第1章建筑材料基本性质

第一章

土木工程材料的基本性质

一、教学要求掌握材料的组成与构造，掌握材料的物理、力学性质及耐久性。二、重点、难点1．建筑材料的各种情况下的密度计算2．建筑材料的构造3．建筑材料的力学性质4．建筑材料与水有关的性质第一节材料的化学组成、结构与构造材料的各种性能主要取决于其组成和结构一、化学组成：（材料化学成分的组合形式）元素组成：材料的化学成分的构成。矿物组成：由相同化学组成而形成的性质不同化合物。二、微观结构：材料从宏观到微观不同层次的构造情况。微观结构：原子、分子、离子层次的组成形式（10-10m）：【晶体结构】【玻璃体结构】【胶体结构】三、宏观构造：

【致密状构造】（钢材、玻璃）密度大、强度高、导热性高【多孔状构造】（加气砼、发泡塑料、石膏制品

）【微孔状构造】（石膏制品、烧结砖）【散粒状构造】（砂、石子）【纤维状构造】（木材、玻璃棉）各向异性【层状构造】（胶合板、夹层玻璃、纸面石膏板）各向异性

四、建筑材料的孔隙1．孔隙形成的原因（1）水分的占据作用：（2）外加剂的发泡作用：（3）火山作用：（4）熔烧作用：2．孔隙的类型：（1）连通孔：（亦称开口孔隙）孔隙之间与外界间都连通。（2）封闭孔：（亦称闭口孔隙）孔隙之间不连通，孔壁致密。（3）半封闭孔：孔隙孤立，保孔壁有一定透气、透水性。3．孔隙的特征参数及对材质影响：（1）特征参数

孔隙率：孔隙的多少

孔隙大小：粗大孔（mm以上）；细小孔:（μm~mm）吸水↑抗冻性↓极细微孔：（十分之几μm）无害。连通情况：连通孔，封闭孔.（2）孔隙对材性的影响：

体积密度；强度；导热性及热容性；吸水性；透水性；物理性质：包括材料的密度、孔隙状态、与水有关的性质、热工性能等。

化学性质：包括材料的的抗腐蚀性、化学稳定性等，因材料的化学性质相异较大，故该部分内容在以后各章中分别叙述。

力学性质：材料的力学性质应包括在物理性质中，但因其对建筑物的安全使用有重要意义，故对其单独研究，包括材料的强度、变形、脆性和韧性、硬度和耐磨性等。

耐久性：材料的耐久性是一项综合性质，虽很难对其量化描述，但对材料的使用至关重要。材料的基本性质可归纳为以下几类：材料的体积构成V开（开口孔隙体积）V闭V（绝对密实体积）V0（自然体积）V0’

（堆积体积）V+V闭=V’（表观体积）（闭口孔隙体积）第二节材料的基本状态参数一、材料的密度、表观密度和堆积密度（一）密度density密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。公式：ρ=m/V

李氏瓶“V”的测定：（a）密实材料（形状规则）：测量计算（V＝V+V闭)（b）非密实材料：磨成细粉→粉末体积认为V，消除孔隙影响。（二）表观密度apparentdensity表观密度是指材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。公式：（三）体积密度（容重）体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量。公式：ρ0=m/V0“V0”的测定：（1）形状规则：测量（2）形状不规则：排水法（需表面涂腊）ρ0的影响因素：材料本身（组成、孔隙）;材料的含水情况（四）堆积密度bulkdensity堆积密度是指散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量。公式：

“V0”的测定：容积桶或测量外包体积。ρ0的影响因素：材料本身（组成、孔隙）；含水情况；堆积状况。(4)几种密度间的区别（1）大小：ρ≥ρ≥ρ0≥ρ0(同一材料)（2）影响因素：（3）计算表示式中体积的不同

ρ:V＝V＋V闭；

ρ0:V0＝V＋V闭＋V开＝V＋V孔

ρ0:V0＝V＋V闭＋V开＋V空＝V＋V孔＋V空（4）计算表达式中质量的不同

ρ，ρ中m为绝对干燥的质量

ρ0，ρ0中m为自然状态下的质量（可能含水）二、材料的密实度

degreeofcompaction

材料密实度是指在材料体积内被固体物质充实的程度。公式表示如下：D=V/V0=ρ0/ρ三、材料的孔隙和空隙（一）材料的孔隙

airvoids材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表示。孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率。材料的密实度和孔隙率之和等于1，即D+P=1开口孔隙率材料中能被水饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率

闭口孔隙率（二）材料的空隙void散粒材料颗粒间的空隙常用空隙率表示。空隙率是指散粒材料颗粒间的空隙体积(包括开口孔隙)占堆积体积的百分率。公式：

结论：土木工程材料要承受不同的作用，因而要求材料具有相应的不同性质，如：受力不同选用不同力学性能的材料使用功能不同选用材料功能不同路面材料不同部位

1、一般地，孔隙率小且连通孔较小的材料，其吸湿性小、强度较高、抗渗性、抗冻性较好！2、材料的密实度反映了材料的致密程度。材料的很多性能，如强度、吸水性、耐久性、导热性等均与密实度有关！3、孔隙特征：（1）按孔的大小可分为微孔、细孔和大孔；（2）按是否连通分为连通孔和孤立孔；（3）按是否与外界连通分为开口孔和封闭孔。注意•材料的状态特征，如密度、体积等；•材料的力学性质，如强度、耐磨性等；•材料与水有关的性质，如吸湿性、吸水性、抗渗性、抗冻性等；•材料的热容性质，如保温性；•材料的声学性质，如吸声性等。4.材料的孔隙率及孔隙特征第三节材料的物理性能一、材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性亲水性wateraffinity憎水性hydrophobicity

湿润角亲水性材料：θ≤90的材料（水与材料间吸引力>水分子间吸引力）材料能被水润湿（亲水）憎水性材料：θ>90的材料(水与材料间吸引力<水分子间吸引力)材料不能被水润湿（憎水）注：材料的四种含水状态：干燥状态气干状态饱和面干状态湿润状态二、材料与水有关的性质1.吸湿性hygroscopicity材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。2.材料的吸水性

材料能吸收水分（饱和）的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。

还湿性平衡含水率质量吸水率

——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ｗ表示。

体积吸水率——材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率.计算式：

Wv=(m1-m2)/V0*100%(W0≯1)（可大于1）影响吸水率的因素：材料的亲水、憎水性；孔隙率；孔隙形态特征（孔径大小，孔隙连通状态）吸水率对材料性能影响：（指吸水饱和后）W↑ρ0↑导热性↑强度↓抗冻性↓

两种吸水率间的关系：Wv/Wm=m2/V0=ρ0(干燥体积密度)即Wv=Wmρ0（ρ0<1，Wv<Wm材料较水轻）（ρ0>1，Wv>Wm材料较水重）3、耐水性材料在长期饱合水作用下，保持其原有性质（不破坏，强度也不显著降低）的能力。技术指标：软化系数KPKP＝fw/f(0~1)fw－材料浸水饱和时的抗压强度，MPa。f－材料干燥状态下的抗压强度，MPa。Kp↑耐水性↑Kp↓耐水性↓材料的耐水性越差，其使用环境将受到很大限制。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，使材料强度有不同程度的降低。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，造成强度严重降低。

耐水性及软化系数 材料软化系数范围在0至1之间。软化系数越小，材料的耐水性越差，其使用环境将受到很大限制。 软化系数ＫＲ＞0.85的材料称为耐水性材料，耐水材料可用在水中或潮湿环境中以及重要工程中。 即使用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料的软化系数也不得小于0.75。抗冻性

4.抗冻性freezeresistance 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。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻等级

5.抗冻性

材料抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或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。

材料抗冻等级：

Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200。

材料可承受的冻融循环次数：

15次、25次、50次、100次、200次。 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。抗渗性含义如：抗冻标号F8，表示满足强度损失≯25％，质量损失≯5％的情况下，材料可经受最多8次冻融循环。

6.抗渗性及抗渗等级 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木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。抗渗性系数渗透系数permeabilityefficient

根据达西定律，渗透系数的计算公式如下：K=Qd/AtH抗渗等级抗渗等级是以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级以符号“P”和材料可承受的水压力值（以0.1MPa为单位）来表示:p2,p4,p6,p8.三、材料的热工性能（一）导热性thermalconductivity导热性是材料传导热量的能力。导热性的大小以导热系数表示.导热系数的含义是当材料两侧的温差为1K时，在单位时间（1h）内，通过单位面积(1㎡),并透过单位厚度(1m)的材料所传导的热量。传热量公式：λ——导热系数d——材料厚度t——传热时间。材料的导热示意图λ↓,绝热性↑,保温隔热性能↑绝热材料：λ<0.15w/m·k影响导热系数的因素：1）化学组成和（显微）结构：λ晶体>λ玻璃体

λ金属>λ无机

λ无机>λ有机2）体积密度：ρ0↑（P↓）λ↑3）孔隙状况：P↑P闭↑孔径小λ↓4）环境的温、湿度

2.330.580.023

λ冰>λ水>λ空气

4倍25倍

（二）热容量heatcapacity热容量是材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力。热容量的大小用比热容表示。比热容指1g材料温度升高1K所吸收的热量或温度降低1K放出的热量。（三）温度变形temperaturedeformation温度变形是指材料在温度变化时的尺寸变换，除个别的如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。

第三节材料的力学性质1.材料的强度strength

材料的强度是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。1)抗压强度compressionstrength：用㎏/C㎡表示，也可用KN千牛，混凝土柱是250㎏/C㎡。2)抗拉强度tensilestrength3)抗剪强度shearstrength4)抗弯强度bendingstrength(抗折强度)

-材料所受外力示意图（a）压力（b）拉力（c）弯曲（d）剪切2、试验条件对强度试验结果的影响（1）试件的形状和尺寸：f立方体>f棱柱体

f大尺寸<f小尺寸

（大尺寸试件：①受摩擦力影响小；②缺陷出现机率大。）（2）材料试件的表面状态：f光滑表面<f粗糙表面（3）材料的含水状况：f含水≤f干燥（4）材料的温度：f湿度高≤f温度低（5）加荷速度：

f加荷快≥f加荷慢结论：为使试验结果有可比性，必须根据规定方法（国家标准）进行强度试验。3、材料的强度等级按材料强度值大小划分的等级称为材料的强度等级。材料强度等级与强度的关系与区别：材料强度值是其力学性质的指标（是随机连续的）；标号（强度等级）是根据强度划分的级别（是人为确定,不连续的）

。4、比强度按材料单位质量计算的强度（MPa/kg/m3），是材料轻质高强的标志。（f/ρ0：钢：73~78、塑料：100~400）二、材料的弹性与塑性1.弹性elasticity塑性plasticity材料在外力作用下产生变形,当外力去除后,能完全恢复原来形状的性质,称为弹性.这种可恢复的变形称为弹性变形.若除去外力,材料仍保持变形后的形状和尺寸,且不产生裂缝的性质,称为塑性.此种不可恢复的变形称为塑性变形.2、弹性模量：弹性模量表示材料在弹性范围（线弹性范围）内应变ε与应力σ间的线性关系。ε＝σ／E

E＝σ／εE↑，在相同σ条件下，ε越小。也说明材料在外力作用下抗弹性变形能力越强。三、材料的脆性与韧性脆性brittleness韧性toughness当外力作用达到一定限度后，材料突然破坏且破坏是无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。材料在冲击或振动荷载作用下，能产生较大的变形而不致破坏的性质称为韧性。具有这种性质的材料称为韧性材料。脆性材料的力学性能特点是抗压强度远大于抗拉强度，破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。四、材料的硬度和耐磨性硬度hardness是材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。测定硬度的方法很多，常用刻划法和压入法。耐磨性abrasionresistance是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐模性用磨损率表示，计算公式如下：M=（M1-M2）/A压入法测量硬度示意

材料的耐久性durability——是指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下，能长久地保持其性能的性质。

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自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。

第四节材料的耐久性例1-1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P为：石子的空隙率P，为：例1-2某地卵石，已按规定将其磨细，过筛。烘干后称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.9cm3。另有卵石样本