第1章土木工程材料的基本性质

1、重庆大学城市科技学院土木工程学院 土 木 工 程 材 料 第一章 土木工程材料的基本性质2022-6-5Science of Building Materials2第一章第一章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 本章基本要求：本章基本要求： 1. 1.掌握掌握土木工程材料的土木工程材料的基本物理性质、材料与水有基本物理性质、材料与水有关的性质、基本力学性质及耐久性。关的性质、基本力学性质及耐久性。 2. 2.了解了解建筑材料的热工、声学和光学性质。建筑材料的热工、声学和光学性质。 3. 3.了解了解建筑材料的微观组成与结构。建筑材料的微观组成与结构。2022-6-5Science

2、of Building Materials3“土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质”的概念的概念u基本物理性质基本物理性质：u工工 程程 性性 质质：u功能物理性质功能物理性质：材料的密度、密实度及孔隙率等概念。材料的密度、密实度及孔隙率等概念。材料的力学、变形、破坏特性及耐久性。材料的力学、变形、破坏特性及耐久性。指材料表现出的声、光、热等物理特性。指材料表现出的声、光、热等物理特性。 指各种建筑材料的普遍的共性。指各种建筑材料的普遍的共性。土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质：2022-6-5Science of Building Materials41.1 1.1 材料的

3、基本物理性质材料的基本物理性质* 1.1.1 1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度材料的密度、表观密度与堆积密度 1.1.2 1.1.2 材料的密实度与孔隙率材料的密实度与孔隙率 1.1.3 1.1.3 材料的填充率与空隙率材料的填充率与空隙率 我们必须先要了解：我们必须先要了解：建筑材料孔隙建筑材料孔隙和空隙和空隙的概念及建筑材料的体积。的概念及建筑材料的体积。加气泡沫混凝土表面加气泡沫混凝土剖面石灰岩的剖面散粒材料的堆积颗粒空隙建筑材料的孔隙建筑材料的孔隙材料实体内部和实体间常常部分被空气所占据，一般称材料实体内部被空气所占据的空间为孔隙，孔隙，而材料实体之间被空气所占据的空间称为空

4、隙。空隙。 孔隙孔隙按其直径的大小可分为粗大孔、毛细孔、极细微孔。粗粗大孔大孔指直径大于毫米级的孔隙，其主要影响材料的密度、强度等性能；毛毛细孔细孔指直径 在微米到毫米级的孔隙，主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能；极极细微孔细微孔直径在微米级以下的孔隙，其直径微小，对材料的性能影响反而不大。建筑材料的建筑材料的体积体积材料的体积： 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。封闭孔隙（体积为Vb）开口孔隙（体积为Vk）固体物质（体积为V）材料在自然状态下总体积：V0V+Vp 孔隙体积：VpVb+VkVp孔隙体积材料的三种体积绝对密实体积V 干燥材料在绝对密实状态

5、下的体积。即材料内部固体物质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以表示。材料的自然体积V0 材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0 表示。材料的堆积体积V0 粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。一般以V0表示。 绝对密实体积V的测定对于钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。大多数有孔隙的材料，应将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得到其体积（李氏瓶法）。在测定某些致密材料的时候（卵石、碎石），直接以颗粒状材料为试样，用排水法测定体积（广口瓶）。计算视密度用。李氏瓶广口瓶材料的自

6、然体积V0的测定工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积 表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。 表观体积主要用于计算材料的表观密度，便于判断材料性质。工程中混凝土等材料的自然体积规则形状材料的体积，可用量具测得。规则形状材料的体积，可用量具测得。2022-6-5Science of Building Materials15河砂堆积体积的测定材料的堆积体积V0的测定2022-6-5Science of Building Materials16碎石碎石堆积体积测定堆积体积测定 2022-6-5Science of Building Materials17（1 1）. .密度密度* *密度密度

7、是指材料在是指材料在绝对密实状态下绝对密实状态下单位体积的质量。单位体积的质量。材料密度材料密度(g/cm(g/cm3 3););m m 材料在的质量材料在的质量(g); (g); V V 材料在材料在绝对密实状态下绝对密实状态下的体积，即不包含孔隙在内的的体积，即不包含孔隙在内的固态所占的实体积，固态所占的实体积，cmcm3 3。vm1.1.11.1.1材料的密度、表观密度与堆积密度材料的密度、表观密度与堆积密度2022-6-5Science of Building Materials18表观密度表观密度是指材料在是指材料在自然状态下自然状态下单位体积（含材料实体单位体积（含材料实体及闭口孔

8、隙体积）的质量。及闭口孔隙体积）的质量。 m- m-材料的质量，材料的质量，kgkg。包含孔隙内水分的质量，故测定表观。包含孔隙内水分的质量，故测定表观密度的时候，须注明其含水情况；密度的时候，须注明其含水情况；0 0材料表观密度材料表观密度(g/cm(g/cm3 3) )或或(kg/m(kg/m3 3););V V0 0 材料在自然状态下的外形体积（即只含内部闭口孔，材料在自然状态下的外形体积（即只含内部闭口孔，不含开口孔），不含开口孔），m m3 3或或cmcm3 3。（2 2）表观密度）表观密度* * * 2022-6-5Science of Building Materials19(3

9、).(3).堆积密度堆积密度* * * * 堆积密度堆积密度：材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥等，在等，在自然堆积状态下自然堆积状态下单位体积的质量。单位体积的质量。 -材料的堆积密度材料的堆积密度(kg/m(kg/m3 3);); V V0 0 -堆积体积堆积体积(m(m3 3); ); 00Vm几种密度的比较比较项目密 度表观密度堆积密度材料状态绝对密实近似绝对密实状态堆积状态材料体积VV0V0计算公式应用判断材料性质用量计算,体积计算Vm00Vm00Vm1.1.2 材料的密实度与孔隙率(1)密实度材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下： 式中

10、： 密度； 0材料的表观密度。 对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或100%。对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。 10010000VVD(2) 孔隙率材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：式中：V材料的绝对密实体积，cm3 或 m3；V0材料的表观体积，cm3 或 m3； 0材料的体积密度, g/cm3 或 kg/m3； 密度, g/cm3 或 kg/m3。）（1001100000VVVP2022-6-5Science of Building Materials231.1.31.1.3填充率与空隙率填充

11、率与空隙率填充率：填充率：散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。空隙率：空隙率：散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率的大小反映了散列材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率的大小反映了散列材料的颗粒互相填充的致密程度。可以作为控制混凝土骨料级配与计算含沙率的依据。可以作为控制混凝土骨料级配与计算含沙率的依据。混凝土的组成孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作 用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式）（10010P）（100100P孔结构的应用见视频2022

12、-6-5Science of Building Materials27小结：孔隙对材料影响小结：孔隙对材料影响密度密度表观密度表观密度强度强度吸水率吸水率抗渗性抗渗性抗冻性抗冻性导热系数导热系数 n不变不变n降低降低n降低降低n增加增加n降低降低n降低降低n减小减小 一般的，随孔隙率增加一般的，随孔隙率增加-2022-6-5Science of Building Materials28常用材料的密度、表观密度及堆积密度常用材料的密度、表观密度及堆积密度 材料名称材料名称密度密度(g/cm(g/cm3 3) )表观密度表观密度(g/cm(g/cm3 3) )堆积密度堆积密度(kg/m(kg/m3

13、 3) )钢材钢材松木松木水泥水泥砂砂石灰石碎石石灰石碎石普通混凝土普通混凝土普通粘土砖普通粘土砖7.857.851.551.553.103.102.662.662.602.602.802.802.602.602.502.50- -0.400.400.800.80- -2.652.652.602.602.102.102.602.601.601.601.801.80- - -100010001600160014501450165016501400140017001700- - - -1.2 1.2 材料与水有关的性质材料与水有关的性质*1.2.1 1.2.1 材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎

14、水性(1)(1)亲水性亲水性 材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具备这种性质的材料称材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料。如砖、混凝土、木材等。为亲水性材料。如砖、混凝土、木材等。(2)(2)憎水性憎水性 材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。具备这种性质的材料材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料。如石蜡、沥青等。称为憎水性材料。如石蜡、沥青等。2022-6-5Science of Building Materials30图1.2 材料的润湿示意图如何定量区分亲水性？如何定量区分亲水性？润湿角润湿角：固

15、、气、液三态交点处，沿水滴表面的切：固、气、液三态交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。线与水和固体接触面所成的夹角。亲水性亲水性（9090O O）；）；憎水性憎水性（9090O O）。）。材料的含水状态材料的含水状态 亲水性材料的含水状态可分为如图所示四种基本状态： 干燥状态干燥状态材料的孔隙中不含水或含水极微；材料的孔隙中不含水或含水极微； 气干状态气干状态材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡；材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡； 饱和面干状态饱和面干状态材料表面干燥，而孔隙中充满水达饱和；材料表面干燥，而孔隙中充满水达饱和； 湿润状态湿润状态材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上

16、为水润湿附有一层材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。水膜。 除上述四种基本含水状态外，材料还可以处于两种基本状态之间的过渡状态中。 （a）干燥状态（b）气干状态（c）饱和面干状态（d）湿润状态2022-6-5Science of Building Materials32吸水性吸水性: : 吸湿性吸湿性: : 材料在材料在水中水中能吸收水分的性质。能吸收水分的性质。材料在潮湿材料在潮湿空气中空气中吸收水分的性质。吸收水分的性质。1.2.2 1.2.2 材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性2022-6-5Science of Building Materials33（1 1

17、）吸水性，用）吸水性，用吸水率吸水率表示表示 定义定义：是指材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的的性质。：是指材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的的性质。 质量吸水率质量吸水率：材料吸入水的质量与材料干质量之比。：材料吸入水的质量与材料干质量之比。 体积吸水率体积吸水率：材料吸入水的体积与材料自然状态下体积比。：材料吸入水的体积与材料自然状态下体积比。 m m1 1 材料吸水饱和后的质量材料吸水饱和后的质量(g(g或或kg)kg)； m m 材料干燥状态下的质量材料干燥状态下的质量(g(g或或kg)kg)；W W 水的密度水的密度(g/cm(g/cm3 3),),常温下取常温下取w w=1

18、g/cm=1g/cm3 3。1100%mmmWm%100101wVmmWv2022-6-5Science of Building Materials34（2 2）吸湿性，用）吸湿性，用含水率含水率表示。表示。定义定义：亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。：亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。含水率含水率：指材料内部所含水重占材料干重的百分率。指材料内部所含水重占材料干重的百分率。100%sghgmmWmWh 材料的含水率，；材料的含水率，；ms 材料在吸湿状态下的重量，材料在吸湿状态下的重量，g；mg 材料在干燥状态下的重量，材料在干燥状态下的重量，g。 材料吸湿性作用一般

19、是材料吸湿性作用一般是可逆可逆的。的。材料的含水率随环境的温度和湿度变化发生相应的变化，在湿度较大，温度较低时，材料含水率变大，反之变小。平衡含水率： 材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。材料开口的微孔越多，吸湿性越强。影响因素：亲水性、孔隙率、孔特征吸附吸附 解吸解吸RH、T RH、T2022-6-5Science of Building Materials36吸水率与含水率的区别吸水率与含水率的区别比较项目比较项目吸水率吸水率含水率含水率适用场合适用场合在水中在水中吸收水分吸收水分在空气中在空气中吸收水分吸收水分表示方法表示方法吸收水分的吸收水分的质量比质量

20、比或体积比或体积比吸收水分的吸收水分的质量比质量比吸收水量吸收水量达到饱和达到饱和与空气中水分平衡与空气中水分平衡通常小于吸水率通常小于吸水率1.2.3 1.2.3 材料的耐水性材料的耐水性材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即数表示，即ffKwpK KP P - - 材料的软化系数；材料的软化系数；f fw w - - 材料在吸水饱和状材料在吸水饱和状态下的抗压强度态下的抗压强度,MPa,MPa。f f - - 材料在干燥状态的材料在干燥状态的抗压强度，抗压强度，MPa MPa 。2022-6-5Science of Buildin

21、g Materials381 1. .软化系数软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度。反映了材料饱水后强度降低的程度。2.2.一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，其内部结合力，强度则有不同程度的降低强度则有不同程度的降低。当材料内含有可。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。物质，造成强度的严重降低。3 3. .软化系数在软化系数在0 01 1。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，。用于水中、潮湿环境中的重要结构

22、材料，必须选用软化系数必须选用软化系数不低于不低于0.850.85的材料；用于受潮湿较轻或次的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于要结构的材料，则不宜小于0.700.700.850.85。4.4.通常软化系数通常软化系数大于等于大于等于0.850.85的材料称为的材料称为耐水材料耐水材料。关于软化系数一些说明关于软化系数一些说明2022-6-5Science of Building Materials39 (1) (1)抗冻性抗冻性 材料在吸水饱和状态下，能经受多次材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循冻融循环环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质作用而不破坏，同时也不严重降低

23、强度的性质称为抗冻性，用称为抗冻性，用“抗冻等级抗冻等级”表示。表示。 用符号用符号“FnFn”表示，其中表示，其中“n n”即为最大冻融即为最大冻融循环次数，如循环次数，如 F25 F25、F50F50等。等。 一冻一融为一个冻融循环。一冻一融为一个冻融循环。 1.2.4 1.2.4 材料的抗冻性与抗渗性材料的抗冻性与抗渗性道路的冻害2022-6-5Science of Building Materials41 冻害机理冻害机理 材料受冻融破坏主要是因为材料受冻融破坏主要是因为其孔隙中的水结冰所致。其孔隙中的水结冰所致。水结冰体积增大约水结冰体积增大约9 9，若孔隙中充满水，则冰膨胀对孔壁，

24、若孔隙中充满水，则冰膨胀对孔壁产生很大应力，当应力超过抗拉强度时，孔壁将产生局部开产生很大应力，当应力超过抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。造成材料冻融破坏必须具备三个条件造成材料冻融破坏必须具备三个条件：正负温变化正负温变化孔结构孔结构饱水状态饱水状态2022-6-5Science of Building Materials42（2 2） 抗渗性抗渗性 定义定义：材料抵抗压力水渗透的性质。：材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性通常用两种指标表示：材料的抗渗性通常用两种指标表示： 渗透系数渗透系数K K：渗透系数越小，则表

25、示材料的抗渗性越好。渗透系数越小，则表示材料的抗渗性越好。用于表示防潮、防水材料（沥青、油毡等）的抗渗性。用于表示防潮、防水材料（沥青、油毡等）的抗渗性。 抗渗等级抗渗等级P P：抗渗等级越高，则表示材料的抗渗性越好。抗渗等级越高，则表示材料的抗渗性越好。用于表示砂浆、混凝土等材料的抗渗性。用于表示砂浆、混凝土等材料的抗渗性。 P=10H-1 P=10H-1 材料的抗渗性与孔隙率及孔隙特征（孔径、孔的连通性）有关。开口的连通大孔越多，抗渗性越差；闭口孔隙率大的材料，抗渗性仍可良好。AtHQdK楼板的渗漏隧道的渗漏隧道的渗漏2022-6-5Science of Building Material

26、s461.3 1.3 材料的基本力学性质材料的基本力学性质* 材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料承受外力作用时，内部就会产生应力，外力逐渐增加，应力相应地加大，直到材料破坏。此时的极限应极限应力值力值即为材料的强度。 根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。1.3.1 1.3.1 材料的强度材料的强度图1.3 材料受力示意图FFF材料的抗拉、抗压、抗剪强度可用下式计算：材料的抗拉、抗压、抗剪强度可用下式计算：式中：f抗拉或抗压或抗剪强度（MPa）； Fmax材料破坏时的最大荷载（N）； A受力面面积（mm2）1(1)(1)材料的抗压、抗拉

27、及抗剪强度材料的抗压、抗拉及抗剪强度2022-6-5Science of Building Materials49一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面矩形截面试件，则抗弯强度按下式计算：(2)(2)材料的抗弯强度材料的抗弯强度式中：fm抗弯（折）强度（MPa）； Fmax试件破坏时的最大荷载（N）； L二支点之间距离（mm）； b、h试件截面的宽度和高度（mm）。F另外的试验方法是在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载，则抗弯强度按下式计算：(2)(2)材料的抗弯强度材料的抗弯强度式中：fm抗弯（折）强度（MPa）； Fmax试件破坏时的最大荷载（N）； L二支

28、点之间距离（mm）； b、h试件截面的宽度和高度（mm）。2022-6-5Science of Building Materials51常见材料的强度常见材料的强度 材料的强度与组成、结构和构造有关。 例如：石材、砖等非匀质材料抗压强度较高，而抗拉强度却很低，多用于桥墩、基础、重力式挡土墙等承压部位。 木材内部为纤维结构，顺纹方向的抗拉强度高于横纹方向的抗拉强度。 钢材为匀质的晶体材料，其抗拉、抗压强度都很高，适用于承受各种外力的结构和构件。弹性定义弹性定义：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。完全恢复原来形状的性质。这

29、种可恢复的变形称弹性变形，弹性变形，如图如图（a）。塑性定义塑性定义：若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，：若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形。如图塑性变形。如图（b）。变变 形形应应 力力变变 形形应应 力力 （a）弹性变形曲线 （b）塑性变形曲线1.3.2 1.3.2 材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性材料在弹性范围内应力与应变之间的关系符合如下虎克定律： =E式中应力（MPa）； 应变； E弹性模量（MPa）。弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结

30、构设计中的主要参数之一。1变变形形应应 力力 （a）弹性变形曲线实际材料（如混凝土）实际材料（如混凝土）较小外力作用下，表现为弹性变形；较小外力作用下，表现为弹性变形；受力超过限度后，表现为塑性变形。受力超过限度后，表现为塑性变形。受力后，弹性变形与塑性变形同时产生受力后，弹性变形与塑性变形同时产生变变 形形应应 力力弹弹 塑塑 性性 材材 料料n 完全弹性材料或完全塑性材料是不存在的。完全弹性材料或完全塑性材料是不存在的。（c）弹塑性变形曲线2022-6-5Science of Building Materials551.3.3 1.3.3 材料的脆性与韧性材料的脆性与韧性 脆性脆性：材料在

31、外力作用下，当外材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形（而破坏时无明显的塑性变形（5%5%），），材料的这种性质称为脆性。材料的这种性质称为脆性。 脆性材料的抗压强度比抗拉强度脆性材料的抗压强度比抗拉强度高很多倍。而达到破坏荷载时的变形高很多倍。而达到破坏荷载时的变形值很小，所以承受冲击和振动荷载的值很小，所以承受冲击和振动荷载的能力值很差。能力值很差。 脆性材料脆性材料：混凝土、砖、石材、：混凝土、砖、石材、陶瓷、玻璃、铸铁等陶瓷、玻璃、铸铁等。变形变形应力应力脆性材料脆性材料2022-6-5Science of Bui

32、lding Materials56 韧性韧性：是指材料抵抗冲击或振动荷载作用而不破坏的是指材料抵抗冲击或振动荷载作用而不破坏的能力。能力。 韧性材料的变形值很大，而抗拉强度接近或高于抗压韧性材料的变形值很大，而抗拉强度接近或高于抗压强度，所以承受冲击和震动荷载的能力强。强度，所以承受冲击和震动荷载的能力强。 韧韧性材料性材料：低碳钢、低合金钢、木材等：低碳钢、低合金钢、木材等。（1 1）导热性导热性 当材料两面存在当材料两面存在温度差温度差时，热量从材料一面通过材时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。用料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。用导热系导热系数数表示。表示。材料的导热系数愈大，其传导的热量就愈多。材料的导热系数愈大，其传导的热量就愈多。影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构成、微观影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构成、微观结构、孔隙构造、温度、湿度和热流方向等。结构、孔隙构造、温度、湿度和热流方向等。1.4 1.4 材料的热工、声学、光学性