第1章 土木工程材料基本性质

第1章土木工程材料基本性质

1.1材料的物理性质1.2材料的力学性质

1.3材料的耐久性与环境协调性1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响本章学习指导历史回顾因地制宜用材的万里长城

万里长城飞越崇山峻岭，是我国古代劳动人民的杰作，也是建筑史上的丰碑。万里长城选用材料因地制宜，堪称典范。

居庸关、八达岭一段，采用砖石结构。墙身用条石砌筑，中间填充碎石黄土，顶部再用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚固耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土垒筑长城，将泥土夯打结实，并以锥刺夯打土检查是否合格。在西北玉门关一带，既无石料又无黄土，以当地芦苇或柳条与砂石间隔铺筑，共铺20层。

万里长城因地制宜使用建筑材料，展现了我国劳动人民的勤劳、智慧和创造力。基础知识1.1材料的物理性质1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率

1.1.3与水有关的性质

1.1.4热工性质

1－固体；2－闭口孔隙；3－开口孔隙1.1.1密度、表观密度、体积密度和堆积密度

（1）密度(Density)：材料在绝对密实状态下，单位实体体积的干质量。（2）表观密度(Apparentdensity)：

材料单位表观体积（闭口+实体）的干质量。VV0V´（3）毛体积密度(Bulkdensity)：

比较体积密度

材料单位毛体积（闭口+开口+实体）的干质量。

(测试方法不同，获得体积大小不同）

若m为自然气干质量，则称为体积密度。

三种密度区别：m为材料的烘干质量；

v不同，可为实体体积，表观体积，毛体积。

密度表观密度毛体积密度（4）堆积密度(Loosedensity)：

散粒状材料单位堆积体积（开口+闭口+实体+间隙）物质颗粒的质量。

——反映散粒堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放空间。几种密度的特点：

相同点：指单位体积质量。（质量/体积）

区别：测试方法不同，获得体积大小不同体积的测试方法：

实体体积

——李氏比重瓶法(粉末)

表观体积(实体＋闭口)—

排液置换法(水中称重法)

毛体积（实体＋闭口＋开口）

——规则试件：计算法；不规则试件：排液法或封蜡排液法

堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)——密度筒法★

1.1.2孔隙率(Porosity)和空隙率(Percentageofvoid)（1）孔隙率与密实度(对应概念)——单块材料

孔隙率

密实度

同理，可计算出开口闭口孔隙率，实用意义不大。

（2）空隙率与填充率——散粒状材料

空隙率

填充度

孔隙率与空隙率的区别

1.1.3材料与水有关的性质

1.

亲水性与憎水性亲水性：与水接触时，材料表面能被水润湿的性质；憎水性：与水接触时，材料表面不能被水润湿的性质。湿润角

亲水性材料憎水性材料亲水性材料：

憎水性材料：砖、石、木、混凝土沥青、石蜡亲水性材料四种状态：干燥、气干、饱和面干、湿润亲水性材料：润湿角θ≤90°

水分子间内聚力＜水分子与材料分子间吸引力

憎水性材料：润湿角θ＞90°

水分子间内聚力＞水分子与材料分子间吸引力

2.

吸水性(Absorption)与吸湿性(Hygroscopicity)（1）吸水性——饱水状态（吸水饱和）恒值

质量吸水率：材料饱水状态,所吸水分质量占干质量的百分率

体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积百分率（2）吸湿性——自然状态变值含水率：自然状态，材料所含水分质量占其干质量的百分率m1——材料湿质量，gmo——材料干质量，g

3.耐水性(Waterresistance)——材料长期在水的作用下既不破坏强度又不显著下降的性质指标：软化系数fb——材料饱水状态抗压强度，MPafg——材料干燥状态抗压强度，MPa注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。KR>0.85，称为耐水材料

（1）渗透系数透水量：

4.抗渗性(Watertightness)

——抵抗压力水渗透的性质

渗透系数：

Ks的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。（2）抗渗等级

指石料、砼或砂浆所能承受的最大水压力。如最大承水压力为0.2MPa，表示为P2，另有P4、P6、P8、P10…5.抗冻性(Freeze-thawdurability)——材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏强度又不显著下降的性质。因素：水、负温度抗冻等级：能经受冻融循环的最大次数，记为F50、F100、F200、F300…1.1.4热工性质

1．热容量和比热

材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。材料比热容的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。

2．导热性

当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。3.耐燃性材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性。建筑材料分为三类：（1）非燃烧材料，如钢铁、石等；（2）难燃材料，如经过防火处理的刨花板；（3）可燃材料，如一般木材。观察与讨论1.1材料的物理性质孔隙对材料性质的影响

某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料合适？

讨论AB讨论1.1材料的物理性质

保温层的目的是减少外界温度变化对住户的影响。材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。

1.1材料的物理性质工程实例分析(1)加气混凝土砌块吸水分析

(2)火灾中混凝土的破坏(1)加气混凝土砌块吸水分析

某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、体积密度仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水不少，但实际吸水不多。

现象原因分析原因分析1.1材料的物理性质

加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为墨水瓶结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构。(2)火灾中混凝土的破坏

某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析原因。

概况原因分析原因分析1.1材料的物理性质

混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。基础知识1.2材料的力学性质1.2.1强度1.2.2弹性与塑性

1.2.3韧性与脆性1.2.4硬度

材料的力学性质：材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形：在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏：当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。材料可分为脆性材料和韧性材料。强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力。1.2.1强度1.几种强度（1）抗压(Compressive)、抗拉(Tensile)、抗剪(Shearing)强度

（MPa）

P——破坏时的最大荷载，N

F——受力截面面积，mm2

（2）抗弯强度（抗折强度Bendingstrength）

单点加荷：

三分点加荷：

不同材料，强度等级有不同的划分方法

2.比强度(Strength-weightratio)

——指材料强度与其表观密度之比。

意义：反映材料轻质高强的指标。值越大，材料越轻质高强

概念：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。区别：弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。1.2.2弹性与塑性指标：弹性模量

意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。1.2.3韧性(Fragility)和脆性(Tenacity)1.脆性——材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。

脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等

2.韧性——材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。

韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。

采用冲击试验测定。1.2.4硬度(Hardness)和耐磨性(Abradability)1.硬度——抵抗外物压入或刻划的能力。

可采用：摩氏硬度（石料、陶瓷等）；布氏、洛氏硬度（金属材料）。

特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。

2.耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力。

（路面材料要求）压入法实验刻划法实验观察与讨论脆性材料与韧性材料

观察以下两动画，请对比分析韧性材料与脆性材料的差异。讨论1.2材料的力学性质讨论1.2材料的力学性质

具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差，脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土等。

具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都是韧性材料。

工程实例分析1.2

材料的力学性质(1)测试强度与加荷速度

(2)砖浸水后强度下降

现象原因分析(1)测试强度与加荷速度

人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。原因分析(1)测试强度与加荷速度

材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷载的增长速度大于材料的变形速度，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。

现象原因分析(2)砖浸水后强度下降

某地发生历史上罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见右图。原因分析(2)砖浸水后强度下降

这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。基础知识1.3材料的耐久性与环境协调性

1.3.1材料的耐久性

1.3.2材料的环境协调性

1.3.1材料的耐久性

材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点合理地选用。1.3.2材料的环境协调性

土木工程材料的环境协调问题日益受到重视。材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高的可回收率。1994年设立中国环境标志产品认证委员会，据此土木工程材料中首先对水性涂料实行环境标志，制定环境标志的评定标准。

观察与讨论1.3材料的耐久性与环境协调性

(1)酸雨腐蚀建筑物

(2)路面磨损裂纹(1)酸雨腐蚀建筑物

下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在有的地方可见白色流迹线。

现象讨论(1)酸雨腐蚀建筑物

由于吸附了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物使其建筑物表面变黑，而且由于酸雨的冲洗，使石材露出新表面，从而形成流迹线。同时，石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物的表面腐蚀。

讨论(2)路面磨损裂纹

经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。

现象讨论(2)路面磨损裂纹讨论

路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不够。工程实例分析1.3材料的耐久性与环境协调性

(1)室内空气污染

(2)放射性污染现象原因分析(1)室内空气污染

某新建体育馆因造型新颖成为旅游热点，一小孩进入该馆即哭闹不止，到体育馆之外就恢复正常，再进馆又开始哭闹。原因分析(1)室内空气污染

该馆大量使用各种装修材料，由于刚竣工，室内空气污染严重。木地板使用较多的胶粘剂、脲醛树脂、合成橡胶胶乳等，释放甲醛、苯类和合成单体，这些有机物质经呼吸道吸入人体能引起头疼、恶心，刺激眼和鼻，严重时引起气喘、神志不清、呕吐和支气管炎。室内没有明显污染时的甲醛含量一般为0.134mg/m3～0.670mg/m3，使用各种装修材料后的游离甲醛含量可达2.3mg/m3。现象原因分析(2)放射性污染

某家居装修采用一种超过放射性物质控制要求规定的花岗岩作地板。经检测，室内氡含量高，后被迫拆除更换。原因分析(2)放射性污染

氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学研究表明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时选购石材须索要产品放射性合格证，根据石材的放射性等级作选择。

根据美国环保机构的调查数据，无形杀手导致人类患肺癌的数量每年在7000-10000人。基础知识1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响

1.4.1材料的组成及其对材料性质的影响

1.4.2材料的结构及其对性质的影响1.4.3材料的构造及其对性能的影响

1.4.1材料的组成及其对材料性质的影响

材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。如下图所示，Ａ、Ｂ为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ则为0.2％～0.4％，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而Ｂ则强度较高。1.4.2材料的结构及其对性质的影响1.

宏观结构2.

亚微观结构3.

微观结构1.

宏观结构

材料的宏观结构是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃钢等。多孔结构的材料有加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。2.

亚微观结构

亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在10－3～10－9m。材料的显微结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10－3～10－7m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等。3.

微观结构

材料的微观结构是指物相种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的结构基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特性。1.4.3材料的构造及其对性能的影响

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的互相搭配组合情况。构造这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。如孔隙是开口、细微且连通的，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，强度越高，表观密度越大。观察与讨论讨论AB1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响

两种石材性能对比

下图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完好如新