各向同 性，更重要的是可以显 著提高材料的强度、硬 度、绝热或装饰等性质， 扩大其使用范围。如胶 合板、纸面石膏板、塑 料贴面板等。 胶合板的层状构造 第一章土木工程材料的基本性质 散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻 质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强 度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍 珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。粒状构造的 材料颗 粒间存在大量的空隙， 其空隙率主要

5、取决于颗 粒大小的搭配。用作混 凝土骨料时，要求紧密 堆积，轻质多孔粒状材 料用作保温填充料时， 则希望空隙率大一些好。 陶粒的粒状构造 第一章土木工程材料的基本性质 天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然 纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工 制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人 造花岗石板材等，这些 天然或人工造成的纹理， 使材料具有良好的装饰 性。为了提高建筑材料 的外观美，目前广泛采 用仿真技术，已研制出 多种纹理的装饰材料。 大理石的纹理结构 第一章土木工程材料的基本性质 材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及 其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、 熔点、导

6、电性、导热性等重要性质有着密切的关 系。 土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的 相结构基本上可分为 m1- 材料吸水饱和状态下质量， 吸水性也可以用体积吸水率表示，即材料吸入水的 体积占材料自然状态体积的百分率 2.2.材料的材料的吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 第一章土木工程材料的基本性质 封闭孔隙较多的材料，吸水率不大时通常用质量吸水率公式进 行计算，对一些轻质多孔材料，如加气混凝土、木材等，由于质量 吸水率往往超过100%, 故可用体积吸水率进行计算。 第一章土木工程材料的基本性质 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。 对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。 闭口孔隙水分

7、不能进去，而开口大孔虽然水分易 进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率 仍然较小。 各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗 岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率 为23，粘土砖的吸水率达820，而 木材的吸水率可超过100 第一章土木工程材料的基本性质 材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力称为 吸湿性吸湿性，用含水率表示，即 式中：W- 材料含水率，%; m含-材料含水时的质量，g； m-材料干燥状态下的质量,g。 %100* m mm W 含 含 第一章土木工程材料的基本性质 材料吸湿性作用一般是可逆的，材料的吸 湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改 变，当空气湿度较大且温度较

8、低时，材料 的含水率就大，反之则小。 材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的 含水率，称为平衡含水率 第一章土木工程材料的基本性质 材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性耐水性，用软化 系数表示，即 式中：KP -材料的软化系数； fw -材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa f -材料在干燥状态的抗压强度，MPa 。 f f K w p 3.3.材料的耐水性材料的耐水性 第一章土木工程材料的基本性质 材料的软化系数的范围在01之间。 用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用 软化系数不低于（）0.85的材料； 用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于 0.700.85。 通常软化系数大于等

9、于0.85的材料称为耐水材料 第一章土木工程材料的基本性质 材料的抗冻性抗冻性: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。 4.材料的抗冻性与抗渗性 第一章土木工程材料的基本性质 材料的抗冻性用抗冻等级抗冻等级表示。 抗冻标号是以规定的试件，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，以此作为抗冻标号， 用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。 混凝土共有F10、F15、F25、F50、F100、F150、 F200、F250、F300九个等级。 F50为抗冻混凝土。 第一章土木工程材料的基本性质 常

10、用的两个参数是：质量损失率(不超过5%)，强 度损失率(不超过25)。 材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使 用条件、气候条件等来决定的。 烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料， 一般要求其抗冻等级（标号）为F15或F25； 用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200 。 水工混凝土要求高达F500。 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 材料受冻融破坏主要原因：其孔隙中的水结冰 所致。水结冰时体积增大约9，若材料孔 隙中 充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此 应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产 生局部开 裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所

11、以 材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水 程度。如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有 足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻 胀应力。 第一章土木工程材料的基本性质 极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力 极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在一般负 温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中， 对冰胀破坏可起缓冲作用。闭口孔隙水分不能渗入。 而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰,故其对材 料的冰冻破坏作用影响最大。材料的变形能力大、 强度高、软化系数大时，其抗冻性较高 另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度， 与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。 环境温度愈低、降

12、温愈快、冻融愈频繁、则 第一章土木工程材料的基本性质 材料受冻破坏愈严重。 材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落， 逐渐向内部深入发展。 抗冻性良好的材料，对于 抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力 较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项 指标。在设计寒冷地区及寒冷环境(如冷库)的建 筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地 区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风 化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出 一定的抗冻性要求。 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 第一章土木工程材料的基本性质 抗渗性抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质，或称不 透水性。

13、当材料两侧存在不同水压时，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。 第一章土木工程材料的基本性质 材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系数和 抗渗等级。 对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青 混凝土等，其防水性用渗透系数表示 。 渗透系数的物理意义是：在一定时间t内，透过材 料试件的水量Q，与试件的渗水面积A及水头差成 正比，与渗透距离(试件的厚度)d成反比，用公式 表示为

14、第一章土木工程材料的基本性质 式中K材料的渗透系数,cmh； Q渗透水量,cm3； d材料的厚度,cm； A渗水面积,cm2； t渗水时间,h； H静水压力水头,cm。 K值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性 愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。 AtH Qd K 第一章土木工程材料的基本性质 建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土材料的抗渗性 用抗渗等级表示。 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来确 定。以符号“P”和材料透水前的最大水压力的 0.1MPa表示，如P4、P6、P8等分别表示材料能承 受0.4、0.6、0.8MPa的水压而

15、不渗水。用公式表示： P=10H-1 式中：P-抗渗等级； H -试件开始渗水时的压力，MPa. 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 材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。细微 连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的 抗渗性愈差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙 率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔水最 易渗入，故其抗渗性最差。材料的抗渗性还与材 料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性 优于亲水性材料。材料的抗渗性与材料的耐久性 有着密切的关系。 第一章土木工程材料的基本性质 1.3材料的基本力学性质 1.3.1材料的理论强度 1.3.2材料的强度 1.3.3弹

16、性与塑性 1.3.4脆性与韧性脆性与韧性 第一章土木工程材料的基本性质 1.3.1材料的理论强度 材料的理论抗拉强度 ft= ft-材料的理论抗拉强 度 E-材料的弹性模量 -单位表面能 d-原子间的距离 d Er 第一章土木工程材料的基本性质 1.3.2材料的强度 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度强度。 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、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪 强度等形式。 材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总 称为静力强度静力强度。材料的静力强度是通过标准试件 的破坏试验而测得。 第一章土木工程材料的基本性质 a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切

17、 第一章土木工程材料的基本性质 混凝土路面砖抗折强度试验 第一章土木工程材料的基本性质 混凝土路面砖抗压强度试验 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 强度的计算 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算： A F f max 第一章土木工程材料的基本性质 对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放 在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷 载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折 强度）可用下式计算： 2 max 2 3 bh LF f m 第一章土木工程材料的基本性质 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： 2 max bh LF

18、f m 第一章土木工程材料的基本性质 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。 2.孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈 大，则强度愈小。 对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线 的反比关系。 一般表观密度大的材料，其强度也大。这 些是材料的内部因素。还与测试条件和方法等外部因素有 关。 3.试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的强度值要高 于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度 较大试件高。 第一章土木工程材料的基本性质 4.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后 于荷载增长的速度，

19、故测得的强度值偏高，反之， 因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。 5.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试 件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间 的作用力减弱，测得的强度值偏低。 6.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试 件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。 第一章土木工程材料的基本性质 强度等级：建筑材料常根据极限强度的大 小，划分为不同的强度等级或标号。 如混凝土按抗压强度划分为 C15C80 ; 水 泥按抗压和抗拉强度划分为32.562.5, 砂浆 按抗压强度划分为M5M30六个等级,热轧 钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。 强度和强度等级的区别与联系：

20、 区别：a.强度与强度等级的定义不同。强度 是实测值，强度等级是人为规定的强度范 围。 第一章土木工程材料的基本性质 b.强度指的是材料的极限值，是唯一的，每 一强度等级则包含一系列强度值。 联系：某一材料强度等级的确定必须以其 极限强度值为依据。 比强度：材料的强度与其表观密度的比值 （fc/o）。用于评价材料是否轻质高强。 第一章土木工程材料的基本性质 1.3.3弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除 后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性弹性 ，这种可恢复的变形称弹性变形。 材料在外力作用下产生变形，当外力去除 后，有一部分变形不能恢复，这种性质称 为材料的塑性塑性，这种不可恢复的变形称为 塑性变形。 第一章土木工程材料的基本性质 弹性与塑性 第一章土木工程材料的基本性质 弹性变形为可逆变形弹性变形为可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比 例系数称为弹性模量，材料在弹性变形范围内，弹性模 量为常数。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指 标，弹性模量愈大，材料愈不易变形，弹性模量是结构 设计的重要参数。塑性变形为不可逆变形塑性变形为不可逆变形。 实际上，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力 不