土木工程材料的基本性质

1、（一）材料的体积（一）材料的体积 1.绝对密实体积绝对密实体积 2.表观体积表观体积 3.堆积体积堆积体积 一、材料与孔隙有关的性质材料与孔隙有关的性质 内容：内容： 材料的实际密度（密度）材料的实际密度（密度） 材料的表观密度材料的表观密度 材料的堆积密度材料的堆积密度 用途：用途： 计算材料的用量，计算材料的用量， 构件的自重，构件的自重， 配料计算配料计算 确定材料的堆积空间等确定材料的堆积空间等 （二）材料的密度（二）材料的密度 1、实际密度（密度）、实际密度（密度）材料在材料在绝对密实状态绝对密实状态 下单位体积的质量。单位下单位体积的质量。单位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式

2、： 式中式中 实际密度（实际密度（ g/cm3 ） m材料的质量（材料的质量（g） V材料在绝对密实状态下的体积（材料在绝对密实状态下的体积（cm3） 绝对密实状态下的体积绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部是指不包括材料内部 孔隙在内的体积。孔隙在内的体积。 V m 实际密度的测量 1）对近于绝对密实的材料：）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测金属、玻璃等量测 几何体积称重代入公式几何体积称重代入公式 2）对有孔隙的材料：）对有孔隙的材料： 砖、混凝土、石材等砖、混凝土、石材等 磨成细粉磨成细粉 李氏比重瓶法测试李氏比重瓶法测试 P285-286 2、表观密度（容重）、表观密度（容重

3、）材料在材料在自然状态自然状态下单下单 位体积的质量。单位位体积的质量。单位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 o表观密度（表观密度（ g/cm3 ） m材料的质量（材料的质量（g） Vo材料在自然状态下的体积（材料在自然状态下的体积（cm3） 自然状态下的体积自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体是指包含材料内部孔隙在内的体 积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发 生变化。注明含水情况生变化。注明含水情况 o o V m 表观密度的测量 1）对形状规则的材料：）对形状规则的材料： 砖、混凝土等砖、混凝土等 烘干量测几何体

4、积称重代入公式烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料：）对形状不规则的材料： 砂、石等砂、石等 烘干蜡封浮力天平烘干蜡封浮力天平 3、堆积密度（松散容重）、堆积密度（松散容重）散粒状材料散粒状材料在自然堆在自然堆 积状态下单位体积的质量。积状态下单位体积的质量。单位单位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 /o堆积密度（堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（材料的质量（g） V/o材料的堆积体积（材料的堆积体积（cm3） 堆积体积堆积体积指包含颗粒指包含颗粒内部孔隙内部孔隙和和颗粒之间的空颗粒之间的空 隙隙在内的体积。在内的体积。 o o V m / / 堆积密

5、度的测量 1）容器法：）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重散粒材料装入容器量测体积称净重 代入公式代入公式 2）自然堆积法：）自然堆积法： 堆积成一定形状量测几何体积称重堆积成一定形状量测几何体积称重 代入公式代入公式 常用材料的状态参数 思考：思考： * *颗粒材料的密度为颗粒材料的密度为，表观密度，表观密度， 堆积容重为堆积容重为 0 0，则存在下列关系，则存在下列关系( ( ) )。 a、 0 b、 0 c、 0 （三）材料的结构参数（三）材料的结构参数 内容：内容： 密实度密实度 孔隙率孔隙率 填充率填充率 空隙率空隙率 1、密实度 密实度指材料密实度指材料体积内体积内被固体物质

6、所充实被固体物质所充实 的程度。反映材料的致密程度。的程度。反映材料的致密程度。 公式公式 影响材料的：强度影响材料的：强度 吸水性吸水性 耐久性耐久性 %100 o o V V D 2、孔隙率 孔隙率指材料孔隙率指材料体积内体积内，孔隙体积与总体积之比。，孔隙体积与总体积之比。 直接反映材料的致密程度。直接反映材料的致密程度。 公式公式 孔隙率与密实度的关系孔隙率与密实度的关系 P+D=1 %100)1 (1 o oo o V V V VV P 内部孔隙:连通和封闭 1.连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通；连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通； 2.封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝。封闭孔隙

7、不仅彼此封闭而且与外界隔绝。 材料内部孔隙示意图 按孔径尺寸分为： 极微细孔隙极微细孔隙（凝胶孔）：（凝胶孔）：90时，水分子之间的内聚时，水分子之间的内聚 力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引 力，材料表面可以被水浸湿。力，材料表面可以被水浸湿。 防水材料等防水材料等 润湿角润湿角 润湿角示意图润湿角示意图 （二）材料的吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 1.吸水性材料在浸水情况下吸入水分的能 力。用吸水率表示。 公式 式中 W质材料的质量吸水率（） m湿材料吸水饱和后的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g） 干 干湿 质 100 m mm W 影响

8、吸水率大小的因素：影响吸水率大小的因素： 1. 材料的本性亲水性或憎水性材料材料的本性亲水性或憎水性材料 2. 材料的孔结构孔径大小、开口与否材料的孔结构孔径大小、开口与否 细微且连通的孔隙细微且连通的孔隙-吸水率较大吸水率较大 吸水性对材料的影响：吸水性对材料的影响： 体积膨胀、强度降低体积膨胀、强度降低 对围护结构材料不利对围护结构材料不利 （二）材料的吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 2、吸湿性材料在空气中吸收空气中水分 的性质。用含水率表示。 公式 式中 W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g） 干 干含 含 100 m mm W 影响含水率大小

9、的因素：影响含水率大小的因素： 材料的本性亲水性或憎水性材料材料的本性亲水性或憎水性材料 环境温度、湿度环境温度、湿度 吸水性对材料的影响：吸水性对材料的影响： 体积膨胀对木结构和木制品不利体积膨胀对木结构和木制品不利 湿胀干缩湿胀干缩 (木制门窗在潮湿环境下往往不易开关）木制门窗在潮湿环境下往往不易开关） （三）材料的耐水性 耐水性材料长期在饱水作用下不破坏，其强 度也不显著降低的性质。用软化系数表示。 公式 式中K软材料的软化系数（K软01） f饱材料在饱水状态下的抗压强度（MPa） f干材料在干燥状态下的抗压强度（MPa） 干 饱 软 f f K 材料软化系数的要求材料软化系数的要求 软

10、化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降 低越多，其耐水性越差。 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地 下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软 0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K0.75； K软0.85的材料，一般称为耐水的材料。 例1-2 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的 抗压强度分别为抗压强度分别为174174、178178、165 MPa165 MPa，求该石材的，求该石材的 软化系数，并判断该石材可否用于水下工程软化系数，并判断该石材可否用于水下工程? ? 解解: :该石材的软化系数为该石材的软化系数为: : 93.0 17

11、8 165 g b R f f K 由于该石材的软化系数为由于该石材的软化系数为0.930.93，大于，大于0.850.85， 故该石材可用于水下工程。故该石材可用于水下工程。 （四）材料的抗渗性 抗渗性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗 透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。 依达西定律 式中K材料的渗透系数（ml/cm2.s） W透过材料试件的水量（ml） t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm） d试件的厚度（cm） AtH Wd K 抗抗 渗渗 等等 级级 渗透系数越大，材料的抗渗性越差渗透系数越大，材料的抗渗性越差。 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S) 表示

12、： S=10H1 H试件开始渗水时的水压力（MPa） 分为:P4、P6、P8、P10、P12五个等级 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水 工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。 （五）材料的抗冻性 抗冻性 材料在吸水饱和的状态下，能经受多 次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严 重降低强度的性质称为抗冻性。 用抗冻标号D表示。 冻融破坏的原因冻融破坏的原因 材料有孔且孔隙含水，水冰体积膨胀9， 结冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的 抗拉强度时，材料开裂，裂缝的增加也进一 步增加了材料的饱水程度，饱水程度的增加 进一步加剧了冻融破坏，反复多次进一

13、步 加剧最终材料崩溃。 严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井 平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏 冻融破坏的桥梁冻融破坏的桥梁 海上钻井平台海上钻井平台 冻融破坏的道面冻融破坏的道面 冻融破坏的混凝土芯冻融破坏的混凝土芯 样样 四、材料的热工性质四、材料的热工性质 1、导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大 小用热导率（）表示。 公式 式中 热导率（W/m.K） 热阻 R=1/ Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） 材料的厚度（m） t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K） )( 12 TTAt Q 热工性质热工性质 材料的热导率越小，绝热性能越好热导率越小，绝热性能越好。

14、 影响热导率的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使降低 材料的含水情况含水、结冰使增大 常见热导率参数： 泡沫塑料 0.035 水 0.58 大理石 3.5 冰 2.2 钢材 58 空气 0.023 混凝土 1.51 松木 1.170.35 1.2 材料的基本力学性质材料的基本力学性质 内容： 材料的强度、比强度 材料的弹性与塑性 材料的脆性与韧性 一、材料的强度、比强度一、材料的强度、比强度 1.定义： 强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为 强度。 2.分类: ( () )抗压抗压( () )抗拉抗拉( () )抗折抗折( () )抗剪抗剪 材料的受力形式材料的受力形式 不同材料

15、的承载特点是不同的： 相同种类的材料，随着其孔隙率及构造 特征的不同，各种强度也有明显差异。 强强 度度 等等 级级 建筑材料常根据极限强度的大小，划分为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。不同的强度等级或标号。 混凝土按抗压强度划分为混凝土按抗压强度划分为 C7.5C60（12个）个） 水泥按抗压和抗折强度划分为水泥按抗压和抗折强度划分为32.5、32.5R 42.5 42.5、42.5R42.5R、52.552.5、52.5R52.5R 六个等级六个等级 砂浆按抗压强度划分为砂浆按抗压强度划分为M2.5M2.5、 M5 M5 、M7.5M7.5 M10 M10、 M

16、15 M15 、M20M20六个等级六个等级 比 强 度 比强度材料的强度与其表观密度的比比强度材料的强度与其表观密度的比 值（值（fc/o）。用于评价材料）。用于评价材料轻质高强轻质高强 几种材料的强度比较几种材料的强度比较 材材 料料表观密度表观密度 (kg/m3) 强度强度fc (MPa) 比强度比强度 （fc/o） 低碳钢低碳钢78604150.053 松松 木木50034.30.059 混凝土混凝土2400600.025 二、材料的弹性与塑性二、材料的弹性与塑性 弹性弹性材料在外力的作用下产生变形，当外材料在外力的作用下产生变形，当外 力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复力取消后，

17、材料变形即可消失并能完全恢复 原来形状的性质。原来形状的性质。 弹性模量弹性模量 E=/ 塑性塑性材料在外力的作用下产生变形，当外材料在外力的作用下产生变形，当外 力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并 且不产生裂缝的性质。且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性 变形。变形。 低碳钢的低碳钢的曲线曲线 =P/A L/L = b p s A B C D 低碳钢受拉时应力-应变曲线 0 分段的弹性变形 和塑性变形 混凝土的混凝土的曲线曲线 同时进行的弹性变 形和塑性变形 三、材料的脆性与韧性三、材料的

18、脆性与韧性 1.脆性脆性在外力作用下，当外力达到一定限度在外力作用下，当外力达到一定限度 后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的 性质。性质。 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵 抗冲击或震动荷载的能力很差。抗冲击或震动荷载的能力很差。 2.韧性韧性在冲击、震动荷载的作用下，材料承在冲击、震动荷载的作用下，材料承 受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。 如钢材、木材、纤维等。如钢材、木材、纤维等。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等 1.3 材料的耐久性材

19、料的耐久性 定义：材料在使用过程中能抵抗周围各定义：材料在使用过程中能抵抗周围各 种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其 原有性能的性质。原有性能的性质。 包括：抗冻性混凝土、砖、石材包括：抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材抗老化性有机建材 耐化学腐蚀金属材料耐化学腐蚀金属材料 侵侵 蚀蚀 介介 质质 物理介质温度、湿度、冻融、阳光、辐射物理介质温度、湿度、冻融、阳光、辐射 化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气 生物介质昆虫、菌类、生物介质昆虫、菌类、白蚁白蚁 机械介质荷载、冲击、

20、震动、磨损、磨耗机械介质荷载、冲击、震动、磨损、磨耗 如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等 耐久性的特点耐久性的特点 长期性、后期加剧作用；长期性、后期加剧作用； 多种介质同时作用；多种介质同时作用； 材料劣化结构失效服务寿命降低材料劣化结构失效服务寿命降低 西直门桥西直门桥 冻冻 融融 破破 坏坏 的的 水水 库库 坝坝 面面 冻融破坏的桥梁冻融破坏的桥梁 实际密度的测量 1）对近于绝对密实的材料：）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测金属、玻璃等量测 几何体积称重代入公式几何体积称重代入公式 2）对有孔隙的材料：）对有孔隙的材料： 砖、混凝土、石材等砖、混凝土、石材等 磨成细粉磨成细粉 李氏比重瓶法测试李氏比重瓶法测试 P285-286 实际密度的测量 1）对近于绝对密实的材料：）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测金属、玻璃等量测 几何体积称