第二章-土木工程材料的基本性质

第二章土木工程材料的基本性质第一节材料的组成、结构及构造

一、材料的组成

（一）化学组成化学组成是指构成材料的化学元素或化合物的种类与数量。不同的化学成分构成了不同的材料，因而也表现出不同的性质。例如，木材质轻高强，但易于燃烧和腐朽；钢材密度大，强度较高，但易于锈蚀。材料的这些特性都与其化学组成密切相关。

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（二）矿物组成矿物组成是指组成材料的矿物种类和数量。矿物是指无机非金属材料中具有特定化学成分和特定的晶体结构及物理力学性能的单质或化合物。矿物是构成岩石及各类无机非金属材料的基本单元。材料中的天然石材、无机胶凝材料，其矿物组成是决定其性质的主要因素。例如天然石材，由于其矿物组成不同，所以构成了不同的岩石品种。水泥也因其熟料的矿物组成不同而表现出不同的性能，水泥熟料中硅酸三钙含量高，则水泥强度较高。第二章土木工程材料的基本性质

（三）相组成

材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。凡有两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。自然界中的物质可分为气相、液相和固相，土木工程复合材料大多是多相固体。例如混凝土可以认为是骨料颗粒（骨料相）分散在水泥浆基体（基相）中所组成的复合材料。复合材料取各组成材料之长，避免了单一材料的某些缺陷，一般综合性能较好。第二章土木工程材料的基本性质

二、材料的结构

（一）宏观结构

1．密实结构

2．多孔结构

3．纤维结构

4．层状结构

5．散粒结构

6．聚集结构

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（二）亚微观结构亚微观结构又称显微结构，一般是指用光学显微镜所能观察到的微米级的组织结构。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙结构和界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶体组织及晶粒尺寸等；对于木材，通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有着显著的影响。

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（三）微观结构

1．晶体

晶体是物质中的质点（原子、离子、分子）在空间呈周期性规则排列的结构。

2．玻璃体将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及作有规则的排列就凝固了，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称为非晶体或无定形体。

3．胶体胶体是指粒径为10-6~10-4mm的颗粒分散在连续相介质中（水或油）形成的分散体系结构。胶体具有很大的表面能，具有很强的吸附力和粘接力，常利用胶体材料来粘结其他材料。第二章土木工程材料的基本性质

三、材料的构造材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。材料的性质与其构造有密切关系。构造致密的材料，强度高；疏松多孔的材料密度小，强度也较低；层状或纤维状构造的材料，是各向异性的。构造概念与结构概念相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如具有特定构造的节能墙板，就是利用不同性质的材料组合搭配而成的一种复合材料。这种构造赋予了墙板良好的保温隔热、吸声隔声、防火抗震、坚固耐久等综合性能。第二章土木工程材料的基本性质第二节材料的基本物理性质

一、密度、表观密度与堆积密度

（一）密度密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。

材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确。

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（二）表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。

材料在自然状态下的体积又称表观体积，是指包含材料内部孔隙在内的体积。当材料含有水分时，其质量和体积将发生变化，影响材料的表观密度。一般情况下，材料的表观密度是指在气干状态（长期在空气中干燥）下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。第二章土木工程材料的基本性质

（三）堆积密度堆积密度是指粉状（水泥、石灰等）或散粒材料（砂子、石子等）在堆积状态下，单位体积的质量。

材料的堆积体积包含了颗粒内部的孔隙和颗粒之间的空隙。第二章土木工程材料的基本性质

二、孔隙率与密实度、空隙率与填充率

（一）孔隙率与密实度

1．孔隙率

孔隙率是指在材料体积内，孔隙体积所占的比例。第二章土木工程材料的基本性质

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率越小，说明材料越密实。

材料内部孔隙可分为连通孔隙和封闭孔隙两种构造。连通孔隙不仅彼此连通而且与外界相通，封闭孔隙不仅彼此封闭且与外界相隔绝。孔隙按其孔径尺寸大小可分为细小孔隙和粗大孔隙。材料的许多性能（如强度、吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性等）都与孔隙率的大小和孔隙特征有关。第二章土木工程材料的基本性质

2．密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。

材料的密实度和孔隙率之和等于1，即：D+P=1。第二章土木工程材料的基本性质

（二）空隙率与填充率

1．空隙率空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率。

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配及计算砂率的依据。第二章土木工程材料的基本性质

2．填充率

填充率是指材料自然状态下的体积占堆积体积的百分率。填充率反映了材料在堆积体积中被散粒材料的颗粒所填充的程度。

材料的填充率和空隙率之和等于1，即：第二章土木工程材料的基本性质

三、材料与水有关的性质

（一）亲水性与憎水性

材料与水接触时能被水润湿的性质称为称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料。大多数建筑材料，如砖、混凝土、木材、砂、石、钢材、玻璃等都属于亲水性材料。材料与水接触时不能被水润湿的性质称为称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料等。憎水性材料可用作防水材料，也可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。

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（二）吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用质量吸水率表示。质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率。材料吸水率的大小主要取决于材料孔隙率及孔隙特征。一般孔隙率越大，吸水性也越强。封闭孔隙水分不易渗入，粗大孔隙水分只能润湿表面而不易在孔内存留，故在相同孔隙率的情况下，材料内部的封闭孔隙、粗大孔隙越多，吸水率越小。

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（三）吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。含水率是指材料含水的质量占材料干燥质量的百分率。

当较干燥的材料处于较潮湿的空气中时，会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处于较干燥的空气中时，便会向空气中释放水分。在一定的温度和湿度条件下，材料与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。第二章土木工程材料的基本性质

材料含水率的大小，除与材料的孔隙率、孔隙特征有关外，还与周围环境的温度和湿度有关。一般材料孔隙率越大，材料内部细小孔隙、连通孔隙越多，材料的含水率越大；周围环境相对湿度越大，温度越低，材料的含水率也越大。

材料吸水或吸湿后会对材料性能产生不利影响。材料吸水后会导致自重增加，保温隔热性下降，强度、耐久性降低，体积发生变化，多对工程产生不利影响。保温材料吸收水分后，会大大降低保温效果，故对保温材料应采取有效的防潮措施。第二章土木工程材料的基本性质

（四）耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质称为耐水性。耐水性的大小用软化系数表示。

软化系数越小，说明材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差。软化系数的范围在0—1之间，通常将软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。经常位于水中或潮湿环境的重要结构的材料，软化系数不宜低于0.85；受潮较轻或次要结构的材料软化系数不宜小于0.75。第二章土木工程材料的基本性质

（五）抗渗性

材料抵抗压力水（也可指其它液体）渗透的性质称为抗渗性。对于砂浆、混凝土等材料，常用抗渗等级来表示抗渗性。抗渗等级是以规定的试件、在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级以符号“P”和材料可承受的水压力值（以0.1MPa为单位）来表示，如混凝土的抗渗等级为P6、P8、P12、P16，表示分别能够承受0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa的水压而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越强。

抗渗性与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。

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（六）抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时强度也不显著降低的性质。材料抗冻性的大小用抗冻等级表示。抗冻等级一般是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和质量损失不超过规定值时所能承受的冻融循环次数。例如混凝土抗冻等级F50，表示混凝土所能承受的最大冻融循环次数为50次，强度下降不超过25%，质量损失不超过5%。材料的抗冻性主要与孔隙率、孔隙特性、抵抗胀裂的强度等有关，工程中常从这些方面改善材料的抗冻性。对于室外温度低于-15oC的地区，其主要工程材料必须进行抗冻性实验。第二章土木工程材料的基本性质

四、材料的热工性能

建筑材料在建筑物中，除需满足强度及其它性能的要求外，还应具有良好的热工性能，以节约能源。

（一）导热性材料传导热量的能力称为导热性。导热性的大小以导热系数表示，导热系数的含义是：当材料两侧的温差为1K时，在单位时间（1h）内，通过单位面积（1m2），并透过单位厚度（1m）的材料所传导的热量。

材料的导热系数越大，传导的热量就越多；反之，导热系数越小，材料的保温隔热性能越好。第二章土木工程材料的基本性质

影响材料导热系数的因素主要有：

1．物质构成

2．孔隙构造

3．含水率（湿度）

4．温度

5．热流方向第二章土木工程材料的基本性质

（二）热容量

材料的热容量是指材料材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力。

比热的物理意义表示单位质量的材料升高（降低）单位温度时吸收（放出）的热量。不同材料的比热不同，即使是同一种材料，所处的物态不同，比热也不同。如水和冰的比热相差2倍左右。采用热容量大的材料作围护结构，对维持建筑物内部温度的相对稳定十分重要。

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（三）温度变形性

材料的温度变形性，是指温度升高或降低时材料的体积变化。绝大多数建筑材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩。材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：

线膨胀系数越大，表明材料的温度变形性越大。建筑工程中，对材料的温度变形往往只考虑某一单向尺寸的变化，因此，研究材料的线膨胀系数具有重要意义。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。第二章土木工程材料的基本性质

（四）耐燃性建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能，称为耐燃性。材料按耐燃性分为非燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料。在建筑工程中，应根据建筑物的耐火等级和材料的使用部位，选用非燃烧材料或难燃烧材料。当采用燃烧材料时，应进行防火处理。

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（五）耐火性

耐火性是材料在火焰和高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。材料的耐火性常用耐火极限来表示。耐火极限是指按规定方法，从材料受到火的作用起，到材料失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用的时间，以h（小时）计。耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如钢材是不燃烧材料，但其耐火极限仅有0.25h，故钢材虽为重要的建筑结构材料，但其耐火性却较差，使用时须进行特殊的防火处理。第二章土木工程材料的基本性质第三节材料的力学性质

一、强度

材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据所受外力的作用方式不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。各种强度指标要根据国家规定的标准方法来测定，测定各种强度的材料受力示意图见图2-2。第二章土木工程材料的基本性质图2-2材料强度测定受力示意图第二章土木工程材料的基本性质

一般材料的孔隙率越大，材料强度越低。不同种类的材料具有不同的抵抗外力的特点，如砖、石材、混凝土等非匀质材料的抗压强度较高，而抗拉强度和抗折强度却很低；钢材为均质的晶体材料，其抗拉强度和抗压强度都很高；木材为纤维结构，顺纹方向的抗拉强度高于横纹方向的抗拉强度。土木工程材料常根据其强度的大小划分为若干不同的强度等级，如砂浆、混凝土、砖、砌块等常按抗压强度划分强度等级。将建筑材料划分为若干个强度等级，对掌握材料的性能、合理选用材料、正确进行设计和控制工程质量都是非常重要的。

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结构材料在土木工程中的主要作用是承受荷载，对大部分建（构）筑物来说，相当一大部分的承载能力用于承受材料本身的自重。因此，要提高结构材料承受外荷载的能力，一方面应提高材料的强度，另一方面应减轻材料本身的自重，这就要求材料应具备轻质高强的特点。反映材料轻质高强的力学参数是比强度。比强度是指材料的强度与其表观密度之比。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。这类轻质高强的材料，是未来建筑材料发展的主要方向。第二章土木工程材料的基本性质

二、弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生变形，但不破坏，当外力取消后不能自动恢复到原来形状的性质称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形。工程实际中，完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的。例如建筑钢材在受力不大的情况下，仅产生弹性变形；当受力超过一定限度后产生塑性变形。再如混凝土在受力时弹性变形和塑性变形同时发生，当取消外力后，弹性变形可以恢复，而塑性变形则不能恢复。第二章土木工程材料的基本性质

三、脆性与韧性

当外力作用达到一定限度后，材料突然破坏且破坏时无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，如混凝土、砖、石材、陶瓷、玻璃等。一般脆性材料的抗压强度很高，但抗拉强度低，抵抗冲击荷载和振动作用的能力差。材料在冲击或振动荷载作用下，能产生较大的变形而不致破坏的性质称为韧性。具有这种性质的材料称为韧性材料，如建筑钢材、木材、橡胶等。韧性材料抵抗冲击荷载和振动作用的能力强，可用于桥梁、吊车梁等承受冲击荷载的结构和有抗震要求的结构。

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四、硬度和耐磨性（一）硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。测定材料硬度的方法常用的有压入法或刻划法。木材、金属、混凝土等韧性材料的硬度，往往采用压入法来测定，压入法硬度的指标有洛氏硬度（HRA、HRB、HRC，以金刚石圆锥或圆球的压痕深度计算求得）和布氏硬度（HB，以压痕直径计算求得）等。而陶瓷、玻璃等脆性材料的硬度往往采用刻划法来测定，用莫