第1章建筑材料基本性質

第一章

土木工程材料的基本性質

一、教學要求掌握材料的組成與構造，掌握材料的物理、力學性質及耐久性。二、重點、難點1．建筑材料的各種情況下的密度計算2．建筑材料的構造3．建筑材料的力學性質4．建筑材料與水有關的性質第一節(jié)材料的化學組成、結構與構造材料的各種性能主要取決于其組成和結構一、化學組成：（材料化學成分的組合形式）元素組成：材料的化學成分的構成。礦物組成：由相同化學組成而形成的性質不同化合物。二、微觀結構：材料從宏觀到微觀不同層次的構造情況。微觀結構：原子、分子、離子層次的組成形式（10-10m）：【晶體結構】【玻璃體結構】【膠體結構】三、宏觀構造：

【致密狀構造】（鋼材、玻璃）密度大、強度高、導熱性高【多孔狀構造】（加氣砼、發(fā)泡塑料、石膏制品

）【微孔狀構造】（石膏制品、燒結磚）【散粒狀構造】（砂、石子）【纖維狀構造】（木材、玻璃棉）各向異性【層狀構造】（膠合板、夾層玻璃、紙面石膏板）各向異性

四、建筑材料的孔隙1．孔隙形成的原因（1）水分的占據(jù)作用：（2）外加劑的發(fā)泡作用：（3）火山作用：（4）熔燒作用：2．孔隙的類型：（1）連通孔：（亦稱開口孔隙）孔隙之間與外界間都連通。（2）封閉孔：（亦稱閉口孔隙）孔隙之間不連通，孔壁致密。（3）半封閉孔：孔隙孤立，?？妆谟幸欢ㄍ笟?、透水性。3．孔隙的特征參數(shù)及對材質影響：（1）特征參數(shù)

孔隙率：孔隙的多少

孔隙大?。捍执罂祝╩m以上）；細小孔:（μm~mm）吸水↑抗凍性↓極細微孔：（十分之幾μm）無害。連通情況：連通孔，封閉孔.（2）孔隙對材性的影響：

體積密度；強度；導熱性及熱容性；吸水性；透水性；物理性質：包括材料的密度、孔隙狀態(tài)、與水有關的性質、熱工性能等。

化學性質：包括材料的的抗腐蝕性、化學穩(wěn)定性等，因材料的化學性質相異較大，故該部分內容在以后各章中分別敘述。

力學性質：材料的力學性質應包括在物理性質中，但因其對建筑物的安全使用有重要意義，故對其單獨研究，包括材料的強度、變形、脆性和韌性、硬度和耐磨性等。

耐久性：材料的耐久性是一項綜合性質，雖很難對其量化描述，但對材料的使用至關重要。材料的基本性質可歸納為以下幾類：材料的體積構成V開（開口孔隙體積）V閉V（絕對密實體積）V0（自然體積）V0’

（堆積體積）V+V閉=V’（表觀體積）（閉口孔隙體積）第二節(jié)材料的基本狀態(tài)參數(shù)一、材料的密度、表觀密度和堆積密度（一）密度density密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。公式：ρ=m/V

李氏瓶“V”的測定：（a）密實材料（形狀規(guī)則）：測量計算（V＝V+V閉)（b）非密實材料：磨成細粉→粉末體積認為V，消除孔隙影響。（二）表觀密度apparentdensity表觀密度是指材料在包括閉口孔隙條件下單位體積的質量。公式：（三）體積密度（容重）體積密度是材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。公式：ρ0=m/V0“V0”的測定：（1）形狀規(guī)則：測量（2）形狀不規(guī)則：排水法（需表面涂臘）ρ0的影響因素：材料本身（組成、孔隙）;材料的含水情況（四）堆積密度bulkdensity堆積密度是指散粒材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質量。公式：

“V0”的測定：容積桶或測量外包體積。ρ0的影響因素：材料本身（組成、孔隙）；含水情況；堆積狀況。(4)幾種密度間的區(qū)別（1）大?。害选荭选荭?≥ρ0(同一材料)（2）影響因素：（3）計算表示式中體積的不同

ρ:V＝V＋V閉；

ρ0:V0＝V＋V閉＋V開＝V＋V孔

ρ0:V0＝V＋V閉＋V開＋V空＝V＋V孔＋V空（4）計算表達式中質量的不同

ρ，ρ中m為絕對干燥的質量

ρ0，ρ0中m為自然狀態(tài)下的質量（可能含水）二、材料的密實度

degreeofcompaction

材料密實度是指在材料體積內被固體物質充實的程度。公式表示如下：D=V/V0=ρ0/ρ三、材料的孔隙和空隙（一）材料的孔隙

airvoids材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表示?？紫堵适侵覆牧蟽炔靠紫扼w積占材料總體積的百分率。材料的密實度和孔隙率之和等于1，即D+P=1開口孔隙率材料中能被水飽和（即被水所充滿）的孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率

閉口孔隙率（二）材料的空隙void散粒材料顆粒間的空隙常用空隙率表示?？障堵适侵干⒘２牧项w粒間的空隙體積(包括開口孔隙)占堆積體積的百分率。公式：

結論：土木工程材料要承受不同的作用，因而要求材料具有相應的不同性質，如：受力不同選用不同力學性能的材料使用功能不同選用材料功能不同路面材料不同部位

1、一般地，孔隙率小且連通孔較小的材料，其吸濕性小、強度較高、抗?jié)B性、抗凍性較好！2、材料的密實度反映了材料的致密程度。材料的很多性能，如強度、吸水性、耐久性、導熱性等均與密實度有關！3、孔隙特征：（1）按孔的大小可分為微孔、細孔和大孔；（2）按是否連通分為連通孔和孤立孔；（3）按是否與外界連通分為開口孔和封閉孔。注意?材料的狀態(tài)特征，如密度、體積等；?材料的力學性質，如強度、耐磨性等；?材料與水有關的性質，如吸濕性、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性等；?材料的熱容性質，如保溫性；?材料的聲學性質，如吸聲性等。4.材料的孔隙率及孔隙特征第三節(jié)材料的物理性能一、材料的親水性與憎水性材料的親水性與憎水性親水性wateraffinity憎水性hydrophobicity

濕潤角親水性材料：θ≤90的材料（水與材料間吸引力>水分子間吸引力）材料能被水潤濕（親水）憎水性材料：θ>90的材料(水與材料間吸引力<水分子間吸引力)材料不能被水潤濕（憎水）注：材料的四種含水狀態(tài)：干燥狀態(tài)氣干狀態(tài)飽和面干狀態(tài)濕潤狀態(tài)二、材料與水有關的性質1.吸濕性hygroscopicity材料在潮濕空氣中吸收水分的性質稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。2.材料的吸水性

材料能吸收水分（飽和）的能力，稱為材料的吸水性。吸水的大小以吸水率來表示。

還濕性平衡含水率質量吸水率

——是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質量百分比，并以ｗ表示。

體積吸水率——材料吸水飽和時，所吸水分體積占材料干燥狀態(tài)時體積的百分率.計算式：

Wv=(m1-m2)/V0*100%(W0≯1)（可大于1）影響吸水率的因素：材料的親水、憎水性；孔隙率；孔隙形態(tài)特征（孔徑大小，孔隙連通狀態(tài)）吸水率對材料性能影響：（指吸水飽和后）W↑ρ0↑導熱性↑強度↓抗凍性↓

兩種吸水率間的關系：Wv/Wm=m2/V0=ρ0(干燥體積密度)即Wv=Wmρ0（ρ0<1，Wv<Wm材料較水輕）（ρ0>1，Wv>Wm材料較水重）3、耐水性材料在長期飽合水作用下，保持其原有性質（不破壞，強度也不顯著降低）的能力。技術指標：軟化系數(shù)KPKP＝fw/f(0~1)fw－材料浸水飽和時的抗壓強度，MPa。f－材料干燥狀態(tài)下的抗壓強度，MPa。Kp↑耐水性↑Kp↓耐水性↓材料的耐水性越差，其使用環(huán)境將受到很大限制。軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，使材料強度有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度嚴重降低。

耐水性及軟化系數(shù) 材料軟化系數(shù)范圍在0至1之間。軟化系數(shù)越小，材料的耐水性越差，其使用環(huán)境將受到很大限制。 軟化系數(shù)ＫＲ＞0.85的材料稱為耐水性材料，耐水材料可用在水中或潮濕環(huán)境中以及重要工程中。 即使用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料的軟化系數(shù)也不得小于0.75?？箖鲂?/p>

4.抗凍性freezeresistance 抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。 材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨漲所產生的凍脹壓力造成材料的內應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。抗凍等級

5.抗凍性

材料抗凍性以試件在凍融后的質量損失、外形變化或強度降低不超過一定限度時所能經受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級。

材料抗凍等級：

Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200。

材料可承受的凍融循環(huán)次數(shù)：

15次、25次、50次、100次、200次。 材料的抗凍性與材料的強度、孔結構、耐水性和吸水飽和程度有關?？?jié)B性含義如：抗凍標號F8，表示滿足強度損失≯25％，質量損失≯5％的情況下，材料可經受最多8次凍融循環(huán)。

6.抗?jié)B性及抗?jié)B等級 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。土木建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當材料兩側的水壓差較高時，水可能從高壓側通過內部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側。這種壓力水的滲透，不僅會影響工程的使用，而且滲入的水還會帶入能腐蝕材料的介質，或將材料內的某些成分帶出，造成材料的破壞?？?jié)B性系數(shù)滲透系數(shù)permeabilityefficient

根據(jù)達西定律，滲透系數(shù)的計算公式如下：K=Qd/AtH抗?jié)B等級抗?jié)B等級是以規(guī)定的試件在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力來確定?？?jié)B等級以符號“P”和材料可承受的水壓力值（以0.1MPa為單位）來表示:p2,p4,p6,p8.三、材料的熱工性能（一）導熱性thermalconductivity導熱性是材料傳導熱量的能力。導熱性的大小以導熱系數(shù)表示.導熱系數(shù)的含義是當材料兩側的溫差為1K時，在單位時間（1h）內，通過單位面積(1㎡),并透過單位厚度(1m)的材料所傳導的熱量。傳熱量公式：λ——導熱系數(shù)d——材料厚度t——傳熱時間。材料的導熱示意圖λ↓,絕熱性↑,保溫隔熱性能↑絕熱材料：λ<0.15w/m·k影響導熱系數(shù)的因素：1）化學組成和（顯微）結構：λ晶體>λ玻璃體

λ金屬>λ無機

λ無機>λ有機2）體積密度：ρ0↑（P↓）λ↑3）孔隙狀況：P↑P閉↑孔徑小λ↓4）環(huán)境的溫、濕度

2.330.580.023

λ冰>λ水>λ空氣

4倍25倍

（二）熱容量heatcapacity熱容量是材料受熱時吸收熱量或冷卻時放出熱量的能力。熱容量的大小用比熱容表示。比熱容指1g材料溫度升高1K所吸收的熱量或溫度降低1K放出的熱量。（三）溫度變形temperaturedeformation溫度變形是指材料在溫度變化時的尺寸變換，除個別的如水結冰之外，一般材料均符合熱脹冷縮這一自然規(guī)律。

第三節(jié)材料的力學性質1.材料的強度strength

材料的強度是指材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應力。1)抗壓強度compressionstrength：用㎏/C㎡表示，也可用KN千牛，混凝土柱是250㎏/C㎡。2)抗拉強度tensilestrength3)抗剪強度shearstrength4)抗彎強度bendingstrength(抗折強度)

-材料所受外力示意圖（a）壓力（b）拉力（c）彎曲（d）剪切2、試驗條件對強度試驗結果的影響（1）試件的形狀和尺寸：f立方體>f棱柱體

f大尺寸<f小尺寸

（大尺寸試件：①受摩擦力影響??；②缺陷出現(xiàn)機率大。）（2）材料試件的表面狀態(tài)：f光滑表面<f粗糙表面（3）材料的含水狀況：f含水≤f干燥（4）材料的溫度：f濕度高≤f溫度低（5）加荷速度：

f加荷快≥f加荷慢結論：為使試驗結果有可比性，必須根據(jù)規(guī)定方法（國家標準）進行強度試驗。3、材料的強度等級按材料強度值大小劃分的等級稱為材料的強度等級。材料強度等級與強度的關系與區(qū)別：材料強度值是其力學性質的指標（是隨機連續(xù)的）；標號（強度等級）是根據(jù)強度劃分的級別（是人為確定,不連續(xù)的）

。4、比強度按材料單位質量計算的強度（MPa/kg/m3），是材料輕質高強的標志。（f/ρ0：鋼：73~78、塑料：100~400）二、材料的彈性與塑性1.彈性elasticity塑性plasticity材料在外力作用下產生變形,當外力去除后,能完全恢復原來形狀的性質,稱為彈性.這種可恢復的變形稱為彈性變形.若除去外力,材料仍保持變形后的形狀和尺寸,且不產生裂縫的性質,稱為塑性.此種不可恢復的變形稱為塑性變形.2、彈性模量：彈性模量表示材料在彈性范圍（線彈性范圍）內應變ε與應力σ間的線性關系。ε＝σ／E

E＝σ／εE↑，在相同σ條件下，ε越小。也說明材料在外力作用下抗彈性變形能力越強。三、材料的脆性與韌性脆性brittleness韌性toughness當外力作用達到一定限度后，材料突然破壞且破壞是無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。具有這種性質的材料稱為脆性材料。材料在沖擊或振動荷載作用下，能產生較大的變形而不致破壞的性質稱為韌性。具有這種性質的材料稱為韌性材料。脆性材料的力學性能特點是抗壓強度遠大于抗拉強度，破壞時的極限應變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。四、材料的硬度和耐磨性硬度hardness是材料抵抗較硬物質刻劃或壓入的能力。測定硬度的方法很多，常用刻劃法和壓入法。耐磨性abrasionresistance是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐模性用磨損率表示，計算公式如下：M=（M1-M2）/A壓入法測量硬度示意

材料的耐久性durability——是指用于構筑物的材料在環(huán)境的各種因素影響下，能長久地保持其性能的性質。

材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。

第四節(jié)材料的耐久性例1-1某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、表觀密度為2.61g/cm3、堆積密度為1680kg/m3，計算此石子的孔隙率與空隙率？解：石子的孔隙率P為：石子的空隙率P，為：例1-2某地卵石，已按規(guī)定將其磨細，過篩。烘干后稱取50g，用李氏瓶測得其體積為18.9cm3。另有卵石樣本