材料的基本性质

材料的基本性质第1页，共57页，2023年，2月20日，星期五第一节建筑材料的物理性质

一、材料的密度、表观密度与堆积密度

二、材料的密实度、孔隙率与空隙率三、材料与水有关的性质四、材料的热工性质第2页，共57页，2023年，2月20日，星期五

一、材料的密度、表观密度与堆积密度

密度是指物质单位体积的质量。单位为g/cm3或kg／m3。由于材料所处的体积状况不同，故有实际密度（以前称为真密度）、表观密度和堆积密度之分。１.实际密度(Density)

以前称比重、真实密度(TrueDensity)，简称密度(Density)。实际密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。式中：ρ—实际密度（g/cm3）m—材料的质量（g）V—材料在绝对密实状态下的体积（cm3）第3页，共57页，2023年，2月20日，星期五绝对密实状态下的体积的测定：近于绝对密实的材料（金属、玻璃等）：直接以排水法测定；有孔隙的材料（砖、混凝土、石材）：将材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为绝对密实状态下的体积。１.实际密度(Density)李氏瓶第4页，共57页，2023年，2月20日，星期五２.表观密度(ApparentDensity）

也称容重，是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：式中ρ0—材料的表观密度（g/cm3或kg/m3）m—材料的质量（g或kg)V0—材料在自然状态下的体积，或称表观体积（cm3或m3）,包含内部空隙在内的体积（规则几何形状、松散体积用排液法）作用：计算构件的自重第5页，共57页，2023年，2月20日，星期五3堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。可用下式表示式中ρ0’

—散粒材料的堆积密度（g/cm3或kg/m3）m—散粒材料的质量（g或kg）

v0，—材料在自然状态下的堆积体积（cm3或m3），它包含内部和颗粒之间的空隙。思考：实际密度、表观密度和堆积密度之间的大小关系如何？计算材料的堆放空间≤≤第6页，共57页，2023年，2月20日，星期五常用土木工程材料的密度、表观密度及堆积密度材料密度ρ/g·cm-3表观密度ρ0/kg·m-3堆积密度ρ/0/kg·m-3石灰岩2.601800~2600—花岗岩2.802500~2900—碎石（石灰岩）2.60—1400~1700砂2.60—1450~1650普通粘土砖2.501600~1800—空心粘土砖2.501000~1400—水泥3.20—1200~1300普通混凝土—2100~2600—轻集料混凝土—800~1900—木材1.55400~800—钢材7.857850—泡沫塑料—20~50—

第7页，共57页，2023年，2月20日，星期五二、材料的孔隙率与空隙率1.密实度（Dense）密实度是指材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算：

2.孔隙率（Porosity）孔隙率材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P）。可用下式表示：

P+D=1第8页，共57页，2023年，2月20日，星期五孔隙率反映孔隙多少或致密程度孔隙增多强度降低导热性能降低透气性，透水性，吸水性变大抗冻性一般提高。体积密度减小尺寸：微孔、细孔、大孔孔隙特征封闭孔（VB）、连通孔（开口）（VK）孔隙特征对材料性能影响很大

孔隙按大小分为粗孔和细孔，按特征分为连通孔隙和封闭孔隙，它与材料的吸水性、强度、抗渗性、抗冻性等性质有关。第9页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.（散粒）材料的空隙填充率（P/）

。堆积体积中，颗粒填充的程度。或或填充率+空隙率=1空隙率（P/）：堆积体积（V0/）中空隙体积（VS）占的比例。

第10页，共57页，2023年，2月20日，星期五三、材料与水有关的性质

（一）亲水性与憎水性1.概念亲水性：材料能被水润湿的性质，如砖、混凝土等。材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水分子之间的亲合力大于水分子之间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲合力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性。憎水性材料如沥青、石油等。问题：亲水性材料与憎水性材料在实际工程中有何意义？第11页，共57页，2023年，2月20日，星期五当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交界点，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角。材料的润湿示意图2.润湿边角材料被水湿润的情况可用润湿边角θ来表示。（一）亲水性与憎水性第12页，共57页，2023年，2月20日，星期五

3.亲水性材料与憎水性材料用润湿边角θ来反映θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。当θ≤

90°时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。θ>90°时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。当θ=0°时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。材料的润湿示意图（a）亲水性材料；（b）憎水性材料第13页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料的含水状态干燥状态气干状态饱和面干状态湿润状态

第14页，共57页，2023年，2月20日，星期五（二）材料的吸水性与吸湿性1.吸水性(WaterAbsorption)

材料在水中能吸收水分的性质称吸水性。材料的吸水性用吸水率(RatioofWaterAbsorption)表示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。

（1）质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用下式计算：式中Wm——材料的质量吸水率（％）；mb—材料在吸水饱和状态下的质量（g）；mg—材料在干燥状态下的质量（g）第15页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料的吸水率：花岗岩的吸水率：0.5%~0.7%；混凝土的吸水率：2%~3%；粘土砖的吸水率：8%~20%；木材的吸水率：可超过100%。花岗岩1.吸水性第16页，共57页，2023年，2月20日，星期五

（2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用公式表示如下式中wv——材料的体积吸水率（％）；V0——干燥材料在自然状态下的体积（cm3）；ρw——水的密度（g/cm3）工程用建筑材料一般采用质量吸水率，质量吸水率与体积吸水率的关系材料的吸水性与其亲水性、疏水性、孔隙率大小、孔隙特征有关。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示为式中Wh—材料的含水率（％）

ms

—一材料含水时的质量（ｇ）mg—

材料干燥至恒重时的质量（ｇ）

材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变。练习：含水率为10％的100g湿砂，其中干砂多少？第18页，共57页，2023年，2月20日，星期五例：某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm×50mm×50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm3。试求该岩石的体积吸水率、质量含水率、绝干表观密度、孔隙率。

=1-2.6/2.68=2.98%

1.1/125=0.88%=0.3/325=0.092%=325/125=2.6g/cm3解：V0＝5×5×5＝125cm3m含＝325.3gm干＝325gm饱＝326.1gρw＝1g/cm3第19页，共57页，2023年，2月20日，星期五解：因m干=482g,m饱=487g，V=630-452=178cm3Vo＝178+5=183cm3例：岩石试件经完全干燥后，其质量为482g，将放入盛有水的量筒中，经一定时间岩石吸水饱和后，量筒的水面由原来的452cm3上升至630cm3。取出岩石，擦干表面水分后称得质量为487g。试求该岩石的密度、表观密度及质量吸水率？(假设岩石内无封闭空隙)故：ρ=m干/V=482/178=2.71g/cm3ρo=m干/Vo=482/(178+5)=2.63g/cm3

Wm=(m饱-m干)/m1×100%=(487-482)/482×100%=1%第20页，共57页，2023年，2月20日，星期五思考题：某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？第21页，共57页，2023年，2月20日，星期五（三）材料的耐水性(WaterResistance)材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：式中:kR

—材料的软化系数；fb—材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。软化系数KR的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。

kR小——耐水性差。第22页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。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

。（三）材料的耐水性(WaterResistance)第23页，共57页，2023年，2月20日，星期五关于耐水性不正确的[]。A、有孔材料的耐水性用软化系数表示B、材料的软化系数在0～1之间波动C、软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。D、软化系数小于0.85的材料称为耐水材料。E、软化系数越大，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差答案：DE第24页，共57页，2023年，2月20日，星期五例：某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解 该石材的软化系数为:由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。第25页，共57页，2023年，2月20日，星期五（四）材料的抗渗性(penetration

Resistance)材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为式中Ks——材料的渗透系数（cm/h）；Q——渗透水量（cm3）；d——材料的厚度（cm）；A——渗水面积（cm2）；t——渗水时间（h）；H——静水压力水头（cm）。——实质上就是达西定律第26页，共57页，2023年，2月20日，星期五

Ks值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号Pn表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的MPa数，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。

材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。（四）材料的抗渗性(penetration

Resistance)第27页，共57页，2023年，2月20日，星期五我国现行抗渗等级的确定，是以龄期为28d的圆台体试件(高150mm、底面直径185mm、顶面直径175mm)来做抗渗试验，并定出抗渗等级。抗渗圆柱体试件每组为六个，试验时，当试件只有两个试件表面开始发现渗水现象时的水压力值(以MPa计)，就称为该混凝土的抗渗等级，用符号P来表示。混凝土抗渗仪混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力。（四）材料的抗渗性(penetration

Resistance)第28页，共57页，2023年，2月20日，星期五（五）材料的抗冻性（FrostResistance）材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。第29页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级：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。用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。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。如混凝土抗冻等级Ｆ15是指所能承受的最大冻融次数是15次(在-15℃的温度冻结后，再在20℃的水中融化，为一次冻融循环)，这时强度损失率不超过25％，质量损失不超过5％。

（五）材料的抗冻性（FrostResistance）第30页，共57页，2023年，2月20日，星期五混凝土抗冻等级F15中的15是指()。A．承受冻融的最大次数为15次B．冻结后在15℃的水中融化C．最大冻融次数后强度损失率不超过15％D．最大冻融次数后质量损失率不超过15％材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。

材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。

A（五）材料的抗冻性（FrostResistance）第31页，共57页，2023年，2月20日，星期五四、材料的热工性质

1.导热性

当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示。导热系数的定义和计算式如下所示：第32页，共57页，2023年，2月20日，星期五式中

λ——导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－传导的热量，Ｊ

ｄ—材料厚度，ｍ；

Ｆ——热传导面积，m2

Ｚ一热传导时间，h；

（t2-t1）－材料两面温度差，K

在物理意义上，导热系数为单位厚度(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(1㎡)的热量。四、材料的热工性质第33页，共57页，2023年，2月20日，星期五几种典型材料的热工性质指标材料导热系数（w／（m·K））比热（J／（kg·K））钢580.48花岗岩3.490.92普通混凝土1.510.84烧结普通砖0.800.88松木（横纹）0.170.352.72泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.584.18静止空气0.0231.00四、材料的热工性质Return第34页，共57页，2023年，2月20日，星期五

影响导热系数的因素无机材料的导热系数大于有机材料；材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小同类材料的孔隙率是随体积密度的件小而增大,则导热系数随体积密度的减小而减小；导热系数与孔隙形态特征的关系,认为有微细而封闭孔隙组成的材料,导热系数小,反之大；材料的含水率增加,导热系数也增加。四、材料的热工性质第35页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.热容量和比热

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量。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。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

（t2-t1）--材料受热或冷却前后的温差，K四、材料的热工性质第36页，共57页，2023年，2月20日，星期五比热是反映材料的吸热和放热能力的理量。不同材料的比热不同，它对保持建筑物内部温度温度有很大的意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。Return第37页，共57页，2023年，2月20日，星期五五.材料的温度变形

材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（α）。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：

ΔL=（t2-t1）·α·L

式中

ΔL--线膨胀或线收缩量（mm或cm）

(t2-t1）--材料升（降）温前后的温度差（Ｋ）

α--材料在常温下的平均线膨胀系数(１／Ｋ)

L---材料原来的长度（ｍｍ或ｍ）

建筑工程中，对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化，因此，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。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。第39页，共57页，2023年，2月20日，星期五第二节材料的力学性质

一、材料的强度与等级（一）材料的强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。材料的力学性质系指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。第40页，共57页，2023年，2月20日，星期五材料的强度分类及受外力作用示意图强度类别受力作用示意图强度计算式附注抗压强度fc(MPa)F——破坏荷载(N);A——受荷面积(mm2);l——跨度(mm);b——断面宽度(mm);h——断面高度(mm)抗拉强度ft(MPa)抗剪强度fv(MPa)抗弯强度ftm(MPa)（一）材料的强度第41页，共57页，2023年，2月20日，星期五（二）材料的等级建筑材料常按其强度值的大小划分为若干个等级。如：烧结普通砖按抗压强度分为六个等级：Mu30、Mu25、Mu20、Mu15、Mu10、Mu7.5；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个等级：42.5、52.5、62.5、42.5R、52.5R、62.5R；普通混凝土按其抗压强度分为十四个等级：C15、C10、…、C80等碳素结构钢按其抗拉强度分为五个等级，如Q235等等。第42页，共57页，2023年，2月20日，星期五（三）材料的比强度比强度是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质的结构材料，必须具有较高的比强度。材料表观密度（g/cm3）强度（MPa）比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹、抗拉）5001000.200玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）1700100.006第43页，共57页，2023年，2月20日，星期五（四）材料的弹性与塑性弹性：外力→变形→卸外力→变形完全恢复材料的弹性用弹性模量Ｅ表示塑性：外力→变形→卸外力→变形不完全恢复材料的弹性变形曲线弹性变形：可完全恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形材料的弹塑性变形曲线第44页，共57页，2023年，2月20日，星期五

软钢的应力—应变曲线砼的应力—应变曲线

第45页，共57页，2023年，2月20日，星期五

（五）材料的脆性与韧性脆性：材料在外力作用下至破坏前无明显塑性变形而突然破坏的性质。脆性材料抗动载能力差，但抗压强度高。如砖、混凝土、玻璃等。韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能承受很大变形也不致破坏的性能。如钢材、木材等。第46页，共57页，2023年，2月20日，星期五（六）硬度和耐磨性

1.硬度

材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹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个硬度等级。

第47页，共57页，2023年，2月20日，星期五回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。1.硬度原理：回弹仪的弹击锤被一定的弹力打击在混凝土表面上，其回弹高度（通过回弹仪读得回弹值）与混凝土表面硬度成一定的比例关系。回弹仪第48页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中G------材料的磨耗率，（g/cm2）

m1----材料磨损前的质量，（g）

m2-----材料磨损后的质量，（g）

A------材料试件的受磨面积（cm2）第49页，共57页，2023年，2月20日，星期五第三节材料的耐久性1.概