1、第一章土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 主讲：祝海雁学习目标：熟练掌握土木工程材料的基本状态参数。掌握土木工程材料的基本力学性质。掌握土木工程材料与水有关的性质 掌握土木工程材料与热有关的性质 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系知识框架1.5 材料的组成、结构与性质1.1 材料的基本物理性质1.2材料与水有关的性质1.3 材料的力学性质1.4 材料的热学、声学、耐久性及装饰性1.1 材料的基本物理性质1.1.1密度、表观密度、堆积密度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
2、；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。m/vv所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。对近于绝对密实的材料：如金属、玻璃等，量测几何体积称重代入公式中计算。对有孔隙的材料：如砖、混凝土磨成细粉（通过 0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量V（排水法）。表观密度表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量式中 o 材料的表观密度，kg/m3 或g/cm3；m 材料的质量（干燥至恒重），kg或 g；V0 材料在包含闭口孔隙条件下的体积 （即只含内部闭口孔，不含开口孔），m3或cm3。0Vmo0Vmo0Vmo0Vmo0V
3、mo0Vmo0Vmo0Vmo0Vmo0Vmo0Vmo0Vmo0VmomV所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。通常，材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法。堆积密度是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，有松散堆积密度及紧密堆积密度之分。堆积密度可按下计算：mV式中 o 堆积密度，kg/m3；m 材料的质量，kg；Vo材料的堆积体积，m3。V0V+Vbk+VkkV空 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。测
4、定散粒材料的体积可通过已标定容积的容器计量而得。测定砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。密度、表观密度和堆积密度既有联系又有差别。材料用量、构件自重、配料、材料堆场体积或面积以及计算运输材料的车辆等时，均需要用到材料的上述状态参数。具体来说，密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率，以及进行混凝土的配合比计算，表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重、确定材料堆放空间等。由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，即：00 密实度密实度是材料体积内被固体物质充
5、实的程度。按下式计算：0*100%VDV0*100%D或1.1.2 密实度与孔隙率 孔隙率孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：%100*)1(10000VVVVVP即：D+P=1或 密实度+孔隙率=1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布，特征对材料的性能影响较大。1.1.3 空隙率和填充率v填充率填充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算：%1
6、00*0VVD%100*0D 或v空隙率空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算：%100*)1(10000VVVVVP 即：D+P=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。1.2 材料与水有关的性质1.2.1 材料的亲水性与憎水性当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。润湿角（a）亲水性材料 90 （b）完全亲水材料180 （c）憎水性材料 90 实验证明:当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性
7、，这种材料称亲水性亲水性材料。当90时，材料表面不吸附水，此称憎水性憎水性材料。当=0时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。1.2.2 材料的吸水性与吸湿性 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性吸水性。材料的吸水性用吸水率吸水率表示，即%100*1mmmW式中：W-材料质量吸水率，%；m-材料干燥状态下质量，g;m1-材料吸水饱和状态下质量，吸水也可以用体积吸水率表示，即材料吸入水的体积占材料自然状态体积的百分率 封闭孔隙较多的材料，吸水率不大时通常用质量吸水率公式进行计算，对一些轻质多孔材料，如加气混凝土、木材等，由于质量吸
8、水率往往超过100%,故可用体积吸水率进行计算。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸水率可超过100 材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力称为吸湿性吸湿性，用含水率表示，即%100*mmmW含含式中：W-材料含水率，%;m含-材料含水时的质量，g；m-材料干燥状态下的质量,g。材料吸湿性作用一般是可逆的，材料的吸湿性随空气的湿度
9、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 1.2.3 耐水性 材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性耐水性，用软化系数表示，即ffKwp式中：KP-材料的软化系数；fw-材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa f -材料在干燥状态的抗压强度，MPa。材料的软化系数的范围在01之间。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于0.85的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于0.700.85。通常软化系数大于等于0.85的材料称为耐水材料 1.2.4材料的抗渗性 抗渗性抗渗性：材料
10、抵抗压力水渗透的性质，或称不透水性。当材料两侧存在不同水压时，一切破坏因素(如腐蚀性介质)都可通过水或气体进入材料内部，然后把所分解的产物代出材料，使材料逐渐破坏，如地下建筑、基础、压力管道、水工建筑等经常受到压力水或水头差的作用，故要求所用材料具有一定的抗渗性，对于各种防水材料，则要求具有更高的抗渗性。材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系数和抗渗等级。对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青混凝土等，其防水性用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：在一定时间t内，透过材料试件的水量Q，与试件的渗水面积A及水头差成正比，与渗透距离(试件的厚度)d成反比，用公式表示为 式中K材料的渗透系数,c
11、mh；Q渗透水量,cm3；d材料的厚度,cm；A渗水面积,cm2；t渗水时间,h；H静水压力水头,cm。K值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。QdKAtH 建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土材料的抗渗性用抗渗等级表示。抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定。以符号“P”和材料透水前的最大水压力的0.1MPa表示，如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。用公式表示：S=10H-1 式中：S-抗渗等级；H-试件开始渗水时的压力，MPa.1.2.5 材料的抗冻性
12、材料的抗冻性抗冻性:材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。材料的抗冻性用抗冻标号抗冻标号表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Dn”表示，其中n ”即为最大冻融循环次数，如D25、D50等。常用的两个参数是：质量损失率(不超过5%)，强度损失率(不超过25)。材料抗冻标号的选择，足根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为D15或D25；用于桥梁和道路的混凝土应为D50、D100或D
13、200。水工混凝土要求高达D500。材料受冻融破坏主要原因：其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9，若材料孔 隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产 生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用。闭口孔隙水分不能渗入。而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰,故其对材
14、料的冰冻破坏作用影响最大。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高 另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁、则 材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境(如冷库)的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出定的抗冻性要求。1.3.1 材料
15、的强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度强度。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。1.3 材料的力学性质a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验强度的计算v材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：AFfmax 式中 f 材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；Fmax材料破坏时的最大荷载，N；A受力截面面积，mm2。对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为
16、作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折强度）可用下式计算：2max23bhLFfm 式中fm抗弯强度，MPa；Fmax弯曲破坏时的最大荷载,N；b，h 试件横截面的宽和高,mm。L 两支点间的距离，mm。影响材料强度的因素1.材料的组成、结构与构造：材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不一样。2.孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈 大，则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。一般表观密度大的材料，其强度也大。这些是材料的内部因素。还与测试条件和方法等外部因素有关。3.试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的
17、强度值要高于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大试件高。4.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。5.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低。6.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。强度等级：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。如混凝土按抗压强度划分为 C10C60;水泥按抗压和抗拉强度划分为32.562.5,砂浆按抗压强度划分为M2.5M2
18、0六个等级,热轧钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。强度和强度等级的区别与联系：区别：a.强度与强度等级的定义不同。强度是实测值，强度等级是人为规定的强度范围。b.强度指的是材料的极限值，是唯一的，每一强度等级则包含一系列强度值。联系：某一材料强度等级的确定必须以其极限强度值为依据。比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/o）。用于评价材料是否轻质高强。1.3.3材料的脆性或韧性 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，这种性质称为脆性脆性。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，这种性质称为韧性韧性。1.3.2 材料的
19、变形性能 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弹性，这种可恢复的变形称弹性变形。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塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形。u黏弹性：一些非晶体材料，在受力时可以同时表现出弹性和黏性，称为黏弹性或弹塑性。徐变：材料在恒定应力下，其变形随时间而增长的现象。应力松弛：材料在恒定应变情况下，其应力随时间而减小的现象。1.3.4材料的硬度与耐磨性硬度：材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力 莫氏硬度（10级）石材 肖氏硬度 石材 布氏硬度（HB）钢材维氏硬度和韦氏硬度:铝合金AmmKw
20、10AmmKw10AmmKw10AmmKw10耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。耐磨性通常以磨损前后单位表面的质量损失，即磨耗率Kw来表示：AmmKw10m0 试件磨损前的质量，g;m1 -试件磨损后的质量，g;A 试件受磨损的面积,cm2。1.4材料的热学、声学、光学及耐久性、装饰性1.4.1 材料的热物理性质导热性：材料传递热量的性质称为导热性导热性，以导热系数导热系数表示，即)(12TTAtQa 式中：材料的导热系数，w/（mK）；Q 总传热量，J；a 材料厚度，m；A 热传导面积，m2；Z 热传导时间，h；T2-T1材料两侧温度差，K。材料的导热系数愈大，起传导的热量就愈多。影响材料导热
21、系数的主要因素有材料的物质构成、微观结构、孔隙构造、湿度、温度和热流方向等。传热系数：导热系数与材料厚度的比，定义式如下：dKK材料的传热系数，W/(m2.K)D材料层的厚度，m。材料的热容量 热容量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，用比热容比热容表示，即12()QCm tt式中C 材料的比热容，kJ(kgK)。Q 材料的热容量，kJ；m 材料的重量，kg；t1-t2 材料受热或冷却前后的温度差，K；材料比热比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。材料中热容量最大的是水，为C=4.19 J(kgK).1.4.2 材料的声学性质 吸声性 声能穿透
22、材料和被材料消耗的性质称为材料的吸吸声性声性，评价指标为吸声系数。影响材料的吸声效果因素有：材料的表观密度材料的孔隙构造材料的厚度等 隔声性:隔空气声 隔固体声 1.4.3 材料的光学性质光是一种电磁波,材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、特别是对可见光的反应，主要是用材料对电磁波的吸收，反射和透射特性来衡量。例如当一束强度为I的光入射到玻璃中时，在材料的表面会发生光的反射，另外光也会透过玻璃，常常透过的光的强度小于入射强度，这往往是由于玻璃会吸收一部分光。1.4.4 材料的耐久性 耐久性耐久性: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，它是一种复杂的、综合的性质
23、,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。物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩,或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏 化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等等。生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材等一类的有机质材料，常会受到这种破坏作用的影响。1.4.5 材料的装饰性对装饰材料的要求
24、：材料的颜色、光泽、透明性花纹图案、形状、尺寸质感一、材料的组成 1、化学组成：化学成分 2、矿物组成：矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物1.5 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响（一）微观结构：利用电子显微镜等观测到的结构 1、晶体：按一定规律在空间重复排列的固体，具有特定的几何外形和固定的熔点。2、非晶体：质点不按规律排列的固体，没有固定的熔点和几何外形。3、胶体：物体以极小的质点作为分散相，分散于连续相（气、水或溶剂）中所形成的体系。二、材料的结构和构造（二）显微结构 由光学显微镜所看到的微米级的组织结构，又称亚微观结构。主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。（三）宏观结构 用肉眼或放大镜即可分辨的毫米级以上的组织，又称构造。该结构主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式，各组成材料的分布等。三、结构中的孔隙与材料性质的关系 1、孔隙的分类 按大小分：粗大孔、微细孔、毛细孔等。按形状分：球形孔、片状孔、管状孔等。按透水情况：开口孔、封闭孔2、材料内部孔隙的来源与产生3、孔隙对材料性质的影响
