材料的基本性質(zhì)

土木工程材料高云建筑工程學(xué)院

第一章土木工程材料的基本性質(zhì)

1.3

材料的耐久性1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)1.4

材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.1

材料的物理性質(zhì)材料的兩種孔隙：開口孔（連通孔）：在材料內(nèi)部孔與孔之間相互連通，且與外界相通，為開口孔。閉口孔：孔與孔彼此不連通，且與外界隔絕，稱為閉口孔。自然狀態(tài)下的體積示意圖（1-固體；2-閉口空隙；3-開口空隙）1.密度（ρ）材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。ρ——密度，g/cm3；m——材料的質(zhì)量，g；V——材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3。一、材料的密度、表觀密度和堆積密度絕對(duì)密實(shí):不包括孔隙。如何測(cè)？磨成細(xì)粉，用李氏瓶；原理：排液置換法。李氏密度瓶實(shí)際上，自然界完全密實(shí)的材料不存在（近似密度）。

2.

表觀密度（ρ0）材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。ρ0——表觀密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的質(zhì)量，g或kg；V0——材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積，cm3或m3。表觀體積:包括孔隙在內(nèi)的體積。即固體體積＋孔隙體積。

如何測(cè)？排液、蠟封3.

堆積密度（ρ0/

）粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。ρ0/——堆積密度，kg/m3；m——材料的質(zhì)量，kg；V0/——材料的堆積體積，cm3或m3。堆積體積:散粒材料填充容器的體積。

固體體積＋孔隙體積＋顆粒間空隙。一般針對(duì)粉狀或粒狀材料。如何測(cè)？

標(biāo)定的容器常用土木工程材料的密度、表觀密度及堆積密度材料密度ρ/g·cm-3表觀密度ρ0/kg·m-3堆積密度ρ/0/kg·m-3石灰?guī)r2.601800~2600—花崗巖2.802500~2900—碎石（石灰?guī)r）2.60—1400~1700砂2.60—1450~1650普通粘土磚2.501600~1800—空心粘土磚2.501000~1400—水泥3.20—1200~1300普通混凝土—2100~2600—輕集料混凝土—800~1900—木材1.55400~800—鋼材7.857850—泡沫塑料—20~50—

對(duì)同種材料而言，密度>表觀密度>堆積密度密實(shí)度（D）

：表觀體積中固體物質(zhì)充實(shí)的程度?；蚩紫堵剩≒）

：表觀體積（V0）中孔隙體積（VP）占的比例。即密實(shí)度+孔隙率=1二、材料的孔隙和空隙1.材料的孔隙率和密實(shí)度

反映材料的密實(shí)程度孔隙率反映孔隙多少或致密程度孔隙增多強(qiáng)度降低導(dǎo)熱性能降低透氣性，透水性，吸水性變大抗凍性一般降低。表觀密度減小尺寸：微孔、細(xì)孔、大孔孔隙特征封閉孔（VB）、連通孔（開口）（VK）

孔隙率對(duì)材料性能影響很大2.（散粒）材料的空隙率與填充率填充率（D'

）:堆積體積中，顆粒填充的程度?；蚧蛱畛渎?空隙率=1空隙率（P'）：堆積體積（V0'）中空隙體積（VS）占的比例。

反映了散粒材料的顆粒之間相互填充的致密程度

材料的親水性與憎水性耐水性材料的吸濕性和吸水性抗凍性抗?jié)B性三、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1、材料的親水性和憎水性親水性（θ≤900）憎水性（θ＞900）

親水性材料：磚、木、混凝土、水泥憎水性材料：瀝青、石蠟、塑料管材等

親水性：當(dāng)水與建筑材料在空氣中接觸時(shí)，水在材料的表面易于擴(kuò)展，這種與水的親和性稱為親水性。憎水性：材料與水接觸時(shí)，不與水親和，這種性質(zhì)稱為憎水性。潤濕邊角：在材料、水、空氣三相交點(diǎn)處，沿水滴表面切線與水和材料的接觸面的夾角，用θ表示。用來表示材料的親水性。

2、材料的吸濕性和吸水性平衡含水率：材料與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率。（1）吸濕性：材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)。其大小用含水率表示。含水率：材料中所含水的質(zhì)量與干燥狀態(tài)下材料的質(zhì)量之比。Wh——材料的含水率，%；mh——材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g；m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；練習(xí)：含水率為10％的100g濕砂，其中干砂多少？受環(huán)境中溫度和濕度的影響（2）吸水性：材料在水中吸收水分的性質(zhì)。其大小用吸水率表示吸水率：通常用質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法表示。Wm——材料的（質(zhì)量）吸水率，%；m1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g。m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

1）質(zhì)量吸水率材料吸水飽和時(shí)吸入水分的質(zhì)量占干燥材料的質(zhì)量的百分率。材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率即為質(zhì)量吸水率，為最大含水率。2）體積吸水率材料吸水飽和時(shí)，吸入水的體積占干燥材料自然體積的百分率。wV——材料的體積吸水率，%；V0——干燥材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3;Vw——材料在吸水飽和時(shí)水的體積，cm3;ρw——水的密度（g/cm3）（3）二者之間的關(guān)系思考：體積吸水率與開口孔隙率的關(guān)系？相等材料吸水體積膨脹導(dǎo)熱性能增加表觀密度變大強(qiáng)度降低（少數(shù)除外，如混凝土）吸水性的影響因素：材料成分（親水、憎水）、孔隙率大小、孔隙特征（細(xì)微連通、粗大或封閉）。

吸水率的影響因素材料吸水對(duì)材料性能的影響取某干燥狀態(tài)的材料50g磨成細(xì)粉，用李氏瓶測(cè)得體積為19.23cm3，將該材料浸水飽和后測(cè)得其體積吸水率為25.2%，1m3重1952kg，求該材料的表觀密度和孔隙率。例題解：1、該材料的密度值為：2、求該材料的表觀密度。由于材料的體積吸水率為25.2%，即1m3材料浸水飽和后吸入0.252m3的水，或者說吸入252kg的水。3、材料的孔隙率為：材料長期在飽和水作用下不破壞、強(qiáng)度也不明顯下降的性質(zhì)。水分分散于材料內(nèi)微粒的表面削弱結(jié)合力降低強(qiáng)度3、耐水性耐水性用軟化系數(shù)K軟表示：f飽——材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。f干——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa

。0＜K軟＜1;常位于水中或潮濕環(huán)境的重要結(jié)構(gòu)：

K軟≥0.85；受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)：

K軟≥0.75。耐水材料：通常將軟化系數(shù)>0.85的材料，稱為耐水材料

材料抵抗壓力水（或液體）滲透的性質(zhì)。常用滲透系數(shù)（K）或抗?jié)B等級(jí)（P）來評(píng)價(jià)。4、抗?jié)B性

滲透系數(shù)K值越大，材料的透水性越好，抗?jié)B性越差抗?jié)B等級(jí)S值越大，材料的的抗?jié)B等級(jí)越大，抗?jié)B性越好影響因素：孔隙率、孔隙特征材料在含水狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度不顯著降低（≦25%）且質(zhì)量也不顯著減?。èQ5%）的性質(zhì)。材料吸水負(fù)溫作用水凍結(jié)成冰，體積膨脹材料局部破壞凍融循環(huán)破壞逐步加劇（凍融破壞）常用抗凍等級(jí)（F）來評(píng)價(jià)。5、抗凍性

材料破壞的機(jī)理表示方法抗凍等級(jí)：將材料所能抵抗的凍融循環(huán)的次數(shù)作為評(píng)價(jià)抗凍性的指標(biāo)，稱為抗凍等級(jí)，用Fn表示。F25表示材料能抵抗凍融循環(huán)25次。一次凍融循環(huán)：通常采用將材料在-15℃的溫度凍結(jié)后，再在20℃的水中融化，這樣的一個(gè)過程，稱為一次凍融循環(huán)。定義：導(dǎo)熱系數(shù)（λ）（熱導(dǎo)率）：在數(shù)值上等于厚度為1m的材料，當(dāng)其相對(duì)兩側(cè)表面溫度差為1K時(shí)，經(jīng)單位面積（1m2）單位時(shí)間（1s）所通過的熱量。1、導(dǎo)熱性

λ

——導(dǎo)熱系數(shù)，；Q

——傳導(dǎo)熱量，J；

——材料厚度，m；A

——材料傳熱面積，m2；t

——熱傳導(dǎo)時(shí)間，s；T2-T1——材料兩側(cè)溫差，K。δ工程中通常把λ<0.23W/（m·K）的材料稱為絕熱材料。四、材料與熱有關(guān)的性質(zhì)影響材料導(dǎo)熱性的因素：材料的組成及微觀結(jié)構(gòu)孔隙率及孔隙特征材料的含水程度2、熱容性熱容量（C）：材料溫度升高或降低1K時(shí)所吸收或放出的熱量。比熱容（c）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量材料溫度升高1K時(shí)所需熱量。

在設(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，選用熱導(dǎo)率較小而熱容量較大的材料，以起到較好的保溫隔熱的作用。1.2

材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度與比強(qiáng)度彈性與塑性硬度與耐磨性脆性與韌性

材料的強(qiáng)度：外力作用下不破壞時(shí)能承受的最大應(yīng)力。按外力作用方式：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度?？箟嚎估箯澘辜粢?、強(qiáng)度、比強(qiáng)度

材料強(qiáng)度的計(jì)算公式（1）抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度：f—材料的強(qiáng)度，N/mm2或MPa；Pmax—材料破壞時(shí)的最大荷載，N；A—受力截面面積；（2）抗彎強(qiáng)度：?jiǎn)吸c(diǎn)集中加荷：f—材料的抗彎強(qiáng)度

N/mm2或MPa；Pmax—破壞時(shí)的最大荷載N；L—兩支點(diǎn)的間距mm；b、h—試件橫截面的寬與高mm。

常用土木工程材料的強(qiáng)度（N/mm2或MPa

）材料抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度花崗巖100～2505～810～14普通粘土磚10～30—2.6～5.0混凝土10～1001～83.0～10.0松木（順紋）30～5080～12060～100建筑鋼材240～1500240～1500—材料強(qiáng)度的影響因素：材料組成、孔隙率、含水率、尺寸、加載速度、表面狀況。

比強(qiáng)度材料強(qiáng)度與表觀密度之比。衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的主要指標(biāo)。鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較材料表觀密度/kg·m-3抗拉強(qiáng)度/MPa比強(qiáng)度低碳鋼78004200.053松木50035（順紋）0.070普通混凝土2400300.012

1.彈性：彈性變形：可完全恢復(fù)的變形材料的彈性變形曲線外力作用→變形外力除去→

變形保持塑性變形：不能恢復(fù)的變形材料的塑性變形曲線二、彈性與塑性外力作用→變形外力除去→變形完全恢復(fù)2.塑性：真實(shí)材料中，完全的彈性材料或完全的塑性材料不存在。3.彈塑性變形：材料的彈塑性變形曲線外力作用→變形；卸載后→彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留。

1.脆性：外力達(dá)到一定限度→材料突然破壞（無明顯塑性變形）脆性材料的變形曲線常見脆性材料：磚、玻璃、生鐵、混凝土、陶瓷、石材、砂漿2.韌性：沖擊、振動(dòng)荷載作用→材料吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不發(fā)生突然破壞三、脆性和韌性

1.硬度：材料表面抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。2.耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力。四、硬度和耐磨性

莫氏硬度（刻劃，測(cè)定天然礦物,礦物硬度分為10級(jí),10級(jí)依次為：滑石、石膏、方解石、氟石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石）布氏硬度（用鋼球壓入法測(cè)定）、維氏硬度耐磨性材料抵抗磨損的能力稱為材料的耐磨性。用磨損率表示：

B=（m1-m2)/A材料在使用中，抵抗其自身和環(huán)境的長期破壞作用，保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)。土木工程材料耐久性與破壞因素有關(guān)。破壞因素包括物理作用、化學(xué)作用和生物作用。如抗?jié)B性、抗凍性、沖磨氣蝕、碳化、化學(xué)侵蝕、老化、鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)、腐朽、蟲柱、耐熱、耐火等。1.3

材料的耐久性

材料的耐久性：

西直門立交橋承臺(tái)的破壞離岸式碼頭鋼筋混凝土柱的腐蝕外墻面磚的腐蝕