土木工程材料材料基本性质课件

土木工程材料的基本性质土木工程材料1土木工程材料的基本性质土木工程材料1第一章土木工程材料的基本性质

无机材料有机材料复合材料建筑工程道路工程桥梁工程地下工程岩土工程服务创新材料的基本性质2第一章土木工程材料的基本性质无机材料有机材料复合材料建筑第一章土木工程材料的基本性质

材料的基本性质物理性质力学性质耐久性密度孔隙率与水的关系热工性质强度弹性塑性韧性脆性硬度耐久性定义环境协调性遮风挡雨耐热隔声耐腐防冻承重抗震各种外力长期使用性能退化3第一章土木工程材料的基本性质材料的基本性质物理性第一章土木工程材料的基本性质

特别提示本章新概念及重点表观密度孔隙率空隙率抗渗性吸湿性吸水性耐水性抗冻性耐燃性韧性脆性耐久性4第一章土木工程材料的基本性质特别提示本章新概念及重点表观第一章土木工程材料的基本性质

1.1材料的基本物理性质

1.2材料的力学性质

1.3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

5第一章土木工程材料的基本性质1.1材料的基本物理性质1.1材料的基本物理性质1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率1.1.3与水有关的性质

1.1.4热工性质

61.1材料的基本物理性质1.1.1密度、表观密度、体积1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度真实密度表观密度体积密度单位体积的质量材料的绝对密实状态包括材料实体与闭口孔隙包括材料实体及其开口与闭口孔隙密度71.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度真实密度表观1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度真实密度ρ——

材料的密度，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测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，再用李氏瓶测定其绝对密实体积81.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度真实密度ρ—1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度李氏瓶及测定步骤91.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度李氏瓶及测定1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度常见近似无孔隙材料钢、玻璃常见有孔隙材料101.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度常见近似无孔1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度表观密度ρ′——

材料的表观密度，g/cm3；

m——

材料的质量，g；V′——材料包含闭口孔隙条件下的体积，cm3通常，材料在包含闭口孔隙条件下的体积式采用排液置换法或水中称重法测量。111.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度表观密度ρ′1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度体积密度ρ0——

材料的体积密度，g/cm3；

m——

材料的质量，g；V0——材料包含开闭口孔隙条件下的体积，cm3对于规则形状材料的体积，可用量具测得。对于不规则形状材料的体积，可用封蜡排液法测得121.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度体积密度ρ01.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度堆积密度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可能的堆放空间！散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量堆积体积绝对体积内部开闭孔体积颗粒间空隙体积131.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度堆积密度材料1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度测量材料密度、表观密度、体积密度和堆积密度的目的计算材料用量、构件自重、配料、材料堆放的体积或面积141.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度测量材料密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率孔隙率材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率

内部孔隙闭口孔隙开口孔隙151.1.2材料的孔隙率和空隙率孔隙率材料内部孔隙的体积占内1.1.2材料的孔隙率和空隙率空隙率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空隙体积开口孔隙颗粒间隙161.1.2材料的孔隙率和空隙率空隙率堆积体积状态下颗粒固体1.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率

孔隙率的大小直接反映了材料的密实程度材料的密实度D材料内被固体所填充的程度P+D=1171.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率孔隙率的大小1.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率

材料内部除了孔隙的多少以外，孔隙的特征状态也是影响其性质的重要因素之一孔隙特征：开口或闭口、粗孔或细孔与材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系一般而言，孔隙率较小，且与外部连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。181.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率材料内部除了1.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的空隙率

反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度工程应用：在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据191.1.2材料的孔隙率和空隙率材料的空隙率反映了散粒材1.1.3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渗性抗冻性201.1.3与水有关的性质亲水性与憎水性201.1.3与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性憎水性材料能被水润湿材料不能被水润湿211.1.3与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性憎水性材料能被1.1.3与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性憎水性水能通过毛细管作用而渗入材料内部材料能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水水泥、混凝土、砂、石、砖、木材沥青、石蜡及某些塑料常用作防水材料，或覆面层，以提高其防水、防潮性能PK221.1.3与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性憎水性水能通过1.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸水性吸湿性材料能在水中吸收水分材料在潮湿空气中吸收水分质量吸水率体积吸水率质量吸水率开口孔隙率PK231.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸水性吸湿性材料能在1.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸水性开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。孔隙率241.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸水性开口孔隙率愈大1.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸湿性当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小

材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。

当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。微小开口孔隙空气湿度环境温度具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，在潮湿空气中能吸收很多水分251.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性吸湿性当空气湿度较大1.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性产生的不利影响材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用261.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性产生的不利影响材料吸1.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性案例某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用传统方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。271.1.3与水有关的性质吸水性与吸湿性案例某施工队原使用普1.1.3与水有关的性质耐水性材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质耐水性用软化系数KR的大小表明材料在浸水饱和强度降低的程度。KR值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。281.1.3与水有关的性质耐水性材料长期在水作用下不破坏，1.1.3与水有关的性质耐水性一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。

材料的软化系数在0～1之间

工程中将KR＞0.85的材料，通常认为是耐水的材料291.1.3与水有关的性质耐水性一般来说，材料被水浸湿后，1.1.3与水有关的性质抗渗性----材料抵抗压力水渗透的性质渗透系数在一定厚度的材料，一定水压力下，单位时间内透过单位面积的水量Ks值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。301.1.3与水有关的性质抗渗性----材料抵抗压力水渗透的抗渗性1.1.3与水有关的性质31抗渗性1.1.3与水有关的性质311.1.3与水有关的性质影响抗渗性的因素开口孔隙率憎水性和亲水性开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料地下结构、压力管道、压力容器等结构，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。321.1.3与水有关的性质影响抗渗性的因素开口孔隙率憎水性1.1.3与水有关的性质抗冻性材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而重量损失不大，强度也无显著降低的性质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331.1.3与水有关的性质抗冻性材料在吸水饱和状态下，经受多1.1.3与水有关的性质影响抗冻性的原因----内部原因孔隙率及孔隙特征孔隙不充满水极细的孔隙粗大孔隙闭口孔隙毛细管孔隙有足够的自由空间，不产生很大冻胀应力孔壁吸附力作用，冰点低，负温下不结冰水分不会充满其中，缓冲冰胀破坏水分不能渗入冰冻破坏作用影响最大341.1.3与水有关的性质影响抗冻性的原因----内部原因1.1.3与水有关的性质影响抗冻性的原因----外部原因材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、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351.1.3与水有关的性质影响抗冻性的原因----外部原因1.1.3与水有关的性质抗冻性抗冻标号用符号“Fn”表示，其中“n”即为最大冻融循环次数，如F25、F50等一般要求其抗冻标号为F15或F25用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200而水工混凝土要求高达F500。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差361.1.3与水有关的性质抗冻性抗冻标号用符号“Fn”表示1.1.4热工性质降低建筑物的使用能耗为生产和生活创造适宜的条件阻止冷（热）空气，维持室内温度目的371.1.4热工性质降低建筑物的使用能耗目的371.1.4热工性质热容导热性耐燃性381.1.4热工性质热容381.1.4热工性质热容材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质比热反映材料的吸热或放热能力大小的物理量材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义。比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。391.1.4热工性质热容材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的1.1.4热工性质导热性材料传导热量的能力材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高材料的孔隙率较大者其导热系数较小401.1.4热工性质导热性材料传导热量的能力材料的导热系数愈1.1.4热工性质热容与导热性材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的土木工程筑材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要数据。411.1.4热工性质热容与导热性材料的导热系数和热容量是设计1.1.4热工性质耐燃性----材料对火焰和高温度抵抗能力非燃烧材料

难燃材料

可燃材料

不起火、不碳化不微燃

难起火、难微燃难碳化

立即起火或微燃高温火烧高温火烧高温火烧钢铁、砖、石玻璃

防火处理的木材和刨花板木材421.1.4热工性质耐燃性----材料对火焰和高温度抵抗能力1.1.4热工性质耐燃性钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高温作用会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧材料，但不是耐燃的材料

431.1.4热工性质耐燃性钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高温1.1.4热工性质耐燃性441.1.4热工性质耐燃性441.1.4热工性质耐燃性案例某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏451.1.4热工性质耐燃性案例某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝本节回顾密度孔隙率空隙率抗渗性吸湿性吸水性耐水性抗冻性耐燃性表观密度体积密度堆积密度亲水性憎水性热容导热性46本节回顾密度孔隙率空隙率抗渗性吸湿性吸水性耐水性抗冻性耐燃性47471.2材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。变形破坏弹性变形塑性变形脆性材料韧性材料强度1-23481.2材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的变1.2材料的力学性质1.2.1强度1.2.2弹性与塑性1.2.3韧性与脆性1.2.4硬度及耐磨性2-23491.2材料的力学性质1.2.1强度2-23491.2.1强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力外力<内部质点结合力极限变形外力>内部质点结合力极限破坏从本质上来说，材料的强度应是其内部质点间结合力的表现！外力在材料内部产生的极限应力，称为材料的强度3-23501.2.1强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力外力<内部质1.2.1强度根据所受外力的作用形式不同材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度4-23511.2.1强度根据所受外力的作用形式不同材料的这些强度是1.2.1强度材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得抗压、抗拉和抗剪的计算公式抗弯极限强度的计算公式5-23521.2.1强度材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得1.2.1强度孔隙率愈大强度愈低影响材料强度的几个因素1.材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。6-23531.2.1强度孔隙率愈大强度愈低影响材料强度的几个因素11.2.1强度影响材料强度的几个因素2.材料的强度也与其含水状态有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低3.材料的强度也与其温度有关一般温度高时，材料的强度将降低例如：沥青混凝土，钢铁7-23541.2.1强度影响材料强度的几个因素2.材料的强度也与1.2.1强度影响材料强度的几个因素4.材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面形状有关相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高加荷速度快者，强度值偏高试件表面不平或表面涂润滑剂的，强度值偏低8-23551.2.1强度影响材料强度的几个因素4.材料的强度与其1.2.1强度由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值必须严格按照规定的试验方法进行影响材料强度的几个因素9-23561.2.1强度由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值1.2.1强度材料强度的划分等级各种材料的强度差别甚大，土木工程材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级烧结普通砖分为5个强度等级MU10~MU30硅酸盐水泥分为6个强度等级42.5(R),52.5(R),62.5(R)

普通混凝土分为12个强度等级C7.5~C6010-23571.2.1强度材料强度的划分等级各种材料的强度差别甚大，1.2.1强度材料强度划分等级的意义生产者在控制质量时有据可依，保证产品质量利于使用者掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和控制工程施工质量11-23581.2.1强度材料强度划分等级的意义生产者在控制质量时有1.2.1强度

比强度对不同强度的材料进行比较目的反映材料单位体积质量的强度材料强度与其表观密度比强度=

f（MPa）ρ(kg/m3)12-23591.2.1强度比强度对不同强度的材料进行比较目的反映材料1.2.1强度

引入比强度的意义比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标优质的结构材料，必须具有较高的比强度玻璃钢木材低碳钢普通混凝土>>普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土向轻质、高强发展是一项十分重要的工作！13-23601.2.1强度引入比强度的意义比强度是衡量材料轻质高强性1.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到原始形状的性质称为弹性什么是弹性和弹性变形？材料的这种可恢复的变形称为弹性变形弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为弹性模量常数14-23611.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后1.2.2弹性与塑性弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标引入弹性模量的意义弹性模量愈大，材料愈不易变形，亦即刚度愈好弹性模量是结构设计的重要参数15-23621.2.2弹性与塑性弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指1.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形不能完全恢复到原始形状的性质称为塑性什么是塑性和塑性变形？材料的这种不可恢复的变形称为塑性变形16-23631.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后1.2.2弹性与塑性实际上，纯弹性变形的材料是没有的，大多数材料称之为弹塑性材料例如：低碳钢17-23641.2.2弹性与塑性实际上，纯弹性变形的材料是没有的，例如1.2.2弹性与塑性许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失例如：混凝土18-23651.2.2弹性与塑性许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同1.2.3韧性与脆性当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性脆性材料韧性材料19-23661.2.3韧性与脆性当外力达到一定值时，材料突然破坏，在冲1.2.3韧性与脆性脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力很差，只适合用作承压构件大部分无机非金属材料均为脆性材料天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土20-23671.2.3韧性与脆性脆性材料的抗压强度远大于其抗拉脆性材料1.2.3韧性与脆性冲击韧性指标是指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的能量工程中，要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，应具有较高的韧性。21-23681.2.3韧性与脆性冲击韧性指标是指用带缺口的试件做冲工程1.2.4硬度及耐磨性材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力硬度测定材料硬度的方法22-23691.2.4硬度及耐磨性材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力硬度1.2.4硬度及耐磨性材料表面抵抗磨损的能力耐磨性一般材料的强度较高、材料密实硬度较大，则其耐磨性愈好材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性23-23701.2.4硬度及耐磨性材料表面抵抗磨损的能力耐磨性一般材料本节回顾强度弹性塑性耐磨性硬度影响因素划分等级比强度韧性脆性71本节回顾强度弹性塑性耐磨性硬度影响因素划分等级比强度韧性脆性1.3材料的耐久性建筑物不同部位的材料外力作用自身变化环境因素材料在使用过程中能抵抗周围各种介质侵蚀而不破坏，也不易失去原有性能的性质什么是耐久性？721.3材料的耐久性建筑物不同外力作用自身变化环境因素材料在土木工程材料除具有良好的使用性能外还要提高材料使用寿命为什么要提出耐久性？1.3材料的耐久性73土木工程材料除具有良好的使用性能外为什么要提出耐久性？1.31.3材料的耐久性材料的一项综合性质抗冻性抗风化性抗老化性耐化学腐蚀性自然因素的破坏物理作用化学作用生物作用741.3材料的耐久性材料的一项综合性质抗冻性抗风化性抗老化性1.3材料的耐久性物理作用化学作用生物作用干湿交替温度变化冻融循环体积产生膨胀或收缩导致内部裂缝的扩展材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀使材料的组成成分发生质的变化菌类、昆虫等的侵害导致材料发生腐朽、蛀蚀等破坏751.3材料的耐久性物理作用化学作用生物作用干湿交替体积产生1.3材料的耐久性生物作用:白蚁

北自辽宁丹东、大连；南至海南省的西、南中沙群岛；东自台湾；西至西藏均有白蚁分布。除吉林、黑龙江、内蒙古、青海、宁夏和新疆等省、自治区至今未发现白蚁据国家建设部门调查，由白蚁造成的损失每年达十几亿元。在杭州，受蚁害得住户比例高达３４％，新建楼房受蚁害竟高达７４％761.3材料的耐久性生物作用:白蚁北自辽宁丹东、大连；1.3材料的耐久性白蚁的危害：771.3材料的耐久性白蚁的危害：771.3材料的耐久性白蚁的危害：781.3材料的耐久性白蚁的危害：781.3材料的耐久性

材料耐久性的测定最可靠的判断长期的观察和测定使用条件费时！快速检验法模拟实际使用条件实验室干湿循环冻融循环碳化加湿紫外线干燥循环盐溶液浸渍干燥循环化学介质浸渍791.3材料的耐久性材料耐久性的测定最可靠的判断长期的观察1.3材料的耐久性

提高材料耐久性的重要意义选用土木工程材料时，必须考虑材料耐久性问题。采用耐久性良好的土木工程材料，对节约材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等，均具有十分重要的意义。801.3材料的耐久性提高材料耐久性的重要意义选用土木工程材1.3材料的耐久性

提高材料耐久性的措施减轻大气或周围介质对材料的破坏作用降低湿度，排除侵蚀性物质等提高材料本身对外界作用的抵抗性提高材料的密度，采取防腐措施等用其它材料保护主体材料免受破坏覆面、抹灰、刷涂料等123811.3材料的耐久性提高材料耐久性的措施减轻大气或周围介质1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响内因物理性质力学性质耐久性外因821.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响内因物理性质力1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响什么是内因呢？材料的组成、结构、构造对材料性质的影响831.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响什么是内因呢？1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成化学组成矿物组成构成材料的化学元素及化学物的种类及数量构成材料的矿物种类和数量与自然环境接触发生化学变化决定其材料性质的主要因素不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素841.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成化1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料酸、碱、盐类侵蚀