第1章 土木工程材料的基本性质

第1章土木工程材料的基本性质

本章知识点

【知识点】材料密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率、密实度、填充率等物理性质的概念及表征，亲水性、憎水性、吸湿性、吸水性、耐水性、抗渗性、抗冻性等材料与水有关性质的概念与区别，材料强度、比强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、耐磨性等力学性质的概念与计算，材料耐久性的环境作用及评定。【重点】材料基本性质的概念含义、公式表达，各性质之间的区别与联系，材料性质与其组成、结构、构造以及环境因素的关系，材料强度的计算与测定。【难点】材料基本性质的影响因素及其作用机理。1.1.1

与质量有关的性质

1.密度、表观密度与堆积密度

（l）密度

密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。按下式计算：1.1材料的物理性质式中——密度（g/cm3）；

m——材料在干燥状态下的质量（g）；

V——绝对密实状态下的体积（绝对体积或实体积）（cm3）。材料密度的大小主要取决于材料的物质组成与结构。物质组成与结构不同的材料，其密度相差很大。（1-1）常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率材料密度（g/cm3）表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）孔隙率（%）石灰石2.601800～2600——花岗岩2.60～2.902500～2800—0.5～3.0碎石（石灰石）2.60—1400～1700—砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通黏土砖2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心砖2.51000～1400——水泥3.1—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20轻骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75钢材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0图1-1材料组成示意图1—孔隙；2—固体物质

在自然界和现实工程中，绝对密实状态的材料是不存在的，有些材料（如钢材、玻璃等）可视为接近绝对密实，而绝大多数材料内部都含有一定量的孔隙。

1.1.1

与质量有关的性质

（2）表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量。按下式计算：1.1.1

与质量有关的性质式中——材料的表观密度（kg/m3）；

m——材料的质量（kg）；

V0——材料在自然状态下的体积（简称自然体积或表观体积，包括材料的实体积和所含孔隙体积）（m3）。材料的表观密度除取决于材料的组成外，还与材料的孔隙率和孔隙的含水程度有关。材料孔隙率越大，其表观密度越小。当孔隙中含有水分时，其质量和体积均有所变化。（1-2）通常情况下的材料表观密度是指材料在气干状态下的表观密度，在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。在实际工程中，常依据材料的表观密度值，推算材料用量、计算构件自重、确定运输负载和材料堆放空间等。1.1.1

与质量有关的性质

（3）堆积密度

堆积密度是指散粒状或粉状材料在自然堆积状态下，单位体积所具有的质量。按下式计算：1.1.1

与质量有关的性质式中——材料的堆积密度（kg/m3）；

m——材料的质量（kg）；——散粒或粉状材料的自然堆积体积（包括颗粒体积和颗粒之间的空隙体积，图1-2）（m3）。堆积密度取决于材料的表观密度及测定时材料装运方式和疏密程度。工程中常据松散堆积密度确定颗粒状材料堆放空间。（1-3）图1-2

散粒材料堆积体积示意图1—固体物质；2—空隙；3—孔隙材料的堆积密度取决于材料的表观密度以及测定时材料装运方式和疏密程度。材料在松散堆积状态下测得的堆积密度值小于紧密堆积状态下测得的堆积密度值。1.1.1

与质量有关的性质

密度、表观密度、堆积密度的区别

三个密度概念均表征了材料质量与其体积的关系，但三者所表征材料的状态、体积所包含的内容、定义式和所研究的对象则分别不同，见下表：名称材料状态体积包含内容定义式研究对象密度绝对密实状态实体体积理想材料表观密度自然状态实体体积孔隙体积固体材料堆积密度堆积状态实体体积孔隙体积空隙体积粉、粒、纤维材料1.1.1

与质量有关的性质

2．密实度与孔隙率

（l）密实度（D）

密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料中固体物质的体积占材料总体积的百分率。按下式计算：1.1.1

与质量有关的性质（2）孔隙率（P）

孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。可用下式计算：（1-4）（1-5）密实度和孔隙率是从不同角度反映了材料的致密程度。材料密实度和孔隙率的大小主要取决于材料的组成、结构及制造工艺。材料的许多工程性质，如材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的孔隙率或密实度有关。这些性质不仅取决于孔隙率的大小，还与孔隙的类型、形状、大小、分布等构造特征密切相关。孔隙率较大的泡沫砖密实度较大的花岗岩1.1.1

与质量有关的性质工程上常按孔隙的连通性，将孔隙分为开口孔隙（简称开孔）和闭口孔隙（简称闭孔）。开孔是指那些彼此连通，并与外界也相通的孔隙，如常见的毛细孔。当开口孔隙率增大时，材料的吸水性、吸湿性、透水性和吸声性增强，材料的抗冻性和抗渗性则因此变差。闭孔是指那些彼此不连通，而且与外界隔绝的孔隙。当闭口孔隙率增大时，材料的保温隔热性能和耐久性增强。开孔结构的浮石复合材料闭孔结构珍珠岩1.1.1

与质量有关的性质3.填充率与空隙率

（l）填充率()

填充率是指颗粒或粉状材料在堆积体积内，被颗粒材料表观体积所填充的程度。按下式计算：1.1.1

与质量有关的性质

（2）空隙率()

空隙率是指颗粒或粉状材料在堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占总体积的百分率。可用下式计算：(1-6)(1-7)填充率和空隙率从不同角度同样反映了颗粒或粉状材料堆积的紧密程度。空隙率在配制混凝土时可作为控制混凝土骨料配料以及计算混凝土含砂率的依据。1.1.1

与质量有关的性质

密实度、孔隙率和填充率、空隙率的联系与区别名称联系区别密实度分别从实体积和孔隙多少角度反映了固体材料的致密程度D+P=1表征对象为固体材料孔隙率填充率分别从固体物和空隙多少角度反映了颗粒或粉状材料的堆积紧密程度+=1表征对象为颗粒、粉状等散粒材料空隙率1.1.1

与质量有关的性质

总之，材料的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率及空隙率等概念，都是认识与掌握材料性能以及选择应用材料的重要指标。常用土木工程材料的基本物性能参数见表1-1。材料密度（g/cm3）

表观密度（kg/m3）

堆积密度（kg/m3）

孔隙率（%）

石灰石2.601800～2600——花岗石2.60～2.902500～2800—0.5～3.0砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通粘土砖2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心砖2.501000～1400——水泥3.10—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20轻骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75钢材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率表1-1

1.1.1

与质量有关的性质

1.1.2

与水有关的性质

1.亲水性与憎水性材料的亲水或憎水程度用润湿角θ来表示。润湿角是在材料、水和空气三相的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体的接触面之间的夹角，如图1-3所示。图1-3

材料的润湿示意图当润湿角θ=0时，表明该材料完全被水所润湿;润湿角θ≤90°的材料称为亲水性材料，如砖、混凝土、砂浆等；润湿角θ＞90°的材料称为憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料等。

2.

吸水性与吸湿性

（1）吸水性

吸水性是指材料在浸水状态下吸收水分的能力，用吸水率来表示。材料主要是通过其中连通的开口孔隙吸收水分，吸水率的大小不仅取决于材料的亲水性或憎水性，而且还与材料的孔隙率大小、孔隙特征等因素有关。如果材料属于亲水性材料，孔隙率大，且为细小的开口孔隙，那么材料的吸水性就较强。吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法：

①质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率。按下式计算：1.1.2

与水有关的性质1.1.2

与水有关的性质式中WV

——材料的体积吸水率（%）；

VW——材料吸水饱和时吸入水的体积（cm3

）

；式中Wm

——材料的质量吸水率（%）；

mb

——材料吸水饱和时的质量（g）；

mg

——材料在干燥状态下的质量（g）。②体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部吸入水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。按下式计算：（1-8）（1-9）——材料在干燥状态下的自然体积（cm3）；——水的密度（g/cm3），常温下取g/cm3。当材料的吸水率不大时，常用质量吸水率来评价材料的吸水性。各种土木工程材料的吸水率差异很大，如花岗石的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，烧结砖的吸水率为8%～20%，软木材的吸水率可超过100%。对一些轻质多孔材料（如加气混凝土、软质木材等），吸入水分的质量往往超过材料干燥时的质量，其质量吸水率可能会超过100%，此时用体积吸水率更能反映材料吸水能力的强弱，体积吸水率不可能超过100%。质量吸水率与体积吸水率的关系为：

(1-10)1.1.2

与水有关的性质

（2）吸湿性

吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，用含水率来表示。吸湿作用具有可逆性，材料既可吸收潮湿空气中的水分，又可向较为干燥的空气中释放水分。材料的吸湿性除了取决于自身的组成和构造以外，还与所处的空气湿度和环境温度有关，并随温湿度的变化而改变，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。材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。含水率按下式计算：

（1-11）

式中

Wh——材料的含水率（%）；

ms——材料吸湿状态下的质量（g）；1.1.2

与水有关的性质

mg——材料干燥状态下的质量（g）。材料的吸水性和吸湿性分别从不同的环境角度，反映了材料吸收水分的性能，二者的区别见下表：名称表征状态表征指标影响因素吸水性材料浸水状态下吸水率材料的亲水性或憎水性、材料的孔隙率大小、孔隙特征等吸湿性材料在潮湿空气中含水率材料的组成和构造、空气湿度和环境温度等1.1.2

与水有关的性质

通常情况下，无论是吸水或吸湿，往往会给材料及工程带来一系列不良影响，使材料的许多性能发生改变，如自重增大、体积膨胀、抗冻性变差、保温性能下降、强度和耐久性降低等。

3.耐水性

耐水性是指材料长期在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料的耐水性主要取决于其化学成分在水中的溶解度及材料内部开口孔隙率的大小。不同的材料类别，其耐水性有不同的表示方法：对于工程结构材料，耐水性主要指材料的强度变化；对装饰工程材料，耐水性则主要反映在颜色变化、起泡、起层等方面。结构材料的耐水性用软化系数来表示，按下式计算：

（1-12）式中KR——材料的软化系数；

fw

——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；1.1.2

与水有关的性质

fd——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。材料吸水饱和后，其强度均有所降低。因此，材料的软化系数一般在0～1之间，软化系数值越小，说明材料吸水饱和强度降低得越多，材料的耐水性越差。钢、玻璃及沥青等材料的软化系数基本等于1，而黏土的软化系数基本等于0。通常将软化系数大于0.8的材料称为耐水材料。耐水板材耐水砌块1.1.2

与水有关的性质

在选用材料时，对经常位于水中或处于潮湿环境中的重要建筑物，所选用材料的软化系数不得小于0.85；对受潮程度较轻或次要结构所用的材料，其软化系数允许稍有降低但不宜小于0.75。

【例题1-1】有一承重砌块在干燥状态下的抗压破坏荷载为245KN，当吸水饱和后测得该砌块的抗压破坏荷载为180KN，问该砌块能否用于长期处在水中的砌体结构？【解】该砌块的软化系数为：

由于该砌块的软化系数小于0.80，属于不耐水材料，所以该砌块不能用于长期处在水中的砌体结构。1.1.2

与水有关的性质

4.抗渗性

抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质，有渗透系数和抗渗等级两种表示方法。

（l）渗透系数

渗透系数的含义是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为：1.1.2

与水有关的性质式中

KS——渗透系数（cm/h）；

Q——透过材料试件的水量（cm3）；

d——试件厚度（cm）；(1-13)A——渗水面积（cm2）；t——渗水时间（h）；H——静水压力水头（cm）。渗透系数越大，表明材料的抗渗性越差。

（2）抗渗等级

抗渗等级是以规定的标准试件，在透水前所能承受的最大水压力来表示，如P2、P4、P6、P8等，分别表示材料可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水压力而不透水。材料的抗渗性主要与材料内部的孔隙率（尤其是开口孔隙率）和材料的憎水性或亲水性等因素有关。材料的抗渗能力直接或间接影响材料的耐久性、抗冻性和耐腐蚀性。1.1.2

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经受多次冻结和融化作用（冻融循环）不破坏，同时也不显著降低其强度的性质，用抗冻等级来表示。抗冻等级标定方法是将材料吸水饱和后，按规定方法进行冻融循环试验，以其质量损失不超过5%，强度降低不超过25%

，所能经受的最多冻融循环次数来确定。用符号“F”和最大冻融循环次数表示，如F15、F25、F50、F100等。材料的抗冻等级越高，其抗冻性越好。

冻融试验箱1.1.2

与水有关的性质材料抗冻性取决于材料的自身强度、孔隙率、孔隙特征、吸水量、冻结条件（如冻结温度、速度、冻融循环作用的频繁程度）等多种因素与条件。纤维混凝土冻融破坏断面1.1.2

与水有关的性质砌块表面冻融破坏混凝土冻融破坏微观图

在实际工程中，应根据工程种类、结构部位、使用状态、气候条件等综合因素，合理选择材料的抗冻等级。轻混凝土、砖、面砖等墙体材料一般要求抗冻等级为F15、F25、F35；用在桥梁和道路的混凝土抗冻等级为F50、F100、F200；水工混凝土的抗冻等级为F500。1.1.2

与水有关的性质

材料在冻融循环作用下的破坏原因：

（1）由于材料内部孔隙中的水在受冻结冰时产生的体积膨胀（约9%）对材料孔壁造成巨大的冰晶压力，当由此产生的拉应力超过材料的抗拉强度极限时，材料内部即产生微裂，引起强度下降。

（2）在冻结和融化过程中，材料内外的温差引起的温度应力会导致内部微裂纹的产生或加速微裂的扩展，从而最终使材料破坏。显然，这种破坏作用随冻融循环次数的增多而加强。1.1.2

与水有关的性质

1.1.3

与热有关的性质

1.导热性

导热性是指当材料的两侧存在温度差时，热量由高温侧向低温侧传导的能力，用导热系数表示。导热系数的物理意义为单位厚度的材料，两侧温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的导热量。材料导热示意见图1-4，用公式表示为1-14。图1-4（1-14）式中——导热系数[W/(m·K)]；

Q——传导的热量(J)；

A——热传导面积(m2)；

d——材料厚度(m)；

t——热传导的时间(s)；——材料两侧的温差(K)。材料的导热系数与材料的种类、表观密度、孔隙率、孔隙构造、温度、含水状况等有着密切关系。

一般来讲，金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料的导热系数。

1.1.3与热有关的性质

材料的表观密度越小，其导热系数越小。当孔隙率相同时，由微小而封闭孔隙组成的材料比由粗大而连通的孔隙组成的材料具有更低的导热系数。由于水和冰的导热系数远大于空气的导热系数，因此，当材料受潮或受冻时会使导热系数急剧增大。除金属外，大多数材料的导热系数随温度升高而增大。不同材料的导热系数差别很大，如：

钢材的导热系数为58.0W/(m·K)；普通混凝土的导热系数为1.74W/(m·K)；泡沫塑料的导热系数为0.03W/(m·K)。几种典型材料的导热系数见表1-2。相差近2000倍

1.1.3与热有关的性质

表1-2

几种典型材料的导热系数和比热容材料导热系数[W/(m·K)]比热容[J/(g·K)]材料导热系数[W/(m·K)]比热容[J/(g·K)]钢材58.00.48黏土空心砖0.640.92花岗石3.490.92松木0.17～0.352.51普通混凝土1.740.88泡沫塑料0.031.30水泥砂浆0.930.84冰