第1章-土木工程材料基本性质1

土木工程的功能要求的材料性能

承受荷载长期可靠性防水、隔热隔声、防火采光、绝缘不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具备哪些性能？1.1材料的物理性质第1章土木工程材料基本性质

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创造性培养基础知识1.1材料的物理性质1.1.1密度、表观密度、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

1.1.1密度、表观密度、堆积密度（1）密度(Density)：

绝对密实状态下，单位体积的质量。（2）表观密度(Apprentdensity)：自然状态下单位体积的干质量。（3）堆积密度(Loosedensity)：

散粒状材料单位堆积体积的质量。1.1.2材料的孔隙率和空隙率孔隙率

空隙率

1.1.3与水有关的性质

1.亲水性与憎水性(Wateraffinity、Waterrepellency)

有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。

水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。

水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。1.1.3与水有关的性质

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

创新思维？

1、为什么房屋一楼潮湿？

2、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法阻塞毛细通道，技术措施？对材料中的毛细管壁进行憎水处理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、容量仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同析方式往墙上浇水，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来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。

现象原因分析原因分析

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多少，还需看孔的结构。加气混凝土砌块吸水分析

1.1.3与水有关的性质

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，MPaKR>0.85，称为耐水材料

现象原因分析砖浸水后强度下降

某地发生历史罕见的洪水。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。请分析原因。原因分析砖浸水后强度下降

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。1.1.3与水有关的性质

4.抗渗性(Watertightness)

——抵抗压力水渗透的性质

（1）渗透系数（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…渗透系数：Ks的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。1.1.3与水有关的性质

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(Q)和比热(C)

：(2).导热性：C大λ小，保温隔热材料；金属材料的导热系数大于非金属材料的导热系数；细小而封闭的孔隙，导热系数越小；开口而粗大、连通的孔隙，导热系数越大；观察与讨论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，见图1-2。请问选择何种材料？讨论AB讨论

保温层的目的是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。孔隙对材料性质的影响

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

1.2.1强度1.几种强度（1）抗压(Compressive)、抗拉(Tensile)、抗剪(Shearing)强度

（MPa）

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1.2.2弹性与塑性1.弹性——外力作用产生变形,外力取消能完全恢复。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。2.塑性——外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复

1.脆性——无明显塑性变形，突然破坏。脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等

2.韧性——产生一定变形不破坏,能吸收较大的能量。韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。采用冲击试验测定。1.2.3韧性与脆性

材料另一个重要的力学性能是硬度。它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。

1.2.4硬度

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，统称之为耐久性，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，废弃时有较高可回收率。1994年设立中国环境标志产品认证委员会，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(2)砖浸水后强度下降

整体变黑是由于干性吸附的以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物造成的。由于雨水中硫酸的冲洗，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，不久会出现建筑物的整体腐蚀。

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，严重是引起气喘、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(1)室内空气污染

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。

在美国，这种凶狠的“无形杀手”每年杀死21000人，根据美国环保机构的调查数据，无形杀手导致人类患上肺癌的数量每年在7000-10000人之间。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。如图1-9，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⑴宏观结构⑵亚微观结构⑶微观结构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组合搭配情况。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，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

下二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。请从材料的组成结构分析二者性能差异的原因。讨论两种石材性能对比

大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质的作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝硅酸盐），为酸性石材，结构致密具有高抗酸腐蚀能力。工程实例分析1.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响

现象原因分析

某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达