材料基本性质

材料基本性质第一页，共七十二页，2022年，8月28日讲述内容：土木工程材料的基本性质，包括基本物理、热工、力学、化学性质、装饰性、耐久性以及材料的组成、结构与构造等方面的内容。学习重点和要求：熟悉和掌握土木工程材料的基本性质，了解材料科学的基本概念、理解材料的组成结构与性能关系。第二页，共七十二页，2022年，8月28日一、材料组成、结构与构造二、材料的物理性质三、材料的热工性质四、材料的力学性质五、材料的化学性质和装饰性六、材料的耐久性第三页，共七十二页，2022年，8月28日一、材料组成、结构与构造材料的组成材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成，它们是决定材料物理、化学、力学性质和耐久性的最基本因素。化学组成：构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。矿物组成：构成材料的矿物种类和数量（材料科学中常将具有特定的晶体结构、特定物理力学性能的组织结构称为矿物）第四页，共七十二页，2022年，8月28日一、材料组成、结构与构造相组成：材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。（自然界中的物质可分为气相、液相、固相三种形态），由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。第五页，共七十二页，2022年，8月28日一、材料组成、结构与构造材料的结构与构造材料的结构一般分为宏观、细观和微观三个层次。宏观结构：用肉眼或低倍放大镜能够分辨的粗大组织，是比毫米级还大的尺寸范围内的结构状况。

第六页，共七十二页，2022年，8月28日一、材料组成、结构与构造细观结构：用光学显微镜可以观察到的微米级组织结构。微观结构：用电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等进行研究分析的材料原子、分子层次结构。构造具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。构造概念与结构概念相比，更强调了相同材料与不同材料的搭配组合关系。第七页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料的物理性质材料的体积构成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。第八页，共七十二页，2022年，8月28日绝对密实体积干燥材料在绝对密实状态下的体积。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Ｖ表示。一般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。表观体积对于比较密实、孔隙较少的散粒状材料，不必磨细，直接用排开液体的方法测定的体积。一般以表示。第九页，共七十二页，2022年，8月28日材料的自然体积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。形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后用排开液体的方法得到其体积。材料的堆积体积粉状或粒状材料，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。一般以表示。第十页，共七十二页，2022年，8月28日（一）材料的四种密度1.密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：

式中：ρ——实际密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

V——材料的绝对密实体积，cm3或m3。第十一页，共七十二页，2022年，8月28日密度测定方法在测定有孔隙材料（如砖、石等）的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。材料磨得越细，测得的密实体积数值就越精确。图1-1李氏瓶相对密度相对密度又称比重，是用材料的质量与同体积水（4℃）的质量的比值表示，无单位。

实验多媒体第十二页，共七十二页，2022年，8月28日2.表观密度材料单位表观体积（含材料实体及闭口孔隙体积）的质量。按下式计算：式中：——体积密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

——材料的自然体积，cm3或m3。（一）材料的密度第十三页，共七十二页，2022年，8月28日（一）材料的密度表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积第十四页，共七十二页，2022年，8月28日（一）材料的密度砂表观密度ρs的测定（kg/m3）式中：m0——砂试样的烘干质量，g；m0＝300g；

m1——砂试样、水及容量瓶总质量，g;m2——水及容量瓶总质量，g。测定瓶+砂+水的质量m1测定瓶+水的质量m2实验多媒体第十五页，共七十二页，2022年，8月28日3.体积密度体积密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中：ρ0——材料的体积密度,g/cm3或kg/m3；

m

——材料的质量，g或kg；

V0——材料的自然体积，cm3或m3。（一）材料的密度第十六页，共七十二页，2022年，8月28日4.堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中：ρ0——材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3；

m

——材料的质量，g或kg；——材料的堆积体积，cm3或m3。（一）材料的密度第十七页，共七十二页，2022年，8月28日砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积实验多媒体第十八页，共七十二页，2022年，8月28日（一）材料的密度几种密度的比较比较项目实际密度表观密度体积密度堆积密度材料状态绝对密实近似绝对密实状态自然状态堆积状态材料体积VV0计算公式应用判断材料性质用量计算、体积计算第十九页，共七十二页，2022年，8月28日例题判断：对于某一种确定的散粒状材料，干燥时其表观密度一定大于其堆积密度。（）

答案：对第二十页，共七十二页，2022年，8月28日例题问题：某颗粒材料的密度ρ、表观密度ρ0和堆积密度ρ0’之间可能存在的关系为

。A、ρ0>ρ≥ρ0’B、ρ≥ρ0>ρ0’

C、ρ＞ρ0≥ρ0’A、ρ0’≥ρ0>ρ答案：B第二十一页，共七十二页，2022年，8月28日（二）材料的密实度密实度是指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：ρ——密度；ρ0——材料的表观密度。

对于绝对密实材料，因ρ0=ρ，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0＜ρ，故密实度D＜1或D＜100%。第二十二页，共七十二页，2022年，8月28日(a)材料的自然体积构成(b)材料的堆积体积构成材料的体积构成第二十三页，共七十二页，2022年，8月28日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；

ρ0——材料的表观密度,g/cm3或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3或kg/m3。

（三）孔隙率第二十四页，共七十二页，2022年，8月28日（四）空隙率空隙率是指散粒材料在其堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率按下式计算：

式中：ρ0——材料的体积密度；

——材料的堆积密度。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。

第二十五页，共七十二页，2022年，8月28日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第二十六页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。

具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料第二十七页，共七十二页，2022年，8月28日

亲水性和憎水性

第二十八页，共七十二页，2022年，8月28日例题1问题：下列各材料中，

是亲水性材料。A、沥青B、石蜡C、不锈钢D、聚乙烯塑料答案：C第二十九页，共七十二页，2022年，8月28日例题2问题：下列关于材料亲水性和憎水性的叙述，不合理的是

。A、亲水性材料的润湿边角θ≤90ºB、不锈钢是憎水性材料C、一般木材是亲水性材料D、亲水性材料表面做憎水处理，可提高其防水性能答案：B第三十页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质2.材料的吸水性材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（1）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：式中：mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；

mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。第三十一页，共七十二页，2022年，8月28日（2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：式中: mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；

mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。

V0——材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）；

ρw——水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取

ρ

w=1.0g/cm3。二、材料与水有关的性质第三十二页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质（3）影响材料吸水性的因素材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。第三十三页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质3.材料的吸湿性

材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，其计算公式为：式中：ms——材料吸湿状态下的质量（g或kg）

mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。

当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。第三十四页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率第三十五页，共七十二页，2022年，8月28日4.材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：式中：KR——材料的软化系数；

fb——材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；

fg

——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。二、材料与水有关的性质第三十六页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。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，强度则有不同程度的降低。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物质，造成强度的严重降低。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。第三十七页，共七十二页，2022年，8月28日例题问题：某岩石在气干状态，绝对干燥状态和吸水饱和状态下的抗压强度分别为128MPa、132MPa、112MPa，则该岩石的软化系数为

。A、0.15B、0.85C、0.88D、0.97答案：C第三十八页，共七十二页，2022年，8月28日

某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，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上去浇水不少，但实际吸水不多。

现象原因分析第三十九页，共七十二页，2022年，8月28日原因分析

加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构。第四十页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质5.抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。第四十一页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质影响抗冻性的因素1.材料的密实度（孔隙率）密实度越高则其抗冻性越好。2.材料的孔隙特征开口孔隙越多则其抗冻性越差。3.材料的强度强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量大小吸水量越大则其抗冻性越差。第四十二页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质6.材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算:式中：K——渗透系数,（cm/h）;

Q——渗水量，（cm3）；A——渗水面积,（cm2）；

H——材料两侧的水压差，（cm）；

d——试件厚度（cm）；t——渗水时间（h）。

材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。第四十三页，共七十二页，2022年，8月28日二、材料与水有关的性质（2）抗渗等级材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。（3）影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。第四十四页，共七十二页，2022年，8月28日例题一种材料的孔隙率增大时，以下性质中

一定下降。①密度②表观密度③吸水率④强度⑤抗冻性A①②③B①③C②④D①②④答案：C第四十五页，共七十二页，2022年，8月28日三、材料的热工性质1.导热性当材料两面存在温度差时，热量提高建筑材料传递的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示：式中：λ——导热系数，W/（m·K）；

Q——传导的热量，J；

d——材料厚度，m；

F——热传导面积，m2；

Z——热传导时间，h；

（t2－t1）——材料两面温度差，K。物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1m2）的热量。第四十六页，共七十二页，2022年，8月28日观察与讨论孔隙对材料性质的影响

某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料合适？

讨论AB第四十七页，共七十二页，2022年，8月28日讨论

保温层的目的是减少外界温度变化对住户的影响。材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。第四十八页，共七十二页，2022年，8月28日2.热容量和比热材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。用热容量系数或比热表示。比热的计算式如下所示：式中：C——材料的比热，J/（g·K）；

Q——材料吸收或放出的热量(热容量)；

m——材料质量，g；（t2

－t1）——材料受热或冷却前后的温差，K。三、材料的热工性质第四十九页，共七十二页，2022年，8月28日三、材料的热工性质3.热阻和传热系数热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为：

Ｒ＝ｄ/λ

式中：R——材料层热阻，（m2·K）/W；

d——材料层厚度，m；

λ——材料的导热系数，W/（m·K）。热阻的倒数１／Ｒ称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1Ｋ时，在单位时间内通过单位面积的热量。第五十页，共七十二页，2022年，8月28日三、材料的热工性质4.材料的温度变形性材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。用线膨胀系数α表示。ΔL=（t2－t1）·α·L式中：ΔL——线膨胀或线收缩量，mm或cm；

（t2－t1）——材料前后的温度差，K；

α——材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K；

L——材料原来的长度，mm或m。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。第五十一页，共七十二页，2022年，8月28日四、材料的力学性质1.材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。抗压抗拉抗剪抗弯第五十二页，共七十二页，2022年，8月28日四、材料的力学性质抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f——材料强度，MPa；

Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；

A——试件受力面积，mm2。抗弯强度的计算：中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中：fw——材料的抗弯强度，MPa；Fmax——材料受弯破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2；L、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。-第五十三页，共七十二页，2022年，8月28日比强度比强度指材料强度与其体积密度之比。它是评价材料是否轻质高强的指标。下表列出常见几种建筑材料的比强度。材料名称体积密度（kg/m3）强度（MPa）比强度低碳钢松木混凝土(C30)红砖7800500240017002353430100.03010.06800.01250.0059第五十四页，共七十二页，2022年，8月28日例题问题：钢材、普通钢筋砼、预应力砼三者的比强度最大

。A、钢材比强度最大B、预应力砼比强度最大C、三者比强度基本相同D、钢材的比度最小答案：A第五十五页，共七十二页，2022年，8月28日四、材料的力学性质2.弹性和塑性（1）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。

（2）塑性材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。第五十六页，共七十二页，2022年，8月28日弹性模量E弹性变形的变形量与对应的应力大小成正比，其比例系数用弹性模量E来表示。按下式计算：式中：σ——材料所受的应力，MPa；ε——材料在应力σ作用下产生的应变，无单位。弹性模量越大，材料在荷载作用下越不易变形。

例题第五十七页，共七十二页，2022年，8月28日例题问题：材料的弹性模量是衡量材料弹性范围的抵抗变形能力的指标,弹性模量愈小,材料受力变形

。A、愈小B、不变C、愈大D、弹性模量和变形无关答案：C第五十八页，共七十二页，2022年，8月28日观察与讨论3.脆性和韧性观察以下两动画，请对比分析韧性材料与脆性材料的差异。讨论四、材料的力学性质第五十九页，共七十二页，2022年，8月28日讨论3.脆性和韧性

具有脆性性质的材料称脆性材料。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，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土等。

具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。第六十页，共七十二页，2022年，8月28日脆性脆性指材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质（右图）。具有这种性质的材料称为脆性材料。第六十一页，共七十二页，2022年，8月28日脆性材料特征抗压强度比其抗拉强度往往要高很多倍。它对承受震动作用和抵抗冲击荷载是不利的。常见脆性材料砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土