第1章 材料的基本性质200703

12023/2/1土木工程材料

第1章工程材料的基本性质

杨中正2023/2/121.1材料的物理性质▲1.2材料的力学性质▲1.3材料的耐久性▲1.4材料的光学性能第1章土木工程材料的基本性质2023/2/13

第1章

土木工程材料的基本性质

建筑材料的基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。

第一节材料的物理性质1.材料的体积：体积是材料占有的空间尺寸。包括绝对密实体积、表观体积和堆积体积。（1）材料的绝对密实体积（Ｖ）：材料在绝对密实状态下的体积，即材料内部没有孔隙、空隙时的体积。（2）材料的表观体积（V0）：材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积，含内部孔隙和水分，但是不包括开口气孔。2023/2/14（3）材料的堆积体积（）：

粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积，包括颗粒内部的孔隙、颗粒间的空隙。根据其堆积状态不同，同一材料表现的堆积体积大小不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。2.材料的密度

材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：ρ=m/v

式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

ρ—材料的绝对密实体积，cm3或m3

测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。2023/2/153.材料的表观密度（容重）

表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量，一般指气干状态下的表观密度。按下式计算：

式中 ρ0—材料的表观密度,g/cm3

或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

V0—材料的表观体积，cm3

或m3

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，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（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结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关.2023/2/164.材料的堆积密度

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：

ρ0'=m/v0'=m/(V+VP+Vv)

式中:ρ0'—材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

v0'—材料的堆积体积，cm3或m3

粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙。2023/2/176.材料的密实度

密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。

计算式如下：

D=V/V0×100%=（ρ0/ρ）×100%对于绝对密实材料(ρ—密度；ρ0—材料的表观密度)，因ρ0=ρ，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0〈

ρ，故密实度D‹1或D

‹

100%。

2023/2/187孔隙率

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，

P＝1－D。孔隙率P按下式计算：V—材料的绝对密实体积，cm3或m3V0—材料的表观体积，cm3或m3ρ0—材料的表观密度,g/cm3

或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m3

2023/2/19

8空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：

P'=Vv/V0'×100%=(V0'-V0)/V0'×100%=(1-ρ0'/ρ0)×100%

ρ0—材料的表观密度;ρ0'—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密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。2023/2/1109填充率.指散粒状材料在某堆积体积中被其颗粒填充的程度。

D'=V0/V0'×100%=ρ0'/ρ0

×100%2023/2/111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)——排水法(水中重法)毛体积（实体＋闭口＋开口）——规则试件：计算法；不规则试件：饱和排水法堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)——密度筒法2023/2/112第二节材料的力学性质

材料力学性质指材料在外力作用下有关变形的性质和抵抗外力作用破坏的能力。1.材料的强度.是材料在外力作用下抵抗破坏的能力。包括理论强度和实际强度。理论强度：指按材料结构质点（原子、分子和离子）作用力计算的强度，一般都很高。实际强度：按材料在荷载下实际具有的强度，一般远远低于理论强度。如C30理论抗拉强度为3X103MPa，实际抗拉强度为3MPa原因是材料内部都存在很多缺陷。材料的强度通常指实际强度。2023/2/113根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的抗弯、抗拉、抗压、抗剪强度的计算式如下：-f------材料强度，MPa

Fmax--材料破坏时的最大荷载，N

A------试件受力面积，mm22023/2/114材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：

fw------材料的抗弯强度，MPa

Fmax---材料受弯破坏时的最大荷载，N

A------试件受力面积，mm2

L------两支点的间距，mm

b、h---试件横截面的宽及高，mm

2023/2/115对于对称荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：Fmax/2Fmax/2

a------对称荷载间的距离， mm

2023/2/116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，具体划分在各章分讲L/2L/22023/2/117强度等级.为了掌握材料的力学性质，合理选择材料，将材料按极限强度(或屈服点)划分成不同的等级即强度等级。如石材、混凝土、红砖等脆性材料主要用于抗压，因此以抗压极限强度来划分等级，而钢材主要用于抗拉，故以屈服点作为划分等级的依据。

“比强度”

是评价材料是否轻质高强的指标，指单位质量的材料所具有的强度。其值等于材料的强度除以表观密度，其数值大者，表明材料轻质高强.2.弹性和塑性

弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质。其变形称为弹性变形（或瞬时变形）。如弹性模量E＝σ/ε。塑性指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，并且不产生裂缝的性质。其变形称为塑性变形（或永久变形）。2023/2/1183.徐变与松弛：徐变指在长期不变外力作用下，变形随时间延长而逐渐增大的现象；应力松弛指在长期荷载作用下，如总变形不变，而弹性变形逐渐降低、塑性变形逐渐增加的现象。4.脆性和韧性

脆性指材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形的性质。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。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。

韧性或冲击韧性指材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量而不破坏的性能。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：2023/2/119式中ak-----材料的冲击韧性，J/mm2

；

Ｗk-----试件破坏时所消耗的功，J；

A-------材料受力截面积,（mm2）.5.硬度、磨损及磨耗

5.1.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。硬度大的材料耐磨性较强，但不易加工。5.2.磨损.材料受外界物质的摩擦作用而减小质量和体积的现象。5.3.

磨耗.材料同时受到摩擦和冲击而减小质量和体积的现象。2023/2/120

材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中G------材料的磨耗率，（g/cm2）；

m1----材料磨损前的质量，（g）；

m2-----材料磨损后的质量，（g）；

A------材料试件的受磨面积（cm2）.6疲劳极限.指在交替荷载作用下，应力也随时间作交替变化，这种应力超过某一限度而长期反复会造成材料的破坏的限度。

疲劳破坏往往没有明显的塑性变形，即发生突然断裂，即使塑性好的材料也是这样，破坏应力低于极限强度，甚至底于屈服强度。2023/2/121第三节材料与水有关的性质

1.材料的亲水性与憎水性

润湿角(接触角)：是气、固、液三相的交点沿液面切线与液相和固相相接触的方向所成的角。产生的原因是由水分子和固体材料表面之间的相互作用不同引起的。a、当水分子的内聚力<水分子与固体分子间的吸引力时,材料表现为亲水性。b、当水分子的内聚力>水分子与固体分子间的吸引力时,材料表现为憎水性。>90º

憎水性=180º

完全不润湿图1－1材料润湿示意图

90º

亲水性=0º

完全润湿2023/2/1222.材料的吸水性

材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。

2.1.质量吸水率

质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。计算公式为：

式中mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。

2023/2/1232.2体积吸水率

体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WＶ表示。计算公式为：

式中 mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。

V0—

材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）

ρw—

水的密度,（g/cm3

或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3

2023/2/124材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。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。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。孔隙特征：大孔，小孔，开口，闭口，连通,封闭。3.材料的吸湿性

材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。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----吸湿过程；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---干燥过程。即材料的含水多少是随空气的湿度变化的。2023/2/125材料的含水率指材料在任一条件下含水的多少，并以Ｗh表示。其计算公式为：

式中 ms——材料吸湿状态下的质量（ｇ或kg）；

mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。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，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。而材料吸水达到饱和时的含水率即为材料的吸水率。2023/2/1264.材料的耐水性.指材料长期在饱和水的作用下不破坏，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软化系数KR：式中KR--材料的软化系数

fb--材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）。

fg--材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）

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。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。

2023/2/127软化系数的波动范围在0-1。工程中通常将

ＫＲ＞0.85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位时，材料软化系数也不得小于0.75。5.抗冻性

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。

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，体积膨涨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（-15℃和室温或20℃）的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。

2023/2/128抗冻性以试件在冻融后的质量损失或相对动弹模量损失、强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环，质量损失不超过５％，相对动弹模量下降至≦６０％，强度损失不超过２５％。影响抗冻性因素：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。6.材料的抗渗性.是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，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、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，造成材料的破坏。

2023/2/1296.1渗透系数.通过下式计算:

K—渗透系数,（cm3/（s.cm2））；Q—渗水量，（cm3）；A—渗水面积,（cm2）；H—材料两侧的水压差，（cm）；d—试件厚度（cm）；t—渗水时间（s）.6.2抗渗等级.

指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，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。影响因素：孔隙率，空隙特征。应用：地下建筑，水工建筑，防水材料。2023/2/130λ——导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ｑ－传导的热量，Ｊ

ｄ—材料厚度，ｍ；A——热传导面积，m2

t一热传导时间，s；（T2-T1）－材料两面温度差，K

在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1Ｋ时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1㎡)的热量。

一般将λ≤0.175Ｗ／（ｍ·Ｋ）的称为绝热材料。如泡沫塑料（λ＝0.035）。

第四节材料的热工性质1.导热性--材料传导热量的能力。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。导热性用导热系数λ表示。2023/2/131

2.热容量和比热

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热容量。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式：C---材料的比热，J/（g·K）；Q--材料吸收或放出的热量(热容量)

m---材料质量，g；（T2-T1）--材料受热或冷却前后的温差，K3.热阻和传热系数

热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力。热阻的计算式Ｒ＝1/λＲ——材料层热阻，（m·K）/W；

λ——材料的导热系数，Ｗ／(ｍ·K)2023/2/132

第五节材料的耐久性

材料的耐久性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而不破坏，且能保持原有性能的性质。包括抗渗、抗冻、抗风化、抗老化和耐腐蚀等。

材料在建筑物中，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的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、生物的作用。

物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，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。2023/2/133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。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。砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。2023/2/134

决定材料耐腐蚀的内在因素主要有:

(1)材料的化学组成和矿物组成。如果材料的组成成分容易与酸、碱、盐、氧或某些化学物质起反应，或材料的组成易溶于水或某些溶剂，则材料的耐腐蚀性较差。

(2)非晶体材料较同组成的晶体材料的耐腐蚀性差。因前者较后者有较高的化学能，即化学稳定性差。

(3)材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率。孔隙率越大，腐蚀物质越易进入材料内部，使材料内外部同时受腐蚀，因而腐蚀加剧。

(4)材料本身的强度。材料的强度越差，则抵抗腐蚀的能力越差。2023/2/135第六节材料的其它性质1.装饰性能

指材料具有美化整个建筑物，并可保护建筑物，改善室内环境条件的性能。所以说装饰性能实际上也是一个综合性能。

选用装饰材料要考虑颜色、光泽、透明度、表面组织、形状尺寸、成本造价以及多功能性。2.防火性能

指材料在使用状态下，抵抗火灾作用的性能。按燃烧性能可将材料分为燃烧材料、难燃材料和非燃烧材料。一般采用表示材料燃烧的难易程度氧指数。所谓氧指数指 在规定条件下，固体材料在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧需的最低氧含量。2023/2/136一般认为，氧指数＜22属易燃材料，氧指数在22--27之间属可燃材料，氧指数＞27属难燃材料。3.放射性指材料中放射性元素放出的射线，会对人的健康产生影响，这种性能称为材料的放射性。2023/2/137第7节.建筑材料的组成、结构和构造

1.材料的组成.包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。（1）化学组成：组成材料的化学元素及其化合物的种类和数量。（2）矿物组成：构成材料矿物的种类和数量。矿物指具有特定的化学成分、晶体结构和物理性能的物质或单质。如花岗岩由石英和长石矿物组成。（3）相组成：相的种类和数量。相指具有同一聚集状态、同一结构合性质并以界面相互隔开的均匀部分。2023/2/1382.材料的构造.

指宏观组织结构而言，如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理等。3.材料的结构.

材料的结构包括宏观结构、细观结构和微观结构。3.1.宏观结构.是指材料宏观存在的状态，即肉眼或放大镜可分辨的毫米级组织。主要有致密结构、多孔结构、纤维结构、层状结构等。

按孔隙尺寸可以分为：

（1）致密结构，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、玻璃、玻璃钢、塑料等。2023/2/139致密天然石材2023/2/140（2）多孔结构.指具有粗大孔隙的结构。这种材料的的性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况。一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。

加气混凝土2023/2/141按照组织结构分为：(1）纤维结构。其材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙。这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。如竹的纤维构造。竹2023/2/142

（2）层状结构.指天然形成或人工方法用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合成具有层状的材料结构。其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。胶合板2023/2/143

(3）散粒结构.指呈松散颗粒状的材料。有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。陶粒2023/2/144(4）纹理构造.

天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等。为了提高建筑材料的外观美，目前广泛采用仿真技术，已研制出多种纹理的装饰材料。大理石2023/2/145

（5）堆积结构：由集料与具有胶凝材性或粘结性物质胶结而成的结构。如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料。3.2.微观结构.指原子、分子层次上的结构，其尺寸为10-10—10-6m级。材料的许多性质（如强度、硬度、熔点、导热性、导电性等）都取决于其微观结构。一般可分为晶体、玻璃体和胶体。

晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列。

玻璃体也称非晶体或无定形体。其化学不稳定结构，容易与其它物质起化学作用。

胶体结构的晶粒为10-7～10-9m的固体颗粒作为分散相，称为胶粒，分散在连续介质中形成的分散体系，被称为胶体。2023/2/146

3.3.细观结构（或显微结构、亚微观结构）.指光学显微镜能看到的10-6—10-3m级的结构，介于微观结构和宏观结构之间。如金属材料晶粒的粗细及其金相组织，木材的木纤维，混凝土中的孔隙及界面等。珠光体注：（1）珠光体.铁素体和渗碳体的机械混合物，层状结构。

铁素体.指碳在α-Fe（910℃下结晶体）中的固溶体，含碳量＜0.6％。渗碳体指铁和碳的化合物Fe3O，含碳量高达6.67％，结构复杂。2023/2/147刚玉刚玉莫来石莫来石2023/2/148思考题P23习题一、二、三、四（1,5）2023/2/149例2-1材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？解：密度表观密度堆积密度

对于含孔材料，三者的测试方法要点如下：测定密度时，需先将材料磨细，之后采用排出液体或水的方法来测定体积。测定表观密度时，直接将材料放入水中，即直接采用排开水的方法来测体积；测定堆积密度时，将材料直接装入已知体积的容量筒中，直接测试其自然堆积状态下体积。含水与否对密度无影响，因密度是对干燥状态而言的。含水对堆积密度，表观密度的影响则较复杂．一般来说是使堆积密度表观密度增大。2023/2/150例2-2某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解：石子的孔隙率：石子的空隙率：2023/2/151例2-3某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解：该石材的软化系数为:由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故