材料的基本性質(zhì)土木工程材料

河北科技大學(xué)土木工程系1.2材料的基本狀態(tài)參數(shù)1.2.1材料的密度、表觀密度、堆積密度（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。1）材料的密度1.絕對(duì)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：ρ——絕對(duì)密度，g/cm3

；

m——材料的質(zhì)量，g；

V——材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3

。密度測(cè)定：李氏瓶法2.表觀密度（容重）材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。式中：——體積密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的質(zhì)量，g或kg；

——材料的自然體積，cm3

或m3。含孔隙表觀密度的測(cè)定

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)，測(cè)定表觀密度一般以干燥狀態(tài)為準(zhǔn)。工程中砂石材料，直接用排水法測(cè)定其表觀體積砂的表觀密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)砂表觀密度ρs的測(cè)定（kg/m3）式中：m0——砂試樣的烘干質(zhì)量，g；m0＝300g；

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m23.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：ρ0——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。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)目密度表觀密度堆積密度材料狀態(tài)絕對(duì)密實(shí)自然狀態(tài)堆積狀態(tài)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；

ρ0——材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。

1.2.2材料的孔隙和空隙材料的密實(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：ρ——密度；

ρ0——材料的表觀密度。

對(duì)于絕對(duì)密實(shí)材料，因ρ0=ρ

，故密實(shí)度D=1或100%。對(duì)于大多數(shù)土木工程材料，因ρ0

＜ρ

，故密實(shí)度D

＜1或D

＜100%?？紫秾?duì)材料性能的影響孔隙率與密實(shí)度從兩個(gè)不同側(cè)面來(lái)反映材料的致密程度，即D+P=1。

建筑材料的許多工程性質(zhì)如強(qiáng)度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性、吸聲性等都與材料的致密程度有關(guān)。這些性質(zhì)除取決于孔隙率的多少外，還與孔隙的特征密切相關(guān)?？紫短卣髦饕缚紫兜姆N類（開(kāi)口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實(shí)際上絕對(duì)的閉口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常溫、常壓下水能否進(jìn)入孔中來(lái)區(qū)分開(kāi)口與閉口。因此，開(kāi)口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開(kāi)口孔體積Vk）與材料體積之比。閉口孔隙率（PB）便是總孔率P與開(kāi)口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征對(duì)材料的工程性質(zhì)有不同的影響，因此常采用改變材料的孔隙率及孔隙特征的方法來(lái)改善材料的性能，例如對(duì)水泥混凝土加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)提高密實(shí)度或加入引氣劑，引入一定數(shù)量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗?jié)B及抗凍性能?？障堵?/p>

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：ρ0——材料的表觀密度；

——材料的堆積密度?？障堵实拇笮》从沉松⒘２牧系念w?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭?。空隙率可作為控制混凝土骨料級(jí)配與計(jì)算砂率的依據(jù)。

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1.3材料的力學(xué)性質(zhì)1.材料的強(qiáng)度和比強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是材料在外力作用下不破壞時(shí)能承受的最大應(yīng)力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗壓、抗拉抗剪、抗彎（抗折）、抗扭強(qiáng)度等?？箟嚎估辜艨箯澆牧系牧W(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?？箯潖?qiáng)度的計(jì)算：中間作用一集中荷載，對(duì)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。-2.比強(qiáng)度

——指材料強(qiáng)度與其表觀密度之比。意義：反映材料輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)。值越大，材料越輕質(zhì)高強(qiáng)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(lái)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）。指標(biāo)：彈性模量意義：E表示材料剛度的指標(biāo)，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強(qiáng)。3.脆性和韌性

材料在外力作用下，突然發(fā)生破壞，并無(wú)明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無(wú)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。材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時(shí)單位面積所消耗的功表示。計(jì)算公式如下：式中ak-----材料的沖擊韌性，J/mm2

Ak-----試件破壞時(shí)所消耗的功，J；

A-------材料受力截面積。（mm2）建筑鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。1.3、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，是抵抗其它較硬物質(zhì)刻劃或壓入其表面的能力。通常用刻劃法和壓入法測(cè)定材料的硬度。刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長(zhǎng)石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為10個(gè)莫氏硬度等級(jí)。鋼材，木材，混凝土采用鋼球壓入法測(cè)定其布氏硬度（HB）。（2)耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用耐磨率表示，計(jì)算公式如下：式中：

M——材料的耐磨率，（g/cm2）；

m0——材料磨損前的質(zhì)量，（g）；

m1——材料磨損后的質(zhì)量，（g）；

A——材料試件的受磨面積（cm2）。1.3、材料的力學(xué)性質(zhì)1.4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(rùn)濕的性質(zhì)稱為親水性；材料表面不能被水潤(rùn)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。（ａ）親水性材料（ｂ）憎水性材料`2、材料的含水狀態(tài)（四種）干燥狀態(tài)氣干狀態(tài)飽和面干狀態(tài)濕潤(rùn)狀態(tài)（見(jiàn)圖1.9）材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.材料的吸濕性

材料的吸濕性是指親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。用含水率Ｗh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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過(guò)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。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性質(zhì)，稱為材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率來(lái)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Wm表示。質(zhì)量吸水率Wm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）。（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干燥狀態(tài)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）；

ρw——水的密度,（g/cm3

或kg/m3），常溫下取

ρ

w=1.0g/cm3。材料與水有關(guān)的性質(zhì)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^(guò)材料的開(kāi)口孔吸入并經(jīng)過(guò)連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與外界連通的細(xì)微孔隙愈多，其吸水率就愈大。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.材料的耐水性材料的耐水性是指材料長(zhǎng)期在水的作用下不破壞，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）。材料與水有關(guān)的性質(zhì)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KR＞0.85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。材料與水有關(guān)的性質(zhì)5.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(guò)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,（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(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。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(lái)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；材料的孔隙特征具有開(kāi)口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。材料與水有關(guān)的性質(zhì)6.抗凍性抗凍性是指材料在含水狀態(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?？箖鲂砸栽嚰趦鋈诤蟮馁|(zhì)量損失和強(qiáng)度損失不超過(guò)一定限度時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)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、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)。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(kāi)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。1.熱容性材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容性。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/（g·K）；

Q——材料吸收或放出的熱量(熱容量)；

m——材料質(zhì)量，g；（t1

－t2）——材料受熱或冷卻前后的溫差，K。1.5材料的熱性質(zhì)1.5材料的熱性質(zhì)2.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)λ表示：式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Q——傳導(dǎo)的熱量，J；

d——材料厚度，m；

A——熱傳導(dǎo)面積，m2；

Z——熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；

（t1－t2）——材料兩面溫度差，K。物理意義：?jiǎn)挝缓穸龋?m）的材料、兩面溫度差為1K時(shí)、在單位時(shí)間（1s）內(nèi)通過(guò)單位面積（1m2

）的熱量。材料的熱性質(zhì)4.材料的熱變形性材料的溫度變形是指溫度變化時(shí)材料的尺寸變化。用線膨脹系數(shù)α表示。

α=ΔL/L

（t2－t1）式中：ΔL——線變形量，mm或cm；

（t2－t1）——材料前后的溫度差，K；

α——線膨脹系數(shù)，1/K；

L——材料原來(lái)的長(zhǎng)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(lái)滿足工程對(duì)溫度變形的要求。1.6材料的耐久性材料的耐久性是泛指用于構(gòu)筑物的材料在環(huán)境的各種因素影響下，能長(zhǎng)久地保持其使用性能的性質(zhì)。材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)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(xué)、機(jī)械及生物的作用。材料的耐久性物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等?；瘜W(xué)作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對(duì)材料的侵蝕作用。機(jī)械作用包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。生物作用包括菌類、昆蟲(chóng)等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。練習(xí)1、無(wú)機(jī)非金屬材料一般均屬于脆性材料，最適宜承受__________力。答案靜壓力2、比強(qiáng)度是衡量材料__________的指標(biāo)。答案輕質(zhì)高強(qiáng)3、材料的強(qiáng)度的確定視材料的種類不同而不同，對(duì)于脆性材料常以_________作為該材料的強(qiáng)度；對(duì)于韌性材料而言則以__________作為該材料的強(qiáng)度。答案極限應(yīng)力值屈服應(yīng)力值4、材料在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，大試件較小試件的試驗(yàn)結(jié)果值；加荷速度快者較加荷速度慢者的試驗(yàn)結(jié)果值。答案小大5、彈性材料具有()的特點(diǎn)。A.無(wú)塑性變形B.不變形C.塑性變形小D.恒定的彈性模量6、下列性質(zhì)屬于力學(xué)性質(zhì)的是()。A.強(qiáng)度B.硬度C.彈性D.脆性E.比強(qiáng)度答案A答案ABCDE8、對(duì)于開(kāi)口微孔材料,當(dāng)其孔隙率增大時(shí)，材料的密度______，吸水性____,

抗凍性_________

,導(dǎo)熱性______

,強(qiáng)度______。9、當(dāng)材料的體積密度與密度相同時(shí)，說(shuō)明該材料__________。

7、評(píng)價(jià)材料抵抗水的破壞能力的指標(biāo)是（

）。

A