土木工程材料的基本性质课件

1、第第1 1章章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 第1章 土木工程材料的基本性质 1.1 材料的物理性质(physical properties) 1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度材料的密度、表观密度与堆积密度 (1)密度密度(density) 近似密度（视密度）近似密度（视密度）(apparent density) (2)表观密度表观密度(apparent density) (3)堆积密度堆积密度（散粒体）（散粒体）(bulk density)(for particles) 压实密度（压实密度（compacted density） 1密实材料，如金属材料、花岗岩等 材料

2、的内部密实而没有孔隙 V M 密度： 材料的密度（材料的密度（1）密度）密度 材料的密度（材料的密度（2）表观密度）表观密度 2 材料的内部有许多孔隙 孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等 孔 表观密度： VV M V M 0 0 % V V 100 0 孔 孔隙率 % V V 100 0 密实度 3内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等 堆积材料颗粒的内部有许多孔隙 堆积材料颗粒之间存在许多空隙 空孔 堆积密度： VVV M V M 0 0 材料的密度（材料的密度（3）堆积密度）堆积密度 % V V 100 0 空 空隙率 % V V 100 0 0 填充率 第1章 土木工程材

3、料的基本性质 1.1.2 材料的密实度与孔隙率材料的密实度与孔隙率 (1)密实度密实度(density) (2)孔隙率孔隙率(porosity) 第1章 土木工程材料的基本性质 1.1.3 材料的填充率与空隙率材料的填充率与空隙率（散粒体）（散粒体） (1)填充率填充率(filling ratio) (2)空隙率空隙率(voids ratio, void content, void volume) 表表1.1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度常用材料的密度、表观密度、堆积密度 第1章 土木工程材料的基本性质 1.1.4 材料与水有关的性质 (1) 材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性 亲

4、水性（亲水性（被水润湿被水润湿 90）(hydrophilic nature) 憎水性憎水性（润湿角（润湿角90）(hydrophobic nature) (2) 材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性 吸水性吸水性(water absorptivity) 吸水率吸水率(water absorption) 吸湿性吸湿性(hydroscopic nature) 含含水率水率(moisture content) (3) 材料的耐水性材料的耐水性(抗水性抗水性)(water resistance) 软化系数软化系数(softening coefficient) 第1章 土木工程材料的基本性质 1.

5、1.5 材料的抗冻性与抗渗性材料的抗冻性与抗渗性 (1)抗冻性抗冻性(frost resistance) 水结冰时体积约增大水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而使，从而对孔隙产生压力而使 孔壁开裂。孔壁开裂。 冻融循环冻融循环(freezing and thawing circle) 抗冻等级抗冻等级(grade) D15(Dong)F15(Freeze) (2)抗渗性抗渗性(impermeability) 渗透系数渗透系数(coefficient of permeability) 抗渗等级抗渗等级 S(Shen) P(Permeate) 材料的抗冻性材料的抗冻性 oC -20 -10

6、0 10 20 30 40 50 60 1. 材料的内部一般都充满着孔隙，2. 如果浸入水中，孔隙中便会吸水 3. 气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀4. 气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化 5. 经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使 材料的强度逐渐损失，质量变小。 6. 材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级 由于结冰产生的膨胀会 导致材料的表面部分破 裂，内部产生裂纹。 第1章 土木工程材料的基本性质 1.2 材料的基本力学性质材料的基本力学性质 1.2.1 材料的强度材料的强度(strength) (1)材料的抗压、抗拉及抗剪强

7、度材料的抗压、抗拉及抗剪强度 (2)材料的抗弯强度材料的抗弯强度 表表1.3 常用材料的强度常用材料的强度/MPa 1.2.2 材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性 1.2.3 材料的脆性与韧性材料的脆性与韧性 第1章 土木工程材料的基本性质 1.3 材料的热工、声学性质及材料的耐久性材料的热工、声学性质及材料的耐久性 1.3.1 材料的热工性质材料的热工性质 (1)材料的导热性（材料的导热性（thermal conductivity) 导热系数导热系数 影响材料导热系数的主要因素影响材料导热系数的主要因素 材料的表观密度材料的表观密度 孔隙大小与构造孔隙大小与构造 湿度湿度 温度温度 热流方向热

8、流方向 (2)材料的热容量材料的热容量(heat capacity) 比热容比热容 第1章 土木工程材料的基本性质 (3)耐燃性（防失火）（防失火）(flame resistance) 建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不 破坏，强度不严重下降的性能。破坏，强度不严重下降的性能。 材料根据耐燃性可分为三大类：材料根据耐燃性可分为三大类： 1)不燃烧类，如石材、混凝土、砖、不燃烧类，如石材、混凝土、砖、 石棉等；石棉等； 2)难燃烧类，如沥青混凝土、经防难燃烧类，如沥青混凝土、经防 火处理的木材等；火处理的木材等； 3)燃烧类，如木材、沥青等。燃烧类，

9、如木材、沥青等。 第1章 土木工程材料的基本性质 (4)耐火性（耐高温）（耐热性）（耐高温）（耐热性）(fire resistance) 材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。 按耐火性高低可将材料分为以下按耐火性高低可将材料分为以下3类：类： 1)耐火材料，耐火度耐火材料，耐火度15800C，如耐火砖，如耐火砖 中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等； 2)难熔材料，耐火度难熔材料，耐火度13500C15800C，如，如 难熔粘土砖、耐火混凝土等；难熔粘土砖、耐火混凝土等； 3)易熔材料，耐火度易熔材料，耐火度13

10、500C，如普通粘，如普通粘 土砖。土砖。 第1章 土木工程材料的基本性质 1.3.2 材料的声学性质材料的声学性质 (1)吸声性吸声性(sound absorption) 吸声系数吸声系数(sound-absorption coefficient) (2)隔声性隔声性(sound insulation) 隔声与吸声不同隔声与吸声不同 隔声量（隔声量（R） 第1章 土木工程材料的基本性质 1.3.3 材料的耐久性材料的耐久性(durability) 作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下 几个方面：几个方面： (1)物理作用物理作用,如干湿、冷热、

11、冻融变化等；如干湿、冷热、冻融变化等； (2)化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。 (3)生物作用，如虫蛀、腐朽。生物作用，如虫蛀、腐朽。 第1章 土木工程材料的基本性质 1.4 材料的组成、结构与构造及其对材料材料的组成、结构与构造及其对材料 性质的影响性质的影响 1.4.1 材料的组成材料的组成 (1)化学组成化学组成(chemical composition) (2)矿物组成矿物组成(mineral composition) (3)相组成相组成(phases) 第1章 土木工程材料的基本性质 1.4.2 材料的结构和构造材料的结构和构造(structu

12、re & constitution) (1)宏观结构宏观结构(10-3mm的尺度的尺度, macro-structure) 按孔隙特征可分为：按孔隙特征可分为： 1)致密结构致密结构 2)多孔结构多孔结构 3)微孔结构微孔结构 按存在状态或构造特征分为：按存在状态或构造特征分为： 1)堆聚结构堆聚结构 2)纤维结构纤维结构- 3)层状结构层状结构 4)散粒结构散粒结构 (2)细观结构细观结构(亚微观结构亚微观结构)(10-3 10-6mm 尺度尺度,submicro-) 金属材料的金相组织金属材料的金相组织 木材的木纤维木材的木纤维 混凝土内的微裂缝等混凝土内的微裂缝等 第1章 土木工程材料的

13、基本性质 (3)微观结构微观结构(10-6 10-10mm原子、分子尺度原子、分子尺度, micro- structure) 1)晶体晶体(crystal) 原子晶体原子晶体(atomic crystal) 离子晶体离子晶体(ionic crystal) 分子晶体分子晶体(molecular crystal) 金属晶体金属晶体(metal crystal) 2)玻璃体玻璃体(glass) 3)胶体胶体(gel) 第1章 土木工程材料的基本性质 习题：习题： (1)某石灰岩的密度为某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率，孔隙率1.2%。今将石。今将石 灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为灰岩破碎

14、成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。求此。求此 碎石的表观密度和空隙率。碎石的表观密度和空隙率。 (2)一块烧结普通砖的外型尺寸为一块烧结普通砖的外型尺寸为240 115 53，吸水饱，吸水饱 和后重为和后重为2940g，烘干至恒重为，烘干至恒重为2580g。今将该砖磨细并。今将该砖磨细并 烘干后取烘干后取50g ,用李氏瓶测得其体积为用李氏瓶测得其体积为18.58cm3。试求该。试求该 砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙 率及闭口孔隙率。率及闭口孔隙率。 (3)某材料的体积吸水率为某材料的体积吸水率为10%，密度为，密度为

15、3,0g/cm3，绝干，绝干 时的表观密度为时的表观密度为1500kg/m3。试求该材料的。试求该材料的质量吸水率、质量吸水率、 开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？ 第1章 土木工程材料的基本性质 思考题思考题 (1)当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密 度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不 变变? (2)材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别? (

16、3)材料的孔隙率和空隙率的含义如何材料的孔隙率和空隙率的含义如何?如何测定如何测定?了解它们了解它们 有何意义有何意义? (4)亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?举例说明怎样举例说明怎样 改变材料的亲水性与憎水性改变材料的亲水性与憎水性? (5)普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为 183kN，干燥状态的破坏荷载为，干燥状态的破坏荷载为207kN(受压面积为受压面积为 115mml20mm)，问此砖是否宜用于建筑物中常与水接，问此砖是否宜用于建筑物中常与水接 触的部位触的部位? 第1章 土木工程材料的基

17、本性质 (6)塑性材料和脆性材料在外力作用下，其变形塑性材料和脆性材料在外力作用下，其变形 性能有何区别性能有何区别? (7)材料的耐久性应包括哪些内容材料的耐久性应包括哪些内容? (8)建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各 应具备哪些性质应具备哪些性质? 附 录 材料的密度 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，gcm3； m 材料在干燥状态的质量，g； V 材料的绝对密实体积，cm3。 1 . 1 V m 材料的表观密度 材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算： 式中：式

18、中：0表观密度，表观密度，kgm3； m 材料的质量，材料的质量，kg； V0材料在自然状态下的外形体积，材料在自然状态下的外形体积，m3。 2 . 1 0 0 V m 材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥等，在堆积状态下，材料为散粒或粉状，如砂、石子、水泥等，在堆积状态下， 单位体积的质量。按下式计算：单位体积的质量。按下式计算： 式中：式中： 材料的堆积密度，材料的堆积密度，kgm3； m 材料的质量，材料的质量，kg； 材料的自然材料的自然(松散松散)堆积体积堆积体积(包括材料颗粒体包括材料颗粒体 积和颗粒之间空隙的体积积和颗粒之间空隙的体积)，m3。 材料的堆积密度 3 . 1 0 0

19、V m 0 0 V 材料的密实度 材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算： 4 . 1%100%100 0 0 D V V D或 材料的孔隙率 材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算： 即：即：DP=1或密实度孔隙率或密实度孔隙率=1。 5 . 1%100)1 (1 0 00 0 V V V VV P 材料的填充率 散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计 算：算： 6 . 1%100%100 0 0 0 0 D V V D或 材料的空隙率 散粒材料堆

20、积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。 用下式计算：用下式计算： 即：即：DP=1或填充率空隙率或填充率空隙率=1。 7 . 1%100)1 (1 0 0 0 0 0 0 0 V V V VV P 材料的吸水率 材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水 率表示，即率表示，即 式中：式中：Wm材料质量吸水率，材料质量吸水率，%； m材料干燥状态下质量，材料干燥状态下质量，g； m1材料吸水饱和状态下质量，材料吸水饱和状态下质量，g。 8 . 1%100 1 m mm Wm 材料的含水率

21、 材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表 示，即示，即 式中：式中：W含 含材料质量吸水率， 材料质量吸水率，%； m含 含材料含水时的质量， 材料含水时的质量，g； m材料干燥状态下的质量，材料干燥状态下的质量，g。 9 . 1%100 m mm W 含 含 材料的软化系数(附动画) 材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系 数表示，即数表示，即 式中：式中：KP材料的软化系数；材料的软化系数； fw材料在吸水饱和状态下的材料在吸水饱和状态下的抗压抗压强度，强度， MPa； f 材料在干

22、燥状态下的材料在干燥状态下的抗压抗压强度，强度，MPa。 10. 1 f f K w P 材料的渗透系数 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，用渗透材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，用渗透 系数表示，即系数表示，即 式中：式中：K渗透系数，渗透系数，cmh； Q透水量，透水量，cm3； d试件厚度，试件厚度，cm； A透水面积，透水面积，cm2； t渗水时间，渗水时间，h； H静水压力水头，静水压力水头，cm。 11. 1 Ath Qd K 材料的抗渗等级 P=10H1 式中：式中：P抗渗等级；抗渗等级； H试件开始渗水时的水压力，试件开始渗水时的水压力，MPa。 S (Shen) P (P

23、ermeate) 材料的抗压、抗拉及抗剪强度 (compressive, tensile and shear strength) 材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算：材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算： 式中：式中：f材料的强度，材料的强度，MPa； Fmax破坏时最大荷载，破坏时最大荷载，N； A受力截面面积，受力截面面积，mm2。 12. 1 max A F f 材料的抗弯强度(bending strength) 1)二分法二分法。将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷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，则抗弯强度按下式计算：载，对矩形截面试件，则抗弯强度按

24、下式计算： 2)三分法三分法。在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载，在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载， 则抗弯强度按下式计算：则抗弯强度按下式计算： 式中：式中：fm抗弯强度，抗弯强度，MPa； Fmax弯曲破坏时最大荷载，弯曲破坏时最大荷载，N； b、h试件横截面的宽及高，试件横截面的宽及高，mm； L两支点间的距离，两支点间的距离，mm。 13. 1 2 3 2 max bh LF f m 14. 1 2 max bh LF f m 材料的弹性与塑性、脆性与韧性 弹性：弹性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，材料在外力作用下产生变形，当取消外力后， 变形能完全消失的性质。变形

25、能完全消失的性质。(elasticity) 塑性：塑性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，材料在外力作用下产生变形，当取消外力后， 仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。 (plasticity) 脆性：脆性：材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料在外力作用下，当外力达到一定限度后， 材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。 (brittleness, fragility) 韧性：韧性：材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大 的能量，同时也能产生一

26、定的变形而不破坏的性质。的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。 (fracture toughness) 材料的导热系数 (coefficient of thermal conduction) 材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示，即材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数表示，即 式中：式中：导热系数，导热系数，W(mK)； Q总传热量，总传热量，J； a材料厚度，材料厚度，m； A热传导面积，热传导面积，m2； t热传导时间，热传导时间，h； T2T1材料两面温度差，材料两面温度差，K。 15. 1 12 TTAt Qa 可将本式与材料的渗透系数定义式比较理解和记忆 材料的比热容(specific heat capacity) 材料受热材料受热(或冷却或冷却)时吸收时吸收(或放出或放出)热量的性质称为材