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1、第一章 土木工程材料基本性质,课题引入：通过两座桥梁（如图1-1所示）在材料应用上的比较，导入土木工程材料基本性质，并明确学生在本章学习中应掌握的主要内容，即材料的物理性质、力学性质和耐久性（包含基本概念、指标及其应用）。,a） 赵州桥 b）杭州湾跨海大桥 图1-1 我国著名桥梁,第一章 土木工程材料基本性质,本章主要内容 一、物理性质 与质量体积有关的物理性质 与水有关的物理性质 与热有关的物理性质 二、力学性质 三、耐久性,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,材料的体积组成：,块状材料： 堆积材料：,a）块状材料 b）堆积材料 图1-2 材料的体积组成示意图 1实体部分；2闭口孔隙；3
2、开口孔隙；4空隙,第一节 土木工程材料的物理性质,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,一、基本物理性质与质量、体积有关的物理性质,（一）密度 定义：密度是指单位体积物质的质量； 单位：可用g/cm3、kg/L或kg/m3来表示； 密度是材料的基本属性，根据所研究的对象不同将其分为以下四种密度，在实际应用中根据精度要求不同采取相应的密度。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,1真密度 定义：真密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 。 公式： 试验方法：李氏密度瓶（如图1-3所示）法。,图1-3 李氏密度瓶 （尺寸单位：ml）,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,2视密度 定义：
3、视密度是指材料在自然状态下不包含开口孔隙时单位体积的质量。 公式： 试验方法：李氏密度瓶法（简易法）和容量瓶法（标准法）。 注意：一般对于自身较为密实的颗粒堆积材料如混凝土用的砂、石等，其视密度值与密度值或表观密度值相差甚小，为应用方便，对这类材料常用视密度代替密度或表观密度。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,3表观密度 定义：表观密度是指材料在自然状态下单位体积（含材料实体部分和孔隙部分体积）的质量，又称体积密度。 公式： 试验方法：规则形状（量尺计算法）、不规则形状（蜡封排液法）,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,4堆积密度 定义：堆积密度是指颗粒材料或纤维材料在堆积状态下单
4、位体积的质量。堆积密度又根据散粒材料在堆积时的紧密程度分为松散堆积密度（自然堆积状态）和紧密堆积密度（紧密堆积状态）。 公式： 试验方法：额定容器法，即将堆积状态下的散粒材料装满一定容积的容器中，则容器的容积即为散粒材料的堆积体积。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,注意：在土木工程中，材料的密实密度、表观密度、体积密度和堆积密度是材料的基本物理性质，通常可用于计算材料的孔隙率或空隙率以及质量与体积之间的换算。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（二）密实度与孔隙率 1密实度D 定义：密实度是指材料固体物质充实的程度，即材料实体体积V占材料自然体积V0的百分率。 公式： 2孔隙率P
5、 定义：孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。 公式： 注意：材料的密实度和孔隙率一般是针对块状材料进行研究的，是从不同角度反映材料的同一个性质即密实程度，即：,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（三）填充率和空隙率 1填充率 定义：填充率是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，被颗粒或纤维所填充的程度。 公式： 2空隙率 定义：空隙率是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，颗粒或纤维间的空隙体积所占的百分率。 公式：,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,图1-4开口孔隙转变为空隙,注意：材料的填充率和空隙率是针对堆积材料进行研究的，是从不同角度反映了堆积材料的紧密程度，即： 。
6、空隙率常作为控制混凝土集料级配和计算砂率的依据，在计算时要注意单块材料的开口孔隙在堆积材料中已转变为空隙（见图1-4）,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,二、材料与水有关的物理性质 （一）亲水性与憎水性 1.亲水性：材料对水的吸附力水分子之间的内聚力，即润湿角900（见图1-5a)。 2.憎水性：材料对水的吸附力水分子之间的内聚力，即润湿角 900（见图1-5b)。,a）亲水性 b）憎水性 图1-5 材料的亲水性和憎水性,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（二）吸水性 定义：材料在水中吸收水分的性能即为材料的吸水性。 指标：吸水率 1.质量吸水率：材料在吸水饱和时，其吸水量占材料在
7、干燥状态下的质量的百分率；即： 2体积吸水率：体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其吸水的体积占材料自然体积的百分率；即： 影响因素：主要取决于其亲水性、孔隙率和孔隙特征。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（三）吸湿性 定义：材料的吸湿性是指材料在潮湿环境中吸收水分的性能。 指标：含水率 计算公式： 影响因素：主要取决于材料的孔隙率、孔隙特征和环境温湿度等。 注意：由于环境的温湿度一般处于变化状态，因此材料的含水率往往处于变化状态，这一点在混凝土施工中要引起注意。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（四）耐水性 定义：材料的耐水性是指材料长期在饱和水作用下保持其性质不易改变的性质。
8、指标：软化系数 计算公式： 应用： 工程中通常把0.85的材料称为耐水材料，可用于长期处于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要部位的工程部位时，材料的软化系数不得小于0.75。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（五）抗冻性 定义：抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏（一般指质量损失较小，强度不显著降低）的性能。 指标：抗冻等级Fn ；即指材料在吸水饱和后其质量损失不超过5%、强度损失不超过25%时所能经受的最大冻融循环次数为n次，可分为F10、F15、F25、F50、F100、F200等。 影响因素：主要取决于其强度、孔隙率和孔隙特征等。,第一章 土
9、木工程材料基本性质 物理性质,（六）抗渗性 定义：材料抵抗压力液体渗透材料本体的性能 。 指标：抗渗等级Pn；即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为0.1n MPa；可分为P4、P6、P8、P10、P12等。 影响因素：主要取决于其亲水性、强度、孔隙率和孔隙特征等。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,三、与热有关的物理性质 （一）导热性 定义：导热性是指材料传递热量的性能。 指标：导热系数（常用材料的见表1-1） 计算公式： 应用：导热系数越小的材料，其导热性越差，保温性能就越好。一般认为，导热系数0.23W/（mK）的材料，可作为保温隔热材料，这种材料一
10、般是多孔轻质的，为发挥其保温隔热的效能，应在干燥环境中使用。,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,表1-1 几种常见材料的热工性质指标,导热性,热容量,第一章 土木工程材料基本性质 物理性质,（二）热容量 定义：材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，即材料能容纳热量的性质。 指标：比热容C（见表1-1） ；1g材料温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。 计算公式： 应用：材料的比热容越大其保温性能越好，因此用于建筑外围的材料宜采用导热系数小或比热容大的材料以防止由于室内外温差较大时导致室内温度发生较大变化，对于采暖或供冷的建筑，可起到节约能源的效果。,第一章 土木工程材料基本性质 物
11、理性质,（三）热膨胀 定义：指一般材料所具有的热胀冷缩的性质。 指标：线膨胀系数；即固体物质的温度每改变1时，其长度的变化和它在0时长度之比。 应用：钢轨轨缝（见下图）、桥梁伸缩缝（见右图）。,第一章 土木工程材料基本性质 力学性质,第二节 土木工程材料的力学性质 一、材料的强度 定义：材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，它是材料在临界破坏状态下所能承受的最大应力；即： 分类：根据外力作用力方式不同，材料的强度有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和抗折（弯）强度等 。其计算图示和公式见表1-2。 应用：凡是用于承重的各种材料，都规定了有关强度的测定方法和计算方法，都以其主要强度的大小划分为
12、若干个强度等级，以供结构设计和施工时合理选用。,第一章 土木工程材料基本性质 力学性质,表1-2 材料的强度及其计算公式,第一章 土木工程材料基本性质 力学性质,二、弹性与塑性 1.弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，变形随即消失，材料恢复到原来形状的性质为弹性，这种能恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）。 2.塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，仍保持已发生的变形，即材料不能恢复到原来形状的性质为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。,第一章 土木工程材料基本性质 力学性质,三、脆性与韧性 1.脆性：材料在外力作用下破坏前没有明显的变形，即突然断裂的性质称为脆性
13、；如混凝土。 2.韧性：材料在冲击荷载作用下，发生较大变形而不破坏的性质称为韧性；如建筑钢材。 四、硬度与耐磨性 1.硬度：材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的性质称为硬度；一般可用刻痕法、压痕法或回弹法测定材料的硬度。 2.耐磨性：材料抵抗外物磨损的性质称为耐磨性。一般来说，硬度大、强度高的材料其耐磨性就好。,第一章 土木工程材料基本性质 耐久性,第三节 土木工程材料的耐久性 一、主要作用： 二、耐久性定义：,材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，受到各种 内在或外来因素的作用，能保持其性质不易改变的性质。,第一章 土木工程材料基本性质 小结,本章小结 土木工程材料是组成土木工程建筑物的基本元素，它直接影响着土木工程建筑的技术发展、工程质量和经济效益。而能否正确合理的选择使用材料，这依赖于我们是否能真正掌握材料的各项技术性质。 本章重点介绍了土木工程材料物理性质、力学性质和耐久性等，我们必须掌握这些性质的基本概念、重要指标的计算和工程应用等。,END,
