第1章 土木工程材料的基本性质

1、土木工程材料土木工程材料第第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 掌握土木工程材料的基本物理性质。掌握土木工程材料的基本物理性质。本章的学习目标：本章的学习目标： 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。了解土木工程材料耐久性的基本概念。了解土木工程材料耐久性的基本概念。 土木工程材料土木工程材料第第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1.1 材料的物理性质材料的物理性质 1.2 材料的力学性质材料的力学性质 1.3 材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性 1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成、结构、构

2、造及其对性能的影响土木工程材料土木工程材料第第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31.1.1 密度密度 、表观密度和堆积表观密度和堆积密度密度1.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率1.1.3 与水有关的性质与水有关的性质1.1.4 热工性质热工性质 土木工程材料土木工程材料第第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4(1) 密度：是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。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：按下式计算： 式中式中 材料的密度，材料的密度，g/cm3；m 材料的材料的质量质量(干燥干燥至至恒重恒重)，g；V 材料在

3、绝对密实状态下的体积，材料在绝对密实状态下的体积，cm3。Vm土木工程材料土木工程材料第第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5(2) 表观密度表观密度：是指材料在自然状态下的体积，包括材料实是指材料在自然状态下的体积，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。按下式计算：按下式计算： 式中式中0 材料的表观密度，材料的表观密度，g/cm3；m 材料的质量，材料的质量，g；V0 材料材料在自然状态下在自然状态下的体积的体积 ，cm3。00Vm土木工程材料土木工程材料第第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6

4、(3)堆积堆积密度：是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位密度：是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。体积的质量。按下式计算：按下式计算： 式中式中0 材料的堆积密度，材料的堆积密度，kg/m3；m 材料的质量，材料的质量，kg；V0 材料的堆积体积材料的堆积体积 ，m3。00Vm土木工程材料土木工程材料第第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按下式计算按下式计算： 式中式中P 材料的孔隙率，材料的孔隙率，%；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；V0材料在包含开口孔隙与闭口孔隙条件下的体材料在包含开口孔隙与闭口孔隙条件下的体积积 ，cm3。

5、7(1) 孔隙率：是指材料内部孔隙孔隙率：是指材料内部孔隙(开口与闭口孔隙开口与闭口孔隙)的体积的体积占材料总体积的百分率。占材料总体积的百分率。%100110000VVVVVP土木工程材料土木工程材料第第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8(2) 空隙率：是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物空隙率：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占堆积体积的百分率。质间空隙体积占堆积体积的百分率。按下式计算：按下式计算： 式中式中P 材料的空隙率，材料的空隙率，%；V0材料的堆积体积，材料的堆积体积，m3；V 材料在包含开口孔隙与闭口孔隙条件下的体材料在包含开口孔隙

6、与闭口孔隙条件下的体积积 ，cm3。%100110000000VVVVVP土木工程材料土木工程材料第第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9(1) 亲水与憎水：材料与水接触时由于水在固体表面润湿亲水与憎水：材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为状态不同，表现为亲水与憎水亲水与憎水两种不同的性质。两种不同的性质。 土木工程材料土木工程材料第第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 吸湿性吸湿性 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质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。材料的吸湿性用含水率表示。含水率含水率系指材料内部所

7、含水系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。重占材料干重的百分率。 (2) 材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性 吸水性吸水性 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。料的吸水性用吸水率表示。质量吸水率质量吸水率是指材料吸水饱和是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数 。土木工程材料土木工程材料第第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11(3) 耐水性耐水性 材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不

8、明显下降的性质，材料的耐水性用软化系数表示。显下降的性质，材料的耐水性用软化系数表示。 按下式计算：按下式计算： 式中式中KR材料的软化系数；材料的软化系数；fb 材料在饱水状态下的抗压强度，材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；fg 材料在干燥状态的抗压强度，材料在干燥状态的抗压强度，MPa。 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。的建筑材料。 gbRffK土木工程材料土木工程材料第第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按下式计算：按下式计算：K为渗透系数为渗透系数cm/h; Q为渗透水量

9、为渗透水量cm3; d为为材料材料的的厚度厚度cm; A为渗水面积为渗水面积cm2；t为渗水时间为渗水时间h; H为静水压力水头为静水压力水头cm。 4:23(4) 抗渗性抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗抗 渗渗性通常用性通常用渗透系数渗透系数表示。表示。AtHQdK 渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。力下，在单位时间内透过单位面积的水量。土木工程材料土木工程材料第第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 抗抗冻性良好的

10、材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风冻性良好的材料，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化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料材料耐久性的一项指耐久性的一项指标。标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要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。考虑材料的抗冻性。 (5) 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材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而而 不不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。影响因素：影响因素：含水率、孔隙率、

11、孔的联通性、孔结构等含水率、孔隙率、孔的联通性、孔结构等土木工程材料土木工程材料第第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 式中式中Q 材料的热容量，材料的热容量，kJ；m 材料的重量，材料的重量，kg；t1-t2 材料受热或冷却前后的温度差，材料受热或冷却前后的温度差，K；C 材料的比热，材料的比热，kJ/(kgK)。材料比热的物理意义是指材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变重的材料，在温度每改变1K时时所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。 )(21ttCmQ(1) 热容量热容量 材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，

12、可用下式表示：质，可用下式表示： 土木工程材料土木工程材料第第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式式中中材料的导热系数，材料的导热系数，w/（mK）； Q 传导的热量，传导的热量，J；a 材料的厚度，材料的厚度，m； A 材料传热的面积，材料传热的面积，m2；Z 传热时间，传热时间，h； (t1-t2)材料两侧温度差，材料两侧温度差，K。 AZttQa)(21(2) 导热性导热性 当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为

13、导热性。用能力，称为导热性。用导热系数导热系数来表示。来表示。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。工程中通材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。工程中通常把常把0.23 W/(mK)的材料称为绝热材料。的材料称为绝热材料。 材料名称材料名称导热系数导热系数W/(mK)钢钢55普通混凝土普通混凝土28粘土空心砖粘土空心砖0.64土木工程材料土木工程材料第第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(3) 耐燃性耐燃性 材料对火焰和高温度抵抗能力称为材料的耐燃材料对火焰和高温度抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项因素。性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火

14、等级的一项因素。非燃烧材料非燃烧材料难燃材料难燃材料可燃材料可燃材料在空气中受到火烧或高温高热作用在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料，不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。如钢铁、砖、石等。在空气中受到火烧或高温高热作用在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难碳化，当火源移走后，时难起火、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止，如经已有的燃烧或微燃立即停止，如经过防火处理的木材和刨花板。过防火处理的木材和刨花板。在空气中受到火烧或高温高热作用在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如

15、木材。仍继续燃烧的材料，如木材。土木工程材料土木工程材料第第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材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。 材料的强度材料的强度弹性和塑性弹性和塑性脆性和韧性脆性和韧性(a) 抗压抗压AFfmax(b) 抗拉抗拉Fmax为材料破坏时的最为材料破坏时的最大荷载大荷载N; A为受力截面为受力截面面积面积mm2。(d) 抗剪抗剪土木工程材料土木工程材料第第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材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。 材料的强度材料的强度

16、弹性和塑性弹性和塑性脆性和韧性脆性和韧性(c) 抗弯抗弯223bhLFfmaxFmax为材料破坏时的最大荷载为材料破坏时的最大荷载N; L为两支点的间距为两支点的间距mm；A为受力截面面积为受力截面面积mm2，b, h 为试件横截面的宽与高为试件横截面的宽与高mm。2bhLFfmax土木工程材料土木工程材料第第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材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称为强度。 材料的强度材料的强度弹性和塑性弹性和塑性脆性和韧性脆性和韧性 比强度比强度，材料强度与其表观密度之比。，材料强度与其表观密度之比。 材料名称材料名称比

17、强度比强度低碳钢低碳钢0.045普通混凝土普通混凝土0.015玻璃钢玻璃钢0.225土木工程材料土木工程材料第第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弹性和塑性弹性和塑性 材料材料在外力作用在外力作用下下 产生产生变形，当外力去除变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性弹性。当。当外力去外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为称为塑性塑性。 材料的强度材料的强度脆性和韧性脆性和韧性弹性变形与塑性变形的区别在于，弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变前者为可逆变形，后者为不可逆变形形，后者为不

18、可逆变形。土木工程材料土木工程材料第第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弹性和塑性弹性和塑性材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无破坏，且破坏时无明显塑性变形明显塑性变形，这种性质称为，这种性质称为脆性脆性。材料的强度材料的强度脆性和韧性脆性和韧性材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性韧性。土木工程材料土木工程材料第第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弹

19、性和塑性弹性和塑性材料的强度材料的强度脆性和韧性脆性和韧性 C100-V0 C100-V2土木工程材料土木工程材料第第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主要有干湿交替、温度变化、主要有干湿交替、温度变化、冻融冻融循环等，一般会循环等，一般会使材料体积产生膨使材料体积产生膨胀或收缩，或导致内部裂缝的扩展，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破坏。长久作用后会使材料产生破坏。4:23材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为不破坏的性质，统称之为耐久性耐久性。物理作用物理作用化学作用化学

20、作用生物作用生物作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物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，质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分使材料的组成成分发生变化发生变化，而引，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等起材料的破坏。如钢材的锈蚀等主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材朽作用而产生的破坏。如木材等。等。土木工程材料土木工程材料第第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4:23材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为不破坏的性质，

21、统称之为耐久性耐久性。钢筋混凝土的耐久性问题钢筋混凝土的耐久性问题1.钢筋锈蚀钢筋锈蚀 2.抗碳化抗碳化 3.抗抗冻融冻融性能性能4.碱碱集料集料反应反应 5.耐酸耐酸、软水和硫酸盐腐蚀、软水和硫酸盐腐蚀 土木工程材料土木工程材料第第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材料的环境材料的环境协调性是协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括周期中要有较低的环境负荷，包括生产中生产中废物的利用、废物的利用、减少废物的减少废物的产生，产生，使用中使用中减少对环境的污染，减少对环境的污染，废弃时废弃时有有较高可回收率。较高可回收率

22、。国家制订了国家制订了GB 6566-2001建筑材料放射性核素建筑材料放射性核素限量限量以及关于室内装饰装修材料有害物质限量以及关于室内装饰装修材料有害物质限量等等10项项国家标准。国家标准。土木工程材料土木工程材料第第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材料的组成及其对材料性质的影响材料的组成及其对材料性质的影响 (a) 化学组成化学组成(b) 矿物组成矿物组成构成材料的化学元素及化合物构成材料的化学元素及化合物。构成材料的矿物种类和数量构成材料的矿物种类和数量。两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.2和则为和则为0.2

23、0.4，但矿物，但矿物组成差别组成差别较大较大。的。的冷、冷、热变形等热变形等工艺性能工艺性能较好较好，但强度较低，而则强度较高。但强度较低，而则强度较高。AB土木工程材料土木工程材料第第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材料材料的微观结构及其的微观结构及其对材料性质的影响对材料性质的影响 材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分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。电性、导热性等重要性质有着密切的关系。化学组成相同的水泥熟料，由于的

24、显微结构发育良好，化学组成相同的水泥熟料，由于的显微结构发育良好，则不然，结果在比表面积相似的情况下，熟料则不然，结果在比表面积相似的情况下，熟料的的3d、28 d抗压强度分别比熟料高抗压强度分别比熟料高10.7 MPa和和6.8 MPa。AB土木工程材料土木工程材料第第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材料材料的宏观构造及其的宏观构造及其对材料性质的影响对材料性质的影响 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、多孔构构。土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤

25、维构造、层状造、纤维构造、层状构造。构造。特点是强度和硬度较高，吸水性小，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，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。璃、玻璃钢等。土木工程材料土木工程材料第第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材料材料的宏观构造及其的宏观构造及其对材料性质的影响对材料性质的影响 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、多孔构构。土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多

26、孔构造、纤维构造、层状造、纤维构造、层状构造。构造。特点特点是是强度强度较低，抗渗性和抗冻较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏凝土、石膏制品制品等等。土木工程材料土木工程材料第第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材料材料的宏观构造及其的宏观构造及其对材料性质的影响对材料性质的影响 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、层状造、纤维构造、层状构造。构造。特点特点是是性质具有明显的性质具有明显的方向性，方向性，一般一般