一建筑工程材料基本性质

一建筑工程材料基本性质第1页/共65页2本章要点土木工程材料的基本物理性质、力学性质及耐久性等。学习目标熟悉和掌握各种材料的基本性质，在工程设计与施工中正确选择和合理使用各种材料。2第1章土木工程材料的基本性质

牛牛文库文档分享第2页/共65页31.1材料的组成与结构1.2材料的物理性质1.3材料的力学性质1.4材料与水有关的性质1.5

材料的热性质1.6

材料的耐久性

牛牛文库文档分享第3页/共65页4如下图所示：4原料生产工艺组成结构构造技术要求性质应用外界环境条件检验与验收运输储存形成了

决定了

(内因)

决定了

提出了要求

依据提出了影响外因

牛牛文库文档分享第4页/共65页1.1.1材料的组成1.1.2材料的结构1.1.3结构中的孔隙与材料性质的关系5

牛牛文库文档分享第5页/共65页1.化学组成化学组成指构成材料的基本元素与化合物。6材料在使用过程按化学变化规律发生作用，例如：混凝土碳化钢材锈蚀

牛牛文库文档分享第6页/共65页72.矿物组成

矿物是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。矿物组成=矿物种类+矿物含量例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥

无机非金属材料

牛牛文库文档分享第7页/共65页8

牛牛文库文档分享第8页/共65页9宏观结构常用材料主要特性单一材料致密结构钢材、玻璃、沥青、部分塑料高强，或不透水、耐腐蚀多孔结构泡沫塑料、泡沫玻璃轻质、保温、低强度纤维结构木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维高抗拉、且大多数轻质、保温、吸声聚集结构陶瓷、砖、某些天然石材强度较高复合材料粒状聚集结构各种混凝土、钢筋混凝土综合性能好、价格较低纤维聚集结构岩棉板、纤维板、纤维增强塑料轻质、保温，或高抗拉多孔结构加气混凝土、泡沫混凝土轻质保温叠合结构纸面石膏板、胶合板、各种加芯板综合性能好

牛牛文库文档分享第9页/共65页10木材的细观结构金属的金相组织

牛牛文库文档分享第10页/共65页11钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片

牛牛文库文档分享第11页/共65页12粉煤灰在3.0K下的SEM照片矿渣在3.0K下的SEM照片

牛牛文库文档分享第12页/共65页13几种工业废渣的XRD衍射图谱

牛牛文库文档分享第13页/共65页14土木工程材料晶体玻璃体胶体固态有规则，各向异性无定形态（短程有序，长程无序）微小质点分散于介质中形成的结构（1~100μm）（石墨、金刚石、“足球烯”C60）

牛牛文库文档分享第14页/共65页15金刚石晶胞金刚石三维结构石墨三维结构C60比例模型C60球棍模型

牛牛文库文档分享第15页/共65页16泡沫玻璃玻璃泡沫塑料泡沫混凝土

牛牛文库文档分享第16页/共65页17小结：材料的组成、微观结构、宏观结构与材料性质、用途的关系宏观结构不同，即使组成与微观结构等相同，材料的性质与用途也不同宏观结构相同或相似，则即使材料的组成或微观结构等不同，材料也具有某些相同或相似的性质与用途

牛牛文库文档分享第17页/共65页1.材料内部孔隙的来源与产生18天然材料人造材料木材的细观结构锆石的微观结构

牛牛文库文档分享第18页/共65页19孔隙大小孔隙形状常压下水能否进入微细孔隙毛细孔较粗大孔隙粗大孔隙球形孔隙片状孔隙管状孔隙墨水瓶状孔隙带尖角的孔隙开口/连孔隙闭口/封闭孔隙2.孔隙的分类

牛牛文库文档分享第19页/共65页203.孔隙特征及其对材料性质的影响孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造上的特征，对材料的物理、力学性质均有显著影响。一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。

牛牛文库文档分享第20页/共65页211－固体物质；2－开口孔隙；3－闭口孔隙

材料内孔隙示意图

开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。

牛牛文库文档分享第21页/共65页1.2.1材料的密度、表观密度和堆积密度1.2.2材料的孔隙率与密实度1.2.3材料的孔隙率与填充率22

牛牛文库文档分享第22页/共65页231.密度ρ材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。ρ——密度，g/cm3；m——材料的质量，g；V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。绝对密实:不包括孔隙。如何测？磨成细粉，用李氏瓶；排液置换法。李氏密度瓶实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似密度）。

牛牛文库文档分享第23页/共65页24是指材料在自然状态下，单位体积的质量。2.表观密度（视密度、近似密度）如何测？？2

牛牛文库文档分享第24页/共65页25是指材料在自然状态下，单位体积的质量。宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固体体积＋开口孔隙体积＋闭口孔隙体积。

如何测？形状规则：直接测量并计算形状不规则：蜡封并排液测定2.表观密度（视密度、近似密度）

牛牛文库文档分享第25页/共65页263.

堆积密度ρ0/

粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。如何测？

堆积体积:散粒材料填充容器的体积。

固体体积＋孔隙体积＋颗粒间空隙。3

牛牛文库文档分享第26页/共65页对于某一种材料来说，其密度、表观密度、和堆积密度之间的相互关系怎样？密度＞表观密度＞堆积密度

牛牛文库文档分享第27页/共65页1.孔隙率与密实度孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料表观体积的百分率。密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。

牛牛文库文档分享第28页/共65页2.空隙率与填充率空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。

牛牛文库文档分享第29页/共65页练习题：

一块普通粘土砖尺寸为240mm×115mm×53mm，烘干后质量为2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3，求该砖的密度、表观密度、孔隙率及密实度。

牛牛文库文档分享第30页/共65页1.3.1强度与比强度1.3.2弹性与塑性1.3.3脆性与韧性1.3.4硬度与耐磨性

牛牛文库文档分享第31页/共65页321.强度：是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。☞按外力作用方式：抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度。压拉弯曲剪切1.3.1强度与比强度（极限强度）

牛牛文库文档分享第32页/共65页33材料强度的计算公式（1）抗拉、抗压、抗剪强度：f—材料的强度，N/mm2或MPa；Fmax—材料破坏时的最大荷载，N；A—受力截面面积；（2）抗弯强度：单点集中加荷：三分点加荷：f—材料的抗弯强度

N/mm2或MPa；Fmax—破坏时的最大荷载N；L—两支点的间距mm

；b、h—试件横截面的宽与高mm。

牛牛文库文档分享第33页/共65页34常用土木工程材料的强度（N/mm2或MPa

）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10～30—2.6～5.0混凝土10～1001～83.0～10.0松木（顺纹）30～5080～12060～100建筑钢材240～1500240～1500—材料强度的影响因素：☞材料组成与结构、孔隙率、含水率、尺寸、加载速度、表面状况。

牛牛文库文档分享第34页/共65页35材料强度与表观密度之比。衡量材料轻质高强性能的重要指标。钢材、木材和混凝土的强度比较材料体积密度/kg·m-3抗拉强度/MPa比强度低碳钢78004200.053松木50035（顺纹）0.070普通混凝土2400300.012

2.比强度

牛牛文库文档分享第35页/共65页361.弹性：弹性变形：可完全恢复的变形材料的弹性变形曲线外力作用→变形外力除去→

变形保持塑性变形：不能恢复的变形材料的塑性变形曲线外力作用→变形外力除去→变形完全恢复2.塑性：

1.3.2弹性与塑性

牛牛文库文档分享第36页/共65页37☞真实材料中，完全的弹性材料或完全的塑性材料不存在。3.弹塑性变形：外力作用→变形；卸载后→弹性变形恢复，塑性变形保留。

4.弹性模量E：（衡量材料抵抗变形能力的一个指标。）弹性模量愈大，材料越不容易变形。

牛牛文库文档分享第37页/共65页38

ba变形荷载0Aab—弹性变形ob—塑性变形材料的弹塑性变形曲线

牛牛文库文档分享第38页/共65页391.脆性：外力达到一定限度→材料突然破坏（无明显塑性变形）脆性材料的变形曲线☞常见脆性材料：砖、玻璃、铸铁、普通混凝土、陶瓷、石材、砂浆2.韧性：冲击、振动荷载作用→材料吸收较大的能量而不发生破坏（产生较大变形）1.3.3脆性和韧性

牛牛文库文档分享第39页/共65页401.硬度：材料表面抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。1.3.4硬度与耐磨性天然矿物：刻划（莫氏硬度）金属、木材等：压入法（布氏、洛氏、维氏硬度）混凝土、砂浆等：重锤下落回弹高度

☞按试验方法可分为压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度等。

牛牛文库文档分享第40页/共65页41块体材料散粒材料M—材料的耐磨硬度（g/cm2）或磨损率（%）m0、m2

—材料耐磨性试验前后的质量（g）A

—试件受磨面积（cm2）2.耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。☞通常用耐磨硬度或磨损率表示：

牛牛文库文档分享第41页/共65页1.4材料与水有关的性质1.4.1材料的亲水性和憎水性1.4.2材料的含水状态1.4.3材料的吸水性与吸湿性1.4.4材料的耐水性1.4.5材料的抗渗性1.4.6材料的抗冻性

牛牛文库文档分享第42页/共65页1.亲水性与憎水

90

90=0全润湿润湿不润湿θ≤90°，亲水性材料憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。θ>90°，憎水性材料亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。

牛牛文库文档分享第43页/共65页亲水性材料的含水状态可以分为4种基本状态：

干燥状态气干状态饱和面干状态湿润状态另外，还有两种基本状态之间的过渡状态。2.材料的含水状态

牛牛文库文档分享第44页/共65页453.吸水性与吸湿性1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。质量吸水率Wm：体积吸水率WV：

牛牛文库文档分享第45页/共65页46材料的吸水率与孔隙特征有何关系？孔隙特征

吸水率微细而连通封闭

较大较小较小

粗大开口

牛牛文库文档分享第46页/共65页2）吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。含水率表示材料在某一状态的含水能力，随环境温度和空气湿度的变化而变化。与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率（或称气干含水率）。含水率

牛牛文库文档分享第47页/共65页3）含水对材料性质的影响

体积强度导热性,保温隔热性吸声性耐久性

牛牛文库文档分享第48页/共65页4.

耐水性是指材料长期在饱和水作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。☞软化系数：K软=f饱/f干软化系数值一般在0—1之间。K软越小，表示材料的耐水性越差。工程上，通常将K软≥0.85的材料称为耐水材料。49

牛牛文库文档分享第49页/共65页5.抗渗性（不透水性）是指材料抵抗压力水渗透的性质。可用渗透系数K或抗渗等级表示。（1）防渗、防水材料50A试件d静水压力水头渗透系数

牛牛文库文档分享第50页/共65页（2）砂浆、混凝土等材料抗渗等级：P=10H-151材料透水前所能承受的最大水压力（MPa）材料抗渗性的影响因素：☞材料的孔隙率和孔隙特征☞亲水性与憎水性

牛牛文库文档分享第51页/共65页6.抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。多以抗冻等级F表示。抗冻等级用材料在吸水饱和状态下（最不利状态），经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数来表示。☞F25：表示材料在经受25次的冻融循环后仍可满足使用要求。52

牛牛文库文档分享第52页/共65页影响材料抗冻性的主要因素：（1）孔隙率一般情况下，材料的P、Pk

越大，特别是Pk越大，则材料的抗冻性越差。（2）孔隙的充水程度充水程度以水饱和度Ks来表示：对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态。（3）材料本身的强度材料强度越高，抵抗冻害的能力越强，即抗冻性越高。

53

牛牛文库文档分享第53页/共65页提高材料抗冻性的方法：引入部分封闭的孔隙，如在混凝土中掺入引气剂。☞原因：这些引入的闭口孔隙可切断材料内部的毛细孔隙，当开口的毛细孔隙中的水结冰时。所产生的压力可将开口孔隙中尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中（由于毛细作用，微细孔隙中水的冰点低于0℃。如半径为15Å的微细孔隙中，水的冰点约为-75℃），即这些封闭的孔隙可起到卸压的作用。54

牛牛文库文档分享第54页/共65页1.5材料的热性质1.5.1导热性1.5.2热阻1.5.3热容量和比热容1.5.4热变形性1.5.5耐燃性

牛牛文库文档分享第55页/共65页1.导热性材料传导热量的性质称为导热性，以导热系数λ表示：通常将λ≤0.23W/（m·K）的材料称为绝热材料。如：矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。

牛牛文库文档分享第56页/共65页影响材料导热系数的主要因素有：

（1）材料的组成与结构：通常金属材料的导热系数λ大于非金属材料；固体的λ大于液体；气体的最小。

（2）材料的孔隙率P：孔隙率P越大，即材料越轻（越小），导热系数越小。

（3）含水率：材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。

（4）温度：温度越高，材料的导热系数越大（金属除外）。

牛牛文库文档分享第5