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1、第一章 土木工程材料基本性质1.1材料的物理性质1.2材料的力学性质1.3材料的耐久性与环境协调性1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响土木工程材料基本性质1.1材料的物理性质 1.1.1 密度 、表观密度和堆积密度 1.1.2 材料的孔隙率和空隙率 1.1.3 与水有关的性质 1.1.4 热工性质 土木工程材料基本性质1.1.1 密度 、表观密度和堆积密度l 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。l表观密度是指材料在自然状态下的体积，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。l堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。密度、表观密度、体积密度和堆积密度既
2、有联系又有差别。土木工程材料基本性质名称定义表达式单位备注密度表观密度堆积密度1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度材料在绝对密实状态下, ,单位体积的质量。材料在自然状态下，单位体积的质量。材料在堆积状态下，单位体积的质量。g/cmg/cm3 3/m/m3 3/m/m3 3或g/cmg/cm3 3土木工程材料基本性质1.1.2 1.1.2 材料的孔隙率和空隙率u 孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。u空隙率则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占堆积体积的百分率。材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材料的性质有重要影响。土木工程材料基本性质孔隙和空隙1、密实
3、度指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。公式影响材料的：强度吸水性耐久性导热性土木工程材料基本性质2、孔隙率指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。公式孔隙率与密实度的关系P+D=1孔结构孔隙率孔径尺寸开口形状影响材料的：强度、吸水性、耐久性、导热性土木工程材料基本性质3、填充率指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。反映散粒材料堆积的致密程度。公式土木工程材料基本性质4、空隙率散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。公式空隙率与填充率的关系P/+D/=1土木工程材料基本性质例 题1已知卵石的表观密度为2.6 g/cm3
4、，把它装入一个2m3 的车厢内，装平时共用3500kg。求该卵石的空隙率为多少?若用堆积密度为1500kg/m3的砂子，填充上述车内卵石的全部空隙，共需砂子多少kg?解：/ /o o =3500/2=1750kg/m =3500/2=1750kg/m3 3 P P/ /= =（1- 1- o o/ /0 0）100%100% = =（1-1.75/2.6)100%=32.7%1-1.75/2.6)100%=32.7% S=232.7%1500=980.8 kg S=232.7%1500=980.8 kg土木工程材料基本性质例2 2 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm2.65g/cm3
5、3、表观密度为2.61g/cm2.61g/cm3 3、堆积密度为1680 1680 kg/mkg/m3 3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解:石子的孔隙率P为：石子的空隙率P为：土木工程材料基本性质1.1.3与水有关的性质u材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水 两种不同的性质；u材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸水性与吸湿性；u材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质；u抗渗性 指抵抗压力水渗透的性质；u抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。土木工程材料基本性质1.1.4热工性质n材料的热容指材料在温
6、度变化时吸收和放出热量的能力。n导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。n材料对火焰和高温度抵抗能力称为材料的耐燃性。土木工程材料基本性质材料燃烧性能分级等级燃烧性能检测方法A不燃性GB5464-85B1难燃性GB8625-88B2可燃性GB8626-88B3易燃性不检测土木工程材料基本性质燃烧性能指标GB/T2406-93 塑料燃烧性能试验方法（氧指数法）正常空气中含氧量为21%燃烧性能与氧指数的关系等级氧指数B132B227土木工程材料基本性质1.2 材料的力学性质 1.2.1 强度1.2.2 弹性与塑性1.2.3 韧性与脆性1.2.4 硬度 土木工程
7、材料基本性质1.2.1强度土木工程材料基本性质1.2.2弹性与塑性l弹性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。l塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。l弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。土木工程材料基本性质1.2.3韧性与脆性l脆性材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。l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破坏，这种性质称为韧性。土木工程材料基本性质1.2.4硬度 材料另一个重要的力学
8、性能是硬度。它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定 ，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定 。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。土木工程材料基本性质硬度的分类布氏硬度(HB)瑞典人布林南尔适用于橡胶、塑料、HB=8450的金属材料维氏硬度(HV)英国科学家维克斯适用各种金属材料洛氏硬度(HR)美国冶金学家洛克威尔适用于各种金属材料肖氏硬度(HS)英国人肖尔适用于橡胶、塑料、金属材料摩(莫)氏硬度(HM)主要用于各种石材土木工程材料基本性质摩氏硬度硬度是材料表面
9、能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。莫氏硬度（10级）1滑石2石膏3方解石4萤石5磷石灰6正长石7石英8黄玉9刚玉10金刚石n指甲2.5小刀5.5玻璃6铜钥匙3土木工程材料基本性质1.3材料的耐久性与环境协调性1.3.1材料的耐久性1.3.2材料的环境协调性土木工程材料基本性质1.3.1材料的耐久性 材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的
10、结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点,合理地选用。土木工程材料基本性质1.3.2材料的环境协调性材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高可回收率。19941994年制订了GB 6566-GB 6566-20012001建筑材料放射性核素限量以及关于室内装饰装修材料有害物质限量等1010项国家标准，提出了有关控制要求，并已于20022002年1 1月1 1日开始实施。土木工程材料基本性质1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响1.4.1材料的组成及其对
11、材料性质的影响1.4.2材料的微观结构及其对材料性质的影响1.4.3材料的宏观构造及其对性能的影响土木工程材料基本性质1.4.1材料的组成及其对材料性质的影响 材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。土木工程材料基本性质1.4.2材料的微观结构及其对材料性质的影响材料的微观结构（1010-9-9m m）是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、玻
12、璃体、胶体三类，不同结构的材料，各具不同特性。土木工程材料基本性质1.4.3材料的宏观构造及其对性能的影响材料的亚微观结构（1010-5-51010-9-9m m）金相组织、木纤维、导管、髓线等的研究。材料的宏观构造（1010-5-5m m）是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造。土木工程材料基本性质问题与思考1测定含大量开口孔隙的材料表观密度时，直接用排水法测定其体积，为何该材料的质量与所测得的体积之比不是该材料的表观密度？2 相同组成材料的性能为何不一定是相同的？3 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？
13、土木工程材料基本性质补充习题I.某岩石试样经烘干后其质量为482克，将其投入盛水的量筒中，此时水的体积由452cm3增为630cm3，取出试样称重，质量为487克，试求：该岩石的开口孔隙率？表观密度是多少?土木工程材料基本性质补充习题2.已知某批粘土砖的干容重为1450kg/m3，密度为2.5g/cm3,质量吸水率为18%，试求：砖的孔隙率？体积吸水率?视密度？（注：视密度-单位表观体积 绝对密实体积+ +闭口孔隙体积 的材料所具有的质量）土木工程材料基本性质单元练习练习A练习B土木工程材料基本性质工程实例分析 （1 1）加气混凝土砌块吸水分析 某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容重仅
14、700 kg/m700 kg/m3 3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。原因分析：加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。土木工程材料基本性质工程实例分析（2）火灾中混凝土的破坏某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析原因。原因分析：混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的
15、水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。土木工程材料基本性质The end土木工程材料基本性质 密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算：式中材料的密度，g/cm3；m材料的质量（干燥至恒重），g；V 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。除了钢材，玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。在测定有孔隙材料（如砖、石等）的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。材料磨得越细，测得的密实体积数值就越精确。土木工程材料基本性质（2 2）表观密度材料在自然状态下单位 体积具有的质量。 材料的表观密度，kg/m3或g/cm3；m材料的质量，k
16、g或g；V材料在包含闭口孔隙条件下的体积（包含实体体积、内部封闭孔、开口孔体积）。通常，材料在包含闭口孔隙条件下的体积式采用排液置换法或水中称重法测量。土木工程材料基本性质（3 3）堆积密度：单位堆积体积的材料所具有的质量。式中 堆积密度，kg/mkg/m3 3； m m 材料的质量，kgkg； 材料的堆积体积，m m3 3。 材料的堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度反映散粒构造材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。其测定方法在实验部分有专门介绍。土木工程材料基本性质材料的亲水性与憎水性 (a) 亲水性材料 (b) 憎水性材料土木工程材料基本性质材料的
17、吸水性l吸水性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。A.质量吸水率Wm：是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数，用下式表示：式中Wm质量吸水率，；mb材料在干燥状态下的质量，g；mg材料在吸水饱和状态下的质量，g。土木工程材料基本性质材料的吸水性B.体积吸水率Wv：是指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分数，用下式表示：式中Wv体积吸水率，；V0干燥材料自然体积，cm3；w水的密度，g/cm3。其他符号意义同前。体积吸水率与质量吸水率的关系Question？土木工程材料基本性质材料的吸湿
18、性l吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。用公式表示为 式中Wh材料的含水率，；ms材料在吸湿状态下的重量，g；mg材料在干燥状态下的重量，g。材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。土木工程材料基本性质耐水性耐水性材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。公式式中Kr材料的软化系数（Kr01）fb材料在饱水状态下的
19、抗压强度（MPaMPa）fg材料在干燥状态下的抗压强度（MPaMPa）土木工程材料基本性质材料软化系数的要求软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其Kr0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其Kr0.75；Kr0.85的材料，一般称为耐水的材料。土木工程材料基本性质抗渗性抗渗性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。依达西定律式中K材料的渗透系数（ml/cm2.s）W透过材料试件的水量（ml）t透水时间（s）A透水面积（cm2）H净水压力（cm）d试件的厚度（cm）
20、土木工程材料基本性质抗渗等级渗透系数越大，材料的抗渗性越差。对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(Ps)表示：Ps=10H1H试件开始渗水时的水压力（MPa）影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。土木工程材料基本性质冻融破坏的桥梁土木工程材料基本性质 使用2020年的高速公路桥梁土木工程材料基本性质热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，可用下式表示：式中Q Q 材料的热容量，kJkJ；m m 材料的重量，kgkg；t t1 1- -t t2 2 材料受热或冷却前后的温度差，K K；C C 材料的比热，kJ
21、kJ(kg(kgK)K)。土木工程材料基本性质材料的导热系数导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（）表示。公式式中热导率（W/m.K）热阻R=1/Q传导的热量（J）A热传导面积（m2）d材料的厚度（m）t热传导时间（s）(T2-T1)材料两侧温差（K）土木工程材料基本性质材料的热导率越小，绝热性能越好。影响热导率的因素：材料内部的孔隙构造密闭的空气使降材料的含水情况含水、结冰使增大。常见热导率参数：泡沫塑料0.035水0.58大理石3.5冰2.2钢材58空气0.0023混凝土1.51松木1.170.35土木工程材料基本性质GB6566-2001建筑材料放射性核素限量的控制要求（1
22、 1）建筑主体材料当建筑主体材料中天然放射性核素镭- -226226、钍-232-232、钾-40-40的放射性比活度同时满足内照射指数I Irara1.01.0和外照射指数I I1.01.0时，其产销与使用范围不受限制。对于空心率大于2525的建筑主体材料，其天然放射性核素镭-226-226、钍-232-232、钾-40-40的放射性比活度同时满足I Irara1.01.0和I I1.31.3时，其产销与使用范围不受限制。土木工程材料基本性质GB6566-2001建筑材料放射性核素限量的控制要求 （2) 2) 装修材料根据放射性水平大小划分以下三类：A A类装修材料装修材料中天然放射性核素镭
23、-226-226、钍-232-232、钾-40-40的放射性比活度同时满足I IRaRa1.01.0和I I1.31.3要求的为A A类装修材料。A A类装修材料产销与使用范围不受限制。B B类装修材料不满足A A类装修材料要求但同时满足I Irara1.31.3和I I1.91.9要求的为B B类装修材料。B B类装修材料不可用于I I类民用建筑的内饰面，但可用于I I类民用建筑的外饰面及其他一切建筑物的内、外饰面。C C类装修不满足A A、B B类装修材料要求但满足I I2.82.8要求的为C C类装修材料。C C类装修材料只可用于建筑物的外饰面及室外其它用途。I I2.82.8的花岗岩只用于碑石、海堤、桥墩等人类很少涉及的地方。土木工程材料基本性质建筑材料中天然放射性核素镭-226的放射性比活度，除以标准规定的限量而得的商。表达式为：式中Ira内照射指数；Cra建筑材料中天然放射性核素镭-226的放射性比活度，单位为贝可/千克（Bq/kg）；200仅考虑内照射情况下，标准规定的建筑材料中放射性核素镭-226的放射性比活度限量，单位为贝可/千克（Bq/kg）.内照射指数土木工程材料基本性质
