土木工程材料第1章基本性质

1、 土木工程材料土木工程材料第一章第一章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 第一章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 土木工程材料的土木工程材料的基本性质，是指材料基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。必须考虑的最基本的、共有的性质。因为因为土木建筑材料所处建（构）筑物的部位不土木建筑材料所处建（构）筑物的部位不同、使用环境不同、人们对材料的使用功同、使用环境不同、人们对材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的能要求不同，所起的作用就不同，要求的性质也就有所不同。性质也就有所不

2、同。第一节第一节 材料的物理性质材料的物理性质1 .1 .材料的体积组成材料的体积组成 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。（1 1）材料的材料的绝对密实体积绝对密实体积： 干材料在干材料在绝对密实绝对密实状态下的体积。即材料不包状态下的体积。即材料不包括内部孔隙的材料体积。一般括内部孔隙的材料体积。一般以表示以表示材料的绝对材料的绝对密实体积。密实体积。（2 2）材料的材料的表观体积表观体积： 材料在材料在自然状态下自然状态下的体积，即的体积，即整体材料整体材料的外观的外观体积

3、（含内部孔隙和水分）。一般体积（含内部孔隙和水分）。一般以以V V0 0 表示表示材料的材料的表观体积。表观体积。 1-固体部分固体部分2-闭口孔隙闭口孔隙3-开口孔隙开口孔隙 V0=V+V孔孔（3 3）材料的材料的堆积体积堆积体积： 粉状或粒状材料，在堆积状态下的总粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。体外观体积。 根据其根据其堆积状态堆积状态不同，同一材料表不同，同一材料表现的体积大小可能不同，现的体积大小可能不同，松散堆积松散堆积下的体下的体积较大，积较大，密实堆积密实堆积状态下的体积较小。材状态下的体积较小。材料的堆积体积一般以料的堆积体积一般以 来表示。来表示。0V闭口孔隙体积

4、开口孔隙体积孔隙体积堆积体积表观体积绝对密实体积闭开孔00闭开孔空孔空00孔0VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV002. 2. 材料的密度材料的密度 材料的密度材料的密度是指材料在绝对密实状态下是指材料在绝对密实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： 密度密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3 m m 干燥材料的质量，干燥材料的质量，g g 或或 kgkg V V 材料的绝对密实体积，材料的绝对密实体积，cmcm3 3 或或 m m3 3 测试时，材料必须是绝对干燥状态。含测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨

5、细后采用孔材料则必须磨细后采用排开液体排开液体的方法来的方法来测定其体积。测定其体积。Vm3. 材料的材料的表观密度表观密度 表观密度（俗称表观密度（俗称“容重容重”）是指材料在）是指材料在自然状态下单位体积的质量。自然状态下单位体积的质量。按下式计算：按下式计算：00Vm式中：式中：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 m m 材料的质量，材料的质量，g g 或或 kgkg V V0 0材料的表观体积，材料的表观体积，cmcm3 3 或或 m m3 3 材料的表观体积是指材料的表观体积是指包括内部孔隙包括内部孔隙在在内的体积。内的体积

6、。 因为大多数材料的表观体积中包含有因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含孔隙中是否含有水及含水的多少有水及含水的多少，均可能影响其总质量，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。（有时还影响其表观体积）。 因此，材料的表观密度除了与其微观因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关。及含水状态有关。 测定表观体积方法：测定表观体积方法： 外观形状外观形状规则规则，直接量出计算；，直接量出计算； 外观形状外观形状不规则不规则，材料表面涂蜡，用排液，材料表面涂蜡，用

7、排液法测定体积。法测定体积。4. 4. 材料的堆积密度材料的堆积密度 堆积密度是指堆积密度是指粉状或粒状材料粉状或粒状材料，在，在堆积状态下单位体积的质量。堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：按下式计算：式中：式中： 材料的堆积密度材料的堆积密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3m m 材料的质量，材料的质量，g g 或或 kgkg 材料的堆积体积，材料的堆积体积，cmcm3 3 或或 m m3 300Vm0V0 散粒状堆积材料的堆积体积散粒状堆积材料的堆积体积V V0 0 中，既中，既包包括括了材料颗粒内部的了材料颗粒内部的孔隙孔隙，也包括了颗粒，也包括了颗粒间的

8、间的空隙空隙，除了颗粒内孔隙的多少及含水，除了颗粒内孔隙的多少及含水多少外，颗粒间空隙的大小也影响堆积体多少外，颗粒间空隙的大小也影响堆积体积的大小。积的大小。 影响材料的堆积密度的因素：影响材料的堆积密度的因素：颗粒间空颗粒间空隙；颗粒内孔隙；含水状态；颗粒间被压隙；颗粒内孔隙；含水状态；颗粒间被压实的程度。实的程度。堆积密度的测定堆积密度的测定容量筒容量筒 l 砂的堆积密度实验砂的堆积密度实验几种密度的比较几种密度的比较比较项目比较项目密度密度表观密度表观密度堆积密度堆积密度材料状态材料状态绝对密实绝对密实自然状态自然状态堆积状态堆积状态材料体积材料体积VV0计算公式计算公式应用应用判断材

9、料性质判断材料性质用量计算、体积计算用量计算、体积计算00VmVm00Vm0V0000VVV表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称材料名称密度密度/（g/cm3）表观密度表观密度/（kg/m3）堆积密度堆积密度/（kg/m3）孔隙率孔隙率/%石灰岩石灰岩2.602.8018002600花岗岩花岗岩2.703.00250029000.503.00碎石碎石2.602.9014001700砂砂2.502.6014501650粘土粘土2.52.716001800普通粘土砖普通粘土砖2.502.70160018002040粘土空心砖粘土空心砖2.5010001400水泥水泥2.83

10、.1012001300普通混凝土普通混凝土21002600520轻骨料混凝土轻骨料混凝土8001900木材木材1.554008005575钢材钢材7.8578500泡沫塑料泡沫塑料2050沥青（石油）沥青（石油）约约1.0约约1000普通玻璃普通玻璃2.452.55245025000 5 . 5 . 材料的密实度材料的密实度 密实度密实度是指材料体积内被固体物质充是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下：实的程度。密实度的计算式如下： 密度；密度； 0 0 材料的表观材料的表观密度密度 对于绝对密实材料，对于绝对密实材料， 因因 0 0 = = ，故密实，故密实度度D =1 D

11、=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 ，故密实度，故密实度D D 1 1 或或 D D 100%100%。 %100000mVmVVVD 6. 6. 孔隙率孔隙率材料的材料的孔隙率孔隙率是指材料内部孔隙的体是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率积占材料总体积的百分率。孔隙率P P按下式按下式计算：计算：0000011VVVVVVVP孔V V材料的绝对密实体积，材料的绝对密实体积，cmcm3 3 或或 m m3 3V V0 0材料的表观体积，材料的表观体积，cmcm3 3 或或 m m3 30 0材料的表观密度材料的表观密度,

12、 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 孔隙率：孔隙率：反映了材料内部孔隙的多少，它影反映了材料内部孔隙的多少，它影响材料的多种性质。响材料的多种性质。 孔隙特征：孔隙特征：孔隙大小；封闭或连通孔隙。孔隙大小；封闭或连通孔隙。 孔隙率又分孔隙率又分开口孔隙率开口孔隙率和和闭口孔隙率闭口孔隙率1,1DPDPn孔隙率的大孔隙率的大小及孔隙特征小及孔隙特征与材料的许多与材料的许多重要性质都有重要性质都有密切关系，如密切关系，如强度、吸水性、强度、吸水性、抗渗性、抗冻抗渗性、抗冻性和导热性性和导热性等等 。吸水率吸

13、水率强度强度耐久性耐久性表观密度表观密度孔隙对材料性能的影响孔隙对材料性能的影响7. 7. 空隙率空隙率 空隙率空隙率是指散粒材料在其堆积体积中是指散粒材料在其堆积体积中, , 颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率颗粒之间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： 0 0材料的表观密度材料的表观密度 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的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。算含砂率的依据。000000011VVVVVVVP空

14、8.8.填充率填充率 填充率填充率是指散粒状材料堆积体积中被是指散粒状材料堆积体积中被颗粒填充的程度，与空隙率相对应，按下颗粒填充的程度，与空隙率相对应，按下式计算：式计算：PVVD1%100%1000000第二节第二节 材料与水有关的性质材料与水有关的性质1 1、材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性 与水接触时，有些材料能被水润湿，而与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为说，前者为亲水性亲水性，后者为，后者为憎水性憎水性。 材料具有亲水性或憎水性的根本原因材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。

15、在于材料的分子结构。 材料分子与水分子之间的分子材料分子与水分子之间的分子亲合力亲合力 水分子本身之间的水分子本身之间的内聚力内聚力 亲合力内聚力亲合力内聚力 亲水性亲水性材料材料 亲合力内聚力亲合力内聚力 憎水性憎水性材料材料 工程实际中，材料是亲水性或憎水性，工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中和固体接触面所成的夹角。其中润湿角润湿角愈愈小，表明材料愈易被水润湿。小，表明材料愈易被水润湿。 当材料的润湿角当材料

16、的润湿角 时，为亲水性材料时，为亲水性材料； 当材料的润湿角当材料的润湿角 时，为憎水性材料。时，为憎水性材料。 水在水在亲水性材料亲水性材料表面可以铺展开，且能表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部。通过毛细管作用自动将水吸入材料内部。 水在水在憎水性材料憎水性材料表面不仅不能铺展开，表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中。而且水分不能渗入材料的毛细管中。材料的润湿角材料的润湿角 亲水性材料有亲水性材料有： 砖、瓦、砂、石、气硬性胶凝材料、砖、瓦、砂、石、气硬性胶凝材料、钢材、混凝土、玻璃等。钢材、混凝土、玻璃等。 憎水性材料有憎水性材料有： 沥青、塑料、橡胶、石

17、蜡、油漆等。沥青、塑料、橡胶、石蜡、油漆等。2.2.材料的吸水性材料的吸水性 材料材料在水中在水中吸收水分的能力，称为材吸收水分的能力，称为材料的料的吸水性吸水性。吸水的大小以。吸水的大小以吸水率吸水率来表示。来表示。l 吸水饱和状态吸水饱和状态：开口孔隙全部充满水：开口孔隙全部充满水l 质量吸水率质量吸水率：材料饱水状态，其内部吸收水分的质量占：材料饱水状态，其内部吸收水分的质量占干燥质量的百分率干燥质量的百分率l 体积吸水率体积吸水率：材料饱水状态：材料饱水状态, ,所吸收水分体积占干体积所吸收水分体积占干体积百分率百分率 bgmg100%mmWm质量吸水率质量吸水率bgV0W1100%m

18、mWV 体积吸水率体积吸水率式中式中m mb b材料吸水饱和状态下的质量（或材料吸水饱和状态下的质量（或kgkg）m mg g材料在干燥状态下的质量（或材料在干燥状态下的质量（或kgkg）。）。V V0 0 材料在自然状态下的体积，（材料在自然状态下的体积，（cmcm3 3 或或 m m3 3） w w 水的密度水的密度, ,（g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3），）， 常温下取常温下取 w w =1.0 =1.0 g/cmg/cm3 3Wv=Wm0 0 材料的吸水率与其材料的吸水率与其孔隙率孔隙率有关，更有关，更与其与其孔隙特征孔隙特征有关。因为水分是通过材有关。因为水分是

19、通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部料的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，的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。其吸水率就愈大。 3. 3. 材料的材料的吸湿性吸湿性 材料的吸湿性是材料的吸湿性是指材料在指材料在潮湿空气中潮湿空气中吸吸收水分的性质。收水分的性质。 干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分，是材料的会吸收空气中的水分，是材料的吸湿过程；吸湿过程； 而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分，是材料的时，便会向空气中放出水分，是材料的干

20、燥干燥过程过程。 由此可见，在空气中，某一材料的含水由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的多少是随空气的湿度、温度湿度、温度变化的。变化的。 材料在任一条件下含水的多少称材料在任一条件下含水的多少称为材料的为材料的含水率含水率，并以，并以h h表示，其计表示，其计算公式为：算公式为： %100ggshmmmW式中：式中： m ms s 材料吸湿状态下的质量（或材料吸湿状态下的质量（或kgkg） m mg g 材料在干燥状态下的质量（或材料在干燥状态下的质量（或kgkg）。 当空气中湿度在较长时间内稳定时，材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态，此时材料的吸

21、湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变料的含水率保持不变。与空气与空气温、湿度温、湿度相平相平衡的含水率叫作材料的衡的含水率叫作材料的平衡含水率平衡含水率。 吸水、吸湿对材料吸水、吸湿对材料其它性能其它性能的影响。如的影响。如降低绝热性、强度及耐久性，体积改变等，降低绝热性、强度及耐久性，体积改变等，多对工程产生不利影响。多对工程产生不利影响。4. 4. 材料的材料的耐水性耐水性 材料的耐水性是指材料长期在饱和材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的的软化

22、系数软化系数K KR R：gbRffK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）一般一般材料吸水后，材料吸水后，水分会分散在材料水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度强度则有不同程度的降低则有不同程度的降低。当材料内含有可溶。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降还可能溶解部

23、分物质，造成强度的严重降低。低。 软化系数小的材料耐水性差。软化系数小的材料耐水性差。 软化系数的波动范围软化系数的波动范围在在0 0 1 1之间之间。工程中通常将工程中通常将0.850.85的材料称为的材料称为耐水性材料耐水性材料，可以用于水中或潮湿环，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于也不得小于0.750.75 。 5. 5. 抗冻性抗冻性 抗冻性抗冻性是指材料在是指材料在吸水饱和状态吸水饱和状态下，能经下，能经受反复受反复冻融循环冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降

24、作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。低的性能。 冻融循环冻融循环：冻结温度：冻结温度-15-15；2020水中融水中融化。化。 材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，毛细孔内冻结成冰，体积膨胀体积膨胀9%9%所产生的冻胀压所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料内毛细孔胀裂，力造成材料的内应力，会使材料内毛细孔胀裂，造成材料局部破坏。随着造成材料局部破坏。随着冻融循环冻融循环的反复，材料的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。 抗冻性抗冻性以试件在冻融后的质量损失不以试件在冻融后

25、的质量损失不超过超过5%5%、强度降低不超过、强度降低不超过25%25%时所能经受的时所能经受的冻融循环冻融循环次数次数来表示，或称为来表示，或称为抗冻等级抗冻等级。 材料的抗冻等级常用材料的抗冻等级常用FnFn表示，如表示，如1515、2525、5050、100100、200200等，分别表示等，分别表示此材料可承受此材料可承受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。 材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。耐水性和吸水饱和程度有关。6. 6. 材料的抗渗性材料的抗渗性

26、抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。渗透的性能。 土木建筑工程中许多材料常含有土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔隙、孔洞或其它缺陷孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。坏。

27、6.1 .1 渗透系数渗透系数材料的渗透系数可通过下式计算材料的渗透系数可通过下式计算: : AtHQdK式中式中K K渗透系数渗透系数, , （cm / hcm / h）; ;Q Q渗水量，渗水量， （cmcm3 3 ）A A 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）t t 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好材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越好。 6.2 6.2 抗渗等级抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，

28、材料标准试件在透水前所能透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以承受的最大水压力，并以字母字母P P及可承受及可承受的水压力（以的水压力（以0.1MPa0.1MPa为单位）来表示抗渗为单位）来表示抗渗等级。等级。 如如P4P4、P6P6、P8P8、P10P10等，表示试件能等，表示试件能承受逐步增高至承受逐步增高至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。 混凝土的抗渗等级以每组混凝土的抗渗等级以每组6 6个试件中有个试件中有4 4个试件未出现渗水时的个试件未出现渗水时的最大水压力最大

29、水压力计算，计算，计算式为：计算式为： P=10HP=10H1 1式中：式中： PP混凝土抗渗等级；混凝土抗渗等级；H6H6个试块中个试块中3 3个试块出现渗水时的个试块出现渗水时的水压力水压力（MpaMpa）。第三节第三节 材料的热物理性质材料的热物理性质 一、一、导热性导热性 当材料两面存在温度差时，热量从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，称为材一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用料的导热性。导热性用导热系数导热系数 表示。表示。导热系数的定义和计算式如下所示导热系数的定义和计算式如下所示)(12ttFZQd式中式中导热系数，（导热

30、系数，（）；）；传导的热量，传导的热量，材料厚度，；材料厚度，；热传导面积，热传导面积，m m2 2一热传导时间，一热传导时间，h h；（t t2 2-t-t1 1）材料两面温度差，）材料两面温度差，K K 在物理意义上，导热系数为单位厚度在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)(1m)的材料、的材料、两面温度差为两面温度差为1 1时、在单位时间时、在单位时间(1s)(1s)内通过单位面内通过单位面积积(1(1) )的热量。的热量。 ( ( K K 开尔文温度开尔文温度= =摄氏温度摄氏温度+273.15 ) +273.15 ) 导热系数大的材料，导热性强，绝导热系数大的材料，导热性强，绝热性

31、差热性差。导热系数小，绝热性能好。导热系数小，绝热性能好。 不同材料的导热性差别很大，通常不同材料的导热性差别很大，通常把把0.23W/0.23W/（mKmK）的材料称为）的材料称为绝热绝热性材料。性材料。影响导热系数的因素：影响导热系数的因素： 1 1、材料的、材料的化学组成化学组成。 2 2、材料的、材料的构造构造。 如水与冰，如水与冰， 水水=0.60 W/=0.60 W/（m mK K），），冰冰=2.20 =2.20 W/W/（m mK K）；木材顺纹）；木材顺纹=0.35 W/=0.35 W/（m mK K），横纹），横纹=0.175 W/=0.175 W/（m mK K）。）。

32、3 3、材料的、材料的表观密度（容重）表观密度（容重） 一般情况下，一般情况下，表观密度表观密度小的材料具有较小的导小的材料具有较小的导热性能。热性能。 4 4、孔隙率、孔隙特征孔隙率、孔隙特征 密闭空气密闭空气=0.025 W/=0.025 W/（m mK K），导热系数随孔），导热系数随孔隙率增大而减小；含细小、封闭孔隙的材料的导热隙率增大而减小；含细小、封闭孔隙的材料的导热系数较低。系数较低。 5 5、含水率含水率 密闭空气密闭空气=0.025 W/=0.025 W/（m mK K），）， 水水=0.60 =0.60 W/W/（m mK K），），冰冰=2.20 W/=2.20 W/（m

33、 mK K）。材料含水或结冰）。材料含水或结冰时导热系数会急剧增大。绝热保温材料要注意防水时导热系数会急剧增大。绝热保温材料要注意防水防潮。防潮。 6 6、温度温度 材料的导热系数随温度升高而增大。材料的导热系数随温度升高而增大。 二、热容量和比热二、热容量和比热 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的性质称为材料的热容量热容量。 单位质量材料温度升高或降低单位质量材料温度升高或降低1 1所吸收或所吸收或放出的热量称为放出的热量称为热容量系数热容量系数或或比热比热（或比热容）（或比热容）。比热的计算式如下所示：比热的计算式如下所示：)(12t

34、tmQC式中：式中：C-C-材料的比热，材料的比热，J/J/（gKgK）Q-Q-材料吸收或放出的热量材料吸收或放出的热量( (热容量热容量) )m-m-材料质量，材料质量，g g（t t2 2 - t - t1 1）-材料受热或冷却前后的温差，材料受热或冷却前后的温差，K K12 Qmc tt（） 比热比热与与材料质量材料质量的乘积的乘积（cmcm）称称为为材料的热容量材料的热容量，它表示材料温度升高，它表示材料温度升高或降低或降低1K1K所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。 材料的热容量对保持建筑物内部温度材料的热容量对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，热容量较大的材料或构稳定有很大意义

35、，热容量较大的材料或构件，能在热流变动或采暖空调工作不均衡件，能在热流变动或采暖空调工作不均衡时，缓和室内的温度波动。时，缓和室内的温度波动。表1-2 常用材料的热工性质指标材料材料导热系数导热系数/W/（m K）比热容比热容/J/（gK）铜铜3700.38钢钢550.46石灰岩石灰岩2.663.230.7490.846花岗岩花岗岩2.913.080.7160.92大理石大理石2.450.875普通混凝土普通混凝土1.281.80.481.00烧结普通砖烧结普通砖0.40.70.84松木（横纹）松木（横纹）0.151.63泡沫塑料泡沫塑料0.031.30沥青混凝土沥青混凝土1.05水水0.60

36、2.05冰冰2.204.19密闭空气密闭空气0.0231.00 三、热阻三、热阻 材料层厚度与导热系数的比值，称为材料层厚度与导热系数的比值，称为热阻，用热阻，用R R表示表示。它表明热量通过材料层时。它表明热量通过材料层时的阻力。的阻力。 在同样温差的条件下，热阻越大，通在同样温差的条件下，热阻越大，通过材料层的热量就越少。过材料层的热量就越少。dR第四节第四节 材料的力学性质材料的力学性质 材料的力学性质，是指材料在外力作用材料的力学性质，是指材料在外力作用下所表现的下所表现的强度和变形性能强度和变形性能。 1 1、材料的、材料的强度与强度等级强度与强度等级 材料的强度是材料在外力作用下抵

37、抗破材料的强度是材料在外力作用下抵抗破坏的能力。坏的能力。 当材料受外力作用时当材料受外力作用时, ,内部将产生应力，内部将产生应力，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，材料发超过材料内部质点所能抵抗的极限，材料发生破坏。此时的生破坏。此时的极限应力值极限应力值就是材料的强度。就是材料的强度。 在工程上，通常采用在工程上，通常采用破坏试验法破坏试验法对材对材料的强度进行实测。将料的强度进行实测。将预先制作的试件预先制作的试件放放置在材料试验机上，置在材料试验机上，施加外力施加外力（荷载）直（荷载）直至至破坏破坏，根据试件尺

38、寸和破坏时的荷载值，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。计算材料的强度。 根据外力作用方式的不同，材料强度根据外力作用方式的不同，材料强度有有抗拉抗拉、抗压抗压、抗剪抗剪、抗弯抗弯（抗折）强度（抗折）强度等。等。（1）抗压）抗压(Compressive)、抗拉、抗拉(Tensile)、抗、抗剪剪(Shearing)强度强度 （MPa）PfA F破坏时的最大荷载，破坏时的最大荷载，N A受力截面面积，受力截面面积，mm2 f-材料强度，材料强度， MPa （2）抗弯强度（）抗弯强度（ Bending strength） m232PLfbh单点加荷：单点加荷： 三分点加荷：三分点加荷：

39、m2PLfbhL L/2/2L L/2/2式中式中 fm-材料的抗弯强度，材料的抗弯强度， MPaP-材料受弯破坏时的最大荷载，材料受弯破坏时的最大荷载，NL-两支点的间距，两支点的间距，mmb、h-试件横截面的宽及高，试件横截面的宽及高，mmm232PLfbhm2PLfbh l内因内因材料组成、构造材料组成、构造材料的孔隙率愈大，则强度愈低。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相同同类材料抵抗不同类型外力作用的能力也不相同砖、石材、混凝土、铸铁等材料的抗压强度较高砖、石材、混凝土、铸铁等材料的抗压强度较高，而抗拉和抗弯强度却很低；木材和玻璃纤维增强，而抗拉和抗

40、弯强度却很低；木材和玻璃纤维增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度；钢材的抗拉塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度；钢材的抗拉和抗压强度都很高。和抗压强度都很高。l外因外因试验条件试验条件：试件（尺寸、形状、含水率）：试件（尺寸、形状、含水率） 温度、加荷速度等温度、加荷速度等（3）影响强度的因素）影响强度的因素压力试验机压力试验机压力试验压力试验钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验万能试验机万能试验机 强度等级强度等级：大部分建筑材料根据其极大部分建筑材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等限强度的大小，划分为若干不同的强度等级，级，如水泥、混凝土等。如水泥、混凝土等。 划分强度等级，对掌握材料性能，

41、合理划分强度等级，对掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是十分必要的。是十分必要的。 对于对于脆性材料脆性材料，如，如混凝土、砂浆、砖和石材混凝土、砂浆、砖和石材等，等，由于主要用来承受压力，因此，以其由于主要用来承受压力，因此，以其抗压强度抗压强度来来划分强度等级；划分强度等级； 对于对于韧性材料韧性材料，如，如建筑钢材建筑钢材，主要用于抗拉，故，主要用于抗拉，故其强度等级按受拉时的其强度等级按受拉时的屈服强度屈服强度来划分。来划分。指材料强度与其表观密度之比。指材料强度与其表观密度之比。意义：意义：反映材料轻质高强的指标。反映材料轻

42、质高强的指标。比强度比强度越大，材料越越大，材料越轻质高强轻质高强2.比强度比强度 材料材料表观密度表观密度 /（kg/m3）抗压强度抗压强度f /MPa比强度比强度f / 低碳钢低碳钢78604150.53松木松木50034.3（顺纹）（顺纹）0.69普通混凝土普通混凝土240029.40.012红砖红砖1700100.006表表1-3 几种常用材料的比强度几种常用材料的比强度0f2 、 弹性与塑性弹性与塑性 （Elasticity and Plasticity） （1） 弹性与弹性变形弹性与弹性变形n弹性弹性外力作用产生变形外力作用产生变形,外力取消能外力取消能完全恢复完全恢复。n弹性变形

43、弹性变形这种可恢复的变形称为弹性变形这种可恢复的变形称为弹性变形 弹性变形弹性变形 指标：指标：弹性模量弹性模量 E 意义：意义：E E表示材料抵抗变形的指标，表示材料抵抗变形的指标，E E值越值越大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。越强。（2） 塑性与塑性变形塑性与塑性变形n塑性塑性外力作用产生变形外力作用产生变形,外力取消变形外力取消变形不能恢复不能恢复。n塑性变形塑性变形这种不可恢复的变形称为塑性变形。这种不可恢复的变形称为塑性变形。 弹性变形与塑性变形弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆逆变形，后者为不

44、可逆变形。变形。塑性变形塑性变形 弹性 塑性 弹性变形与其所受外力的大小成正比弹性变形与其所受外力的大小成正比 / /= =常数常数=E=E。 E E称为材料的称为材料的弹性模量弹性模量。 弹性模量弹性模量E E是反映材料抵抗变形能力的指标。是反映材料抵抗变形能力的指标。E E值愈大，表明材料的刚度愈大，外力作用下的值愈大，表明材料的刚度愈大，外力作用下的变形愈小。变形愈小。 = E = E E E 10 10 1 10 10 1 10 100 0.1 10 100 0.1 100 100 1 100 100 1 在土木工程材料中，几乎没有完全的弹性在土木工程材料中，几乎没有完全的弹性材料或材

45、料或塑性材料。塑性材料。 代表：低碳钢和混凝土。代表：低碳钢和混凝土。 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线混凝土应力混凝土应力-应变曲线应变曲线 3. 3. 脆性和韧性脆性和韧性 材料受力达到一定程度时，突然发生破材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性脆性。具有这种性质的材料为。具有这种性质的材料为脆性材料脆性材料。 大部分无机非金属材料均属脆性材料，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、陶瓷、玻璃、普如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。通混凝土、砂浆等。 脆性材料的特点

46、脆性材料的特点： 1 1、突然发生破坏，且无明显的变形；突然发生破坏，且无明显的变形； 2 2、抗压强度高，而抗拉、抗折强度低。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。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。 材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量、产生较大变形而不破坏的性能，称为能量、产生较大变形而不破坏的性能，称为韧性韧性或或冲击韧性冲击韧性。 韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。计算公式如下计算公式如下：AWakk 式中式中 a a k k - -材料的材料的冲击韧

47、性冲击韧性， J/mmJ/mm2 2 k k-试件破坏时所消耗的功，试件破坏时所消耗的功，J J； A-A-材料受力截面积。（材料受力截面积。（mmmm2 2） 冲击韧性冲击韧性a a k k越大，越大，韧性越好。韧性越好。AWAmhmhakk21 土木建筑工程中对用于桥梁、路面、土木建筑工程中对用于桥梁、路面、工业厂房的吊车梁等受振的结构部位，工业厂房的吊车梁等受振的结构部位，应选用韧性较好的材料。应选用韧性较好的材料。 常用的韧性材料有常用的韧性材料有：低碳钢、低合：低碳钢、低合金钢、铝材、橡胶、木材、竹材、玻璃金钢、铝材、橡胶、木材、竹材、玻璃钢等。钢等。 4. 4. 硬度和耐磨性硬度和

48、耐磨性 （1 1）硬度硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，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。是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。 通常用通常用刻划法，回弹法和压入法刻划法，回弹法和压入法测定测定材料的硬度。材料的硬度。 刻划法刻划法用于天然矿物硬度的划分，按用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为个硬度等级。分为个硬度等级。 刻划法（莫氏硬度）刻划法（莫氏硬度）： 表示矿物硬度的一种标准。表示矿物硬度的一种标准。18241

49、824年由年由德国矿物学家莫斯首先提出。德国矿物学家莫斯首先提出。 应用应用刻划法刻划法将棱锥形将棱锥形金刚钻针金刚钻针刻划刻划所所试矿物的表面而发生划痕试矿物的表面而发生划痕, ,习惯上矿物学或习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕划痕的深度的深度分十级来表示硬度分十级来表示硬度! ! 回弹法回弹法：用于测定混凝土表面硬：用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、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。金属等的表面硬度并间接推算其强度。 混凝土回

50、弹仪 压入法压入法：对金属、木材等材料以压：对金属、木材等材料以压入法检测其硬度，金属有洛氏硬度，入法检测其硬度，金属有洛氏硬度，布氏硬度、维氏硬度等。布氏硬度、维氏硬度等。(2)(2)耐磨性耐磨性 耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用材料的耐磨性用磨耗率磨耗率或或磨损率磨损率表示，计表示，计算公式如下：算公式如下：AmmG21式中：式中： G-G-材料的磨耗率，材料的磨耗率， （g/cmg/cm2 2） m m1 1 - -材料磨损前的质量，（材料磨损前的质量，（g g） m m2 2-材料磨损后的质量，（材料磨损后的质量，（g g） A-A-材料试

51、件的受磨面积材料试件的受磨面积 （cmcm2 2） 材料的磨损率材料的磨损率G G值越低值越低，表明该材，表明该材料的料的耐磨性越好耐磨性越好。 材料的硬度和耐磨性均与其材料的硬度和耐磨性均与其组成、组成、内部结构、孔隙率、孔隙特征、表面特内部结构、孔隙率、孔隙特征、表面特征征有关。有关。 硬度越高、越致密的材料，耐磨性硬度越高、越致密的材料，耐磨性也越好。也越好。 第五节第五节 材料的耐久性材料的耐久性 材料的材料的耐久性耐久性是泛指材料在使用条件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下，受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的作用，能长久地

52、保持其使用性能的性质。质。 材料在建筑物之中，除要受到各种外材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械物理、化学、机械及及生物生物的作用。的作用。 物理作用：物理作用： 有有干湿变化、温度变化及冻融变化干湿变化、温度变化及冻融变化等。等。这些作用将使材料发生这些作用将使材料发生体积的胀缩体积的胀缩，或导致，或导致内部裂缝的出现、扩展内部裂缝的出现、扩展。时间长久之后即会。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对使材料逐渐破坏。在寒冷

53、地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。抗火性能的难燃或不燃的材料。 化学作用化学作用包括大气、环境水以及使用条包括大气、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件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。侵蚀作用。 机械作用机械作用包括使用荷载的持续作用，交包括使用荷

54、载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。 生物作用生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。材料腐朽、蛀蚀而破坏。 砖、石料、混凝土砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。作用的破坏。金属材料金属材料主要是由于化学作用引起的腐主要是由于化学作用引起的腐蚀。蚀。木材木材等有机质材料常因生物作用而破坏。等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料沥青材料、高分子材料在阳光、空气和在阳光、空气和热的

55、作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。裂。l 耐久性为耐久性为一综合性质，一综合性质，包括包括抗渗性、抗渗性、抗冻性、抗抗冻性、抗蚀性、抗老蚀性、抗老化、耐热性、化、耐热性、耐磨性等。耐磨性等。l不同环境中，不同环境中，应考虑相应应考虑相应的性质。的性质。 材料的材料的耐久性耐久性指标是根据工程所处的指标是根据工程所处的环境条件来决定环境条件来决定的。的。例如，处于冻融环境的工程，所用材料例如，处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以的耐久性以抗冻性抗冻性指标来表示。处于暴露指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力抗

56、老化能力来表示。来表示。第六节第六节 材料的组成与结构材料的组成与结构 不同的材料，组成不同呈现不同的性质；不同的材料，组成不同呈现不同的性质；同一材料由于结构及构造的差异也会表现出不同一材料由于结构及构造的差异也会表现出不同的性质。了解材料的的组成、结构及构造，同的性质。了解材料的的组成、结构及构造，才能更好掌握材料的基本性质。才能更好掌握材料的基本性质。 1 1、材料的组成、材料的组成1.1 1.1 化学组成化学组成 构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。物含

57、量来表示。 金属材料以元素含量来表示。金属材料以元素含量来表示。 化学组成决定着材料的化学性质，影响其物化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。理性质和力学性质。1.2 1.2 矿物组成矿物组成 矿物矿物是指无机非金属材料中具有是指无机非金属材料中具有特定晶体特定晶体结构和物理力学性质的组成。结构和物理力学性质的组成。 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在，并决定着材料的许多重要性质。存在，并决定着材料的许多重要性质。 矿物组成是矿物组成是无机非金属材料中化合物存在无机非金属材料中化合物存在的基本形式。的基本形式。 硅酸盐水泥熟料水泥由四

58、种矿物组成。硅酸盐水泥熟料水泥由四种矿物组成。1.3 1.3 相组成相组成 材料中结构相近、性质相同的均匀部分。材料中结构相近、性质相同的均匀部分。 自然界中的物质自然界中的物质:分为分为气相、液相、固相气相、液相、固相三种形三种形态态 由由两相或两相以上两相或两相以上的物质组成的材料称为的物质组成的材料称为复合复合材料材料。 如金属的金相组织。如钢材铁素体、渗碳体、如金属的金相组织。如钢材铁素体、渗碳体、珠光体、奥氏体。珠光体、奥氏体。2、 结构与构造结构与构造 n 材料的结构分为材料的结构分为 宏观结构宏观结构 细观结构细观结构 微观结构微观结构2.1 2.1 宏观结构宏观结构（构造）（构

59、造） 材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸约为毫米级大小，够分辨的粗大组织。其尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。宏观构造，按孔以及更大尺寸的构造情况。宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：隙尺寸可以分为： （1 1）致密结构致密结构，基本上是无孔隙存在的材，基本上是无孔隙存在的材料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。玻璃、玻璃钢、塑料等。（2 2）多孔结构多孔结构，是指具有粗大孔隙的结构。，是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及如加气混凝土、泡沫混凝土、泡

60、沫塑料及人造轻质材料等。人造轻质材料等。(3(3）微孔结构微孔结构，是指微细的孔隙结构。如，是指微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。石膏制品、粘土砖瓦等。(4(4）纤维结构纤维结构，是指木材纤维、玻璃纤维、，是指木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。矿物棉纤维所具有的结构。 （5 5）层状结构层状结构，采用粘结或其他方法将材，采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填造板、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填充料的塑料制品等。充料的塑料制品等。(6(6）散粒结构散粒结构，是指松散颗粒状结构。比，是指松散