第一章 土木工程材料的基本性质

第一章土木工程材料的基本性质本章主要内容材料的物理性质材料的力学性质耐久性材料的组成、结构对性质的影响1.1物理性质（PhysicalProperties）1、与重量有关的性质自然堆积状态颗粒自然状态致密状态空隙孔隙材料的体积构成开口孔隙（体积为Vk）封闭孔隙（体积为Vb）固体物质（体积为V）自然状态下体积V0=V+Vp（表观体积）孔隙体积Vp=Vb+Vk

（1）密度（Density）密实材料，如金属材料、花岗岩等材料的内部密实而没有孔隙绝对体积或实体积——干燥状态材料实体积的求法形状规则且致密材料可根据其尺寸计算其体积形状不规则但致密材料——排液法非致密材料——磨成细粉后用排液法李氏比重瓶（2）表观密度（视密度，ApparentDensity）材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等V0自然状态下体积（表观体积）密实度D=1-P材料表观体积的求法形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积形状不规则的材料1、材料表面涂腊，然后用排液法得到其体积。2、二次排液法：先让材料吸水饱和，表面擦干后，再用排开液体的方法进行测定（要求材料的开口孔为毛细孔，饱水后水不易溢出）思考：怎么测定一堆有开口孔隙的石子的表观体积？（3）堆积密度（BulkDensity）堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等空隙体积砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积材料的几种含水状态（a）完全干燥状态(烘干状态)在100~110度温度下烘干，达到恒重状态；（b）气干状态(风干状态)在环境中达到平衡含水率时的状态；（c）饱和面干状态(表干状态)颗粒表面干燥，内部孔隙吸水饱和时的状态；（d）湿润状态(潮湿状态)颗粒内部吸水饱和，表面附有吸附水的状态。2、与水有关的性质亲水性材料憎水性材料θθ湿润角θ≤90°亲水性θ>90°憎水性(1)亲水性与憎水性（2）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,其大小以吸水率来表示。1）质量吸水率——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。mb——材料吸水饱和状态下的质量mg——材料在干燥状态下的质量

2）体积吸水率——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。式中: mb——材料吸水饱和状态下的质量；

mg——材料在干燥状态下的质量；

V0——材料在自然状态下的体积；

ρw——水的密度,常温下取ρ

w=1.0g/cm3。（2）材料的吸水性

指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，式中：ms——材料吸湿状态下的质量

mg——材料在干燥状态下的质量

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，其含水率称为平衡含水率。（3）材料的吸湿性（4）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。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：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

fg

——

材料在干燥状态下的抗压强度重要KR≥0.85次要KR≥0.75（5）材料的抗渗性指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。1）渗透系数

式中：K——渗透系数,（cm/h）;

W——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（h）。

（5）材料的抗渗性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。（6）材料的抗冻性材料在水饱和状态,能经受多次冻融循环作用而不破坏,也不严重降低强度的性质(重量损失≯5%,强度降低≯25%)。抗冻性用抗冻等级Fn表示，n为材料能经受的最大冻融循环次数。冻融破坏的原因材料中的孔隙水结冰时，体积膨胀，对材料孔壁产生压力，反复多次作用下，材料产生裂缝，并扩展、延伸，和连通，最后导致破坏。。3、与热有关的性质（1）导热性——当材料两面存在温度差时，热量传递的性质，称为材料的导热性，用导热系数λ表示：式中：λ——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，

t——热传导时间，h；

（T2－T1）——材料两面温度差，K。物理意义：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（1m2

）的热量。2.热容量——材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，其大小用比热容C表示式中：Q——材料吸收或放出的热量(热容量)；C——材料的比热容，J/（g·K）；m——材料质量，g；T1－T2——材料受热或冷却前后的温差，K。3、与热有关的性质物质导热系数/[W/（m·K）]比热容/[J/（g·K）]镀锌铁皮60.40.45普通砼1.280.88普通粘土砖0.810.84松木0.17～0.352.51冰2.202.05水0.64.19静止空气0.0251.003.热变形性——材料在温度变化时的尺寸变化，常用线性膨胀系数表示：式中：α——材料的线性膨胀系数；L——材料原来的长度，mm；ΔL——材料的线性变形量，mm；T2－T1——材料在升降温前后的温差，K。3、与热有关的性质3、与热有关的性质（4）耐燃性：材料对火焰和高温的抵抗能力，是决定建筑物防火、建筑结构耐火等级的重要因素。建筑材料按耐燃性可分为3类：I）非燃烧材料——在空气中受到火烧火高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。II)难燃材料——在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材。III）可燃材料——在空气中受到火烧火高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。3、与热有关的性质（5）

耐火性：材料在火焰或高温的作用下保持其原有性质的能力。通常用时间来表示，即按规定方法，从材料受到火的作用时间起，直到材料失去支持能力、完整性被破坏或失去隔火作用的时间，以h或min计。耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如钢材是非燃烧材料，但其耐火极限仅有0.25h，故钢材虽为重要的建筑结构材料，但其耐火性却较差，使用时须进行特殊的耐火处理。4、与声有关的性质（1）吸声性：指声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性，用吸声系数α(吸收声功率与入射声功率之比)表示。吸声系数α越大，材料的吸声性越好。吸声系数与声音的频率和入射方向有关。通常使用的六个频率为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz的声音从各个方向入射的吸收平均值，此平均值≥0.20则被称为是吸声材料。表观密度

对同一种多孔材料，体积密度增大，对低频的吸声效果有所提高，而对高频的吸声效果有所降低。

厚度

材料厚度增大，可提高低频吸声效果，而对高频影响不大。

孔隙特征

孔隙愈多、愈细小，吸声效果愈好。

位置悬吊于空中的吸声效果最好。影响多孔吸声材料的吸声效果的主要因素：4、与声有关的性质（2）隔声性：指能阻止声音穿透材料的性质。空气声隔绝固体声隔绝1.2力学性质（MechanicalProperties）应力（stress）与应变（strain）应力：作用于材料单位面积上的内力。应变：沿外力作用方向上，单位长度所发生的变形。1.2力学性质（MechanicalProperties）1、材料的强度（Strength）（1）定义：在外力（荷载）的作用下抵抗破坏的能力不同材料的破坏可能出现两种情况：1.应力达到一定值时出现较大的不可恢复变形而导致破坏，如钢材的屈服；2.应力达到其极限值而出现断裂，几乎所有的脆性材料都属于这种。（2）类型：

抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。

（CompressiveStrength,TensileStrengthBendingStrength,ShearStrength)(a)压力(b)拉力(c)剪切FFF式中：f——材料强度，MPa；

F——破坏时最大荷载，N；

A——受力截面面积，mm2。1.材料的强度（Strength）F/2F/2(d)弯曲LLL/3L/3L/3F式中fm:材料抗弯强度，MPa；F:材料破坏荷载，N；L:两支点间距离，mm；b:试件截面的宽度，mm；h:试件截面高度，mm。

1.材料的强度（Strength）外因:1）试件端部约束情况;2）试件的形状、尺寸;3）加荷速度;4）试件表面平整度;5）试验环境的温、湿度

影响强度的因素:内因：1）材料内部质子间结合力的强弱；2）孔隙率大小，孔隙分布、孔隙特征。指按单位质量计算的材料强度，其值为材料与表观密度之比（f/ρ0），是评价材料轻质高强的指标。2.材料的比强度3.材料的弹性与塑性弹性当外力撤消后能够完全恢复原来形状的性质。塑性当外力撤消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。弹性模量

实际材料较小外力作用下，表现为弹性变形；受力超过限度后，表现为塑性变形。受力后，弹性变形与塑性变形同时产生为弹塑性变形。E↑则抵抗变形的能力↑εσab4.材料的脆性与韧性脆性材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质。韧性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较大的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。脆性材料陶瓷、砖、岩石等。韧性建筑钢材、沥青混凝土、木材等适用于承受压力静荷载。适用于抗冲击、抗震要求高的结构。徐变与应力松弛徐变硬化后的砼在恒定外力的作用下，变形随时间而缓慢增加。应力松弛材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变，由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低徐变和塑性变形徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。5.硬度和耐磨性硬度——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。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。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、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。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、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。压入法可用于金属硬度的评定。5.硬度和耐磨性耐磨性——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：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）。1.3耐久性（Durability）定义：材料在使用过程中经受各种破坏因素(物理的、化学的、生物的、机械的……等等)的作用，而能保持其原有性能的能力。（1）物理作用（如干湿交替、冻融循环等）（2）化学作用（如酸雨对混凝土的破坏）（3）生物作用（如各种细菌、昆虫对木材、混凝土、钢材的破坏）（4）机械作用（如车辆等对道路桥梁的破坏等）使材料在使用过程中发生失效/性能下降的破坏因素1.3耐久性（Durability）耐久性是衡量材料在长期使用条件下的安全性能的一项综合指标，其内容包括：抗渗性、抗冻性、抗风化性、耐蚀性、抗老化性、耐热性、耐磨性……耐久性评价方法：1）长期观察测试（自然环境暴露试验）2）加速试验（实验室模拟加速试验）1.4材料的组成、结构对性质的影响1.组成1）化学组成（chemicalcomposition）指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。如水泥化学组成：

SiO220~24%CaO62~67%Fe2O32.5~6.0%AL2O34~7%MgO<5%化学组成表示法金属：化学元素含量；非金属无机物：氧化物含量；有机物：化合物含量2）矿物组成（mineralcomposition）1.4材料的组成、结构对性质的影响矿物无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构矿物。矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。如水泥的矿物组成：

3CaO.SiO237~60%2CaO.SiO215~37%3CaO.AL2O37~15%4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%2.结构（Sturcture）亚微观＞10-310-3～10-610-6～10-101）宏观结构（Macrostructure）致密结构钢材、玻璃、沥青强度大、吸水性小、