第2章土木工程材料基本性质--(专)

1、土木工程材料 Civil Engineering MaterialsCivil Engineering Materials 主讲主讲：孙晓敏孙晓敏 本章学习指导本章学习指导 基础知识基础知识 mV1固体；2闭口孔隙；3开口孔隙00mV测量几何外形或吸水饱和材料（或材料封蜡）的排水体积。V VK KV VB BV V刮平，容量桶的容刮平，容量桶的容积即为材料堆积体积即为材料堆积体积积00mV密度名称体积状况体积测量密度计算绝对密度绝对密度材料实体体积V李氏密度瓶法李氏密度瓶法：磨成细粉消除内部孔隙，干粉排水体积=m/V表观密度表观密度宏观外形体积（实体+闭口+开口）V0计算法或封蜡排液法计算法或

2、封蜡排液法：测量几何外形或材料涂蜡的排水体积0=m/V0堆积密度堆积密度材料堆积体积（实体+开口+闭口+间隙）V0密度筒法密度筒法：全干材料填充满容器，该容器纯容水体积0=m/V0：1. 1.孔隙率与密实度孔隙率与密实度单块材料单块材料 000100%100%(1) 100%VVPV孔隙体积总体积00100%100%100%VDV实体体积总体积2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率1DP其中：其中：V V材料在绝对密实状态下的体积（材料在绝对密实状态下的体积（cm3cm3）; ; 材料的绝对密度（材料的绝对密度（g/cm3g/cm3）; ; V V0 0干干燥材料在自

3、然状态下的体积（燥材料在自然状态下的体积（cm3cm3）; ; 0 0材料表观密度（材料表观密度（g/cm3g/cm3）。）。 （1 1）是否连通：连通孔、封闭孔）是否连通：连通孔、封闭孔（2 2）孔隙尺寸：大孔、细孔、微孔）孔隙尺寸：大孔、细孔、微孔2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率2. 2.填充率与空隙率填充率与空隙率散粒状材料散粒状材料 00000100%100%(1) 100%VVPV空隙体积堆积体积0000100%100%100%VDV颗粒体积堆积体积2.1.2 2.1.2 材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率 颗粒颗粒空空隙隙其中：其中：V V0

4、0材料在堆积状态下的体积（材料在堆积状态下的体积（cm3cm3）; ; 0 0材料的堆积密度（材料的堆积密度（g/cmg/cm3 3）; ;V V0 0干干燥材料在自然状态下的体积（燥材料在自然状态下的体积（cm3cm3）; ; 0 0材料表观密度（材料表观密度（g/cm3g/cm3）。）。 孔隙率与空隙率的区别孔隙率与空隙率的区别00(1) 100%P0(1) 100%P%100%100%10011VVD堆积体积颗粒体积某工地碎石密度某工地碎石密度2.65g/cm2.65g/cm3 3，堆积密度，堆积密度1.68kg/L1.68kg/L，表观密度，表观密度2.61g/cm2.61g/cm3

5、3，求该碎石的孔隙率和空隙率。，求该碎石的孔隙率和空隙率。001.68(1) 100%(1) 100%35.63%2.61P02.61(1) 100%(1) 100%1.51%2.65P031820(1) 100%0.3(1) 100%2600/Pkg m2 2、某材料的表观密度为、某材料的表观密度为1820kg/m3,1820kg/m3,孔隙率为孔隙率为3030，试求该材，试求该材料的密度料的密度 。 。 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 2.1.3材料与水有关的性质材料与水有关的性质材料性质材料性质材料表面材料表面原因原因亲水性亲水性可浸润憎水性憎水性不可浸润

6、2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 mv 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 100%mmmWm干湿干0m00w1100%=vwmmVWWVV干湿wm湿材料在吸水饱和状态下的质量（材料在吸水饱和状态下的质量（g g）; ;m干材料在干燥状态下的质量（材料在干燥状态下的质量（g g）; ;Vw水的体积（水的体积（cm3cm3）; ; 0 0表观密度（表观密度（g/cm3g/cm3）。）。V0干燥材料在自然状态下的体积（干燥材料在自然状态下的体积（cmcm3 3）; ; w w水的密度（水的密度（g/cm3g/cm3）。）。 2.1.3 2.1.

7、3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 钢铁、玻璃钢铁、玻璃0花花岗岗岩岩w含水后，材料强度降低，含水后，材料强度降低，保温性能下降，抗冻性保温性能下降，抗冻性能变差。能变差。 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 100%mmWm干含含干m含含材料湿质量，材料湿质量，gm干干材料干质量，材料干质量，g 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 1.1.3 1.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 fKf饱软干f饱饱材料饱水状态抗压强度，材料饱水状态抗压强度，MPaf干干材料干燥状态抗压强度，材料干燥状态抗压强度，MPa 软化系数表明材料浸

8、水后强度保持的程度。软化系数表明材料浸水后强度保持的程度。 K K软越大，表明软越大，表明浸水后强度浸水后强度保持的程度越高保持的程度越高，耐水性越好。，耐水性越好。随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。下降。K K软软=0=01 1， K K软软0.850.85，称为耐水材料，称为耐水材料，用于水工、海工等。在设计长期处于水，用于水工、海工等。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，需选用中或潮湿环境中的重要结构时，需选用K K软软0.850.85的材料，对于受潮较轻或次要的材料，对于受潮较轻或次要结构物材料，结构物材料，K K软值不小于软

9、值不小于0.750.75。 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 答案：答案：DE 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 1650.930.85178bRgfKf 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 SSHQdQKAtKdAtH渗透系数，渗透系数，cm/hcm/h； 透水量，透水量，cmcm3 3；dd试件厚度，试件厚度，cmcm; AA渗水面积，渗水面积，cmcm2 2; tt渗水时间，渗水时间，h h; HH水头高度（水压），水头高度（水压），cmcm;

10、2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 对于地下建筑及水工构筑物，经常受到水的作用，所以要求有对于地下建筑及水工构筑物，经常受到水的作用，所以要求有较好的抗渗性；对于防水材料，则要求更高的抗渗性。较好的抗渗性；对于防水材料，则要求更高的抗渗性。材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不显著降低的性质。同时强度也不显著降低的性质。 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 材料在吸水后，如果在负温下受冻，水在毛细材料在吸水后，如果在负温下受冻，水在毛细孔内结冰，膨胀孔内结冰，膨胀9 9

11、；产生的冻胀压力造成材料；产生的冻胀压力造成材料的内应力，随着冻融循环的反复，造成材料出的内应力，随着冻融循环的反复，造成材料出现裂纹、剥落等现象，导致冻融破坏现裂纹、剥落等现象，导致冻融破坏 冻融风化冻融风化冰劈作用冰劈作用道路翻浆道路翻浆冻融破坏的水库坝面冻融破坏的水库坝面 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 2.1.3 2.1.3 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 u表示方法：表示方法：抗冻等级抗冻等级指能经受冻融循环的最大次数，次数愈多，等级越高。记为F50、F100、F200、F300 如F25表示材料能抵抗冻融循环25次。抗冻性是评价材料耐久性的一项重

12、要指标。在设计寒冷地区或冷地区或寒冷环境（冷库）建筑物时，必须考虑防冻性。寒冷环境（冷库）建筑物时，必须考虑防冻性。u影响因素影响因素材料的强度材料的强度强度越高则其抗冻性越好。强度越高则其抗冻性越好。材料的密实度材料的密实度( (孔隙率孔隙率) )孔隙率越小则其抗冻性越好。孔隙率越小则其抗冻性越好。 材料的孔隙特征材料的孔隙特征开口孔隙越多则其抗冻性越差。开口孔隙越多则其抗冻性越差。材料的吸水量大小材料的吸水量大小吸水量越大则其抗冻性越差。吸水量越大则其抗冻性越差。材料的耐水性材料的耐水性耐水性越好则其抗冻性也越好耐水性越好则其抗冻性也越好。 建筑节能建筑节能保温材料保温材料热工性质热工性质

13、导热性导热性热容量热容量当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料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，称为材料的导热性。传导至另一面的性质，称为材料的导热性。 ， 式中：式中： 导热系数，（导热系数，（）；）； 传导的热量，传导的热量， 材料厚度，；材料厚度，； A 热传导面积，热传导面积， m2； t 热传导时间，热传导时间，h （T1-T2）材料两面温度差，材料两面温度差，K 12()At TTQd12()QdAt TT越小越小, ,绝热性能越好绝热性能越好； 2 .热阻u定义：热量通过材料层时所受到的阻力。定义：热量通过材料层时所受到的阻力。R=/-材料

14、层的厚度材料层的厚度m；导热系数导热系数u 意义： R R 与与是评价材料绝热性能的主要指标。反映材料保温隔热能是评价材料绝热性能的主要指标。反映材料保温隔热能力。力。 对于多层平壁的总热阻对于多层平壁的总热阻= = 单层材料热阻；单层材料热阻； 在相同温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量越少。在相同温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量越少。 21cQm TT（） 建筑物围护结构采用比热容大的建筑物围护结构采用比热容大的材料，气温变化较大时，能较好材料，气温变化较大时，能较好的保持室内温度。的保持室内温度。4.4.耐热性耐热性: :材料在热环境中抵抗热破坏的能力。材料在热环境中抵抗热破坏的

15、能力。 常用材料的最高使用温度来表征常用材料的最高使用温度来表征。 5.5.耐火性耐火性:材料在长期高温作用下，保持其结构不被破坏、性能不明显下降的性质，用耐火度表示。 耐火材料：耐火度耐火材料：耐火度15801580 难熔材料：耐火度在难熔材料：耐火度在1350158013501580 易熔材料：耐火度易熔材料：耐火度135013506. .温度变形性温度变形性：材料在温度升高或降低时其体积的变化。材料在温度升高或降低时其体积的变化。变化表现在单向尺寸时，用线膨胀系数表示变化表现在单向尺寸时，用线膨胀系数表示。21()LL TT线膨胀系数，线膨胀系数，1 1K K；L L 材料的线膨胀或收缩

16、量，材料的线膨胀或收缩量，mmmm；L L 材料原来的长度，材料原来的长度，mmmmT2-T1 T2-T1 材料升温或降温前后的温度差，材料升温或降温前后的温度差，K K。线膨胀系数越大，材料的温度变形性越大。与材料的组成和结线膨胀系数越大，材料的温度变形性越大。与材料的组成和结构有关。在大面积或大体积混凝土结构中，常设置伸缩缝防止构有关。在大面积或大体积混凝土结构中，常设置伸缩缝防止材料温度变形引起裂缝。材料温度变形引起裂缝。材料对火焰和高温的抵抗能力。材料对火焰和高温的抵抗能力。 观观察与讨论与讨论讨论讨论AB讨论讨论加气混凝土砌块吸水分析加气混凝土砌块吸水分析 现象现象原因分析原因分析工

17、程实实例分析原因分析原因分析基础知识基础知识 FfA 223bhFLf 2bhFLf u在高层建筑及大跨度结构工程中，要求材料不仅要有较高的在高层建筑及大跨度结构工程中，要求材料不仅要有较高的强度，而且要减轻自重，有较高的比强度。强度，而且要减轻自重，有较高的比强度。现象现象原因分析原因分析 工程实实例分析原因分析原因分析 E弹性弹性塑性塑性弹塑性弹塑性oaA荷载荷载变形变形BboA荷载荷载变形变形oba荷载荷载变形变形观察与讨论观察与讨论讨论讨论讨论讨论 材料内部存在不稳定的化学组分；材料内部存在不稳定的化学组分；材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。物

18、理作用：温度、湿度、冻融、机械力物理作用：温度、湿度、冻融、机械力化学作用：酸、碱、盐溶液或气体、阳光化学作用：酸、碱、盐溶液或气体、阳光生物作用：细菌、昆虫、白蚁生物作用：细菌、昆虫、白蚁长期性，后期加剧；长期性，后期加剧；多种介质同时作用；多种介质同时作用；材料劣化材料劣化结构失效结构失效服务寿命降低。服务寿命降低。设法减轻介质对材料的破坏作用；设法减轻介质对材料的破坏作用；提高材料本身对外界的抵抗能力，如提高密实度；提高材料本身对外界的抵抗能力，如提高密实度；或适当改变成分，进行防水和憎水处理；或适当改变成分，进行防水和憎水处理；在材料表面设置保护层。在材料表面设置保护层。基础知识基础知

19、识 v定义：定义：化学组成是指构成材料的化学元素及化合化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。物的种类及数量。v表示方法：表示方法：q-金属材料以各化学元素含量表示金属材料以各化学元素含量表示 q-无机非金属材料以各氧化物含量表示无机非金属材料以各氧化物含量表示 q-有机材料以络化合物的含量表示有机材料以络化合物的含量表示v意义意义:化学组成是决定材料化学性质、物理性质、化学组成是决定材料化学性质、物理性质、力学性质的主要因素之一力学性质的主要因素之一 化化学学组组成成 v定义：定义：q矿物矿物是无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特是无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定物理力

20、学性能的组织结构。定物理力学性能的组织结构。q矿物组成矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。是指构成材料的矿物的种类和数量。 v意义意义:也是决定无机非金属材料化学性质、物理性也是决定无机非金属材料化学性质、物理性 质、力学性质和耐久性的重要因素之一。质、力学性质和耐久性的重要因素之一。v举例举例: 如硅酸盐水泥的主要矿物组成为铝酸钙、硅酸钙、如硅酸盐水泥的主要矿物组成为铝酸钙、硅酸钙、 铁铝酸钙，决定了水泥容易水化为碱性凝胶体，且具铁铝酸钙，决定了水泥容易水化为碱性凝胶体，且具 有凝结功能。有凝结功能。矿矿物物组组成成 v定义：定义：材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为材料中结构相近、性

21、质相同的均匀部分称为相。相。v例如，自然界中的物质可以分为气、固、液三大相。例如，自然界中的物质可以分为气、固、液三大相。v同一种材料可以由多相的相组成。同一种材料可以由多相的相组成。v两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。p 混凝土可认为由集料颗粒（集料相）分散在水泥混凝土可认为由集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基相）中组成的两相复合材料；浆体（基相）中组成的两相复合材料；p 钢筋混凝土又可认为是钢筋和混凝土两相的复合钢筋混凝土又可认为是钢筋和混凝土两相的复合材料。材料。p 配比及构造形式不同，材料性质变化可能很大。配比及构造形式不同，材料

22、性质变化可能很大。相相组组成成 是指用是指用肉眼或放大镜肉眼或放大镜就能够观察到的粗大组织。就能够观察到的粗大组织。 尺寸在尺寸在10-3m以上，孔隙特征以上，孔隙特征多为致密结构、多孔结构。多为致密结构、多孔结构。致密结构致密结构多孔结构多孔结构材料内部基本无孔隙，结构密实；吸水率低、抗渗性好、材料内部基本无孔隙，结构密实；吸水率低、抗渗性好、抗冻性好、强度较高。如抗冻性好、强度较高。如钢材、天然石材、玻璃、沥青钢材、天然石材、玻璃、沥青。材料内部基本具有大致呈均匀分布的、独立的或部分相通的孔隙。质轻、材料内部基本具有大致呈均匀分布的、独立的或部分相通的孔隙。质轻、吸水率高，抗渗性和抗冻性差

23、，但保温、隔热、吸声性好。吸水率高，抗渗性和抗冻性差，但保温、隔热、吸声性好。如加气混凝土、如加气混凝土、石膏制品、泡沫塑料、多孔砖石膏制品、泡沫塑料、多孔砖。纤维结纤维结构构层状结层状结构构散粒结散粒结构构聚集结聚集结构构由天然或人工同纤维物质构成的结构；纤维之间孔隙较多；平行由天然或人工同纤维物质构成的结构；纤维之间孔隙较多；平行纤维方向的强度较高，有较好的保温隔热和吸声性能。如木材、纤维方向的强度较高，有较好的保温隔热和吸声性能。如木材、竹、矿棉、钢纤维、玻璃纤维。竹、矿棉、钢纤维、玻璃纤维。由天然或人工黏结等方法将材料叠合成层状的结构。显著的提由天然或人工黏结等方法将材料叠合成层状的结构。显著的提高了材料的强度、硬度、绝热或装饰等性能，扩大适用范围。高了材料的强度、硬度、绝热或装饰等性能，扩大适用范围。如纸面石膏板、胶合板、蜂窝板、泡沫压型钢板复合墙等如纸面石膏板