1、土木工程 材 料Construction Materials青海大学张伟勤 主讲第一章 土木工程材料的基本性质 土木工程材料土木工程材料的基本性质，是指材料处于的基本性质，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。虑的最基本的、共有的性质。学习目的：通过学习材料的基本性质，了解学习目的：通过学习材料的基本性质，了解 土木工程结构物的基本性质与工土木工程结构物的基本性质与工 程特性关系。程特性关系。教学要求：通过分析各种土木工程的特点，教学要求：通过分析各种土木工程的特点，说明建筑材料的基本性质及耐久说明建筑材料的基本性质及
2、耐久 性；重点材料的基本力学性质、性；重点材料的基本力学性质、与水有关的性质等。与水有关的性质等。第一节 材料的组成材料的组成与与结构结构1-1.11-1.1材料的组成材料的组成1-1.1.1 1-1.1.1 化学组成化学组成无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。金属材料以元素含量来表示。化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。一一 矿物组成矿物组成 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质。矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。二二 相组成 材料中结构相近、性质相同的均匀部分。三三 材料的结构与构造材料的结构与构造一一 宏观结
3、构（构造）宏观结构（构造）材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织。尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。二 宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：致密结构致密结构多孔结构多孔结构微孔结构微孔结构纤维结构纤维结构层状结构层状结构散粒结构散粒结构致密结构 基本上是无孔隙存在的材料。如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。多孔结构 具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质材料等。微孔结构 微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。纤维结构 木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。层状结构 采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板
4、、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填充料的塑料制品等。散粒结构 松散颗粒状结构。如混凝土骨料、用作绝热材料的粉状和粒状的添充料。1-1.2.2 1-1.2.2 微观结构微观结构 微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。材料的微观结构，基本上可分为晶体与非晶体。晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列。非晶体也称玻璃体或无定形体，如无机玻璃。玻璃体是化学不稳定结构，容易与其它物体起化学作用。亚微观结构亚微观结构 亚微观结构也称作细观结构，是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式。如金属材料晶粒的粗细及其金相组织，木材的木纤维，混凝土中的孔隙及界面等。从宏观、亚微观和
5、微观三个不同层次的结构上来研究土木工程材料的性质，才能深入其本质，对改进与提高材料性能以及创制新型材料都有着重要的意义。第二节第二节 材料的物理性质材料的物理性质一 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。1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。2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。3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
6、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。一般以V 来表示。二 材料的密度材料的密度(交通）材料的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：密度,g/cm3 或 kg/m3m材料的质量，g 或 kgV材料的绝对密实体积，cm3 或 m3 Vm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。三 材料的表观密度材料的表观密度表观密度（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：00Vm材料的表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。四四 材料的堆积密度材料的堆积密度堆
7、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。按下式计算：式中0 材料的堆积密度,g/cm3 或 kg/m3m 材料的质量，g 或 kgV0材料的堆积体积，cm3 或 m300Vm 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、放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。五五 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：对于绝对密实材料，因 0 ，故密实度D 1 或 100%。对于大多数土
8、木工程材料，因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。密度；00VVD六 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：0001VVVPV材料的绝对密实体积，cm3 或 m3密度,g/cm3 或 kg/m3七 空隙率空隙率空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：0 0，材料的堆积密度材料的堆积密度00000011VVVVVP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。八 材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性2.材料的吸水性3.材料的吸湿性4.
9、材料的耐水性5.材料的抗冻性6.材料的抗渗性 n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。n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。1 材料的亲水性和憎水性n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
10、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11 材料润湿示意图（）亲水性材料；（）憎水性材料材料吸收水分的能力吸水性的大小以吸水率表示2 材料的吸水性l 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，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为：%100ggbmmmmWl 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：%10010WgbvVmmWg 材料的吸水率与
11、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。3 材料的吸湿性 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。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：%100ggshmmmWl材料的含水率 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
12、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。（即材料的含水率与空气湿度相同）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：gbRffK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）。4 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
13、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，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。5 材料的抗冻性 抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或
14、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。抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。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，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
15、。6 材料的抗渗性l 渗透系数渗透系数AtHQdK 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。材料的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，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。l抗渗等级抗渗等级1.1.导热性导热性2.2.热容量和比热热容量和比热3.3.热阻和传热系数热
16、阻和传热系数4.4.温度变形性温度变形性九 材料的热工性质l1 导热性 当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质。导热性用导热系数 表示。)(12ttFZQd 在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1)的热量。温度换算：1。F=0.555556。K。C=5/9（。F-32）。F=9/5。C+32 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。)(12ttmQC热容量)l2 热容量和比热 热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流
17、通过的能力，热阻的定义及计算式为：/式中 材料层热阻，（m2K）/W；材料层厚度，；材料的导热系数，(K)热阻的倒数称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度传热系数是指材料两面温度差为差为1 1时，在单位时间内通过单位面积的热量。时，在单位时间内通过单位面积的热量。l3 热阻和传热系数 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（）。4 材料的温度变形性材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：L=L=（t t2 2-t-t1
18、 1）L L式中L-线膨胀或线收缩量（mm 或 cm）(t2-t1）-材料升（降）温前后的温度差（）-材料在常温下的平均线膨胀系数()L-材料原来的长度（或）一、材料的强度一、材料的强度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
19、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。第三节第三节 材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、材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。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：AFfmax 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：hb2max23bhLFfm22)(3bhaLFfm 此两个公式是材料力学公式，当材料处于弹性极限内，应力值为真实值，当接近破坏时，已超出弹性范围，此二式 计 算 的
20、结 果，并 非 破 坏 时 的 真 实 应 力 值。材料强度测定结果受到影响的因素：1 试件的形状、尺寸、表面状况；2 测试时，试件的温度及湿度；3 试验加荷速度及试验装置情况。二二.弹性和塑性弹性和塑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）。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）。三三.脆性和韧性脆性和韧性 材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属
21、脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、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。材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量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，称为材料的而不破坏的性能，称为材料的韧性韧性或冲击韧性。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：AWakk4.4.硬度和耐磨性硬度和耐磨性 硬度：材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。n 回弹法：用于测定混
22、凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。刻划法：用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为个硬度等级。压入法：有布氏硬度、维式硬度、洛氏硬度。主要用于测试金属材料、和韧性材料的硬度。耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：AmmG21式中式中 G-G-材料的磨耗率，材料的磨耗率，（g/cmg/cm2 2）m m1 1-材料磨损前的质量，（材料磨损前的质量，（g g）m m2 2-材料磨损后的质量，（材料磨损后的质量，（g g）
23、A-A-材料试件的受磨面积材料试件的受磨面积 （cmcm2 2）材料的耐久性耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其能长久地保持其使用性能的性质。使用性能的性质。材料在建筑物之中，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。第四节第四节 材料的耐久性材料的耐久性u 干湿变化；u 温度变化；u 冻融变化等。物理作用砖、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、
24、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。1.大气；2.环境水以及使用件下酸、碱、盐等液体；3.有害气体对材料的侵蚀作用。化学作用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。机械作用 菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。生物作用 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。第五节 材料的装饰性 装饰性：是指材料用于建筑物内、外表面，主要起装饰作用的性质。影响装饰效果的因素：1 颜色、光泽、透明性 2 花纹图案、形状、尺寸 3 质
25、感end 例例1-11-1 材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？解 密度：表观密度：堆积密度：Vm00Vm0VmV为材料的绝对密实体积V0为材料的表观体积 (固、液、气）V0，为材料的堆积体积 对于含孔材料，三者的测试方法要点如下：测定密度时，需先将材料磨细，之后采用排出液体或水的方法来测定体积。测定表观密度时，直接将材料表面用蜡密封后放入水中，即直接采用排开水的方法来测体积；测定堆积密度时，将材料直接装入已知体积的容量筒中，直接测试其自然堆积状态下体积。|含水与否对密度无影响，因表观密度均是对自然状态而言的。含水对堆积密度的影响则较复杂一般来说是使堆
26、积密度增大。例例1-21-2 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解 石子的孔隙率P为：%51.165.261.21110000VVVVVP石子的空隙率P，为：%63.3561.268.11110000000VVVVVP 例例1-3 1-3 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 该石材的软化系数为:93.0178165gbRffK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。
