材料的基本性质

土木工程材料高云建筑工程学院

第一章土木工程材料的基本性质

1.3

材料的耐久性1.2

材料的力学性质1.4

材料的组成、结构和构造1.1

材料的物理性质材料的两种孔隙：开口孔（连通孔）：在材料内部孔与孔之间相互连通，且与外界相通，为开口孔。闭口孔：孔与孔彼此不连通，且与外界隔绝，称为闭口孔。自然状态下的体积示意图（1-固体；2-闭口空隙；3-开口空隙）1.密度（ρ）材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。ρ——密度，g/cm3；m——材料的质量，g；V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。一、材料的密度、表观密度和堆积密度绝对密实:不包括孔隙。如何测？磨成细粉，用李氏瓶；原理：排液置换法。李氏密度瓶实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似密度）。

2.

表观密度（ρ0）材料在自然状态下，单位体积的质量。ρ0——表观密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3。表观体积:包括孔隙在内的体积。即固体体积＋孔隙体积。

如何测？排液、蜡封3.

堆积密度（ρ0/

）粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。ρ0/——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V0/——材料的堆积体积，cm3或m3。堆积体积:散粒材料填充容器的体积。

固体体积＋孔隙体积＋颗粒间空隙。一般针对粉状或粒状材料。如何测？

标定的容器常用土木工程材料的密度、表观密度及堆积密度材料密度ρ/g·cm-3表观密度ρ0/kg·m-3堆积密度ρ/0/kg·m-3石灰岩2.601800~2600—花岗岩2.802500~2900—碎石（石灰岩）2.60—1400~1700砂2.60—1450~1650普通粘土砖2.501600~1800—空心粘土砖2.501000~1400—水泥3.20—1200~1300普通混凝土—2100~2600—轻集料混凝土—800~1900—木材1.55400~800—钢材7.857850—泡沫塑料—20~50—

对同种材料而言，密度>表观密度>堆积密度密实度（D）

：表观体积中固体物质充实的程度。或孔隙率（P）

：表观体积（V0）中孔隙体积（VP）占的比例。即密实度+孔隙率=1二、材料的孔隙和空隙1.材料的孔隙率和密实度

反映材料的密实程度孔隙率反映孔隙多少或致密程度孔隙增多强度降低导热性能降低透气性，透水性，吸水性变大抗冻性一般降低。表观密度减小尺寸：微孔、细孔、大孔孔隙特征封闭孔（VB）、连通孔（开口）（VK）

孔隙率对材料性能影响很大2.（散粒）材料的空隙率与填充率填充率（D'

）:堆积体积中，颗粒填充的程度。或或填充率+空隙率=1空隙率（P'）：堆积体积（V0'）中空隙体积（VS）占的比例。

反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的致密程度

材料的亲水性与憎水性耐水性材料的吸湿性和吸水性抗冻性抗渗性三、材料与水有关的性质1、材料的亲水性和憎水性亲水性（θ≤900）憎水性（θ＞900）

亲水性材料：砖、木、混凝土、水泥憎水性材料：沥青、石蜡、塑料管材等

亲水性：当水与建筑材料在空气中接触时，水在材料的表面易于扩展，这种与水的亲和性称为亲水性。憎水性：材料与水接触时，不与水亲和，这种性质称为憎水性。润湿边角：在材料、水、空气三相交点处，沿水滴表面切线与水和材料的接触面的夹角，用θ表示。用来表示材料的亲水性。

2、材料的吸湿性和吸水性平衡含水率：材料与空气湿度达到平衡时的含水率。（1）吸湿性：材料在潮湿的空气中吸收水分的性质。其大小用含水率表示。含水率：材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。Wh——材料的含水率，%；mh——材料在吸湿状态下的质量，g；m——材料在干燥状态下的质量，g；练习：含水率为10％的100g湿砂，其中干砂多少？受环境中温度和湿度的影响（2）吸水性：材料在水中吸收水分的性质。其大小用吸水率表示吸水率：通常用质量吸水率和体积吸水率两种表示方法表示。Wm——材料的（质量）吸水率，%；m1——材料吸水饱和状态下的质量，g。m——材料在干燥状态下的质量，g；

1）质量吸水率材料吸水饱和时吸入水分的质量占干燥材料的质量的百分率。材料吸水达到饱和状态时的含水率即为质量吸水率，为最大含水率。2）体积吸水率材料吸水饱和时，吸入水的体积占干燥材料自然体积的百分率。wV——材料的体积吸水率，%；V0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3;Vw——材料在吸水饱和时水的体积，cm3;ρw——水的密度（g/cm3）（3）二者之间的关系思考：体积吸水率与开口孔隙率的关系？相等材料吸水体积膨胀导热性能增加表观密度变大强度降低（少数除外，如混凝土）吸水性的影响因素：材料成分（亲水、憎水）、孔隙率大小、孔隙特征（细微连通、粗大或封闭）。

吸水率的影响因素材料吸水对材料性能的影响取某干燥状态的材料50g磨成细粉，用李氏瓶测得体积为19.23cm3，将该材料浸水饱和后测得其体积吸水率为25.2%，1m3重1952kg，求该材料的表观密度和孔隙率。例题解：1、该材料的密度值为：2、求该材料的表观密度。由于材料的体积吸水率为25.2%，即1m3材料浸水饱和后吸入0.252m3的水，或者说吸入252kg的水。3、材料的孔隙率为：材料长期在饱和水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。水分分散于材料内微粒的表面削弱结合力降低强度3、耐水性耐水性用软化系数K软表示：f饱——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa。f干——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa

。0＜K软＜1;常位于水中或潮湿环境的重要结构：

K软≥0.85；受潮较轻或次要结构：

K软≥0.75。耐水材料：通常将软化系数>0.85的材料，称为耐水材料

材料抵抗压力水（或液体）渗透的性质。常用渗透系数（K）或抗渗等级（P）来评价。4、抗渗性

渗透系数K值越大，材料的透水性越好，抗渗性越差抗渗等级S值越大，材料的的抗渗等级越大，抗渗性越好影响因素：孔隙率、孔隙特征材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度不显著降低（≦25%）且质量也不显著减小（≦5%）的性质。材料吸水负温作用水冻结成冰，体积膨胀材料局部破坏冻融循环破坏逐步加剧（冻融破坏）常用抗冻等级（F）来评价。5、抗冻性

材料破坏的机理表示方法抗冻等级：将材料所能抵抗的冻融循环的次数作为评价抗冻性的指标，称为抗冻等级，用Fn表示。F25表示材料能抵抗冻融循环25次。一次冻融循环：通常采用将材料在-15℃的温度冻结后，再在20℃的水中融化，这样的一个过程，称为一次冻融循环。定义：导热系数（λ）（热导率）：在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1K时，经单位面积（1m2）单位时间（1s）所通过的热量。1、导热性

λ

——导热系数，；Q

——传导热量，J；

——材料厚度，m；A

——材料传热面积，m2；t

——热传导时间，s；T2-T1——材料两侧温差，K。δ工程中通常把λ<0.23W/（m·K）的材料称为绝热材料。四、材料与热有关的性质影响材料导热性的因素：材料的组成及微观结构孔隙率及孔隙特征材料的含水程度2、热容性热容量（C）：材料温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。比热容（c）：单位质量材料温度升高1K时所需热量。

在设计建筑围护结构时，选用热导率较小而热容量较大的材料，以起到较好的保温隔热的作用。1.2

材料的力学性质强度与比强度弹性与塑性硬度与耐磨性脆性与韧性

材料的强度：外力作用下不破坏时能承受的最大应力。按外力作用方式：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。抗压抗拉抗弯抗剪一、强度、比强度

材料强度的计算公式（1）抗拉、抗压、抗剪强度：f—材料的强度，N/mm2或MPa；Pmax—材料破坏时的最大荷载，N；A—受力截面面积；（2）抗弯强度：单点集中加荷：f—材料的抗弯强度

N/mm2或MPa；Pmax—破坏时的最大荷载N；L—两支点的间距mm；b、h—试件横截面的宽与高mm。

常用土木工程材料的强度（N/mm2或MPa

）材料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗岩100～2505～810～14普通粘土砖10～30—2.6～5.0混凝土10～1001～83.0～10.0松木（顺纹）30～5080～12060～100建筑钢材240～1500240～1500—材料强度的影响因素：材料组成、孔隙率、含水率、尺寸、加载速度、表面状况。

比强度材料强度与表观密度之比。衡量材料轻质高强性能的主要指标。钢材、木材和混凝土的强度比较材料表观密度/kg·m-3抗拉强度/MPa比强度低碳钢78004200.053松木50035（顺纹）0.070普通混凝土2400300.012

1.弹性：弹性变形：可完全恢复的变形材料的弹性变形曲线外力作用→变形外力除去→

变形保持塑性变形：不能恢复的变形材料的塑性变形曲线二、弹性与塑性外力作用→变形外力除去→变形完全恢复2.塑性：真实材料中，完全的弹性材料或完全的塑性材料不存在。3.弹塑性变形：材料的弹塑性变形曲线外力作用→变形；卸载后→弹性变形恢复，塑性变形保留。

1.脆性：外力达到一定限度→材料突然破坏（无明显塑性变形）脆性材料的变形曲线常见脆性材料：砖、玻璃、生铁、混凝土、陶瓷、石材、砂浆2.韧性：冲击、振动荷载作用→材料吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不发生突然破坏三、脆性和韧性

1.硬度：材料表面抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。2.耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。四、硬度和耐磨性

莫氏硬度（刻划，测定天然矿物,矿物硬度分为10级,10级依次为：滑石、石膏、方解石、氟石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石）布氏硬度（用钢球压入法测定）、维氏硬度耐磨性材料抵抗磨损的能力称为材料的耐磨性。用磨损率表示：

B=（m1-m2)/A材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不变质、不破坏的性质。土木工程材料耐久性与破坏因素有关。破坏因素包括物理作用、化学作用和生物作用。如抗渗性、抗冻性、冲磨气蚀、碳化、化学侵蚀、老化、钢筋锈蚀、碱集料反应、腐朽、虫柱、耐热、耐火等。1.3

材料的耐久性

材料的耐久性：

西直门立交桥承台的破坏离岸式码头钢筋混凝土柱的腐蚀外墙面砖的腐蚀