土建基础-材料01材性

第一章

土木工程材料§1工程材料的分类和基本性质一、土木工程材料的分类1、按化学成分分类2、按功能分类无机材料有机材料：木材、石油沥青、塑料金属：钢、铁、铝非金属：石、玻璃、水泥、混凝土、陶瓷金属-非金属复合：钢筋混凝土有机-无机复合材料无机非金属-有机复合：玻璃纤维增强塑料金属-有机复合：轻质金属夹芯板结构材料：用作承重;如梁、板、柱所用材料按使用功能分类功能材料：特殊功能;如防水、装饰、保温、吸声等非承重材料：用作维护、分隔所用材料，二、材料的基本物理参数1、密度、体积密度、堆积密度共性——都是单位体积的质量。个性——材料的状态不同。密度（ρ）材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。式中：m——干燥材料的质量，g

V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。体积密度（ρ0）材料在自然状态下，单位体积的质量。又称容重。式中：

m——材料的质量，g

V0——材料在包含孔隙条件下的体积，cm3所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。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。式中：m——材料的质量，g——材料堆积体积，cm3

堆积体积：含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积。密度、体积密度、堆积密度的联系与差别由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的体积密度总是小于其密度；密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率；体积密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等；堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。2、孔隙率、密实度：密实度（D）：材料体积内被固体物质充实的程度（%）孔隙率（P）：材料体积内孔隙体积所占的比例（%）

D+P=1孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响较大。

3、空隙率（P’）、填充率（D’）空隙率（P’）：指散状材料中气体所占体积的百分比。D’+P’=1气体处于材料颗粒之间。填充率（D’）:指散状材料的固体所占体积的百分比。体积密度4、材料与水有关的性质亲水性、憎水性：θ<900为亲水性的（砖、木、混凝土）θ>900为憎水性的（沥青、石蜡）。θ——润湿边角，在气液固三相交点处，沿水表切线与水固界面的夹角。当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。吸水性：W对某一材料为定值。材料吸水后，会产生体积膨胀、体积密度增加、强度降低、导热性加大、耐久性降低。m1——材料吸水饱和后的质量。mg——材料干燥至恒重的质量。用吸水率表示，为饱和吸水量占干重的百分比；材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大；闭口孔隙水分不能进去；开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大。花岗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率为2％～3％，粘土砖的吸水率达8％～20％，而木材的吸水率可超过100％吸湿性吸湿性用含水率表示，含水量占干重的百分比；与空气湿度有关。m0——材料含水时的质量吸湿作用一般呈可逆性耐水性：耐水性用软化系数Kp表示。位于水中或潮湿环境中的结构材料K≮0.85~0.95fw——材料吸水饱和时的强度软化系数≥0.85的材料为耐水材料。次要结构材料K≮0.75~0.85f——材料干燥状态时的强度。抗渗性：常用渗透系数和抗渗等级两种指标表示

。式中：Q——透水量，cm◎

K值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。

d——试件厚度，cmА——透水面积，cm2

t——透水时间，小时hH——试件两侧静水压力水头，cm对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青混凝土等，其防水性用渗透系数K表示。建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土材料的抗渗性用抗渗等级表示。抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定。以符号“P”和材料透水前的最大水压力的0.1MPa表示。如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。上节回顾：简述体积密度、密度、堆积密度的联系与差别。名词解释：空隙率、孔隙率、吸水率、含水率孔隙对材料基本性质的一般影响；材料含水后基本性质的一般变化；抗渗性：材料的抗渗性常用渗透系数和

两种指标表示

。P8表示材料能承受

的水压力而不渗水。抗冻性材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环而不破坏也不严重减低强度的性质。材料的抗冻性用抗冻标号表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。如F200、F150等。常用的两个参数是：质量损失率(不超过5%)，强度损失率(不超过25％)。材料抗冻标号的选择，根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200。水工混凝土要求高达F500。材料受冻融破坏主要原因：水结冰时体积增大约9％。若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境(如冷库)的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出—定的抗冻性要求。冻融破坏的大坝坝面使用20年的高速公路桥梁5、材料的热性质导热性：Q——传递热量，△t——材料两侧温差D——材料厚度，A——材料面积，Z——时间，与材料的孔隙特征有关，增加孤立的不连通孔隙能降低材料的导热能力。与材料的体积密度有关，体积密度越大，导热系数λ越大。Ｒ——热阻，材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数表示，即热容性：Q：材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量。m：材料的质量c：比热容，单位质量的材料升高单位温度所需热量。J／(g·K)。材料的热容性和导热性对保持室内温度的稳定有很大作用。材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋面）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用：λ小而c较大的保温绝热材料。是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，用热容量系数（比热容）表示，即三、材料的基本力学性质力学性质：包括强度与变形两方面。

材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。1、材料的强度：是材料抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等形式。

主要取决于材料的组成和结构,材料的孔隙率增加，强度降低。试验条件对测定强度大小的影响：试件的形状、尺寸；加荷速度；试件表面状况、含水状态；环境温度材料强度的影响因素：工程实例分析1现象：人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。原因分析：材料的强度与测试条件有关，当加荷速度过快时，荷载的增长速度大于材料裂缝扩展速度，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。

工程实例分析2现象：某地发生特大洪水，洪水退去后，许多砖房倒塌（其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖）。原因分析：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，特别是当水进入砖内时，为烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，导致房屋倒塌。２、材料的比强度比强度是衡量材料轻质高强的指标之一。值得注意的是普通混凝土的比强度低于钢材、木材~。因此，土木工程中大量作为结构用材的混凝土必须向着轻质高强的方向发展，才更具有市场前景。单位体积质量的材料强度=强度/体积密度。3.弹性与塑性

弹性变形——可逆塑性变形——不可逆

当撤去外力或外力恢复到原状态，材料能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。如果撤去外力或外力恢复到原状态，材料仍保持变形后的形状和尺寸并不产生裂缝的性质称为塑性。

弹性模量：

对完全弹性材料而言，其大小为应力应变曲线的斜率，为常数；应力应变

弹性模量是衡量材料刚度大小的指标，反映材料抵抗变形能力的高低。弹性模量愈大，材料愈不易变形，即材料的刚度愈好。

弹性模量是结构设计的重要参数。

比例系数受力

材料的弹塑性变形曲线典型材料：混凝土。弹塑性材料的变形曲线如图

弹塑性：弹性变形+塑性变形4、脆性与韧性脆性——突然破坏韧性——受冲击、震动时，能吸收较大能量，有明显塑性变形,

脆性材料的变形曲线低碳钢的拉应力－应变曲线图冲击韧性实验示意图

脆性材料：砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等韧性材料:建筑钢材（软钢）、木材等。材料的硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力

刻划法：莫氏硬度。陶瓷

压入法：布氏硬度。金属

一般来说，材料硬度越大、强度越高、耐磨性越好

5、硬度和耐磨性：耐磨性——单位面积的磨耗值，（g/cm2）

即材料表面抵抗磨损的能力。四、材料的耐久性耐久性:材料在长期使用过程中，能保持原有性能而不变质、不破坏的性质。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，这些破坏作用分为物理作用、化学作用和生物作用。物理作用：主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩,或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使