《土木工程材料(第3版)》教学课件第1章-绪论-土木工程材料的基本性质

土木工程材料土木工程材料绪言第一章土木工程材料的基本性质第二章无机气硬性胶凝材料第三章水泥第四章建筑砂浆第五章混凝土第六章砌筑材料和屋面材料第七章钢材第八章合成高分子材料第九章沥青材料第十章木材第十一章其他工程材料第十二章土木工程材料试验绪言1.土木工程材料的发展

2.土木工程材料的分类3.土木工程材料的标准化

1.土木工程材料的发展

土木工程材料指土木工程中使用的各种材料及制品，它是构成建筑物的最基本元素，是一切土木工程的物质基础。土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐步发展起来的。人类最早穴居巢处，随着社会生产力的发展，人类进入能制造简单工具的石器、铁器时代，才开始挖土、凿石为洞、伐木搭竹为棚，利用天然材料建造非常简陋的房屋等最原始的土木工程。到了人类能够用粘土烧制砖、瓦，用岩石烧制石灰、石膏之后，土木工程材料才由天然材料进入人工生产阶段，为较大规模建造土木工程创造了基本条件。

18世纪至19世纪，资本主义兴起，促进了工商业及交通运输业的蓬勃发展，原有的土木工程材料已不能与此相适应，在其他科学技术进步的推动下，土木工程材料进入到一个新的发展阶段，钢材、水泥、混凝土及其他材料相继问世，为现代土木工程材料奠定了基础。进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工程学的形成和发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功能的新型土木工程材料也应运而生。2.土木工程材料的分类（1）按材料的化学成分划分根据材料组成物质的种类及化学成分，可分为无机材料、有机材料及有机-无机复合材料三大类（2）按材料来源划分根据材料的来源，可分为天然材料及人造材料。（3）按材料使用部位划分根据材料的使用部位，可分为承重材料、墙体材料、屋面材料等。（4）按材料功能划分根据材料的功能，可分为两大类：结构材料——主要用作承重的材料，如梁、板、柱所用材料。功能材料——主要是利用材料的某些特殊功能，如用于装饰、防水抗渗、绝热、保温、吸声、耐热防火、耐磨、耐腐蚀、防爆、防腐蚀等的材料。3.土木工程材料的标准化国际、国外标准：国际标准ISO；美国材料试验学会标准ASTM；德国工业标准DIN；英国标准BS；法国标准NF；日本工业标准JIS。国外产品在中国境内使用时，如无特别许可，必须符合中国国家标准。《中华人民共和国标准法》将我国标准分为国家标准、行业标准、地方标准、企业标准四级。（1）国家标准国家标准有强制性标准（GB）、推荐性标准（GB/T）。（2）行业标准如建材行业标准（JC），建工行业标准（JG），冶金行业标准（YB），交通行业标准（JT）。（3）地方标准地方标准是地方主管部门发布的地方性标准（DB）。（4）企业标准企业标准则仅适用于本企业（QB）。凡没有制定国家标准、行业标准的产品，均应制定企业标准。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材料与水有关的性质1.4材料的热性质1.5材料的耐久性1.6材料与环境1.1材料的基本物理性质一、材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度－－材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。ρ－密度，g/cm3m－材料在干燥状态下的质量，gV－材料在绝对密实状态下的体积，cm3

绝对密实状态下的体积是不包含孔隙在内的体积。密实材料的体积为绝对密实体积，如钢材、玻璃等。一般的土木工程材料内部均含有孔隙，在测定有孔隙的材料密度时，应将材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。ρ=mV1.1材料的基本物理性质2.表观密度（视密度）－－材料在自然状态下，单位体积的质量。

测定材料表观密度时，外形规则材料可通过直接度量外形尺寸，按几何公式计算体积；对于外形不规则的不吸水材料，可直接用排水法测定材料的体积，对于吸水材料，用封蜡法测定材料的体积。

1.1材料的基本物理性质

1.1材料的基本物理性质二、材料的孔隙率与密实度

1.孔隙分类按孔隙的大小分为：细微孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙、粗大孔隙。按孔隙的形状分为：闭口孔隙（封闭孔隙）、球状孔隙、片状孔隙、管状孔隙、带尖角孔隙。按常压水能否进入分为：开口孔隙（连通孔隙）、闭口孔隙（封闭孔隙）。连通孔隙封闭孔隙片状孔隙尖角孔隙球状孔隙固体物质1.1材料的基本物理性质2.孔隙的来源与产生原因a.天然形成：木材内部的孔隙是木材生长需要而产生的，岩石中的孔隙是造岩运动时产生的。b.人为形成：泡沫塑料、加气混凝土。c.制造缺陷：玻璃中的气泡、钢材中的裂纹。d.生产工艺和组成要求产生：混凝土、砂浆、石膏等凝结硬化后由于水分蒸发产生的孔隙。3.孔隙对材料性质的影响a.孔隙含量高，则材料的体积密度、堆积密度、强度越小，保温性、隔声性、吸水性越强。b.孔隙形状、大小对材料的性质也有很大影响。球状孔隙对强度的影响小于片状、尖角孔隙，开口孔隙对材料的吸水性的影响大于闭口孔隙，对保温性的影响较小。1.1材料的基本物理性质三、孔隙率与密实度1.孔隙率（P）－－材料在自然状态下，孔隙体积占材料总体积的百分率。2.密实度（D）－－材料（自然状态）内固体物质的实体积占材料总体积的百分率。Vρ0D＝－×100％＝－×100％＝(1－P)

V0ρ

密实度D值反映了材料的密实程度，钢材、玻璃的密实度D=1。VPV0-VP＝－＝×100％＝(1－D)

V0V0

P+D=1

开口孔隙率PK

材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。

PK＝VK/V0

闭口孔隙率PB

材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。PB＝VB/V0

VP=VK+VB

P=PK+PB1.1材料的基本物理性质3.空隙率（P’）－－散粒或粉状材料在堆积状态下，颗粒间空隙体积（VS）占材料堆积体积（V’0）的百分率。VSV’0-V0ρ’0P’＝－＝＝（1－）×100％

V’0V’0ρ0

填充率－－散粒材料在堆积状态下，颗粒体积占材料堆积体积的百分率。V0ρ’0D’＝──＝──×100％

V’0ρ0

＝1－P’D’+P’=1V0’V0VsVVpVKVB1.2材料的力学性质一、强度和比强度1.强度：材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。2.材料的理论强度：f=Eυd√f-材料的理论强度E-材料的弹性模量u-材料的表面能d-材料原子间距由于材料内部的缺陷，材料的理论强度为实际强度的100-1000倍。3.材料的实际强度（强度）：抗拉、抗压、抗剪强度：f=－PF抗弯强度：f=3PL2bh2LbhPPPPPPP1.2材料的力学性质常用材料的强度值（MPa）材料抗压强度抗拉强度抗弯强度比强度（抗压）花岗岩100-2505-810-140.070普通粘土砖7.5-30-1.8-4.00.006普通混凝土7.5-601-4-0.017普通低碳钢200-400200-400-0.054松木（顺纹）30-5080-12060-1000.2004.材料的比强度：材料强度与表观密度的比值，是衡量材料轻质高强的主要指标。1.2材料的力学性质二、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，材料能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种变形称为弹性变形。应变和应力成正比，其比值称为材料的弹性模量E（MPa）。E=σ/ε2.塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质称为塑性。材料的这种不可恢复的变形称为塑性变形。材料在恒定外力作用下，产生随着时间而缓慢增长的不可恢复的变形称为徐变变形，简称徐变。徐变属于塑性变形。多数材料在受力时，弹性变形和塑性变形会同时发生，外力取消后，弹性变形恢复，塑性变形保留，这种材料称之为弹塑性材料。1.2材料的力学性质材料在恒定外力作用下，产生随着时间而缓慢增长的不可恢复的变形称为徐变变形，简称徐变。徐变属于塑性变形。多数材料在受力时，弹性变形和塑性变形会同时发生，外力取消后，弹性变形恢复，塑性变形保留，这种材料称之为弹塑性材料。（a）弹性变形曲线（b）塑性变形曲线（c）弹塑性变形曲线1.2材料的力学性质三、脆性和韧性1.脆性：材料受外力作用，当外力达一定限度后，无明显塑性变形而突然破坏的性质，其变形曲线如下图。2.韧性（冲击韧性）：材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不突然破坏的性质。用材料受荷达到破坏时所吸收的能量表示。αk＝AkAαk－材料的冲击韧性，J/mm2；AK－试件破坏时所消耗的功，J；A－试件受力净截面积，mm2。1.2材料的力学性质四、硬度和耐磨性1.硬度：材料表面抵抗较硬物质刻划或压入的能力。测定方法有：莫氏、洛氏、维氏、布氏法。2.耐磨性：材料抵抗磨损的能力。用耐磨率表示：M=m0－m1AM－耐磨率，g/cm2；m0－磨前质量，g；m1－磨后质量，g；A－试样受磨面积，cm2。1.3材料与水有关的性质一、材料的亲水性与憎水性

θ固液气憎水性θ固液气亲水性1.3材料与水有关的性质二、材料的含水状态亲水性材料的含水状态可分为4种基本状态：1.干燥状态——材料的孔隙中不含水或含水极微；2.气干状态——材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡；3.饱和面干状态——材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和；4.润湿状态——材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。材料还可以处于以上两种基本状态之间的过渡状态中。（a）干燥（b）气干（c）饱和面干（d）湿润状态状态状态状态1.3材料与水有关的性质三、材料的吸水性与吸湿性1.吸水性：材料在水中吸收水分的性质。a、质量吸水率：材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料干燥时质量的百分比。Wm=mb－mgmg×100％mb

－材料吸水饱和状态下的质量，g或kg；mg－材料干燥状态下的质量，g或kg。b、体积吸水率：材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料干燥状态下的体积的百分比。ρw－水的密度；V0－材料干燥状态下的体积，cm3或m3。Wv=mb－mgV0××100％ρw11.3材料与水有关的性质2.吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,用含水率表示。

Wh=ms-mgmg×100％ms－材料在吸湿状态下的质量，kg或g。平衡含水率：材料中的水分与空气温、湿度相平衡时的含水率叫做平衡含水率。3.影响材料吸水率的因素：a.材料的性质（亲水或憎水）b.材料的孔隙率和孔隙构造4.含水对材料性质的影响：a.材料质量增加b.材料的强度下降c.材料的保温性能降低d.材料的耐久性下降（易产生冻害、易被腐蚀）1.3材料与水有关的性质四、耐水性材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。结构材料的耐水性用软化系数KR表示fbfgKR＝fb－

材料在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。KR≥0.85时为耐水材料。一般结构，材料的软化系数KR≥0.75；重要结构，材料的软化系数KR＞0.85。五、抗渗性材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0MPa压力水不渗漏。1.3材料与水有关的性质六、抗冻性材料在含水状态下能经受多次冻融循环而不破坏、强度不显著下降，且质量也不显著减少的性质。材料的抗冻性用抗冻等级F表示。如F25、F50、F100……表示材料经25、50、100次冻融循环后仍能满足质量损失≯5％，强度下降≯25％的要求。影响材料抗冻性的因素：1.材料的孔隙构造和孔隙率（开口孔隙率）。2.孔隙的吸水程度（饱和度：≤91％破坏程度低）。3.材料自身的强度。4.冻结条件。1.4材料的热性质一、导热性当材料两侧存在温度差时，热量将由高温侧传递到低温侧，材料的这种传导热量的性质，称为导热性，常用导热系数来表示。计算公式为：

式中λ——材料的导热系数，w/（m·K）；

Q——传导热量，J；

a——材料的厚度，m；

A——材料传热面积，m2；

Z——传热时间，s；

t1-t2——材料两侧温度差（t1>t2），K。材料的导热系数越小，表示其越不易导热，绝热性能越好。材料的导热性与孔隙特征有关，增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力。

二、热阻材料层厚度δ与导热系数λ的比值，称为热阻，R=δ/λ(m2·K/W)三、热容量和比热容热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示：四、热变形性材料的热变形性，是指材料在温度变化时的尺寸变化，除了个别的如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。材料的热变形性常用线膨胀系数来表示，可用下式表示：

式中α——材料的线膨胀系数，1/K；L——材料原来的长度，mm；

∆L——材料的线变形量，mm；t2－t1——材料在升、降温前后的温度差，K；土木建筑工程中总体上要求材料的热变形性不要太大。

m——材料的质量，kgC——材料的比热容，kJ/(kg·K