第2章土木工程材料的基本性质(同济刘正武)

1、第第 二二 章章2.1.1 材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度、表观密度和堆积密度2.1.1.1 密度（密度（density）定义：定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。可按下式计算：Vm 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。测量方法测量方法 有较多孔隙的材料，采用磨细后用李氏瓶测定其体积的方法。 某些致密材料，如卵石等，可用直接 排液法，用这种方法测量的体积，由 于无法排除内部封闭的孔隙，所以称 这样测得的密度为近似密度(a)。2.1.1.2 表观密度表观密度（unit weight）定义：定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。计算：计

2、算：00Vm0 表现密度，g/cm3或 kg/m3；m 材料的质量，g，或 kg；V0 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。2.1.1.3 堆积密度堆积密度定义：定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。计算：计算：00Vm0 堆积密度，kg/m3；m 材料的质量， kg；V0 松散材料的堆积体积， m3。（heaped density ）2.1.1.4 材料的孔隙和空隙材料的孔隙和空隙2.1.1.4.1 材料的孔隙材料的孔隙(1)孔隙率孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率%100)1 (%100000VVVp材料的孔隙从两个方面对

3、材料的性能产生影响：一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。孔隙数量用孔隙率表征。V0VVKVB开口孔开口孔封闭孔封闭孔闭口孔隙自然状态下的块状材料开口孔隙VmPVVm0BKVVVm0实体实体pVVD1%100%10000(2)密实度密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料材料内部固体物质的实际体积占材料 总体积的百分率总体积的百分率孔隙特征主要有三方面：（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；（2）按空隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔和互相贯通的连通孔；（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口孔）。把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB，则孔隙体积 V

4、= Vk+ VB定义开口孔孔隙率为定义闭口孔孔隙率为则孔隙率为0VVpKK0VVpBBBKppp散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。(1) 空隙率空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率百分率%100)1 (%10000000VVVp2.1.1.4.2 材料的空隙材料的空隙(2)填充率填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率00001%100%100pVVD实实 体体空空 隙隙开口孔隙开口孔隙封闭孔隙封闭孔隙装在容器里的粒状、粉状或块状材料V0VVKVBV000Vm2.22.2材料与水有关的性质材料与水有

5、关的性质(a) 亲水性材料(b) 憎水性材料 亲水材料 憎水材料2.2.1 2.2.1 材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性润湿边角润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线，切线与材料和水接触面 的夹角。2.2.2 2.2.2 材料的含水状态材料的含水状态四种基本含水状态：四种基本含水状态：干燥状态干燥状态材料孔隙中不含或含水极微；材料孔隙中不含或含水极微；气干状态气干状态材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；饱和面干状态饱和面干状态材料表面干燥，孔隙含水饱和；材料表面干燥，孔隙含水饱和；湿润状态湿润状态材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附材料孔隙

6、含水饱和，表面为水湿润附 有一层水膜。有一层水膜。材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态饱和水表面水材 料 的 含 水 状 态(a) 干燥状态(b) 气干状态(c) 饱和面干状态(d) 湿润状态(a)(b)(c)(d)2.2.3 2.2.3 材料的吸湿性和吸水性材料的吸湿性和吸水性(1) 吸湿性吸湿性 亲水材料在潮湿空气中吸收水分 的性质。用含水率表示%100ggshmmmWWh 含水率； ms 材料含水状态下的质量，g；mg 材料干燥状态下的质量，g。材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。平衡含水率：平衡

7、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。材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。（2）吸水性）吸水性材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示，有重量吸水率和体积吸水率两个定义：重量吸水率材料吸水饱和时，吸收的水分重 量占材料干燥时重量的百分率；体积吸水率材料吸水饱和时，吸收的水分体 积占材料干燥时体积的百分率；材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干燥状态时的表观密度。2.2.4 2.2.4 耐水性耐水性定义定义 材料长期在水作用下不破坏、强度也不 明显下降的性质用软化系数表示：软化系数材料吸水饱和状态下的抗压强度 与干燥状

8、态下的抗压强度之比软化系数 0.8 的材料称为耐水材料2.2.5 2.2.5 抗渗性抗渗性定义定义 材料抵抗 压力水渗透的性质 常用渗透系数或抗渗标号表示：渗透系数：AtHQdk k 渗透系数，cm/h；Q 透水量，cm；d 试件厚度，cm；A 透水面积，cm； t 时间，h；H 静水压力水头，cm。抗渗标号（记为抗渗标号（记为Pn）：）：材料按规定制作的试件在标准试验条件下所材料按规定制作的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力（能承受的最大水压力（MPa）。）。材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材料的抗渗性越好。料的抗渗性越好。2.2.6 2.2.

9、6 抗冻性抗冻性定义定义 材料在含水状态下能经受多次冻融循环 作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。常用抗冻标号（记为记为FnFn）表示： 以规定的吸水饱和试件在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻标号。材料的抗冻性与材料吸水程度、材料强度及孔隙特征有关。含水率大、强度低、开口孔多抗冻性差。2.3材料的热性质材料的热性质2.3.1. 2.3.1. 热容性热容性定义定义材料在温度变化时吸收或放出热量的材料在温度变化时吸收或放出热量的能力能力不同材料的热容性可用比热进行比较。不同材料的热容性可用比热进行比较。比热：单位质量的材

10、料升高单位温度所需热量。比热：单位质量的材料升高单位温度所需热量。定义定义2.3.2 2.3.2 导热性导热性材料两侧有温差时热量由高温侧材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力。向低温侧传递的能力。常用导热系数表示。常用导热系数表示。材料的导热性能与孔隙特征有关，增加材料的导热性能与孔隙特征有关，增加孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能力。力。2.3.3 2.3.3 热变形性热变形性定义定义材料在温度变化时的尺寸变化材料在温度变化时的尺寸变化常用线膨胀系数表示。常用线膨胀系数表示。有保温隔热要求的工程尽量选用热容量有保温隔热要求的工程尽量选用热容量大、导

11、热系数小的材料。大、导热系数小的材料。2.4 2.4 材料的力学性质材料的力学性质2.4.1 强度与比强度强度与比强度一、材料的强度一、材料的强度定义 材料在外力作用下不破坏时能承受 的最大应力 根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。 LLF/2F/2FFL/3F FL/3L/3(a) 压力(b) 拉力(c) 弯曲(d) 剪切材料所受外力：材料所受外力：各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度抗压、抗拉、抗剪的强度AFff 强度， Mpa；F 破坏时最大荷载，N；A 受力截面面积，mm2。 抗弯强度抗弯强度223bhPLff1）(中点集中荷载)2）2b

12、hPLff(三分点两相等集中荷载)ff 抗弯强度，Mpa；P 弯曲破坏时最大荷载，N；L 两支点的间距，mm； b 试件横截面积宽度，mm；h 试件横截面积高度，mm。 许多土木工程材料常以其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级，俗称 “标号标号”。 将土木工程材料划分为若干强度等级，对掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是十分重要的。材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等) 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等)二、材料的比强度二、材料的比强度定义 单位体积质量的材料强度,等于 材料的强度与其表观密度之比是衡量材

13、料是否轻质、高强的一个主要指标2.4.2 材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性 弹性与塑性弹性与塑性 材料在承受外力时，如撤除外力的作用后，材料的几何形状瞬间内能恢复原状，材料的这种性能称为弹性弹性。如果只能部分恢复变形，而残留一部分不能消失的变形，该残留部份称为塑性变形塑性变形。2.4.3 2.4.3 脆性和韧性脆性和韧性（1）脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变形 而突然破坏的性质。具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料脆性材料。从应力应变图中看材料的脆性（2）韧性 材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性韧性或冲击韧性。一般以测定其冲击破坏时

14、单位断面上吸收的能量作为指标。2.4.4 2.4.4 硬度和耐磨性硬度和耐磨性硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 不同材料的硬度测定方法不同。常用刻划法和不同材料的硬度测定方法不同。常用刻划法和压入法测定。压入法测定。 刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。硬度和维氏硬度。耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示 一般讲，强度较高且密实的材料，其硬度较大，一般讲，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。耐磨性较好。2.4.5 2.4.5 材料的徐变和

15、应力松弛材料的徐变和应力松弛 当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而缓慢增加的过程，称为徐变徐变。 当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变，由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程，称为应力松弛松弛。徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。2.52.5材料的耐久性材料的耐久性 土木工程材料在使用过程中经受各种破坏因素 ( 物理的、化学的、环境的、生物的等等 ) 的作用，而能保持其使用性能的性质称为土木工程材料的耐久性土木工程材料的耐久性。 环境影响因素往往是复杂多变的，它们单独或交互作用于材料形成破坏。由于各种破坏因素的复杂性和多样性，使得耐久性是一个综合性概念。 材料的耐久性是一项重要技术指标。在构筑物的设计