材料的基本性質(zhì)

1、第一章 材料的基本性質(zhì)一、材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)材料的體積構(gòu)成 體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。封閉孔隙（體積為Vb）開口孔隙（體積為Vk）固體物質(zhì)（體積為V）材料在自然狀態(tài)下總體積：V0V+Vp 孔隙體積：VpVb+VkVp孔隙體積絕對(duì)密實(shí)體積 干燥材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積。即材料內(nèi)部固體物質(zhì)的體積，或不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。一般以表示。一般將材料磨成規(guī)定細(xì)度的粉末，用排開液體的方法得到其體積。表觀體積 對(duì)于比較密實(shí)、孔隙較少的散粒狀材料，不必磨細(xì)，直接用排開液體的方法測(cè)定的體積。一般以 表示。 V材料的自然體積 材料在自然狀態(tài)下的體積，即整體材

2、料的外觀體積（含內(nèi)部孔隙和水分）。一般以V0 表示。 形狀規(guī)則的材料可根據(jù)其尺寸計(jì)算其體積；形狀不規(guī)則的材料可先在材料表面涂臘，然后用排開液體的方法得到其體積。材料的堆積體積 粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下的總體外觀體積。松散堆積狀態(tài)下的體積較大，密實(shí)堆積狀態(tài)下的體積較小。一般以 表示。0V（一）材料的密度 1.實(shí)際密度 指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算： 式中：實(shí)際密度，g/cm3 或 kg/m3； m材料的質(zhì)量，g 或 kg； V材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3 或 m3。Vm2.表觀密度 材料單位表觀體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：式中： 體積密度， g/cm3 或 kg/m3； m 材

3、料的質(zhì)量，g 或 kg； 材料的自然體積，cm3 或 m3。Vm（一）材料的密度V（一）材料的密度 表觀體積是指包括內(nèi)部封閉孔隙在內(nèi)的體積。其封閉孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質(zhì)量或體積。 因此，材料的表觀密度與其內(nèi)部構(gòu)成狀態(tài)及含水狀態(tài)有關(guān)。工程中砂石材料，直接用排水法測(cè)定其表觀體積（一）材料的密度砂表觀密度s的測(cè)定（kg/m3）式中： m0砂試樣的烘干質(zhì)量，g； m0300g； m1砂試樣、水及容量瓶總質(zhì)量，g; m2水及容量瓶總質(zhì)量，g。測(cè)定瓶+砂+水的質(zhì)量m1測(cè)定瓶+水的質(zhì)量m210001200s）（mmmm3.體積密度 體積密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)

4、量。按下式計(jì)算： 式中：0材料的體積密度, g/cm3 或 kg/m3； m 材料的質(zhì)量，g 或 kg； V0材料的自然體積，cm3 或 m3。00Vm（一）材料的密度4. 堆積密度 堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算： 式中：0材料的堆積密度, g/cm3 或 kg/m3； m 材料的質(zhì)量，g 或 kg； 材料的堆積體積，cm3 或 m3。00Vm（一）材料的密度0V顆粒材料空 隙砂堆積密度的測(cè)定將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積（一）材料的密度幾種密度的比較比較項(xiàng)目實(shí)際密度表觀密度體積密度堆積密度材料狀態(tài)絕對(duì)密實(shí)近似絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)自然狀態(tài)堆積狀態(tài)

5、材料體積VV0計(jì)算公式應(yīng)用判斷材料性質(zhì)用量計(jì)算、體積計(jì)算00VmVmVm00VmV0V（二） 材料的密實(shí)度 密實(shí)度是指材料體積內(nèi)固體物質(zhì)填充的程度。密實(shí)度的計(jì)算式如下： 式中： 密度； 0材料的表觀密度。 對(duì)于絕對(duì)密實(shí)材料， 因 0 = ，故密實(shí)度D =1 或100%。對(duì)于大多數(shù)土木工程材料， 因 0 ，故密實(shí)度D 1 或 D 100%。 10010000VVD材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率?？紫堵蔖按下式計(jì)算：式中：V材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3 或 m3；V0材料的表觀體積，cm3 或 m3； 0材料的表觀密度, g/cm3 或 kg/m3； 密度, g/cm3 或

6、kg/m3。）（1001100000VVVP （三）孔隙率（四）空隙率 空隙率是指散粒材料在其堆積體積中, 顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率 按下式計(jì)算：式中：0材料的體積密度； 材料的堆積密度。 空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞?jí)配與計(jì)算砂率的依據(jù)。 ）（）（10011001100000000VVVVVP0P 孔隙率與空隙率的區(qū)別比較項(xiàng)目孔隙率空隙率適用場(chǎng)合個(gè)體材料內(nèi)部堆積材料之間作 用可判斷材料性質(zhì)可進(jìn)行材料用量計(jì)算計(jì)算公式）（10010P）（100100P二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.材料的親水性與憎水性 與水接觸時(shí)，材料表面能被水潤濕的性質(zhì)

7、稱為親水性；材料表面不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎水性。 具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結(jié)構(gòu)。親水性材料與水分子之間的分子作用力，大于水分子相互之間的內(nèi)聚力；憎水性材料與水分子之間的作用力，小于水分子相互之間的內(nèi)聚力。（）親水性材料 （）憎水性材料9090稱為潤濕角。二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率來表示。（1） 質(zhì)量吸水率 質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比，并以m 表示。質(zhì)量吸水率m 的計(jì)算公式為：式中： mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）； mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量

8、（g或kg）。%100ggbmmmmW（2） 體積吸水率 體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以WV表示。體積吸水率WV的計(jì)算公式為：式中:mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）；mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）。V0 材料在自然狀態(tài)下的體積，（cm3 或 m3）；w 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3）， 常溫下取 w =1.0 g/cm3。%10010WgbvVmmW二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)（3）影響材料吸水性的因素 材料的吸水率與其孔隙率有關(guān)，更與其孔特征有關(guān)。因?yàn)樗质峭ㄟ^材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與

9、外界連通的細(xì)微孔隙愈多，其吸水率就愈大。二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)3. 材料的吸濕性 材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。用含水率h表示，其計(jì)算公式為：式中：ms材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg） mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）。 當(dāng)空氣中濕度在較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時(shí)材料的含水率保持不變，其含水率稱為平衡含水率。%100ggshmmmW二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)吸水率與含水率的區(qū)別比較項(xiàng)目吸水率含水率適用場(chǎng)合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質(zhì)量比或體積比吸收水分的質(zhì)量比吸收水量達(dá)到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率4. 材料的耐水性

10、材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料耐水性的指標(biāo)用軟化系數(shù)KR表示：式中： KR 材料的軟化系數(shù)； fb 材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）； fg 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。gbRffK二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)軟化系數(shù)反映了材料飽水后強(qiáng)度降低的程度，是材料吸水后性質(zhì)變化的重要特征之一。 一般材料吸水后，水分會(huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強(qiáng)度則有不同程度的降低。當(dāng)材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時(shí)（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。軟化系數(shù)的波動(dòng)范圍在0至1之間。工程中通常將KR0.8

11、5的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時(shí)，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75 。 二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)5.抗凍性 抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。 材料吸水后，在負(fù)溫作用條件下，水在材料毛細(xì)孔內(nèi)凍結(jié)成冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。 抗凍性以試件在凍融后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失不超過一定限度時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級(jí)。 材料的抗凍等級(jí)可分為F15、F25、F50、F100

12、、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)影響抗凍性的因素1.材料的密實(shí)度（孔隙率） 密實(shí)度越高則其抗凍性越好。2.材料的孔隙特征 開口孔隙越多則其抗凍性越差。3.材料的強(qiáng)度 強(qiáng)度越高則其抗凍性越好。4.材料的耐水性 耐水性越好則其抗凍性也越好。5.材料的吸水量大小 吸水量越大則其抗凍性越差。二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)6.材料的抗?jié)B性 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級(jí)表示。（1）滲透系數(shù) 材料的滲透系數(shù)K可通過下式計(jì)算:式中：K滲透系數(shù),（cm / h）; Q滲水量， （cm3 ）； A滲水面積,（

13、cm2 ）； H材料兩側(cè)的水壓差，（cm）； d試件厚度 （cm）；t滲水時(shí)間 （h）。材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。AtHQdK二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)（2） 抗?jié)B等級(jí) 材料的抗?jié)B等級(jí)是指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級(jí)。如P4、P6、P8、P10等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水壓而不滲透。（3）影響材料抗?jié)B性的因素 材料親水性和憎水性 通常憎水性材料其抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料； 材料的密實(shí)度 密實(shí)度高的材料其抗?jié)B性也較高； 材料的孔

14、隙特征 具有開口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。三、材料的熱工性質(zhì)1.導(dǎo)熱性 當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量提高建筑材料傳遞的性質(zhì)，稱為材料的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)表示：式中：導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK）； Q傳導(dǎo)的熱量，J； d材料厚度，m； F熱傳導(dǎo)面積，m2； Z熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；（t2t1）材料兩面溫度差，K。 物理意義：單位厚度（1m）的材料、兩面溫度差為1K時(shí)、在單位時(shí)間（1s）內(nèi)通過單位面積（1 m2 ）的熱量。）（12ttFZQd2. 熱容量和比熱材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。用熱容量系數(shù)或比熱表示。比熱的計(jì)算式如下所示：式中：C材料的比熱，J/（gK）； Q材料

15、吸收或放出的熱量(熱容量)； m材料質(zhì)量，g；（t2 t1）材料受熱或冷卻前后的溫差，K。）（12ttmQC三、材料的熱工性質(zhì)三、材料的熱工性質(zhì)3.熱阻和傳熱系數(shù) 熱阻是材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過的能力，熱阻的定義及計(jì)算式為： / 式中： R材料層熱阻，（m2K）/W； d材料層厚度，m； 材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK）。 熱阻的倒數(shù)稱為材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量。三、材料的熱工性質(zhì)4.材料的溫度變形性 材料的溫度變形是指溫度升高或降低時(shí)材料的體積變化。用線膨脹系數(shù)表示。 L =（t2 t1） L式中：L

16、線膨脹或線收縮量 ，mm 或 cm；（t2t1）材料前后的溫度差，K； 材料在常溫下的平均線膨脹系數(shù)，1/K； L材料原來的長度，mm或m。 材料的線膨脹系數(shù)與材料的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)，常選擇合適的材料來滿足工程對(duì)溫度變形的要求。四、材料的力學(xué)性質(zhì)1.材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是材料在應(yīng)力作用下抵抗破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強(qiáng)度等。FFFFFFlFl/2bh抗壓抗拉抗剪抗彎四、材料的力學(xué)性質(zhì) 抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算：式中：f材料強(qiáng)度， MPa； Fmax材料破壞時(shí)的最大荷載，N； A試件受力面積，mm2。 抗彎強(qiáng)度的計(jì)算： 中間作用一集中荷載，對(duì)

17、矩形截面試件，則其抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：式中：fw材料的抗彎強(qiáng)度， MPa；Fmax材料受彎破壞時(shí)的最大荷載，N；A試件受力面積，mm2；L 、b 、 h 兩支點(diǎn)的間距，試件橫截面的寬及高， mm。AFfmax2max23bhLFfw四、材料的力學(xué)性質(zhì)2.彈性和塑性（1）彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)變形）。 （2）塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形）。四、材料的力學(xué)性質(zhì)3.脆性和韌性 材料受力達(dá)

18、到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無機(jī)非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結(jié)普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高而抗拉、抗折強(qiáng)度低。在工程中使用時(shí)，應(yīng)注意發(fā)揮這類材料的特性。四、材料的力學(xué)性質(zhì)4.硬度和耐磨性（1）硬度材料的硬度是材料表面的堅(jiān)硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測(cè)定材料的硬度?？虅澐ㄓ糜谔烊坏V物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為10個(gè)硬度等級(jí)?；貜椃ㄓ糜跍y(cè)定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強(qiáng)度；也用于測(cè)定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強(qiáng)度。（2)耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計(jì)算公式如下：式中： G 材料的磨耗率， （g/cm2）；m1材料磨損前的質(zhì)量，（g）；m2 材料磨損后的質(zhì)量，（g）； A材料試件的受磨面積 （cm2）。AmmG21四、材料的力學(xué)性質(zhì)五、材