第一章土木工程材料的基本性质

1、土木工程材料土木工程材料 2014.52014.5课题引入课题引入：通过两座桥梁（如图：通过两座桥梁（如图1-11-1所示）在材料应所示）在材料应用上的比较，导入土木工程材料基本性质，并明确用上的比较，导入土木工程材料基本性质，并明确学生在本章学习中应掌握的主要内容，即材料的物学生在本章学习中应掌握的主要内容，即材料的物理性质、力学性质和耐久性（包含基本概念、指标理性质、力学性质和耐久性（包含基本概念、指标及其应用）。及其应用）。 a a） 赵州桥赵州桥 b b）杭州湾跨海大桥）杭州湾跨海大桥图图1-1 1-1 我国著名桥梁我国著名桥梁 本章主要内容本章主要内容一、物理性质一、物理性质u与质量

2、体积有关的物理性质与质量体积有关的物理性质u与水有关的物理性质与水有关的物理性质u与热有关的物理性质与热有关的物理性质二、力学性质二、力学性质三、耐久性三、耐久性材料的体积组成：材料的体积组成：块状材料：块状材料：堆积材料：堆积材料：块V a a）块状材料）块状材料 b b）堆积材料）堆积材料 图图1-2 1-2 材料的体积组成示意图材料的体积组成示意图1 1实体部分；实体部分；2 2闭口孔隙；闭口孔隙；3 3开口孔隙；开口孔隙；4 4空隙空隙第一节第一节 土木工程材料的物理性质土木工程材料的物理性质块V开闭实块VVVVV0块V块V空开闭实堆VVVVVV0一、基本物理性质一、基本物理性质与质量

3、、体积有关的物理性质与质量、体积有关的物理性质（一）密度（一）密度定义：定义：密度是指单位体积物质的质量；密度是指单位体积物质的质量；单位：单位：可用可用g/cm3g/cm3、kg/Lkg/L或或kg/m3kg/m3来表示；来表示； 密度是材料的基本属性，根据所研究的对象不同密度是材料的基本属性，根据所研究的对象不同将其分为以下四种密度，在实际应用中根据精度要求将其分为以下四种密度，在实际应用中根据精度要求不同采取相应的密度。不同采取相应的密度。1 1真密度真密度定义：定义：真密度是指材料在绝对密实状真密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量态下单位体积的质量 。公式：公式：试验方法：试验方

4、法：李氏密度瓶（如图李氏密度瓶（如图1-31-3所所示）法。示）法。 图图1-3 1-3 李氏密度瓶李氏密度瓶（尺寸单位：（尺寸单位：mlml） 实VVVm2 2视密度视密度定义：定义：视密度是指材料在自然状态下不包含开口孔隙时单位视密度是指材料在自然状态下不包含开口孔隙时单位体积的质量。体积的质量。 公式：公式：试验方法：试验方法：李氏密度瓶法（简易法）和容量瓶法（标准法）。李氏密度瓶法（简易法）和容量瓶法（标准法）。注意：注意：一般对于自身较为密实的颗粒堆积材料如混凝土用的砂、一般对于自身较为密实的颗粒堆积材料如混凝土用的砂、石等，其视密度值与密度值或表观密度值相差甚小，为应用方石等，其视

5、密度值与密度值或表观密度值相差甚小，为应用方便，对这类材料常用便，对这类材料常用视密度代替密度或表观密度。视密度代替密度或表观密度。 闭实VVVVm3 3表观密度表观密度 定义定义：表观密度是指材料在自然状态下单位体积（含材料实：表观密度是指材料在自然状态下单位体积（含材料实体部分和孔隙部分体积）的质量，又称体积密度。体部分和孔隙部分体积）的质量，又称体积密度。 公式：公式：试验方法：试验方法：规则形状（量尺计算法）、不规则形状（蜡封排规则形状（量尺计算法）、不规则形状（蜡封排液法）液法）开闭实VVVVVm0004 4堆积密度堆积密度定义：定义：堆积密度是指颗粒材料或纤维材料在堆积状态堆积密度

6、是指颗粒材料或纤维材料在堆积状态下单位体积的质量。堆积密度又根据散粒材料在堆积时下单位体积的质量。堆积密度又根据散粒材料在堆积时的紧密程度分为的紧密程度分为松散堆积密度松散堆积密度（自然堆积状态）和（自然堆积状态）和紧密紧密堆积密度堆积密度（紧密堆积状态）。（紧密堆积状态）。 公式：公式：试验方法试验方法：额定容器法，即将堆积状态下的散粒材料：额定容器法，即将堆积状态下的散粒材料装满一定容积的容器中，则容器的容积即为散粒材料的装满一定容积的容器中，则容器的容积即为散粒材料的堆积体积。堆积体积。空开闭实VVVVVVm000注意：注意：在土木工程中，材料的密实密度、表观密度、在土木工程中，材料的密

7、实密度、表观密度、体积密度和堆积密度是材料的基本物理性质，通常体积密度和堆积密度是材料的基本物理性质，通常可用于计算材料的孔隙率或空隙率以及质量与体积可用于计算材料的孔隙率或空隙率以及质量与体积之间的换算。之间的换算。（二）密实度与孔隙率（二）密实度与孔隙率1 1密实度密实度D D 定义：定义：密实度是指材料固体物质充实的程度，即材料实体体积密实度是指材料固体物质充实的程度，即材料实体体积V V占材料自然体积占材料自然体积V0V0的百分率。的百分率。 公式：公式：2 2孔隙率孔隙率P P 定义：定义：孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百

8、分率。 公式：公式：注意：注意：材料的密实度和孔隙率一般是针对块状材料进行研究的，材料的密实度和孔隙率一般是针对块状材料进行研究的，是从不同角度反映材料的同一个性质即密实程度，即：是从不同角度反映材料的同一个性质即密实程度，即： %100%10000VVDDVVVP1%1001%1000001 PD（三）填充率和空隙率（三）填充率和空隙率1 1填充率填充率定义：定义：填充率是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，被填充率是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，被颗粒或纤维所填充的程度。颗粒或纤维所填充的程度。公式：公式：2 2空隙率空隙率 定义：定义：空隙率是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，颗空隙率

9、是指颗粒材料或纤维材料的堆积体积中，颗粒或纤维间的空隙体积所占的百分率。粒或纤维间的空隙体积所占的百分率。公式：公式：%100%10000VVDDVVVP1%1001%100000图图1-41-4开口孔隙转变为空隙开口孔隙转变为空隙注意：注意：材料的填充率和空隙率是针对堆积材料进行研究的，材料的填充率和空隙率是针对堆积材料进行研究的，是从不同角度反映了堆积材料的紧密程度，是从不同角度反映了堆积材料的紧密程度，即：即： 。空隙率常作为控制混凝土集料级配。空隙率常作为控制混凝土集料级配和计算砂率的依据，在计算时要注意单块材料的开口孔和计算砂率的依据，在计算时要注意单块材料的开口孔隙在堆积材料中已转

10、变为空隙（见图隙在堆积材料中已转变为空隙（见图1-41-4）1PD二、材料与水有关的物理性质二、材料与水有关的物理性质（一）亲水性与憎水性（一）亲水性与憎水性1.1.亲水性：亲水性：材料对水的吸附力材料对水的吸附力水分子之间的内聚力，即润湿水分子之间的内聚力，即润湿角角90900 0（见图（见图1-5a)1-5a)。2.2.憎水性：憎水性：材料对水的吸附力水分子之间的内聚力，即润湿材料对水的吸附力水分子之间的内聚力，即润湿角角 90 900 0（见图（见图1-5b)1-5b)。a a）亲水性）亲水性 b b）憎水性）憎水性图图1-5 1-5 材料的亲水性和憎水性材料的亲水性和憎水性（二）吸水性

11、（二）吸水性定义：定义：材料在水中吸收水分的性能即为材料的吸水性。材料在水中吸收水分的性能即为材料的吸水性。指标：指标：吸水率吸水率 1. 1.质量吸水率：质量吸水率：材料在吸水饱和时，其吸水量占材料在干燥状材料在吸水饱和时，其吸水量占材料在干燥状态下的质量的百分率；即：态下的质量的百分率；即： 2 2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，其吸水体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其吸水的体积占材料自然体积的百分率；即：的体积占材料自然体积的百分率；即：影响因素：影响因素：主要取决于其亲水性、孔隙率和孔隙特征。主要取决于其亲水性、孔隙率和孔隙特征。 xW%100ggbmmmmWw

12、mwgbvWVmmW1%100100（三）吸湿性（三）吸湿性定义：定义：材料的吸湿性是指材料在潮湿环境中吸收水分的性能。材料的吸湿性是指材料在潮湿环境中吸收水分的性能。指标：指标：含水率含水率 计算公式计算公式：影响因素：影响因素：主要取决于材料的孔隙率、孔隙特征和环境温湿度等。主要取决于材料的孔隙率、孔隙特征和环境温湿度等。注意：注意：由于环境的温湿度一般处于变化状态，因此材料的含水率往往由于环境的温湿度一般处于变化状态，因此材料的含水率往往处于变化状态，这一点在混凝土施工中要引起注意。处于变化状态，这一点在混凝土施工中要引起注意。hW%100ggshmmmW（四）耐水性（四）耐水性定义：定

13、义：材料的耐水性是指材料长期在饱和水作用下保持其性材料的耐水性是指材料长期在饱和水作用下保持其性质不易改变的性质。质不易改变的性质。指标：指标：软化系数软化系数计算公式：计算公式：应用：应用： 工程中通常把工程中通常把0.850.85的材料称为耐水材料，可用于长期处的材料称为耐水材料，可用于长期处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部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部位的工程部位时，材料的软化系数不得小于位的工程部位时，材料的软化系数不得小于0.750.75。rKgbrffK （五）抗冻性（五）抗冻性 定义：定义：抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻

14、融抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏（一般指质量损失较小，强度不显著降低）的性循环而不破坏（一般指质量损失较小，强度不显著降低）的性能。能。 指标：指标：抗冻等级抗冻等级Fn Fn ；即指材料在吸水饱和后其质量损失不超；即指材料在吸水饱和后其质量损失不超过过5%5%、强度损失不超过、强度损失不超过25%25%时所能经受的最大冻融循环次数为时所能经受的最大冻融循环次数为n n次，可分为次，可分为F10F10、F15F15、F25F25、F50F50、F100F100、F200F200等。等。影响因素：影响因素：主要取决于其强度、孔隙率和孔隙特征等。主要取决于其强度、孔隙率

15、和孔隙特征等。（六）抗渗性（六）抗渗性 定义：定义：材料抵抗压力液体渗透材料本体的性能材料抵抗压力液体渗透材料本体的性能 。指标：指标：抗渗等级抗渗等级PnPn；即用标准方法进行透水试验时，材料标；即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为准试件在透水前所能承受的最大水压力为0.10.1n n MPa MPa；可分为；可分为P4P4、P6P6、P8P8、P10P10、P12P12等。等。影响因素：影响因素：主要取决于其亲水性、强度、孔隙率和孔隙特征主要取决于其亲水性、强度、孔隙率和孔隙特征等。等。 三、与热有关的物理性质三、与热有关的物理性质（一）导热性（一）导热性

16、定义：定义：导热性是指材料传递热量的性能。导热性是指材料传递热量的性能。指标：指标：导热系数导热系数（常用材料的（常用材料的见表见表1-11-1）计算公式：计算公式：应用：应用：导热系数越小的材料，其导热性越差，保温性能就越导热系数越小的材料，其导热性越差，保温性能就越好。一般认为，导热系数好。一般认为，导热系数0.23W/0.23W/（m mK K）的材料，可作为保）的材料，可作为保温隔热材料，这种材料一般是多孔轻质的，为发挥其保温隔热温隔热材料，这种材料一般是多孔轻质的，为发挥其保温隔热的效能，应在干燥环境中使用。的效能，应在干燥环境中使用。 dTTAtQ)(12表表1-1 1-1 几种常

17、见材料的热工性质指标几种常见材料的热工性质指标材材 料料导热系数导热系数W/W/（m mK K）比热容比热容J/J/（g gK K）材材 料料导热系数导热系数W/W/（m mK K）比热容比热容J/J/（g gK K）铜铜3703700.380.38绝热用纤绝热用纤维板维板0.050.051.461.46钢钢55550.460.46玻璃棉板玻璃棉板0.040.040.880.88花岗石花岗石2.92.90.800.80泡沫塑料泡沫塑料0.030.031.301.30普通混凝土普通混凝土1.81.80.880.88冰冰2.202.202.052.05普通黏土砖普通黏土砖0.550.550.840

18、.84水水0.600.604.194.19松木（横纹松木（横纹）0.150.151.631.63密闭空气密闭空气0.0250.0251.001.00导热性导热性热容量热容量（二）热容量（二）热容量定义：定义：材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，即材材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，即材料能容纳热量的性质。料能容纳热量的性质。指标：指标：比热容比热容C C（见表（见表1-11-1） ；1g1g材料温度升高或降低材料温度升高或降低1K1K时时所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。 计算公式：计算公式：应用：应用：材料的比热容越大其保温性能越好，因此用于建筑外材料的比热容越大其保温性

19、能越好，因此用于建筑外围的材料宜采用导热系数小或比热容大的材料以防止由于室内围的材料宜采用导热系数小或比热容大的材料以防止由于室内外温差较大时导致室内温度发生较大变化，对于采暖或供冷的外温差较大时导致室内温度发生较大变化，对于采暖或供冷的建筑，可起到节约能源的效果。建筑，可起到节约能源的效果。 )(12TTmQC)(12TTmQC（三）热膨胀（三）热膨胀定义：定义：指一般材料所具有的热胀冷缩的性质。指一般材料所具有的热胀冷缩的性质。指标：指标：线膨胀系数线膨胀系数；即固体物质的温度每改变；即固体物质的温度每改变11时，其长时，其长度的变化和它在度的变化和它在00时长度之比。时长度之比。 应用：

20、应用：钢轨轨缝（见下图）、桥梁伸缩缝（见右图）。钢轨轨缝（见下图）、桥梁伸缩缝（见右图）。第二节第二节 土木工程材料的力学性质土木工程材料的力学性质一、材料的强度一、材料的强度定义：定义：材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，它是材料在临界破坏状态下所能承受的最大应力；即：它是材料在临界破坏状态下所能承受的最大应力；即：分类：分类：根据外力作用力方式不同，材料的强度有抗压强度、根据外力作用力方式不同，材料的强度有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和抗折（弯）强度等抗剪强度、抗拉强度和抗折（弯）强度等 。其计算图示和公式。其计算图示和公式见表见表1

21、-21-2。应用：应用：凡是用于承重的各种材料，都规定了有关强度的测定凡是用于承重的各种材料，都规定了有关强度的测定方法和计算方法，都以其主要强度的大小划分为若干个强度等方法和计算方法，都以其主要强度的大小划分为若干个强度等级，以供结构设计和施工时合理选用。级，以供结构设计和施工时合理选用。maxmaxAFfmaxmaxAFf表表1-2 1-2 材料的强度及其计算公式材料的强度及其计算公式材料强度材料强度图示图示计算公式计算公式抗压强度抗抗压强度抗抗拉强度抗拉强度抗剪强度抗剪强度折（弯）强度折（弯）强度AFfcmaxAFftmaxAFfvmax2max23bhLFff二、弹性与塑性二、弹性与塑

22、性1.1.弹性：弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，变形随材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，变形随即消失，材料恢复到原来形状的性质为弹性，这种能恢复的变即消失，材料恢复到原来形状的性质为弹性，这种能恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）。形称为弹性变形（瞬时变形）。2.2.塑性：塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，仍保持材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，仍保持已发生的变形，即材料不能恢复到原来形状的性质为塑性，这已发生的变形，即材料不能恢复到原来形状的性质为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。 三、脆性与韧性三、脆性与韧性1.1.脆性：脆性：材料在外力作用下破坏前没有明显的变形，即突然断材料在外力作用下破坏前没有明显的变形，即突然断裂的性质称为脆性；如混凝土。裂的性质称为脆性；如混凝土。2.2.韧性：韧性：材料在冲击荷载作用下，发生较大变形而不破坏的性材料在冲击荷