材料的基本性质土木工程材料

河北科技大学土木工程系1.2材料的基本状态参数1.2.1材料的密度、表观密度、堆积密度（与质量有关的性质）材料的体积构成体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。1）材料的密度1.绝对密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：

式中：ρ——绝对密度，g/cm3

；

m——材料的质量，g；

V——材料的绝对密实体积，cm3

。密度测定：李氏瓶法2.表观密度（容重）材料在自然状态下单位体积的质量。式中：——体积密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

——材料的自然体积，cm3

或m3。含孔隙表观密度的测定

表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关，测定表观密度一般以干燥状态为准。工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积砂的表观密度测定实验砂表观密度ρs的测定（kg/m3）式中：m0——砂试样的烘干质量，g；m0＝300g；

m1——砂试样、水及容量瓶总质量，g;m2——水及容量瓶总质量，g。测定瓶+砂+水的质量m1测定瓶+水的质量m23.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：

式中：ρ0——材料的堆积密度,g/cm3

或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

——材料的堆积体积，cm3

或m3。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（一）材料的密度几种密度的比较比较项目密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实自然状态堆积状态材料体积VV0计算公式应用判断材料性质用量计算、体积计算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。孔隙率P按下式计算：式中：V——材料的绝对密实体积，cm3

或m3；

V0——材料的表观体积，cm3

或m3；

ρ0——材料的表观密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。

1.2.2材料的孔隙和空隙材料的密实度

密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：

式中：ρ——密度；

ρ0——材料的表观密度。

对于绝对密实材料，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%。孔隙对材料性能的影响孔隙率与密实度从两个不同侧面来反映材料的致密程度，即D+P=1。

建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的致密程度有关。这些性质除取决于孔隙率的多少外，还与孔隙的特征密切相关。孔隙特征主要指孔隙的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及孔的分布等。实际上绝对的闭口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常温、常压下水能否进入孔中来区分开口与闭口。因此，开口孔隙率（Pk）是指常温常压下能被水所饱和的孔体积（即开口孔体积Vk）与材料体积之比。闭口孔隙率（PB）便是总孔率P与开口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征对材料的工程性质有不同的影响，因此常采用改变材料的孔隙率及孔隙特征的方法来改善材料的性能，例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂，引入一定数量的闭口孔，都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。空隙率

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

式中：ρ0——材料的表观密度；

——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砂率的依据。

孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式1.3材料的力学性质1.材料的强度和比强度材料的强度是材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压、抗拉抗剪、抗弯（抗折）、抗扭强度等。抗压抗拉抗剪抗弯材料的力学性质抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：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，mm2。抗弯强度的计算：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：式中：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、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。-2.比强度

——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2.弹性和塑性（1）弹性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称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。

（2）塑性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称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。指标：弹性模量意义：E表示材料刚度的指标，E值越大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。3.脆性和韧性

材料在外力作用下，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。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。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生一定的变形而不破坏的性能，称为韧性或冲击韧性。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：式中ak-----材料的冲击韧性，J/mm2

Ak-----试件破坏时所消耗的功，J；

A-------材料受力截面积。（mm2）建筑钢材、木材、沥青混凝土等属于韧性材料。1.3、材料的力学性质4.硬度和耐磨性（1）硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它较硬物质刻划或压入其表面的能力。通常用刻划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个莫氏硬度等级。钢材，木材，混凝土采用钢球压入法测定其布氏硬度（HB）。（2)耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用耐磨率表示，计算公式如下：式中：

M——材料的耐磨率，（g/cm2）；

m0——材料磨损前的质量，（g）；

m1——材料磨损后的质量，（g）；

A——材料试件的受磨面积（cm2）。1.3、材料的力学性质1.4材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。

具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料`2、材料的含水状态（四种）干燥状态气干状态饱和面干状态湿润状态（见图1.9）材料与水有关的性质1.材料的吸湿性

材料的吸湿性是指亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率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）。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。材料与水有关的性质2.材料的吸水性材料在水中吸收水分的性质，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（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。质量吸水率Wm的计算公式为：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）。（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干燥状态自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：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

ρ

w=1.0g/cm3。材料与水有关的性质材料与水有关的性质（3）影响材料吸水性的因素

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。材料与水有关的性质吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率4.材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，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（MPa）；

fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。材料与水有关的性质材料与水有关的性质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。软化系数的波动范围在0至1之间。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。材料与水有关的性质5.抗渗性抗渗性是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）渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算:式中：K——渗透系数,（cm/h）;

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（h）。

材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。材料与水有关的性质（2）抗渗等级材料的抗渗等级是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。（3）影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。材料与水有关的性质6.抗冻性抗冻性是指材料在含水状态下，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，体积膨胀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。抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失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。材料与水有关的性质影响抗冻性的因素1.材料的密实度（孔隙率），密实度越高则其抗冻性越好。2.材料的孔隙特征开口孔隙越多则其抗冻性越差。3.材料的强度强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量大小吸水量越大则其抗冻性越差。1.热容性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性。用热容量系数或比热表示。比热的计算式如下所示：式中：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；（t1

－t2）——材料受热或冷却前后的温差，K。1.5材料的热性质1.5材料的热性质2.导热性当材料两面存在温度差时，热量提高建筑材料传递的性质，称为材料的导热性。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，m2；

Z——热传导时间，h；

（t1－t2）——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。材料的热性质4.材料的热变形性材料的温度变形是指温度变化时材料的尺寸变化。用线膨胀系数α表示。

α=ΔL/L

（t2－t1）式中：ΔL——线变形量，mm或cm；

（t2－t1）——材料前后的温度差，K；

α——线膨胀系数，1/K；

L——材料原来的长度，mm或m。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。1.6材料的耐久性材料的耐久性是泛指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下，能长久地保持其使用性能的性质。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。材料的耐久性物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。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。机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。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。练习1、无机非金属材料一般均属于脆性材料，最适宜承受__________力。答案静压力2、比强度是衡量材料__________的指标。答案轻质高强3、材料的强度的确定视材料的种类不同而不同，对于脆性材料常以_________作为该材料的强度；对于韧性材料而言则以__________作为该材料的强度。答案极限应力值屈服应力值4、材料在进行强度试验时，大试件较小试件的试验结果值；加荷速度快者较加荷速度慢者的试验结果值。答案小大5、弹性材料具有()的特点。A.无塑性变形B.不变形C.塑性变形小D.恒定的弹性模量6、下列性质属于力学性质的是()。A.强度B.硬度C.弹性D.脆性E.比强度答案A答案ABCDE8、对于开口微孔材料,当其孔隙率增大时，材料的密度______，吸水性____,

抗冻性_________

,导热性______

,强度______。9、当材料的体积密度与密度相同时，说明该材料__________。

7、评价材料抵抗水的破坏能力的指标是（

）。

A