第1章土木工程材料的基本性质

1、第第1 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123材料的基本物理性质材料的基本物理性质 材料的基本力学性质材料的基本力学性质 材料的耐久性材料的耐久性 目目 录（录（contents）2.1 材料的基本物理性质内容：内容： 材料的状态参数材料的状态参数 材料的结构参数材料的结构参数 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 材料的热工性质材料的热工性质一、材料的状态参数内容：内容： 材料的实际密度（密度） 材料的表观密度 材料的堆积密度 用途：用途： 计算材料的用量， 构件的自重， 配料计算 确定材料的堆积空间等（一）材料的密度（一）材料的密度1、实际密度（密度）、实际密度（密度）

2、材料在绝对密实状态下单位体 积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中：式中： 实际密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V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孔隙在内 的体积。 Vm实际密度的测量实际密度的测量1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等量测 几何体积称重代入公式 2）对有孔隙的材料： 砖、混凝土、石材等 磨成细粉 李氏比重瓶法测试 （二）材料的表观密度（二）材料的表观密度1、表观密度（容重）表观密度（容重）材料在自然状态下单位体积 的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 ： o

3、表观密度（ g/cm3 ） m 材料的质量（g） Vo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 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。ooVm表观密度的测量表观密度的测量 1）对形状规则的材料：砖、混凝土等 烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料： 砂、石等 烘干蜡封浮力天平 （三）材料的堆积密度（三）材料的堆积密度1、堆积密度（松散容重）、堆积密度（松散容重）散粒状材料在自然堆积状态 下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中：式中： /o堆积密度（ g/cm3 ） m材

4、料的质量（g） V/o材料的堆积体积（cm3） 堆积体积堆积体积指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的 体积。 ooVm/堆积密度的测量堆积密度的测量1）容器法：）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重 代入公式 2）自然堆积法：）自然堆积法： 堆积成定形状量测几何体积称重代入公式 常用材料的状态参数思考：思考： 颗粒材料的密度为，表观密度，堆积容重为 0，则存在下列关系()。 a、 0 b、 0 c、 0二、材料的结构参数内容：内容： 密实度 孔隙率 填充率 空隙率 （一）密实度（一）密实度密实度密实度指材料体积内被固体物质所充实 的程度。反映材料的致密程度。 公式: 影响材料的： 强度

5、 吸水性 耐久性%100ooVVD（二）孔隙率（二）孔隙率孔隙率孔隙率指材料体积内，孔隙体积与总体积 之比。 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: P+D=1 %100)1 (1ooooVVVVVP内部孔隙内部孔隙:连通和封闭连通和封闭1、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。材料内部孔隙示意图自然状态下体积示意图 1-固体；2-闭口空隙；3-开口空隙（三）填充率（三）填充率填充率填充率指散粒材料在某容器的堆积体积 中，被其颗粒填充的程度。 反映散粒材料堆积的致密程度。 公式：公式： %100/ooVVD（四）空隙率（四）空隙率空

6、隙率空隙率散粒材料在某容器的堆积体积中， 颗 粒之间的空隙体积占总体积的比率。 公式： 空隙率与填充率的关系： P/+D/=1 %100)1 (1/oooooooVVVVVP例例1-1 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为 2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙 率与空隙率？ 解解:石子的孔隙率P为： 石子的空隙率石子的空隙率P/为为： %63.3561. 268. 11110000000VVVVVP%51. 165. 261. 21110000VVVVVP三、材料与水有关的性质三、材料与水有关的性质 内内 容：容： 1、材料的亲水性与憎水性、

7、材料的亲水性与憎水性 2、材料的吸水性与吸湿性、材料的吸水性与吸湿性 3、材料的耐水性、材料的耐水性 4、材料的抗渗性、材料的抗渗性 5、材料的抗冻性、材料的抗冻性 （一）亲水性与憎水性（一）亲水性与憎水性1、亲水性材料、亲水性材料： 当90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，材料表面可以被水浸湿。 如：木材等。 2、憎水性材料：憎水性材料： 当90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，材料表面可以被水浸湿。 如：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（二）材料的吸水性与吸湿性1、吸水性、吸水性材

8、料在浸水情况下吸入水分的能力，用 吸水率表示。 公式：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100mmmW 影响吸水率大小的因素：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 2、材料的孔结构孔径大小、开口与否 细微且连通的孔隙-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，对围护结构材料不利 （二）材料的吸水性与吸湿性（二）材料的吸水性与吸湿性2、吸湿性、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：公式： 式中： W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的

9、质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g） 干干含含100mmmW 影响含水率大小的因素：影响含水率大小的因素： 1、材料的本性亲水性或憎水性材料 2、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 湿胀干缩 木制门窗在潮湿环境下往往木制门窗在潮湿环境下往往不易开关不易开关（三）材料的耐水性（三）材料的耐水性耐水性耐水性材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不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。显著降低的性质，用软化系数表示。 公式：公式： 式中：式中： K软软材料的软化系数（材料的软化系数（K软软01） f饱饱材料在饱

10、水状态下的抗压强度（材料在饱水状态下的抗压强度（MPa） f干干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）干饱软ffK材料软化系数的要求材料软化系数的要求软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低 越多，其耐水性越差；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对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地（如地 下构筑物、基础、水工结构）下构筑物、基础、水工结构）的材料，其的材料，其K软软0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其受潮较轻的或次要结构物的材料，其K0.80； K软软0.80的材料，一般称为耐水的材料。

11、的材料，一般称为耐水的材料。1234例例1-2 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗 压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材 的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程? 解:该石材的软化系数为: 93.0178165gbRffK 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（四）材料的抗渗性抗渗性抗渗性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性 质称抗渗性。用渗透系数质称抗渗性。用渗透系数K表示。表示。 依达西定律：依达西定律： 式

12、中：式中： K材料的渗透系数（材料的渗透系数（ml/cm2.s） W透过材料试件的水量（透过材料试件的水量（ml） t透水时间（透水时间（s） A透水面积（透水面积（ cm2 ） H净水压力（净水压力（cm） d试件的厚度（试件的厚度（cm）AtHWdK 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对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：表示： S=10H1； H试件开始渗水时的水压力（试件开始渗水时的水压力（MPa） 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征；影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征； 地下

13、建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结地下建筑（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。构、防水材料等均要求较高的抗渗性。 （五）材料的抗冻性（五）材料的抗冻性抗冻性抗冻性： 材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结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。性质称为抗冻性。 用抗冻标号用抗冻标号D表示。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，水材料有孔且孔隙含水，水冰体积膨胀冰体积膨胀9，结，结 冰压力高达冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度

14、，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，反水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏，反 复多次复多次进一步加剧进一步加剧最终材料崩溃。最终材料崩溃。 严寒地区严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥跨海大桥等均需考虑冻融破坏。等均需考虑冻融破坏。冻融破坏的桥梁冻融破坏的桥梁冻融破坏的道面冻融破坏的道面冻融破坏的混凝土芯样冻融破坏的混凝土芯样冻冻融融破破坏坏的的水水库库坝坝面面冻融破坏的西直门桥冻融破坏的西直门桥四、

15、材料的热工性质四、材料的热工性质*1、导热性、导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大材料传导热量的能力称为导热性。其大 小用热导率（小用热导率（）表示。）表示。 公式：公式： 式中：式中： 热导率（热导率（W/m.K） 热阻热阻 R=1/ Q传导的热量（传导的热量（J） A热传导面积（热传导面积（m2） 材料的厚度（材料的厚度（m） t热传导时间（热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（材料两侧温差（K） )(12TTAtQ热工性质热工性质* 材料的热导率越小，绝性能越好。材料的热导率越小，绝性能越好。 影响热导率的因素：影响热导率的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使材料内部的孔隙

16、构造密闭的空气使降降 材料的含水情况含水、结冰使材料的含水情况含水、结冰使增增 常见热导率参数：常见热导率参数：材料材料材料材料泡沫塑料泡沫塑料0.0350.035水水0.58 0.58 大理石大理石3.53.5 冰冰2.22.2钢材钢材5858空气空气0.023 0.023 混凝土混凝土1.511.51松木松木1.171.170.35 0.35 2.2 材料的基本力学性质材料的基本力学性质 内内 容：容： 材料的强度、比强度材料的强度、比强度 材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性 材料的脆性与韧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：、定义： 强度强度材料在外力

17、（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。 2、分类、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 不同材料的承载特点是不同的：不同材料的承载特点是不同的： 例：木材与钢材例：木材与钢材 相同种类的材料，随着其孔隙率及构造相同种类的材料，随着其孔隙率及构造 特征的不同，各种强度也有明显差异。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，划分为不同的强度等级或标号。 混凝土按抗压强度划分为 C15C80（混凝土结构设计规范2002） 水泥

18、按抗压和抗折强度划分为（P.0/P./P.）分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R八个强度等级 砂浆按抗压强度划分为M2.5、 M5 、M7.5、M10、 M15 、M20六个等级比比 强强 度度比强度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78604150.053松 木50034.30.059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

19、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原来形状的性质。 弹性模量： E=/ 塑性塑性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三、材料的脆性与韧性三、材料的脆性与韧性1、脆性、脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，材 料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。 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。 2、韧性、韧性在冲击、震

20、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。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 2.3 材料的耐久性材料的耐久性定义：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，也不易失去其原有性能的性质。 包括：包括： 抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材 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 化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气 生物介质昆虫、菌类、白蚁 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

21、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。海洋环境下腐蚀严重金岭铁矿料仓除锈阻锈防腐并喷射混凝土加固金岭铁矿料仓除锈阻锈防腐并喷射混凝土加固 小小 结结一、名词解释：n密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、密实度、空隙率、亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、含水率、耐水性、抗冻性、抗渗性、导热性、强度、比强度、塑性、弹性、脆性、韧性、耐久性 二、判断题：n1、同一种材料，其体积密度愈大，则其密度也就愈大。（? ） n2、同一种材料，其体积密度愈大，则其孔隙

22、率愈小。（? ） n3、将某种含孔的材料，置于不同湿度的环境中，分别测得其密度，其中以干燥条件下的密度为最小。（? ） n4、具有粗大孔隙的材料，吸水率较大；具有细微而连通孔隙的材料，吸水率较小。（? ） n5、软化系数愈大的材料，愈容易被水软化。（? ） n6、吸水率小的材料，其孔隙率一定小。（? ） n7、润湿角愈小，表明建筑材料愈不易被水润湿。（? ） n8、材料的孔隙率愈大，材料的抗冻性愈差。（? ） n9、建筑材料的抗渗等级愈高，表明其抗渗性愈强。（? ） n10、相同种类的材料，其孔隙率愈大，则其强度愈低。（? ） n11、一般来说，硬度大的建筑材料，其耐磨性较强。（? ） n12

23、、对于需要长时间保持室内温度稳定的建筑，其墙体、屋顶等部位可以采用比热容高的材料。（? ） n13、材料受潮或受冻后，其导热性降低，导热系数增大。（? ） n14、在进行材料抗压强度试验时，大试件较小试件的试验结果值偏小；加荷速度快者较加荷速度慢者的试验结果值偏小。（?）三、填空题：三、填空题：n1、材料的吸水性大小用（ )表示，吸湿性大小用( ) 表示。 n2、材料的耐水性的强弱可以用( ) 表示，其值=( )，材料的耐水性愈差，该值愈( ) 。n3、同种材料，孔隙率愈( )，材料的强度愈高；当材料的孔隙率一定时，( )孔隙愈多，材料的绝热性能愈好。 n4、通常，当材料的孔隙率增大时，其密度

24、( )，体积密度( )，吸水率( )，强度( )，抗冻性( ），耐水性（ ） ，导热性（ ），耐久性（ ） 。 n5、根据外力作用的形式不同，建筑材料的强度有（ ） 、（） 、（ ）及（） 等。 四、选择题：n1、当材料的润湿角为（? ）时，称为憎水性材料。 nA、90 B、90 C、0 n2、通常，材料的软化系数为（? ）时，可以认为是耐水材料。 nA、0.85 B、0 B、0 C、0 n4、材质相同的A、B两种材料，已知0A0B，则A材料的保温效果比B材料（ ）。 nA、好 B、差 C、相同 n5、含水率为5%的湿砂220kg，将其干燥后的质量是（? ）kg。 nA、209 B、209.5

25、2 C、210 （注：不考虑修约）五、问答题：n1、材料的吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性的含义各是什么？各用什么指标表示？ n2、简述材料的孔隙率和孔隙特征与材料的体积密度、强度、吸水性、抗渗性、抗冻性及导热性等性质的关系。 n3、材料的耐久性包括哪些内容？ n4、什么是材料的强度？影响材料强度试验结果的因素有哪些？ n5、为什么新建房屋的墙体保暖性能较差，尤其是在冬季？ n6、密实度和孔隙率有什么关系？孔隙率和空隙率有何区别？ 五、问答题：1. 1. 某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干燥，用一个干燥，用一个10升升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是的金属桶，称得一桶碎石的净质量是13.50Kg；再从桶中取出；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并；然后放入一广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为，水温为25 C，将，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另；另外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细