第02讲第十二章第一节材料科学知识与土木工程材料的基本性质（一）（新版）

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页土木工程材料第一节材料科学知识与土木工程材料的基本性质一、土木工程材料分类、组成及结构（一）土木工程材料的组成土木工程材料的组成分为化学组成和矿物组成。化学组成影响着材料的化学性质，矿物组成影响着材料的物理力学性质。通常按照土木工程材料的化学组成将其划分为无机材料、有机材料和复合材料三大类，详见表1。表1土木工程材料的分类分类实例无机材料非金属材料天然石材花岗岩、大理石、碎石、石板、料石、砂烧土制品黏土砖、陶器、炻器、瓷器熔融制品玻璃、玻璃棉、矿棉、铸石胶凝材料石灰、建造石膏、水玻璃、水泥砂浆、混凝土砌筑砂浆、抹面砂浆、普通混凝土、轻骨料混凝土硅酸盐制品灰砂砖、硅酸盐砌块金属材料黑色金属钢、铁有色金属铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金有机材料植物材料木材、竹材沥青材料石油沥青、煤沥青、改性石油沥青合成高分子材料塑料、橡胶、胶粘剂复合材料金属-非金属钢纤维混凝土、钢筋混凝土无机非金属-有机玻璃钢、人造石材、聚合物混凝土金属-有机铝塑板、轻质金属夹芯板、PVC涂层钢板（二）土木工程材料的结构土木工程材料的结构有宏观结构、细观结构和微观结构。1、微观结构（1）晶体：具有各向异性的性质，如钢材。（2）玻璃体：各向同性的，具有潜在的化学活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应，如粉煤灰。（3）胶体：属于非晶体。质点很极小，表面积很大，所以表面能很大，吸附能力很强，使胶体具有很强的粘结力，如水化硅酸钙。2、宏观结构又划分为。（1）按照土木工程材料的构造特征，土木工程材料的构造分为堆聚结构：由骨料与胶凝材料结合而成的材料，例如混凝土纤维结构：玻璃纤维及矿物棉等纤维材料所具有的结构。层状结构：将材料叠合而成的结构，例如胶合板散粒结构：松散颗粒的结构，例如砂石骨料（2）、按照土木工程材料的孔隙特征分为致密结构：无孔隙存在的材料，例如玻璃、钢材多孔结构：有粗壮孔隙的结构，例如加气混凝土微孔结构：有微细的孔隙结构，例如粘土砖、石膏制品二、土木工程材料的物理性质（一）密度、表观密度与堆积密度1、密度：材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，又称质量密度（ρ）。可表示为：式中，ρ——材料密度（kg/m3）；m——材料质量（kg）；V——材料体积（m3）。必须强调材料绝对密实状态的概念，密度只与材料中固体物质的体积有关，与孔隙无关，测定孔隙时材料需磨成细粉以便排除孔隙。2、表观密度：材料的表观密度是指材料在天然状态下单位体积的质量，亦称体积密度（ρ0）。材料在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。式中，ρ0——材料表观密度（kg/m3）；m——材料质量（kg）；V0——材料在天然状态下体积（m3）。包括内部孔隙的体积。3、堆积密度：散粒材料在天然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度（）。可表示为：式中，——散粒材料堆积密度（kg/m3）；m——散粒材料质量（kg）；——散粒材料在天然堆积状态下体积（m3）。不仅包括材料内部孔隙体积，还包括颗粒之间的空隙体积。所以可知，密度（）、表观密度（o）和堆积密度（’o）均指材料单位体积的质量，不同之处在于决定单位体积时材料所处的状态不同。4、孔隙率与密实度通常材料内部总是包括一部分孔隙，材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P0）。材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。孔隙率和密实度两者之和为1，均反映了材料的致密程度。5、空隙率对于散粒材料，其堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率称为空隙率（）。 空隙率大小反映了散粒材料颗粒互相填充的致密程度。（二）材料与水有关的性质1、材料的亲水性和憎水性材料表面与水或空气中的水汽接触时，会产生不同程度的润湿。材料能被水润湿的性质称为亲水性；材料不能被水润湿的性质称为憎水性。表面能被水润湿的材料为亲水材料，如砖、混凝土、木材等；表面不会被水润湿的材料为憎水材料，如石蜡、沥青，憎水材料相宜做防水和防潮材料。材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1所示。θ角越小，表明材料越容易被水润湿。θ≤90°时，材料能被水湿润，称为亲水性材料；θ＞90°时材料表面不易吸附水，称为憎水性材料。(a)亲水材料(b)憎水材料图1材料润湿暗示图2、材料的吸水性和吸湿性（1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。材料的吸水性以吸水率表示。质量吸水率指吸入水的质量占材料干燥质量的百分率。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。封闭孔隙或粗壮开口孔隙时，吸水率低；细微连通孔隙时吸水率大，这种材料的吸水性强。（2）吸湿性：材料在湿润空气中吸收水分的性质称为吸湿性。湿润材料在干燥空气中也会放出水分。材料的吸湿性用含水率表示；含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率。材料的含水率会随环境温度和湿度变化而异。通常采用平衡含水率。材料吸湿含水后会使材料表观密度和导热系数增大，强度降低、体积膨胀。3、材料的耐水性材料的耐水性：指材料持久在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数来表示，即材料在水饱和状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度之比。可用下式表示：式中，K——材料的