土木工程材料（第3版）课件：基本性质

土木工程材料

的基本性质土木工程材料的基本性质1.1材料的组成、结构及构造1.2材料的基本物理性质1.3材料与水有关的性质1.4材料的力学性质1.5材料的热工性质1.6材料的耐久性土木工程材料的基本性质重点：材料组成、结构与性质的关系、

材料的物理、力学和耐久性难点：材料的密度及其计算方法、材料

的亲水性、材料的热物理性质1.1材料的组成、结构及构造土木工程中，由于工程性质、结构部位和环境条件不同，对材料性能的要求也不同。材料应具备强度、刚度、耐久和装饰等作用。土木工程材料的基本性质化学组成物相组成1.1材料的组成、结构及构造1.1.1材料的组成土木工程材料的基本性质化学组成

化学组成是指材料的化学成分。

无机非金属材料的化学组成常以其氧化物含量表示金属材料以化学元素的含量表示CuFeAi物相组成

物相是具有一定化学成分和结构特征的单质或化合物。1.1材料的组成、结构及构造1.1.1材料的组成1.1材料的组成、结构及构造1.1.2材料的结构和构造

按材料的结构和构造可观察程度，分为宏观结构、显微结构和微观结构。1.1材料的组成、结构及构造1.1.2材料的结构和构造宏观结构：用肉眼或放大镜能分辨的毫米级以上的粗大组织，是材料宏观存在的状态

孔隙：致密、微孔、多孔组织构造：堆聚、纤维、层状、

散粒：岩石显微结构微观结构1.1材料的组成、结构及构造1.1.2材料的结构和构造宏观结构：用肉眼或放大镜能分辨的毫米级mm以上的粗大组织，是材料宏观存在的状态显微结构：细观结构（亚微观结构），用光学显微镜能看到的微米级um结构微观结构：原子、分子层次的结构，用电子显微镜和X射线来分析，晶体、玻璃体和胶体土木工程材料的基本性质1.2材料的基本物理性质1.2.1孔隙构造

体积是指材料占有的空间大小。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。

1-1土木工程材料的基本性质1.2材料的基本物理性质1.2.2体积

体积是指材料占有的空间大小。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。

1.2材料的状态参数和结构特征1.2.2体积与密度

（1）绝对密实体积V与密度ρ

V

是指绝对干燥的材料在绝对密实状态下的体积，即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。为了便于测定，有时需将材料研磨成粉末状。1.2材料的基本物理性质1.2.2体积与密度（1）绝对密实体积V与密度

ρ

ρ是指材料在绝对密实状态下，单位体积的绝干质量。

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）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。李氏瓶1.2.2体积与密度（1）绝对密实体积V与密度

ρ

1.2材料的基本物理性质1.2.2体积与密度

（2）表观体积V’与表观密度

ρ’

V’是指材料在包括闭口孔隙条件下的体积，由排液法测定。1.2.2体积与密度（2）表观体积V’与表观密度

ρ’（容重）

ρ’是指材料包含闭口孔条件下单位体积的绝干质量。式中：ρ’—表观密度（g/cm3或kg/m3

）

m—材料的质量（g或kg）

V’—材料包含闭口孔隙状况下的体积（cm3或m3）1.2材料的基本物理性质1.2.2体积与密度

（3）毛体积V0与体积密度ρ0

V0是指材料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体积（材料实体+闭口孔隙体积+开口孔隙体积）。

对于外形规则的材料，可以直接量取其外形尺寸，计算即可；对于不规则的材料，采用封蜡处理后用排液法测定。ρ0是材料包含开口、闭口孔隙条件下的单位体积质量。1.2.2体积与密度（3）毛体积V0与体积密度ρ0

式中：ρ0—体积密度（g/cm3）

m—干燥材料的质量（g)V0—材料在自然状态下的体积，或称毛体积（cm3或m3）,包含内部孔隙在内的体积（规则几何形状、松散体积用排液法）1.2材料的基本物理性质1.2.2体积与密度

（4）堆积体积V0’与堆积密度ρ0’

V0’是指粉状或粒状材料在堆积状态下的总体外观体积。

ρ0’粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。1.2.2密度、表观密度及堆积密度（4）堆积体积V0’与堆积密度ρ0’

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。1.2材料的基本物理性质1.2.3密实度和孔隙率

（1）密实度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：ρ—密度ρ0—体积密度1.2材料的基本物理性质1.2.3结构参数（1）密实度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：对于绝对密实的材料，ρ=ρ0，D=1或D=100%，但是大多数土木工程材料的ρ0>ρ，所以D<11.2材料的基本物理性质1.2.3结构参数（2）孔隙率孔隙率是指材料体积内孔隙体积占总体积的百分率，用P表示，按下式计算：孔隙率反映了材料内部孔隙的多少，会直接影响材料的多种性质密实度在量上反映了材料内部固体的含量，对材料性质的影响与孔隙率相反。1.2材料的基本物理性质1.2.3结构参数（3）填充率和空隙率填充率是指散粒材料在堆积中被颗粒填充的程度，用D’表示，按下式计算：1.2材料的基本物理性质1.2.3结构参数（3）填充率和空隙率空隙率是指材料在堆积状态下，颗粒间空隙占堆积体积的百分率，又称间隙率，用P’表示，按下式计算：土木工程材料的基本性质1.3材料与水有关的性质1.3.1亲水性与憎水性亲水性：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；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？当材料与水接触时，在材料、水、空气的三相交界点，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。

材料的润湿示意图材料的亲水和憎水程度可用润湿角θ来表示。1.3材料与水有关的性质1.3.1亲水性与憎水性亲水性和憎水性材料在空气中与水接触时被水润湿的程度,0°≤θ≤180°。

材料润湿角（θ）示意图θ角愈小，表明材料愈易被水润湿，即水在材料表面铺开当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，称憎水性材料。

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1.3.1亲水性与憎水性土木工程材料的基本性质1.3材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性(1)吸水性：材料在水中吸收水分的性质，用吸水率来表示。吸水率（W）：是指材料吸收水的质量占材料干燥质量或材料体积的百分数。(1)吸水性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：1.3材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性式中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）

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）1.3材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性(1)吸水性Wm与Wv的关系：WV=Wm×ρ0体积吸水率即为材料的开口孔隙率吸水率对于确定材料来说为定值材料在水中吸水饱和之后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。饱和系数反映孔隙特征。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(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。1.3材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性(2)吸湿性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1.3材料与水有关的性质1.3.2吸水性与吸湿性式中：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。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、绝干体积密度、孔隙率。

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、绝干体积密度、孔隙率。

=(1-2.6/2.68)*100%=2.98%

=0.3/325=0.092%=325/125=2.6g/cm3解：V0＝5×5×5＝125cm3m干＝325gm含＝325.3gm饱＝326.1gρw＝1g/cm3=1.1/125=0.88%解：m干=482g，m饱=487g，V=630-452=178cm3V0＝178+（487-482）=183cm3例：岩石试件经完全干燥后，其质量为482g，将其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、体积密度及质量吸水率？（假设岩石内有开口孔隙）故：ρ=m干/V=482/178=2.71g/cm3ρ0=m干/V0=482/(178+5)=2.63g/cm3

Wm=(m饱-m干)/m干×100%=(487-482)/482×100%=1%吸湿性与含水率吸湿性材料在潮湿的空气中吸收水分的性质，以含水率衡量。含水率（W）：材料所含水量与干燥状态下材料的质量之比。平衡含水率：材料与空气中的湿度达到平衡时的含水率。耐水性：材料在长期饱和水作用下，不产生破坏，其强度也不明显降低的性质（材料抵抗水的破坏作用的能力）。破坏机理：吸附作用、吸水膨胀、溶蚀作用软化系数（K软）1.3材料与水有关的性质1.3.3耐水性

软化系数K软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。K软越小，材料吸水饱和后的强度降低越多，则耐水性差。1.3材料与水有关的性质1.3.3耐水性1.3材料与水有关的性质1.3.3耐水性

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。软化系数的变化范围在0~1之间。工程中，通常将k软

＞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，材料软化系数不得小于0.75。特殊情况下，

k软应更高。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174MPa、178MPa、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材否能用于水下工程。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。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，单位时间内透过单位面积的水量。1.3材料与水有关的性质1.3.4抗渗性AWHt时间（h）

d

材料的抗渗性示意图式中：K——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1.3材料与水有关的性质1.3.4抗渗性材料的抗渗性用渗透系数来表示：

K值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。1.3材料与水有关的性质1.3.4抗渗性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压力（MPa），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。材料的抗渗性与其开口孔隙率和孔隙特征有关。

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，8h加0.1MPa,直至试块顶面透水，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。1.3材料与水有关的性质1.3.5抗冻性

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。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级：以吸水饱和的试件，在规定试验条件下，抗压强度下降不超过25%，而且重量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数。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。1.3材料与水有关的性质1.3.5抗冻性冻害机理：水结冰，体积膨胀9%、对孔壁造成很大的静水压力，使得孔壁开裂。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。1.3材料与水有关的性质1.3.5抗冻性土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.1强度及强度等级（1）强度材料抵抗外力破坏的能力，称为强度。强度类别受力示意图计算公式附注抗压强度f--强度（MPa）F—破坏荷载（N）A—受荷面积（mm2）

抗拉强度

抗剪强度抗弯强度l—跨度（mm）b—断面宽度（mm）h--断面高度（mm）

土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.1强度及强度等级（2）强度等级脆性材料（砖、混凝土、石材、水泥）根据材料的抗压强度划分强度等级。弹性和塑性材料按抗拉强度划分。土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.1强度及强度等级（3）比强度比强度是材料的强度与表观密度的比值，是衡量材料轻质高强的一项技术指标。比强度越大，材料的轻质高强性越好。常用材料的比强度见表1.2.土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.2变形性质（1）弹性变形弹性：材料在外力的作用下产生变形,外力取消后,能够完全恢复原来形状的性质；则材料发生的变形为弹性变形。受力后材料的应力与应变的比值为弹性模量。土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.2变形性质（2）塑性变形塑性：材料在外力作用下产生变形,外力取消后,仍保持变形后的形状和尺寸,并且不产生裂纹的性质。塑性变形为永久变形、不可逆变形。常见塑性材料:砼拌合物,水泥浆,石灰膏,钢材,沥青等.0Aba变形弹塑性材料的变形曲线

荷载实际上，完全弹性的材料是没有的，当材料所受外力在一定范围内，材料产生弹性变形，当外力超出一定限度后，便出现明显塑性变形。因此，准确地讲，大多数材料都是弹塑性材料。土木工程材料的基本性质1.4材料的力学性质1.4.3脆性和韧性材料在冲击荷载作用下发生破坏的形式为脆性破坏和韧性破坏。脆性：材料受外力达到一定程度后突然破坏,破坏时无明显的塑性变形的性质.石材、水泥砼、砂浆、玻璃和陶瓷等属于脆性材料。特点：抗压强度高，其它强度低。按抗压强度极限值划分强度等级。1.4材料的力学性质1.4.3脆性和韧性脆性：材料受外力达到一定程度后突然破坏,破坏时无明显的塑性变形的性质.石材、水泥砼、砂浆、玻璃和陶瓷等属于脆性材料。特点：抗压强度高，其它强度低。按抗压强度极限值划分强度等级。1.4材料的力学性质1.4.3脆性和韧性A变形脆性材料的变形曲线韧性：在冲击外力和震动荷载作用下,材料能吸收大量的能量，产生一定变形而不致破坏的性质。钢材和木材等材料均属于韧性材料。特点：有较高的抗拉和抗压等强度。钢材以抗拉强度极限划分等级。1.4材料的力学性质1.4.3脆性和韧性复习题：材料的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率之间有何关系？练习题：某立方体岩石试件，外形尺寸为50×50×50mm3，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。试求该岩石的绝干体积密度、孔隙率。

土木工程材料的基本性质1.5材料的热物理性质1.5.1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。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（1s0内通过单位面积（1㎡）的热量。

1.5材料的热物理性质1.5.1导热性绝大多数建筑材料的导热系数0.023-3.49W/(m

K)通常所指的绝热材料是指导热系数小于0.23W/m·K的材料。1.5材料的热物理性质1.5.1导热性

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）0.17

0.352.72泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.584.18静止空气0.0231.00

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