第二章材料的基本性质

1、第二章第二章 材料的基本性质材料的基本性质一、材料与质量有关的性质一、材料与质量有关的性质p材料的体积构成材料的体积构成 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不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。同的物理状态，因而表现出不同的体积。封闭孔隙（体积为Vb）开口孔隙（体积为Vk）固体物质（体积为V）材料在自然状态下总体积：V0V+Vp 孔隙体积：VpVb+VkVp孔隙体积（一）材料的密度（一）材料的密度 1. 1.实际密度实际密度 指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：按下式计算：Vm 式中：式中：实际密度

2、，实际密度，g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； m m材料的质量，材料的质量，g g 或或 kg kg； V V材料的绝对密实体积，材料的绝对密实体积，cmcm3 3 或或 mm3 3。2.2.表观密度表观密度 材料单位表观体积的质量。按下式计算：材料单位表观体积的质量。按下式计算：式中：式中： 0体积密度，体积密度， g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； m m 材料的质量，材料的质量，g g 或或 kgkg； 0 材料的自然体积，材料的自然体积，cmcm3 3 或或 mm3 3。00Vm 3. 3. 堆积密度堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积

3、状态下单堆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：位体积的质量。按下式计算： 式中：式中：0 0材料的堆积密度材料的堆积密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； mm 材料的质量，材料的质量，g g 或或 kg kg； V 0 材料的堆积体积，材料的堆积体积，cmcm3 3 或或 mm3 3。00Vm颗粒材料空 隙p 砂堆积体积的测定砂堆积体积的测定将容量筒内材料将容量筒内材料刮平，容量筒的刮平，容量筒的容积即为材料堆容积即为材料堆积体积积体积（二）（二） 材料的密实度材料的密实度 密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度密实度是指材料

4、体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：的计算式如下： 式中：式中： 密度；密度； 0 0材料的表观密度。材料的表观密度。 对于绝对密实材料，对于绝对密实材料， 因因 0 0 = = ，故密实度，故密实度D =1 D =1 或或100%100%。对于大多数土木工程材料，。对于大多数土木工程材料， 因因 0 0 ，故密，故密实度实度D D 1 1 或或 D D 100%100%。 10010000VVDp 材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体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。孔隙率积的百分率。孔隙率P P按下式计算：按下式计算：式中：式中：V V 材料的绝对密

5、实体积，材料的绝对密实体积，cmcm3 3 或或 mm3 3； V V0 0 材料的表观体积，材料的表观体积，cmcm3 3 或或 mm3 3； 0 0 材料的表观密度材料的表观密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； 密度密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3。）（1001100000VVVP （三）孔隙率（三）孔隙率（四）空隙率（四）空隙率 空隙率是指散粒材料在其堆积体积中空隙率是指散粒材料在其堆积体积中, , 颗粒之间颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率的空隙体积所占的比例。空隙率 P P按下式计算：按下式计算： 式中：式中：0 0 材

6、料的体积密度；材料的体积密度； 0 0 材料的堆积密度。材料的堆积密度。 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致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砂密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。率的依据。 ）（）（10011001100000000VVVVVPp 孔隙率与空隙率的区别孔隙率与空隙率的区别比较项目比较项目孔隙率孔隙率空隙率空隙率适用场合适用场合个体材料内部堆积材料之间作作 用用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式计算公式）（10010P）（100100P 1. 1. 材料的强度材料的强度 材料的强度是材料在

7、应力作用下抵抗破坏的能力。材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。p 根据外力作用方式的不同，材料强度有、抗压、根据外力作用方式的不同，材料强度有、抗压、 抗剪、抗弯（抗折）强度等。抗剪、抗弯（抗折）强度等。FFFFFFlFl/2bh抗压抗压抗拉抗拉抗剪抗剪抗弯抗弯二、材料的力学性质二、材料的力学性质p抗压强度、抗拉强抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计度、抗剪强度的计算：算：式中：式中：ff材料强度，材料强度， MPaMPa； F Fmaxmax材料破坏时材料破坏时的最大荷载，的最大荷载，NN； A A试件受力面试件受力面积，积，mmmm2 2。p抗弯强度的计算：抗弯强度的计算： 中间作用一

8、集中荷载，对矩中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：用下式计算： 式中：式中：f fww材料的抗弯强材料的抗弯强 度，度， MMPaPa； F Fmaxmax材料受弯破材料受弯破坏时的最大荷载，坏时的最大荷载，NN； A A试件受力面积，试件受力面积，mmmm2 2；L L 、b b 、 h h 两支点的间两支点的间距，试件横截面的宽及高，距，试件横截面的宽及高， mmmm。AFfmax2max23bhLFfw 2. 2. 弹性和塑性弹性和塑性（1 1）弹性）弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完

9、全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢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）。复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。 （2 2）塑性）塑性 材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，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）。（或永久变形）。3. 3. 脆性和韧性脆性和韧性p 材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的

10、变形，材料的这种性质称为显的变形，材料的这种性质称为脆性脆性。大部分无机非。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、金属材料均属脆性材料，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。用时，应注意发挥这类材料的特性。p 材料在冲击、震动荷载作用下，能发生较大变形而材料在冲击、震动荷载作用下，能发生较大变形而不发生突然破坏的性质称为不发生突然破坏的性质称为韧性韧性。 木材、建筑钢材、沥青

11、、橡胶等均属于韧性材料。木材、建筑钢材、沥青、橡胶等均属于韧性材料。4. 4. 硬度和耐磨性硬度和耐磨性（1 1）硬度）硬度p材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。回弹法和压入法测定材料的硬度。p刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、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、刚方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为玉、金刚石的顺序，分为1010个硬度等级。个硬度等

12、级。p回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、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。橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。 （2) 2) 耐磨性耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的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：耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中：式中： G G 材料的磨耗率，材料的磨耗率， （g/cmg/cm2 2）；）； mm1 1材料磨损前的质量，（材料磨损前的质量，（g g）；）； m m2 2 材

13、料磨损后的质量，（材料磨损后的质量，（g g）；）； A A 材料试件的受磨面积材料试件的受磨面积 （cmcm2 2）。）。p 建筑中，地面、楼梯踏步、人行道路等处需考建筑中，地面、楼梯踏步、人行道路等处需考虑材料的硬度和耐磨性。虑材料的硬度和耐磨性。AmmG21p材料的材料的耐久性耐久性是泛指材料在使用条件下，受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，各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。能长久地保持其使用性能的性质。p材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作材料在建筑物之中，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用

14、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、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。机械及生物的作用。p物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。p化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。p机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引机械作用包括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。起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。p生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐

15、朽、生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。蛀蚀而破坏。 1. 1.材料的材料的亲水性亲水性与与憎水性憎水性 与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性憎水性。 具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。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作用力，大于水分子相互亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相

16、互之间的内聚力。水分子相互之间的内聚力。（）亲水性材料（）亲水性材料 （）憎水性材料（）憎水性材料9090称为润湿角三、材料与水有关的性质 2. 2. 材料的吸水性材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率来表示。吸水性的大小以吸水率来表示。式中：式中： W W 材料的重量吸水率材料的重量吸水率(%);(%); m m1 1材料吸水饱和状态下的质量（材料吸水饱和状态下的质量（g g或或kgkg）；）； m m 材料在干燥状态下的质量（材料在干燥状态下的质量（g g或或kgkg）。）。%1001mmmW 影响材料吸

17、水性的因素影响材料吸水性的因素: : 材料的吸水率与其孔隙率有关，更与材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其空隙特征有关。因为水分是通过材料的其空隙特征有关。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，其吸水料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。率就愈大。 3. 3. 材料的吸湿性材料的吸湿性 材料在空气中吸收水分，所吸收水分随空气中湿材料在空气中吸收水分，所吸收水分随空气中湿度的大小而变化。度的大小而变化。 当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿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处于平衡状

18、态，此时材料的含水率保持不和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为变，其含水率称为平衡含水率平衡含水率。p 吸水率与含水率的区别吸水率与含水率的区别比较项目比较项目吸水率吸水率含水率含水率适用场合适用场合在水中吸收水分在水中吸收水分在空气中吸收水分在空气中吸收水分表示方法表示方法吸收水分的质量比吸收水分的质量比或体积比或体积比吸收水分的质量比吸收水分的质量比吸收水量吸收水量达到饱和达到饱和与空气中水分平衡与空气中水分平衡通常小于吸水率通常小于吸水率 4. 4. 材料的耐水性材料的耐水性 材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用

19、下不破坏， 强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数 K KR R表示：表示：式中：式中：K KR R 材料的软化系数；材料的软化系数； f fb b 材料吸水饱和状态下的抗压强度（材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPaMPa）；）； f fg g 材料在干燥状态下的抗压强度（材料在干燥状态下的抗压强度（MPaMPa）。）。gbRffKp软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料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。吸水后性质变化的重要特征之一。p 一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，

20、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，造成强度的严重降低。水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。p软化系数的波动范围在软化系数的波动范围在0 0至至1 1之间。工程中通常将之间。工程中通常将K KR R0.850.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环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境中的重要工程。用于一般受潮较轻或

21、次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于位时，材料软化系数也不得小于0.75 0.75 。 5.5.抗冻性抗冻性p抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循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。环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。p材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，结成冰，体积膨胀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

22、，这种破坏称为冻融破坏。破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。p抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失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。等级。p材料的抗冻等级可分为材料的抗冻等级可分为F F1515、F25F25、F F5050、F F100100、F F200200等，分别表示此材料可承受等，分别表示此材料可承受1515次、次、2525次、次、5050次、次、100100次、次、200200次的冻融循环。次的冻融循环。 影响抗冻性的因素：影响抗冻性的因素：1. 1.

23、材料的材料的密实度密实度（孔隙率）：密实度越高则其抗冻性越好。（孔隙率）：密实度越高则其抗冻性越好。2.2.材料的材料的孔隙特征孔隙特征：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。3.3.材料的材料的强度强度：强度越高则其抗冻性越好。：强度越高则其抗冻性越好。4.4.材料的材料的耐水性耐水性：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。5.5.材料的材料的吸水量大小吸水量大小：吸水量越大则其抗冻性越差。：吸水量越大则其抗冻性越差。 6. 6. 材料的抗渗性材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系

24、数或抗渗等级表示。用渗透系数或抗渗等级表示。（1 1）渗透系数）渗透系数 材料的渗透系数材料的渗透系数K K可通过下式计算可通过下式计算: :式中：式中：KK渗透系数渗透系数, ,（cm / hcm / h） Q Q渗水量（渗水量（cmcm3 3）；）； F F渗水面积（渗水面积（cmcm2 2） H H材料两侧的水压差，（材料两侧的水压差，（cmcm）；）； d d试件厚度试件厚度 （cmcm）；）；tt渗水时间渗水时间 （h h）。）。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。FtHQdK （2 2）抗渗等级）抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法

25、进行透水测试时，材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水测试时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母字母P P及可承受的水压力（以及可承受的水压力（以0.1MPa0.1MPa为单位）来表示为单位）来表示抗渗等级。如抗渗等级。如P4P4、P6P6、P8P8、P10P10等，表示试件能承等，表示试件能承受逐步增高至受逐步增高至0.4MPa0.4MPa、0.6MPa0.6MPa、0.8MPa0.8MPa、1.0MPa1.0MPa的水压而不渗透。的水压而不渗透。 （3 3）影响材料抗渗性的因素）影响材料抗渗性的因素p材料亲水性和憎水性：通常憎水性

26、材料其抗渗性优于材料亲水性和憎水性：通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；亲水性材料；p材料的密实度：密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的密实度：密实度高的材料其抗渗性也较高；p材料的孔隙特征：具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。材料的孔隙特征：具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。 1. 1.导热性导热性 当材料两面存在温度差时，热量提高建筑材料传递的当材料两面存在温度差时，热量提高建筑材料传递的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数表示：表示：式中：式中： 导热系数，导热系数，W W/ /（mmK K）；）； Q Q 传导的热量，传导的热量，J J； d d 材料厚度，材料厚度，mm； F F 热传导面积，热传导面积，mm2 2； Z Z 热传导时间，热传导时间，h h；（t2t2t1t1）材料两面温度差，材料两面温度差，K K。p物理意义：单位厚度（物理意义：单位厚度（1m1m）的材料、两面温度差为）的材料、两面温度差为1K1K时、在单位时间（时、在单位时间（1s 1s）内通过单位面积（）内通过单位面积（1 m1 m2 2 ）的热量。）的热量。）（12ttFZQd四、材料的热工性质 2. 2. 热容量和比热热容量和比热 材料在受