第二讲 第一章21

土木工程材料的基本性质BasticPropertiesofCivilEngineeringMaterials第1章【学习指导】学习目标：（1）了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系；√（2）熟练掌握土木工程材料的基本物理性质；（3）掌握土木工程材料的基本力学性质；（4）掌握土木工程材料耐久性的基本概念。本章的难点：

材料的组成及其对材料性质的影响。

1.2材料的物理性质与质量有关的性质与水有关的性质1.2.1密度、表观密度、堆积密度1.2.2密实度VS孔隙率1.2.3填充率VS空隙率材料的亲水性和憎水性；材料的吸水性和吸湿性；材料的耐水性；材料的抗渗性。1.2.1密度、表观密度、堆积密度1.密度ρ－密度，g/cm3

m－材料的质量，gv－材料在绝对密实状态下的体积,cm3密度是材料本身固有的一种属性，其大小与组成物质的原子量和分子结构相关，原子量越大，分子结构越紧密，材料的密度就越大。不包含孔隙在内的体积（1）定义：指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。2）一般材料内部均含有孔隙，在测定有孔隙的材料密度时，应将材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶（密度瓶）测定其体积。李氏瓶（密度瓶）(单位：mm)容积为220~250mL，细颈上有刻度读数，精确至0.1mL。

比如砖、石材都采用这种方法测定。1）密实材料的体积为绝对密实体积，如钢材、玻璃等。（2）密度的测量点击3）对于某些较为致密但形状不规则的散粒材料，如砂、石子，内部有少量闭口孔，在测定其密度时，可以不必磨成细粉，直接以排水法测得的体积称为近似体积，计算所得的密度称为近似密度。（3）密度的工程应用初步了解材料的品质；可进行材料的孔隙率计算和混凝土配合比计算。2.表观密度（1）定义：指材料在自然状态下，单位体积的质量。ρ0－密度，g/cm3m－材料的质量，g；v0－材料在自然状态下的体积，cm3。（2）影响表观密度大小的因素

密度、材料的孔隙率及孔隙的含水程度。包含孔隙在内的体积材料孔隙越多，表观密度越小；当孔隙中含有水份时，其质量和体积均有所变化。因此，在测定表观密度时，须注明含水的情况。（3）表观密度的测定（4）表观密度的工程应用推算材料的用量；计算构件自重；对于外形规则的材料可通过直接度量外形尺寸，按几何计算体积；对于外形不规则的不吸水材料，可直接用排水法测定材料的体积，对于吸水材料，用封蜡排液法测定材料的体积。ρ’0－堆积密度，kg/m3

m－材料的质量，kg/m3v’0－材料的自然堆积体积，m3

（1）定义：指散粒材料或粉末材料在堆积状态下，单位体积的质量。3、堆积密度包含孔隙+空隙在内的体积材料的堆积密度取决于材料的表观密度以及测定时材料的装填方式和疏密程度。（3）工程应用（2）堆积密度的测定质量指填充在一定容器内的材料质量；体积指所用容器的体积。确定颗粒状材料的堆放空间。点击表1-1

常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度数值材料名称密度ρ（g/cm3)表观密度ρ0（g/cm3)堆积密ρ’0（g/cm3)钢材7.857.85-花岗岩2.6-2.92.6-2.85-石灰岩2.6-2.82.4-2.7-玻璃2.5-2.62.5-2.6-烧结普通砖2.5-2.71.5-1.8-建筑陶瓷2.5-2.71.8-2.5-普通混凝土2.6-2.82.3-2.5-建筑用砂2.6-2.82.55-2.751.45-1.70碎石2.6-2.92.55-2.851.40-1.70木材1.550.4-0.8-泡沫塑料1.0-2.60.01-0.05-1.密实度－－材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度。1.2.2密实度与孔隙率材料的自然体积材料的绝对密实体积V0VVpVKVB2.孔隙率－－材料在自然状态下，孔隙体积占材料总体积的百分率。P+D=1按孔隙构造分为：开口孔隙（连通孔隙）（常压水能进入）闭口孔隙（封闭孔隙）（常压水不能进入）V0VVpVKVB孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，其大小取决于材料的组成、结构及制造工艺。孔隙对材料性质的影响：孔隙率越高，材料的表观密度、堆积密度、强度越小；孔隙率越高，材料的保温性、隔声性、吸水性越强。1.填充率－－散粒材料在堆积状态下，颗粒体积占材料堆积体积的百分率。1.2.3填充率与空隙率V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙开口孔隙闭口孔隙D’+P’=12.空隙率－－散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙体积占材料自然堆积体积的百分率。工程应用：空隙率可作为控制砼骨料的级配及计算砂率的依据。V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙开口孔隙闭口孔隙例1：普通粘土砖的尺寸为240×115×53mm，测得其干重为2600g，吸水饱和后的质量为2900g（假设开口孔吸水后全部存留孔中而不流出），将其磨细烘干后取50g，用李氏瓶测得体积19.23cm3，计算该砖的密度、表观密度、密实度、孔隙率、开口孔隙率、闭口孔隙率。密实度D=ρ0/ρ=1.777/2.6=0.683=68.3%。孔隙率P=1-D=1–0.683=0.317=31.7%。开口孔隙率PK=（2900－2600）/(24×11.5×5.3）=0.205=20.5%闭口孔隙率Pb＝P-PK=31.7%-20.5%=11.2%。解：密度

ρ＝－Vm表观密度

＝2600/(24×11.5×5.3）＝1.777g/cm3。ρ0＝m

V0＝50/19.23=2.6g/cm3。1.2.4材料与水相关的性质1、材料的亲水性与憎水性（1）亲（憎）水性：材料在空气中或与水接触时，能被水润湿的性质，称为亲水性，否则为憎水性。材料亲水和憎水的原因是什么？（2）原因：当水分子间的内聚力小于水分子与其他材料分子间的吸引力时，材料表面容易被水润湿，该材料为亲水材料。当水分子间的内聚力大于水分子与其他材料分子间的吸引力时，材料表面不能被水润湿，该材料为憎水材料。

（3）判断：在材料、水和空气三相交点处，沿水滴表面作切线，此切线和水与材料接触面所成的夹角θ称为“润湿角”。憎水性θ固液气亲水性θ固液气θ≤90°θ＞90°（4）常见亲水和憎水材料（5）工程意义亲水材料：通常来说无机材料为亲水材料，如混凝土、粘土砖、木材等。憎水材料：有机材料一般为憎水材料，如沥青、塑料等。憎水材料具有良好的防水性能，可作为防水材料使用，或亲水材料的表面处理。对于保温隔热及吸声等多孔材料应进行憎水处理，避免性能下降。2、材料的吸水性与吸湿性（1）吸水性是指材料在浸水状态下吸收水分的性质。其大小有两种表示方法。m湿－材料吸水饱和后的质量，kg或g；m干－材料干燥状态下的质量，kg或g。1）质量吸水率：

材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分比。2）体积吸水率：

材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然状态下的体积的百分比。ρ水－水的密度；V0－材料干燥状态下的体积，cm3或m3。材料的体积吸水率小于1。W体=W质·ρ0

材料在干燥状态下的表观密度3）影响材料吸水率(含水率）的因素：材料的性质（亲水或憎水）；材料的孔隙率和孔隙构造。4）含水对材料性质的影响：材料质量增加；材料的强度下降；材料的保温性能降低；材料的耐久性下降（易产生冻害、易被腐蚀）。平衡含水率：材料中的水分与空气湿度达到平衡时的含水率叫做平衡含水率。材料烘干至恒重时的质量材料含水时的质量（2）吸湿性：材料在空气中吸收水分的性质，用含水率表示。例题2：含水率5％的湿砂多少克烘干后质量为100kg？解：m含＝m干（1＋w含）＝100（1＋5％）＝105（g）。例题3：将100g湿砂烘干至恒重后称其质量为95g，该砂的含水率是多少？解：w含＝（100-95）/95＝5.26%.3、材料的耐水性耐水性指材料在长期饱和水作用下不被破坏，其强度也不显著降低的性质。

结构材料的耐水性用软化系数K软表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。K软≥0.80时为耐水材料。一般结构，材料的软化系数，K软≥0.75；重要结构，材料的软化系数K软≥0.85。4、材料的抗渗性抗渗性指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。衡量指标：(1)渗透系数，材料在压力水作用下透过水量的多少遵守达西定律，即在一定时间内，透过材料试件的水量与试件的渗水面积及水头差成正比，与试件的厚度成反比，如右图AdHK越大，材料的抗渗性越差。防渗防水材料（油毡）的防水性常用渗透系数表示。

(2)抗渗等级Pn：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。混凝土及砂浆的抗渗性常用抗渗等级表示。1.3材料的基本力学性质1、材料的强度（1）强度：材料在外力作用下，保持原有形状或抵抗破坏的能力。当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度，用单位面积上所承受的力（极限应力）的大小来表示。影响材料强度大小的因素：理论上取决于材料内部质点间结合力的强弱。实际上与材料中存在的结构缺陷直接相关。还与测试强度的条件与方法等外部因素有很大关系。f---材料的抗压、抗拉、抗剪强度(Pa/MPa)F---试件破坏时的最大荷载(N)。A---试件面积（m2或mm2）。抗压FF抗拉FF抗剪FF抗弯FbhL强度分类：根据荷载种类和作用方向的不同，材料强度有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等。

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7.5-30-1.8-4.0普通混凝土7.5-601-4-普通低碳钢200-400200-400-松木（顺纹）30-5080-12060-100常用材料的强度值单位MPa相同种类的材料，随着孔隙率及构造特征不同，其强度差异较大，一般来说，孔隙率越大，材料的强度越低；不同种类的材料，其强度差别很大。2、材料的弹性和塑性（1）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料的变形立即消失并能完全恢复到原来形状的性质称为弹性。材料的这种变形称为弹性变形。应变和应力成正比，其比值称为材料的弹性模量。E=σ/ε（MPa)。图1-6（a）（2）塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍能保持变形后的形状并且不产生裂缝的性质称为塑性。材料的这种变形称为塑性变形。图1-6（b）完全的弹性材料与完全的塑性材料是不存在的，有的材料在低应力作用下，主要发生弹性变形，而在应力接近或高于其屈服强度时则产生塑性变形。例如建筑钢材。有的材料为弹塑性材料，弹塑性材料---即在外力作用下，既发生弹性变形又发生塑性变形，如混凝土。ab—弹性变形ob—塑性变形

弹塑性材料的变形曲线3、材料的脆性与韧性（2）韧性－在冲击、振动荷载的作用下，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材等。桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。（1）脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。

脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）具有抗压强度远大于抗拉强度的特点，抵抗冲击或震动荷载的能力很差。工程上适宜用在受压部位，如基础、柱、墙体等。1.4材料的耐久性1、定义材料的耐久性是指材料在使用过程中抵抗其自身和环境