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1、1土木工程材料的基本性质基本性质的概念:不同材料，同种材料不同使用条件，基本的、共有的性质。基本性质的内容： 物理性质 力学性质 化学性质 耐久性质1.1材料的组成、结构1.材料的组成：材料的组成：材料的组成是决定材料性质的最基本的因素。材料的组成是决定材料性质的最基本的因素。包括：化学组成、矿物组成和相组成。（1）化学组成：构成材料的构成材料的化学元素化学元素及及化合物化合物的种类与数量。的种类与数量。当材料与环境各类物质相接触时，他们必然按当材料与环境各类物质相接触时，他们必然按化学规律相互作用。化学规律相互作用。例：化学元素碳对钢材性质的影响如下图：例：化学元素碳对钢材性质的影响如下图：
2、含碳量含碳量C%1硬度硬度抗拉强度抗拉强度断面收缩率断面收缩率伸长率伸长率冲击韧性冲击韧性1.4（2）矿物组成：矿物：矿物：材料科学中将具有材料科学中将具有特定的晶体结构特定的晶体结构、具、具有有特定的物理力学性能特定的物理力学性能的的组织结构组织结构称为矿物。称为矿物。矿物组成矿物组成：构成材料矿物的种类和数量构成材料矿物的种类和数量。天然的（石材）、人工烧制的（石灰、石膏、天然的（石材）、人工烧制的（石灰、石膏、水泥）。水泥）。其矿物组成是在其化学组成确定的条件下决定其矿物组成是在其化学组成确定的条件下决定材料性质的主要因素。材料性质的主要因素。例如例如：硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料中，铝
3、酸三钙、硅酸三钙、铝酸三钙、硅酸三钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙硅酸二钙和铁铝酸四钙的性能都是不同的；的性能都是不同的；相组成:材料中材料中结构相近结构相近，性质相同性质相同的均的均匀部分。物质可分为气相、液相、固匀部分。物质可分为气相、液相、固相。相。可通过改变和控制相组成和界面特可通过改变和控制相组成和界面特性，来改善和提高材料的技术性能。性，来改善和提高材料的技术性能。例如：混凝土是有集料相（砂、石）与基相（水泥浆）构成的两相复合材料。2.材料的结构可分为:宏观结构、细观结构和微观结构。它是决定材料各种性质的最重要因素。1)宏观结构（构造）：用肉眼或放大镜能够分辨的毫米级以上的粗大组织称为宏观
4、结构，可分为：（1）致密结构如钢材、有色金属、玻璃、塑料、致密的天然石材等，其特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好。（2）多孔结构如加气混凝土、泡沫塑料等，其特点是强度较低，吸水性大，抗渗和抗冻性较差，绝缘性较好。（3）微孔结构如普通烧结砖、建筑石膏制品等，其特点与多孔结构材料特点相同。（4）纤维结构如木材、竹材、玻璃纤维增强塑料、石棉制品等，其特点是平行纤维方向与垂直纤维方向的各种性质具有明显差异。（5）片状或层状结构如胶合板、纸面石膏板、各种夹心板等，其特点是平面各向同性，同时提高了材料的强度、硬度等，综合性能好。（6）散粒结构如砂子、石子、膨胀珍珠岩等，其特点是颗粒之间存在大
5、量空隙，其空隙率大小主要取决于颗粒级配、颗粒形状及大小等。用光学显微镜所观察到的微米级组织结构称为细观结构。材料的细观结构对其力学性质、耐久性等影响很大。2)细观结构：3)微观结构：用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来研究材料原子、分子级的微观组织称为微观结构，分为晶体与玻璃体、胶体。晶体：质点在空间则上按特定的规则，呈周期性排列时所形成的结构。玻璃体：质点在空间呈非周期性排的结构。胶体：以胶粒做分散相，分散在连续相介质中，形成的分散体系 土木工程材料的基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。因为土木土木工程材料所处建（构）筑物的部位不同、使用环境不
6、同、人们对材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性质也就有所不同。1.2材料的基材料的基本状态参数状态参数：1. 材料的状态参数和结构特征材料的状态参数和结构特征（1 1） 材料的体积材料的体积体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。材料的绝对密实体积：干材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部没有孔隙时的固体物质实体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以表示材料的绝对密实体积材料的表观体积：材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0 表示材料的表观体积。讨论：材料孔隙的构造：（1）按是否相通：开口孔与闭口孔（2）按
7、尺寸分：极细微孔、细小孔、较粗大的孔。 材料的孔隙材料的孔隙材料的孔隙材料的孔隙孔隙可以从两个方面对材料产生孔隙可以从两个方面对材料产生影响：影响：材料中孔隙体积与材料在自然状材料中孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比，可以用下式表态下的体积之比，可以用下式表示：示：1. 1. 孔隙的多少孔隙的多少 - - 孔隙率孔隙率孔隙率孔隙率2. 2. 孔隙的特征孔隙的特征材料的堆积体积： 粉状或粒状材料，在堆集状态下的总体外观体积。根据其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可能不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。材料的堆集体积一般以V。来表示。2. 2. 材料的密度材料的密度密度：是
8、指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算： 式中： 密度, g/cm3 m材料的质量，g V材料的绝对密实体积，cm3 测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。表观密度表观密度表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：式中0材料的表观密度, g/cm3 或 kg/m3m 材料的质量，g 或 kgV0材料的表观体积，cm3 或 m3材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积。因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表
9、观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关堆积密度堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。单位体积的质量。按下式计算：按下式计算：式中：式中： 0 0，材料的堆积密度材料的堆积密度, kg/m, kg/m3 3m m 材料的质量，材料的质量，kgkgV V0 0，材料的堆积体积，材料的堆积体积，m m3 3粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常
10、要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。 3 . 3 . 材料的密实度材料的密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下：讨论： （1）对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或 100%。 （2）对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。 密度；密度；0材料的表观密度材料的表观密度4. 4. 孔隙率孔隙率材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：思考：1.材料的孔隙率与密实度材料的孔隙率与密实度的关系？的关系？2.如何定义：开口孔隙率如何定义：开口孔隙率与闭口孔隙率？与闭口孔隙率？5. 5.
11、空隙率空隙率空隙率是指散粒材料在其堆集状态下, 颗粒之间的空隙体积所占材料堆积体积中的百分率。空隙率P， 按下式计算： 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。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。材料基本性质例题：材料基本性质例题：1.材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？解解 密度：密度：表观密度：表观密度：堆积密度：堆积密度： V V为材料的绝对密实体积为材料的绝对密实体积V0V0为材料的表观体积为材料的表观体积 ( (固、液、气）固、液、气）V0V0，为材料的堆积体积，为材料的堆积体积1、材料吸水后其性质会发生一系列变化，如使材料强度、材料吸水后其性质会发生一
12、系列变化，如使材料强度，保温性，保温性，体积，体积。2、称取堆积密度为、称取堆积密度为1650kg/m3干砂干砂200g，装入广口瓶，装入广口瓶中，再把瓶子注满水，这时称重为中，再把瓶子注满水，这时称重为500g，已知空瓶加满，已知空瓶加满水时的重量为水时的重量为377g，则该砂的表观密度为，则该砂的表观密度为kg/cm3,空空隙率为隙率为%。3、材料的组成包括、材料的组成包括、和和；材料的结构包括；材料的结构包括、和和等三个层次。等三个层次。7、材料的微观结构包括、材料的微观结构包括、和和等三种形式。等三种形式。8当材料的体积密度与密度相同时，说明该材料当材料的体积密度与密度相同时，说明该材
13、料。例二、填空题例二、填空题选择题选择题1.1.同一种材料的密度与表观密度差值较小，这种材料同一种材料的密度与表观密度差值较小，这种材料的（的（）。）。AA孔隙率较大孔隙率较大BB保温隔热性较好保温隔热性较好CC吸音能力强吸音能力强DD强度高强度高某一材料的下列指标中为固定值的是（某一材料的下列指标中为固定值的是（） 。AA密度密度BB表观密度表观密度CC堆积密度堆积密度DD导热系导热系数数孔隙率相等的同种材料，其导热系数在（孔隙率相等的同种材料，其导热系数在（）时变小。）时变小。AA孔隙尺寸增大，且孔互相连通孔隙尺寸增大，且孔互相连通BB孔隙尺寸增大，孔隙尺寸增大，且孔互相封闭且孔互相封闭C
14、C孔隙尺寸减小，且孔互相封闭孔隙尺寸减小，且孔互相封闭DD孔隙尺寸减小，孔隙尺寸减小，且孔互相连通且孔互相连通是非判断题是非判断题1。材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口孔隙体积。（）2.玻璃体材料就是玻璃，并具有良好的化学稳定性。（）3.凡是含孔材料，其干表观密度均比其密度小。（）1.3 材料与水有关的材料与水有关的性质性质1 1 材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反
15、之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿角愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角 时，为亲水性材料；当材料的润湿角 时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中，见图1-1图图1 11 1 材料润湿示意图材料润湿示意图（）亲水性材料；（）憎水性材料（）亲水性材料；（）憎水性材料2.2.材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与
16、吸湿性材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性 （1 1）材料的吸水性材料的吸水性材料的吸水性材料的吸水性材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。水的大小以吸水率来表示。质量吸水率质量吸水率质量吸水率质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以材料在干燥状态下的质量百分比，并以m m 表示。表示。质量吸水率质量吸水率m m 的计算公式为：的计算公式为：式中式中 m mb b材料吸水饱和状态下的质量（或材料吸水饱和状态下的质量（或kgkg） m
17、mg g材料在干燥状态下的质量（或材料在干燥状态下的质量（或kgkg）。）。体积吸水率体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以W表示。体积吸水率W的计算公式为：式中式中 m mb b材料吸水饱和状态下的质量（或材料吸水饱和状态下的质量（或kgkg）m mg材料在干燥状态下的质量（或材料在干燥状态下的质量（或kgkg）。）。V V0 0 材料在自然状态下的体积，（材料在自然状态下的体积，（cmcm3 3 或或 m m3 3） w w 水的密度水的密度, ,（g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3），）， 常温下常温下取取 w w =1.0
18、g/cm=1.0 g/cm3 3材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。（2） 材料的吸湿性材料的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。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的。材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以h表示，其计算公式为： 式中 ms材料吸湿状态下的质量（或kg） mg材料
19、在干燥状态下的质量（或kg）。显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR：式中 KR 材料的软化系数 fb 材料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）3.材料的耐水性材料的耐水性软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度
20、则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将 0.85的材料称为耐水性材料，可以用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的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75 。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受
21、反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。4.材料的抗冻性抗冻性抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为15、25、50、100、200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。材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。5. 材料的抗渗性材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，
22、不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。渗透系数渗透系数材料的渗透系数可通过下式计算:式中K渗透系数, （cm / h）;Q渗水量， （cm3 ）A 渗水面积, （cm2 ）H 材料两侧的水压差，（cm）d 试件厚度 （cm）t 渗水时间 （h）材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。1.4材料的热性质（1 1）导热性）导热性材料传递热量的性质称为材料的导热性。用导热系数材料传递热量的性质称为材料的导热性。用导热系数 表表示。示。导热系数越小，材料的隔热保温性能越好。导热系数越小，材料的隔热保温性能越好。（2 2）热容量）热容量材
23、料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。用量。用QQ表示表示（3 3）热变形性）热变形性材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质，称为材料材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质，称为材料的热变形性。用线膨胀系数的热变形性。用线膨胀系数 表示。线膨胀系数表示。线膨胀系数 越大，表越大，表明材料的热变形量越大。明材料的热变形量越大。（4 4）耐燃性）耐燃性材料在空气中遇火不着火燃烧的性能，称为材料的耐燃性。材料在空气中遇火不着火燃烧的性能，称为材料的耐燃性。按照遇火时的反应将材料分为非燃烧材料、难燃烧材料和按照遇火时的反应将材料分为非
24、燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料三类。燃烧材料三类。1.1.材料的强度材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。 在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。和破坏时的荷载值，计算材料的强度。1.5材
25、料的力学性质材料的力学性质根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算式如下：式中式中 f-f-材料强度，材料强度， MPaMPaF Fmaxmax- -材料破坏时的最大荷载，材料破坏时的最大荷载，N NA-A-试件受力面积，试件受力面积，mmmm2 2- -材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中式中式中式中 f fw w-材料的抗弯强度，材料的抗弯强度，材料的抗弯强度，材料的抗弯强度， MPaMPaF Fmaxmax-材料受弯破坏时的最大荷
26、载，材料受弯破坏时的最大荷载，材料受弯破坏时的最大荷载，材料受弯破坏时的最大荷载，N NA-A-试件受力面积，试件受力面积，试件受力面积，试件受力面积，mmmm2 2L-L-两支点的间距，两支点的间距，两支点的间距，两支点的间距，mmmmb b、h-h-试件横截面的宽及高，试件横截面的宽及高，试件横截面的宽及高，试件横截面的宽及高，mmmm2、材料的材料的强度等级根据其极限强度的大小，划分成若干不同的等级，称为材料的强度等级。脆性材料主要根据其抗压强度来划分；塑性材料和韧性材料主要根据其抗拉强度来划分。3.材料的材料的比强度材料的强度与其表观密度的比值，称为比强度。它是衡量材料轻质高强性能的一
27、项重要指标。比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。4.4.材料的材料的弹性弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。5.材料的材料的塑性塑性材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。6.材料的材料的脆性材料在外力作用下，直到破坏前并无明显的塑性材料在外力作用下，直到破坏前并无明显的塑性变形而发生突然破坏的性质。变形而发生突然破坏的性质。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混
28、凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。7.材料的材料的韧性、材料在冲击或震动荷载的作用下，能吸收较大能量，并产生较大变形而不发生破坏的性质。材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量而不破坏的性能，称为韧性或冲击韧性。韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。计算公式如下：式中 a k -材料的冲击韧性， J/mm2 k-试件破坏时所消耗的功，J； A-材料受力截面积。（mm2）1.6 材料的耐久性材料的耐久性 1.材料的耐久性是泛指材料在长期使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。材
29、料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。2.耐久性的影响因素耐久性的影响因素（1）物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏（2）在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。（3）化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。
30、（4）机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。（5）生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。3.材料耐久性的选择材料耐久性的选择例例5.5.某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解解 : :该石材的软化系数为该石材的软化系数为: :由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。END!
