土木工程材料 课件 2土木工程材料的基本性质

土木工程材料CivilEngineeringMaterials【工程案例导入】杭州湾跨海大桥：桥梁建设与材料科技的完美结合杭州湾跨海大桥在浩瀚的东海之滨，矗立着一座雄伟壮观的桥梁——杭州湾跨海大桥。大桥全长36公里，其中桥长35.7公里，桥面设计双向六车道高速公路，设计速度100公里/小时，总投资约118亿元。杭州湾跨海大桥不仅是连接上海与宁波的重要交通枢纽，更是现代土木工程技术的杰出代表。桥梁的建设面临诸多挑战，如海域环境复杂、风力大、潮汐频繁、海水腐蚀性强等，对土木工程材料的选择与应用提出了极高的要求。CONTENT材料性质与材料组成、结构的关系01材料的物理性质02材料的力学性质03材料的耐久性、安全性与环境协调性04第二章

土木工程材料基本性质01材料性质与材料组成、结构的关系1.材料性质与材料组成的关系

材料的组成是指构成该材料的元素或化合物的种类及其比例，而材料的性质则包括物理性质、化学性质和机械性质等，不同的组成会导致材料具有不同的性能。材料的化学组成材料的矿物组成材料的相组成1.材料性质与材料组成的关系材料的化学组成

材料的化学组成是指构成该材料的元素或化合物的种类及其比例，其是决定材料宏观性能的基础。

可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等。

在材料设计和合成过程中，化学组成可以通过精确控制来实现所需的性能。1.材料性质与材料组成的关系材料的矿物组成

矿物是指无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组织结构。材料的矿物组成指其内部不同矿物的种类、数量及相互关系。材料的相组成

材料的相组成是指在材料中具有相同化学成分和结构状态的均匀部分；材料的相可以分为固相、液相和气相。2.材料性质与材料结构的关系

材料的宏观结构按孔隙尺寸可以分为：致密结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构等。2.材料性质与材料结构的关系材料在微观结构的层次上可以分为晶体、非晶体和胶体。晶体：原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体非晶体：无定形体或玻璃体02材料的物理性质1材料的密度真实密度

材料的真实密度又称真密度，是指材料在绝对密实状态下单位体积的固体物质的实际质量，即去除内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度。其计算公式表示为：

（2-1）式中：——材料的真实密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的质量（g或kg）;——材料的绝对密实体积（cm3或m3）。测定真密度的方法主要有气体容积法和浸液法（比重瓶法）两种1材料的密度1材料的密度表观密度

材料的表观密度是指材料的质量与其表观体积的比值。表观体积包括了材料的实体积以及闭口孔隙的体积，但不包括开口孔隙的体积。其计算公式表示为：

（2-2）式中：——材料的表观密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的质量（g或kg）；——材料的表观体积（cm3或m3）。表观密度测定通常采用的方法有排液法、气体置换法等。1材料的密度体积密度

材料的体积密度是指材料在包含内部孔隙和外部开口孔隙等情况下，单位体积的质量，俗称容重。其计算公式表示为：

（2-3）式中：——材料的体积密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的质量（g或kg）；——材料在自然状态下的体积（包括材料实体及开口、闭口孔隙）（cm3或m3）。对于规则形状材料的体积，可用量具测得。对于不规则形状材料的体积，可用二次排液法或封蜡法测得。1材料的密度1材料的密度堆积密度

材料的堆积密度是指粉状、颗粒状或纤维状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。其计算公式表示为：

（2-4）式中：——材料的堆积密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的质量（g或kg）；——材料在自然堆积状态下的体积（cm3或m3）。测定散粒材料的体积可通过已标定容积的容器计量而得。1材料的密度1材料的密度常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表2-1。表2-1土木工程中常用材料的密度、表观密度和堆积密度材

料密度/（g/cm³）表观密度/（kg/m³）堆积密度/（kg/m3）钢7.8~7.97850花岗石2.7~3.02500~2900石灰石2.4~2.61600-24001400-1700（碎石）砂2.5-2.61500~1700水泥2.8~3.1—1100~1300烧结普通砖2.6~2.71600-1900烧结多孔砖2.6-2.7800~1480红松木1.55-1.60400~600玻璃2.45-2.552450~2550普通混凝土1950~26002材料的孔隙率和空隙率孔隙率与密实度

材料的孔隙率是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率，包括开口孔和闭口孔的为总孔隙率，简称孔隙率，以P表示。孔隙率按下式计算：

（2-5）

密实度是与孔隙率相对应的概念，指材料体积内被固体物质充实的程度，用符号D表示，按下式计算：

（2-6）即孔隙率与密实度之和为100%。2材料的孔隙率和空隙率空隙率与填充率

材料的空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，它以符号P'表示。空隙率按下式计算：

（2-7）

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。

填充率是指散粒状材料在自然堆积状态下，其中的颗粒体积占自然堆积状态下的体积的百分率，用符号D'表示，按下式计算：

（2-8）3材料的亲水性和憎水性亲水性和憎水性

在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角称为接触角，用θ表示（图2-9），θ小于90度，则表明该固体具有较好的亲水性，具有这种性质的材料称为亲水性材料；θ大于90度时，材料被认为具有憎水性；具有这种性质的材料称为憎水性材料。材料润湿示意3材料的亲水性和憎水性3材料的亲水性和憎水性3材料的亲水性和憎水性3材料的亲水性和憎水性3材料的吸水性和吸湿性材料的吸水性与吸湿性（1）吸水性

材料的吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质。材料吸水饱和时的含水率称为材料的吸水率，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

质量吸水率是指材料在吸水饱和状态下，其内部所吸水分的体积占材料自然体积的百分率。其公式表示为：

（2-9）式中：wm——材料的质量吸水率（%）；

mg——材料在干燥状态下的质量（g）；

mb——材料在吸水饱和状态下的质量（g）。3材料的吸水性和吸湿性材料的吸水性与吸湿性②体积吸水率体积吸水率材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。其公式表示为：

（2-10）式中：wv——材料的体积吸水率（%）；

V'——干燥材料在自然状态下的体积（cm3）；

ρw——水的密度（g/cm3），在常温下。ρw=1g/cm3。土木工程中一般采用质量吸水率来表示材料的吸水性。质量吸水率与体积吸水率两者的关系表示如下：

（2-11）式中：ρ'——材料在干燥状态下的体积密度（g/cm3）3材料的吸水性和吸湿性（2）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。

材料的吸湿性用含水率表示，含水率是值材料内部所含水的质量占材料在干燥状态下质量的百分率。其公式表示为：

（2-12）式中：wh——材料的含水率（%）；

mg——材料在干燥状态下的质量（g）；

ms——材料在吸湿状态下的质量（g）。3材料的耐水性（3）耐水性

材料的耐水性是指材料抵抗水破坏的能力，即材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数表示。其公式表示为：

（2-13）式中：KR——材料的软化系数；

fb——材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；

fg——材料在干燥态下的抗压强度（MPa）。通常将软化系数大于0.85的材料看作耐水材料。3材料的耐水性（4）抗渗性

材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性能。抗渗性常用渗透系数KS或抗渗等级P来表示，其计算公式如下：

（2-14）式中：KS——渗透系数（cm/h）；

Q——渗水量（cm3）；

d——试件厚度（cm）；

A——透水面积（cm2）；

t——时间（h）；

H——水头高度（水压）（cm）。渗透系数KS的物理意义是在一定时间内，一定的水压作用下，单位厚度的材料，单位截面积上的透水量。渗透系数越小的材料表示其抗渗性越好。3材料的抗渗性（4）抗渗性

材料的抗渗性也可以用抗渗等级表示。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，用符号“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力（MPa）数值的10倍，如P4、P6、P8、P10等，表示材料试件能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压力而不渗水。

材料的抗渗性与孔隙率、孔隙结构和亲水性等指标有关，通常孔隙率高，且具有细小、均匀分布孔隙的材料其抗渗性较差，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。3材料的抗冻性（5）抗冻性

材料的抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环作用而不被破坏，强度也不显著降低的性能。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件、在规定的试验条件下，在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度，并且无明显损坏和剥落所能经受的冻融循环次数来确定的。抗冻等级用符号“Fn”表示，其中n为该材料所能承受最大冻融循环次数，如材料的抗冻等级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。4材料的热工性质（1）热容量和比热容

材料的热容量是指材料在温度升高或降低时吸收或释放热量的能力。其公式表示为：

（2-15）式中：Q——材料的热容量（J）；

m——材料的质量（g）；

C——材料的比热容[J/（g・K）]；

（t2-t1）——材料受热或冷却前后的温差（K）。

比热容是单位质量的材料温度升高或降低1℃所吸收或释放的热量，通常用符号“C”表示，其公式表示为：

（2-16）式中字母C、Q、m、（t2-t1）的意义同上。4材料的热工性质（2）导热性

当材料两侧存在温度差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递给温度低的一侧，材料的这种传递热量的能力，称为导热性。

材料的导热性可以用导热系数来表示，其公式表示为：

（2-17）式中：λ——材料的导热系数[w/（m•K）]；

Q——传递的热量（J）；

a——材料的厚度（m）；

A——材料传热的面积（m2）；

Z——热传导的时间（s）；

（t2-t1）——材料两面温度差（K）。材料的导热系数越大，材料的导热性能越好。4材料的热工性质（2）导热性影响材料的导热系数的因素有：①材料的组成与结构

一般地说，导热系数金属材料>无机非金属材料>有机材料；晶体材料>非晶体材料。②同种材料孔隙率越大，导热系数越小

细小孔隙、闭口孔隙比粗大孔隙、开口孔隙对降低导热系数更为有利，因为避免了对流导热。③含水或含冰时，会使导热系数急剧增加

因为水的导热系数是空气的25倍，而冰的导热系数又是水的4倍。所以，对于多孔结构的保温隔热材料，要注意防潮、防冻。4材料的热工性质（3）热阻和传热系数

材料层（墙体或其他围护结构）抵抗热流通过的能力称为热阻。热阻的公式表示为：

（2-18）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（墙体或其他围护结构）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。4材料的热工性质（3）热阻和传热系数材料层（墙体或其他围护结构）抵抗热流通过的能力称为热阻。热阻的公式表示为：

（2-18）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（墙体或其他围护结构）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。5材料的声光性质（1）材料的声学性质

材料的声学性质主要关注声波在材料中的传播、反射、透射以及材料的吸声、隔声等特性。①吸声性能

材料的吸声性能是指材料吸收声音的能力。吸声材料按吸声机理可分为：多孔吸声材料共振吸声材料5材料的声光性质②隔声性能材料的隔声性能是指材料对声音传播的阻隔能力。隔声量是衡量材料隔声性能的主要指标，是指透过材料的声能与入射到材料上的声能之比，通常用符号R表示，单位为分贝（dB）。隔声量越大，材料的隔声性能越好。5材料的声光性质（2）材料的光学性质

光学材料可以根据它们对光的作用方式不同，分为吸收性材料、透明材料、反射性材料、散射材料和发光材料等。①材料的透光性

透光性是指光线通过材料时，材料对光线的透过能力。

通常以透光率来表示。②材料的反射和光泽

材料的反射分为镜面反射和漫反射。03材料的力学性质1强度

材料的强度是材料力学性质的基本指标之一，它描述了材料在受到外力作用时抵抗变形和破坏的能力。

根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。1强度材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：

（2-19）式中：f——材料强度（MPa）；

Fmax——材料破坏时的最大荷载（N）；

A——试件受压面积（mm2）。1强度

材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面的条形试件，当其两个支点间作用一集中荷载时，其抗弯强度值按下式计算：

（2-20）式中：fw——材料强度（MPa）；Fmax——材料破坏时的最大荷载（N）；L、b、h——分别为两支点的间距，试件横截面的宽及高（mm）。

当试件的支点间的三分点处作用两个相等的集中荷载时，其抗弯强度的计算公式为：

（2-21）1强度影响材料强度的因素主要有：（1）材料的化学成分（2）材料的孔隙率：材料的孔隙越大，则强度越小。（3）材料的微观结构：晶粒大小、相组成、缺陷、温度、加载速率、环境因素表2-2常用材料的强度

MPa材

料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗石100~2505~810~14烧结普通砖10~30—2.6-4.0普通混凝土10~601~83~10松木(顺纹)30~5080~12060~100建筑钢材235~1600235~1600—2.材料的弹性塑性、脆性韧性2.材料的弹性塑性、脆性韧性（1）材料的弹性和塑性

材料的弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料能够完全恢复到原来形状和尺寸的性质。弹性模量是衡量材料弹性性能的重要指标，它表示材料在弹性范围内应力（σ）与应变（ε）的比值，通常用符号“E”来表示。在材料的弹性范围内，弹性模量是不变的常数，其计算公式为：

（2-22）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，无量纲。2.材料的弹性塑性、脆性韧性2.材料的弹性塑性、脆性韧性（1）材料的弹性和塑性

材料的塑性是指材料在受力作用下能够发生形变并保持一定的形状，而不会立即破裂的性质。当外力去除后，材料会保留一部分变形，这部分变形即为塑性变形，塑性变形是不可逆变形。

在工程上，常将延伸率（即材料在断裂前所经历的最大塑性变形量与原长度的比值）大于5%的材料称为塑性材料。延伸率越大，材料的塑性越好。2.材料的弹性塑性、脆性韧性2.材料的弹性塑性、脆性韧性（2）材料的脆性和韧性材料的脆性

是指材料在受力时，当外力达到一定值后，材料突然发生破坏，且破坏时几乎没有明显的塑性变形。脆性材料的一个显著特征是其抗拉强度远低于抗压强度。材料的韧性

材料在受到外力作用时，能够吸收较大的能量而不发生破坏，并且在破坏前会产生明显的塑性变形，称为韧性。2.材料的弹性塑性、脆性韧性2.材料的弹性塑性、脆性韧性（2）材料的脆性和韧性材料的脆性

是指材料在受力时，当外力达到一定值后，材料突然发生破坏，且破坏时几乎没有明显的塑性变形。脆性材料的一个显著特征是其抗拉强度远低于抗压强度。材料的韧性

材料在受到外力作用时，能够吸收较大的能量而不发生破坏，并且在破坏前会产生明显的塑性变形，称为韧性。3.硬度和耐磨性

材料表面抵抗其他硬物刻划或压入的能力称为硬度，它表示材料表面的坚硬程度。测定材料硬度的方法，通常采用刻划法、压入法或回弹法。

材料表面抵抗磨损的能力称为耐磨性。材料的耐磨性用磨耗率表示，其公式表示为：

（2-23）式中：G——材料的磨耗率（g/cm