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，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。1.1.2材料的组成化学组成

2、：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。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、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

3、好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。大理岩的致密表面加气混凝土砌块的多孔构造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。胶合板的层状构造散粒状构造指呈松散颗粒状

4、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

5、多种纹理的装饰材料。 大理石的纹理结构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&晶体、&玻璃体、&胶体 不同结构的材料，各具不同特性。 构成晶体的质点（原子、离子、分子）是按一定的规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的几何外形，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对晶体材料的性质有着重要的影响。例如在硅酸盐矿物材料（如陶瓷）的复杂

6、晶体结构（基本单元为硅氧四面体）中，质点的相对密集程度不高，且质点间大多是以共价键联结，变形能力小，呈现脆性。 材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构的缺陷，对材料性质的影响很大。 将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及作有规则的排列就凝固了，这时形成的物质结构即为玻璃体玻璃体，又称无定形体。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清楚的解理面，加热时无固定的熔点，只出现软化现象。同时，因玻璃体是在快速急冷下形成的，故内应力较大，具有明显的脆性，如玻璃。由于玻璃体在凝固时质

7、点来不及作定向排列，质点间的能量只能以内能形式储存起来，因此玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能， 在一定的条件下，易与其它物质发生化学反应。例如粉煤灰、水淬粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，常被大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性质粉煤灰玻璃体物质以极微小的质点（粒径为1 m100 m）分散在介质中所形成的结构称为胶体胶体。其中分散粒子一般带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，从而使胶体保持稳定。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，所以胶体具有较强的粘结力。胶体中分散的微粒作布朗运动时，这种胶体称溶胶，溶胶具有较大的流动性，建筑材料中的

8、涂料就是利用这一性质配制而成的。当溶胶脱水或微粒产生凝聚，使分散质点不能再按布朗运动自由移动时，称为凝胶，凝胶具有触变性，即将凝胶搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶 粘剂等均表现有触变性。 当凝胶完全脱水则成干 凝胶体，它具有固体的 性质，即产生强度。硅 酸盐水泥主要水化产物 的最后形式就是凝胶体。 水泥凝胶体1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度1.2.2材料的密实度与孔隙率1.2.3材料的填充率与空隙率1.2.4材料与水有关的性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算： mV式中 材料的密度

9、，g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重），g； V 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。 对有孔隙的材料：如砖、混凝土磨成细粉（通过 0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量V（排水法）。 对近于绝对密实的材料：如金属、玻璃等，量测几何体积称重代入公式中计算。表观密度表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：mV0opclV =V+V +V式中 o 材料的表观密度，kg/m3 或g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重），kg或 g； Vo 材料在包含内部孔隙条件下的体积 （即包含内部闭口孔和开口孔）， 见图12，m3或cm3。所谓自然状态下的体积，是指包括材料

10、实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。通常，材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法或水中称重法测量。 自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。 对形状规则的材料：烘干量测几何体积称重代入公式计算 对形状不规则的材料： 堆积密度是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，有紧堆积密度及松堆积密度之分。mV式中 o 堆积密度，kg/m3； m 材料的质量，kg； Vo材料的堆积体积 ，m3。 V0V+Vop+VclV空材料的堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度反映散粒构造材料堆积的紧密程度及材料

11、可能的堆放空间。其测定方法在实验部分有专门介绍。密度、表观密度和堆积密度既有联系又有差别。 由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，即： 0 0密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率；视密度可用于混凝土的配合比计算；表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等；堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。 1.2.2材料的密实度与孔隙率密实度密实度是材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：孔隙率孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：0*100%VDV 或 0*100%D%1

12、00*)1 (10000VVVVVP即：D+P=1或 密实度+孔隙率=1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响较大。 1.2.3材料的填充率与空隙率填充率填充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算：空隙率空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算： %100*0VVD %100*0D 或 %100*)1 (1000

13、0VVVVVP即：D+P=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。常用材料的密度、表观密度、堆积密度及空隙率如表1.1所示 1.2.4材料与水有关的性质亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性 耐水性 抗冻性与抗渗性1.材料的亲水性与憎水性当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。润湿角（a）亲水性材料 90 （b）完全亲水材料0 （c）憎水性材料 90材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性吸水性。材料的吸水性用吸水率吸水率表示，即%100*1mmmW式

14、中：W -材料质量吸水率，%； m- 材料干燥状态下质量，g; 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 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。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

15、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 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*mmmW含含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 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

16、状态下的抗压强度,MPa f -材料在干燥状态的抗压强度，MPa 。ffKwp3.3.材料的耐水性材料的耐水性 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于0.85的材料称为耐水材料 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，

17、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。常用的两个参数是：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。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

18、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。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、

19、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁、则 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。抗渗性抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质，或称不透水性。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

20、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。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 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

21、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。AtHQdK 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.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

22、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。 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弹性与塑性1.3.4脆性与韧性脆性与韧性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dEr1.3.2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

23、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。a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验强度的计算 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算： AFfmax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： 2max23bhLFfm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： 2maxbhLFfm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

24、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。 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，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

25、.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。 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：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。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。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。弹性与塑性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