《土木工程材料》 课件 1. 材料基本性质

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials1材料的物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性材料的组成、结构和构造第一章材料的基本性质2024/1/12ScienceofBuildingMaterials2第一节材料的状态物理性质

一、材料的状态参数（密度）二、材料的组成三、材料的物质结构（孔）

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials3堆积密度

密度表观密度材料的状态参数ScienceofBuildingMaterials4

材料的孔隙1实体2闭口孔3开口孔除了钢材、玻璃等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙，如砂石、砖、石材等材料。V0=V+Vk+VbVVkVbV02024/1/12ScienceofBuildingMaterials61.密度定义：材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。绝干质量，105℃烘干至恒重时的质量，g绝对密实状态下的体积，即不包含孔隙在内的固态所占的实体积，cm32024/1/12ScienceofBuildingMaterials72.表观密度（视密度）

定义：指材料在自然状态下单位体积的质量。材料在自然状态下的体积，cm3或m32024/1/12ScienceofBuildingMaterials8对于外形规则的块状材料，通过测量几何尺寸，计算得到体积。不规则的块状材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗入材料内部而影响测定值。说明2024/1/12ScienceofBuildingMaterials9这两种情况下，得到的体积包括材料全部体积：即实体积与所含全部孔隙体积之和V0=V+Vk+Vb

说明体积密度材料在自然状态下的体积，包括开口孔和闭口孔2024/1/12ScienceofBuildingMaterials103.堆积密度

定义：是指粉状或颗粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量。材料的堆积体积，cm3，V′0=V+Vk+Vb+VV2024/1/12ScienceofBuildingMaterials11表观（体积）密度、堆积密度必须注明含水情况，未注明者常指气干状态（表面干燥状态）。说明——材料的含水状态绝干状态下，称为干表观密度ρad

、绝干体积密度ρod、绝干堆积密度ρpd。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials12第二节建筑材料的工程性质一、材料的力学性质二、材料的耐久性

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials13一、材料的力学性质定义：材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。变形破坏材料在外力作用下，通过形状的改变来吸收能量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力学性质——选择材料时首先考虑到的基本性质

——材料的力学性质本质上是指材料的应力—应变关系。材料受外力作用时，内部产生应力和应变2024/1/12ScienceofBuildingMaterials151.材料常用的力学性能强度弹性与塑性脆性、延性、韧性徐变硬度耐磨性

弹性、弹性变形材料受到外力作用时产生变形，外力解除时变形能完全消失的性质称为弹性；这种变形称为弹性变形（可逆变形）。

塑性、塑性变形材料受到外力作用时产生变形，外力解除时若还存在永久变形的性质称为塑性；这种永久变形称为塑性变形（不可逆变形）。

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials17

弹性模量定义：材料在弹性变形阶段，应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量（弹性变形范围内，弹性模量为常数）。意义：弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，弹性模量愈大，材料愈不易变形（刚度越大）——结构设计的重要参数。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials18

没有单纯的弹性材料，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，称之为弹塑性材料。

ba变形荷载0Aab—弹性变形ob—塑性变形弹塑性材料的变形曲线

脆性、脆性材料材料在外力作用下，当外力达一定值时发生突然破坏，破坏时不产生明显塑性变形，这种性质称为脆性；具有这种性质的材料称为脆性材料。特性：抗压强度远大于其抗拉强度，受力后不会产生塑性变形，如：岩石、砼、玻璃。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性；具有这种性质的材料称为韧性材料（塑性材料）。特性：抗拉强度高，但受力后会产生塑性变形，如：钢筋。

韧性、韧性材料2024/1/12ScienceofBuildingMaterials21脆性材料只适合用作承压构件，且抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差——对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等，应选用韧性材料。材料在破坏前产生很大的塑性变形，这种性质叫延性；具有这种性质的材料称为延性材料，如软钢、橡胶、塑料。

延性、延性材料2024/1/12ScienceofBuildingMaterials23

徐变当材料长时间承受一定荷载（即荷载值不变）时，变形随时间而增长，这种现象称为徐变。徐变引起的桥梁垮塌2024/1/12ScienceofBuildingMaterials24

硬度硬度是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。一般情况下，硬度大的材料强度较高，工程中有时用硬度间接推算强度（回弹法）通常采用的测定方法：刻划法、压入法天然矿物（莫氏硬度）钢材、木材、砼等（布氏硬度）2024/1/12ScienceofBuildingMaterials25

耐磨性材料表面抵抗磨损的能力，以磨损率B表示。

m1、m2一材料磨损前、后的质量A—试件受磨损的面积组成成分

结构强度

硬度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials26

耐磨性组成成分

结构强度

硬度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials272.材料的力学破坏材料的力学破坏本质：是由于原子间或分子间的结合键受拉力作用发生断裂所造成的。断裂的形式：脆裂、产生晶界面滑移。材料受压破坏并非是压坏，而是由于压力作用引起内部产生拉应力或剪应力而造成的破坏。

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials283.力学性能指标（强度）

根据作用方式不同——抗压抗拉抗弯/抗折抗剪2024/1/12ScienceofBuildingMaterials29破型实验：在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料强度。强度测定——2024/1/12ScienceofBuildingMaterials30

影响材料强度的因素材料的组成、结构与构造试件的形状和尺寸受力面状态加荷速度试验环境的温度、湿度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials31

烧结不完全的红砖浸水后强度会下降

——这是因为没有烧透的红砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大。⇛举例2024/1/12ScienceofBuildingMaterials32

强度等级

强度等级：建筑材料常根据强度值的大小，划分为不同的强度等级或标号。强度是材料的极限值，是实测值，是唯一的；强度等级是人为规定的强度范围，每一强度等级则包含一系列强度值。比强度：材料强度与表观密度的比值——衡量材料轻质高强性能的重要指标。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.52024/1/12ScienceofBuildingMaterials33二、材料耐久性定义：所谓材料的耐久性，是指在使用条件下，在各种因素作用下，在规定使用期限内不破坏，也不失去原有性能的性质。物理、机械、化学、生物双重标准2024/1/12ScienceofBuildingMaterials34（一）材料在水作用下的性质（二）材料的抗冻性（砼）（三）化学稳定性水二、材料耐久性2024/1/12ScienceofBuildingMaterials35（一）材料在水作用下的性质

2024/1/12ScienceofBuildingMaterials361.亲水性、憎水性

固、气、液三态交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。润湿角：材料遇水后表面能降低，水在材料表面易于扩展，这种与水的亲合性称为亲水性，相应材料亦称亲水材料。材料与水接触时不与水亲合，这种性质称为憎水性，相应材料称为憎水材料。（θ>

90°）当θ=0°时，表明材料完全被水润湿，称为铺展（θ≤90°）2024/1/12ScienceofBuildingMaterials382.吸水性与吸湿性

吸水性：材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示。吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials39质量吸水率Wm：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：

吸水率材料在吸水饱和状态下的质量材料在干燥状态下的质量2024/1/12ScienceofBuildingMaterials40体积吸水率WV：材料吸水饱和时，内部所吸水分的体积占干燥材料自然状态下体积的百分率：

吸水率材料在自然状态下的体积水的密度，常温下取ρW=1g/cm3开口孔隙率Pk：材料内部开口孔隙的体积（Vk）占材料在自然状态下体积的百分率。水可进入开口孔隙——工程中常将材料吸水饱和状态下所吸水的体积，视为开口孔隙的体积。Wv=Pk质量吸水率体积吸水率当材料吸水饱和时，Wm与WV存在如下关系：材料的干表观密度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials42孔隙水饱和系数是材料体积吸水率与材料孔隙率的比值（Wv/P）。

孔隙水饱和系数Wv=Pk孔隙水饱和系数（Wv/P=Pk/P

）越小，说明材料的开口孔隙越少。2024/1/12ScienceofBuildingMaterials43材料的吸水性取决于材料的孔隙率及孔隙特征：密实材料和具有闭口孔的材料是不吸水的。粗大孔隙，水分虽然容易渗入，但仅能润湿孔壁表面而不易在孔内存留，所以吸水率也低。

细微连通的孔隙，孔隙率愈大吸水率愈大。材料的吸水性与什么有关？2024/1/12ScienceofBuildingMaterials44含水率Wh：材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。

含水率材料含水时的质量材料在干燥状态下的质量2024/1/12ScienceofBuildingMaterials45吸湿性与材料表面的化学性质、状态以及材料内部的孔结构有关：亲水性材料表面粗糙材料内部多开口孔、且孔径较小材料的吸湿性与什么有关？外因吸湿性大内因环境温度和湿度2024/1/12ScienceofBuildingMaterials46环境湿度较大且温度较低时——材料含水率大，反之则小。材料与环境湿度达到平衡状态时的含水率，称为平衡含水率。

吸湿性可逆（还湿性）材料吸湿达到饱和状态时的含水率=？

吸水率材料的吸湿性与什么有关？外因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

材料的吸水性和吸湿性均会对材料性能产生不利影响——

自重增大导热性增大强度、耐久性下降形状尺寸改变，影响使用2024/1/12ScienceofBuildingMaterials483.耐水性与抗渗性

耐水性：材料长期处于水的作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数KP表示

干燥状态下抗压强度MPa饱水状态下抗压强度MPaKp反映材料饱水后强度降低的程度Kp越小，材料的耐水性越差Kp在0～1之间——耐水材料：Kp≥0.85，可用于水中、潮湿环境中的重要结构材料。用于受潮湿较轻或次要结构的材料，

Kp≥0.752024/1/12ScienceofBuildingMaterials49抗渗性（不渗水性）：材料抵抗压力水渗透的性质。3.耐水性与抗渗性

影响材料抗渗性的因素

材料亲水性和憎水性（分子结构）材料的密实度（孔隙率）材料的孔隙特征d——试件厚度F——渗水面积抗渗性指标——抗渗等级（砼）渗透系数Q——渗透水量t——渗水时间2024/1/12Scien