第二講 第一章21

土木工程材料的基本性質(zhì)BasticPropertiesofCivilEngineeringMaterials第1章【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）了解土木工程材料的基本組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造及其與材料基本性質(zhì)的關(guān)系；√（2）熟練掌握土木工程材料的基本物理性質(zhì)；（3）掌握土木工程材料的基本力學(xué)性質(zhì)；（4）掌握土木工程材料耐久性的基本概念。本章的難點(diǎn)：

材料的組成及其對(duì)材料性質(zhì)的影響。

1.2材料的物理性質(zhì)與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)與水有關(guān)的性質(zhì)1.2.1密度、表觀密度、堆積密度1.2.2密實(shí)度VS孔隙率1.2.3填充率VS空隙率材料的親水性和憎水性；材料的吸水性和吸濕性；材料的耐水性；材料的抗?jié)B性。1.2.1密度、表觀密度、堆積密度1.密度ρ－密度，g/cm3

m－材料的質(zhì)量，gv－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積,cm3密度是材料本身固有的一種屬性，其大小與組成物質(zhì)的原子量和分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，原子量越大，分子結(jié)構(gòu)越緊密，材料的密度就越大。不包含孔隙在內(nèi)的體積（1）定義：指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。2）一般材料內(nèi)部均含有孔隙，在測(cè)定有孔隙的材料密度時(shí)，應(yīng)將材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶（密度瓶）測(cè)定其體積。李氏瓶（密度瓶）(單位：mm)容積為220~250mL，細(xì)頸上有刻度讀數(shù)，精確至0.1mL。

比如磚、石材都采用這種方法測(cè)定。1）密實(shí)材料的體積為絕對(duì)密實(shí)體積，如鋼材、玻璃等。（2）密度的測(cè)量點(diǎn)擊3）對(duì)于某些較為致密但形狀不規(guī)則的散粒材料，如砂、石子，內(nèi)部有少量閉口孔，在測(cè)定其密度時(shí)，可以不必磨成細(xì)粉，直接以排水法測(cè)得的體積稱為近似體積，計(jì)算所得的密度稱為近似密度。（3）密度的工程應(yīng)用初步了解材料的品質(zhì)；可進(jìn)行材料的孔隙率計(jì)算和混凝土配合比計(jì)算。2.表觀密度（1）定義：指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。ρ0－密度，g/cm3m－材料的質(zhì)量，g；v0－材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3。（2）影響表觀密度大小的因素

密度、材料的孔隙率及孔隙的含水程度。包含孔隙在內(nèi)的體積材料孔隙越多，表觀密度越??；當(dāng)孔隙中含有水份時(shí)，其質(zhì)量和體積均有所變化。因此，在測(cè)定表觀密度時(shí)，須注明含水的情況。（3）表觀密度的測(cè)定（4）表觀密度的工程應(yīng)用推算材料的用量；計(jì)算構(gòu)件自重；對(duì)于外形規(guī)則的材料可通過直接度量外形尺寸，按幾何計(jì)算體積；對(duì)于外形不規(guī)則的不吸水材料，可直接用排水法測(cè)定材料的體積，對(duì)于吸水材料，用封蠟排液法測(cè)定材料的體積。ρ’0－堆積密度，kg/m3

m－材料的質(zhì)量，kg/m3v’0－材料的自然堆積體積，m3

（1）定義：指散粒材料或粉末材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。3、堆積密度包含孔隙+空隙在內(nèi)的體積材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測(cè)定時(shí)材料的裝填方式和疏密程度。（3）工程應(yīng)用（2）堆積密度的測(cè)定質(zhì)量指填充在一定容器內(nèi)的材料質(zhì)量；體積指所用容器的體積。確定顆粒狀材料的堆放空間。點(diǎn)擊表1-1

常用建筑材料的密度、體積密度、堆積密度數(shù)值材料名稱密度ρ（g/cm3)表觀密度ρ0（g/cm3)堆積密ρ’0（g/cm3)鋼材7.857.85-花崗巖2.6-2.92.6-2.85-石灰?guī)r2.6-2.82.4-2.7-玻璃2.5-2.62.5-2.6-燒結(jié)普通磚2.5-2.71.5-1.8-建筑陶瓷2.5-2.71.8-2.5-普通混凝土2.6-2.82.3-2.5-建筑用砂2.6-2.82.55-2.751.45-1.70碎石2.6-2.92.55-2.851.40-1.70木材1.550.4-0.8-泡沫塑料1.0-2.60.01-0.05-1.密實(shí)度－－材料體積（自然狀態(tài)）內(nèi)固體物質(zhì)的充實(shí)程度。1.2.2密實(shí)度與孔隙率材料的自然體積材料的絕對(duì)密實(shí)體積V0VVpVKVB2.孔隙率－－材料在自然狀態(tài)下，孔隙體積占材料總體積的百分率。P+D=1按孔隙構(gòu)造分為：開口孔隙（連通孔隙）（常壓水能進(jìn)入）閉口孔隙（封閉孔隙）（常壓水不能進(jìn)入）V0VVpVKVB孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，其大小取決于材料的組成、結(jié)構(gòu)及制造工藝?？紫秾?duì)材料性質(zhì)的影響：孔隙率越高，材料的表觀密度、堆積密度、強(qiáng)度越?。豢紫堵试礁撸牧系谋匦?、隔聲性、吸水性越強(qiáng)。1.填充率－－散粒材料在堆積狀態(tài)下，顆粒體積占材料堆積體積的百分率。1.2.3填充率與空隙率V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙開口孔隙閉口孔隙D’+P’=12.空隙率－－散粒材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間空隙體積占材料自然堆積體積的百分率。工程應(yīng)用：空隙率可作為控制砼骨料的級(jí)配及計(jì)算砂率的依據(jù)。V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙開口孔隙閉口孔隙例1：普通粘土磚的尺寸為240×115×53mm，測(cè)得其干重為2600g，吸水飽和后的質(zhì)量為2900g（假設(shè)開口孔吸水后全部存留孔中而不流出），將其磨細(xì)烘干后取50g，用李氏瓶測(cè)得體積19.23cm3，計(jì)算該磚的密度、表觀密度、密實(shí)度、孔隙率、開口孔隙率、閉口孔隙率。密實(shí)度D=ρ0/ρ=1.777/2.6=0.683=68.3%。孔隙率P=1-D=1–0.683=0.317=31.7%。開口孔隙率PK=（2900－2600）/(24×11.5×5.3）=0.205=20.5%閉口孔隙率Pb＝P-PK=31.7%-20.5%=11.2%。解：密度

ρ＝－Vm表觀密度

＝2600/(24×11.5×5.3）＝1.777g/cm3。ρ0＝m

V0＝50/19.23=2.6g/cm3。1.2.4材料與水相關(guān)的性質(zhì)1、材料的親水性與憎水性（1）親（憎）水性：材料在空氣中或與水接觸時(shí)，能被水潤濕的性質(zhì)，稱為親水性，否則為憎水性。材料親水和憎水的原因是什么？（2）原因：當(dāng)水分子間的內(nèi)聚力小于水分子與其他材料分子間的吸引力時(shí)，材料表面容易被水潤濕，該材料為親水材料。當(dāng)水分子間的內(nèi)聚力大于水分子與其他材料分子間的吸引力時(shí)，材料表面不能被水潤濕，該材料為憎水材料。

（3）判斷：在材料、水和空氣三相交點(diǎn)處，沿水滴表面作切線，此切線和水與材料接觸面所成的夾角θ稱為“潤濕角”。憎水性θ固液氣親水性θ固液氣θ≤90°θ＞90°（4）常見親水和憎水材料（5）工程意義親水材料：通常來說無機(jī)材料為親水材料，如混凝土、粘土磚、木材等。憎水材料：有機(jī)材料一般為憎水材料，如瀝青、塑料等。憎水材料具有良好的防水性能，可作為防水材料使用，或親水材料的表面處理。對(duì)于保溫隔熱及吸聲等多孔材料應(yīng)進(jìn)行憎水處理，避免性能下降。2、材料的吸水性與吸濕性（1）吸水性是指材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的性質(zhì)。其大小有兩種表示方法。m濕－材料吸水飽和后的質(zhì)量，kg或g；m干－材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，kg或g。1）質(zhì)量吸水率：

材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的質(zhì)量占材料絕干質(zhì)量的百分比。2）體積吸水率：

材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的體積占材料自然狀態(tài)下的體積的百分比。ρ水－水的密度；V0－材料干燥狀態(tài)下的體積，cm3或m3。材料的體積吸水率小于1。W體=W質(zhì)·ρ0

材料在干燥狀態(tài)下的表觀密度3）影響材料吸水率(含水率）的因素：材料的性質(zhì)（親水或憎水）；材料的孔隙率和孔隙構(gòu)造。4）含水對(duì)材料性質(zhì)的影響：材料質(zhì)量增加；材料的強(qiáng)度下降；材料的保溫性能降低；材料的耐久性下降（易產(chǎn)生凍害、易被腐蝕）。平衡含水率：材料中的水分與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率叫做平衡含水率。材料烘干至恒重時(shí)的質(zhì)量材料含水時(shí)的質(zhì)量（2）吸濕性：材料在空氣中吸收水分的性質(zhì)，用含水率表示。例題2：含水率5％的濕砂多少克烘干后質(zhì)量為100kg？解：m含＝m干（1＋w含）＝100（1＋5％）＝105（g）。例題3：將100g濕砂烘干至恒重后稱其質(zhì)量為95g，該砂的含水率是多少？解：w含＝（100-95）/95＝5.26%.3、材料的耐水性耐水性指材料在長期飽和水作用下不被破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。

結(jié)構(gòu)材料的耐水性用軟化系數(shù)K軟表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。K軟≥0.80時(shí)為耐水材料。一般結(jié)構(gòu)，材料的軟化系數(shù)，K軟≥0.75；重要結(jié)構(gòu)，材料的軟化系數(shù)K軟≥0.85。4、材料的抗?jié)B性抗?jié)B性指材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質(zhì)。衡量指標(biāo)：(1)滲透系數(shù)，材料在壓力水作用下透過水量的多少遵守達(dá)西定律，即在一定時(shí)間內(nèi)，透過材料試件的水量與試件的滲水面積及水頭差成正比，與試件的厚度成反比，如右圖AdHK越大，材料的抗?jié)B性越差。防滲防水材料（油氈）的防水性常用滲透系數(shù)表示。

(2)抗?jié)B等級(jí)Pn：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?；炷良吧皾{的抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)表示。1.3材料的基本力學(xué)性質(zhì)1、材料的強(qiáng)度（1）強(qiáng)度：材料在外力作用下，保持原有形狀或抵抗破壞的能力。當(dāng)材料承受外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生應(yīng)力。隨著外力逐漸增加，應(yīng)力也相應(yīng)增大。直至材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的作用力不能再抵抗這種應(yīng)力時(shí)，材料即破壞，此時(shí)的極限應(yīng)力值就是材料的強(qiáng)度，用單位面積上所承受的力（極限應(yīng)力）的大小來表示。影響材料強(qiáng)度大小的因素：理論上取決于材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的強(qiáng)弱。實(shí)際上與材料中存在的結(jié)構(gòu)缺陷直接相關(guān)。還與測(cè)試強(qiáng)度的條件與方法等外部因素有很大關(guān)系。f---材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度(Pa/MPa)F---試件破壞時(shí)的最大荷載(N)。A---試件面積（m2或mm2）?？箟篎F抗拉FF抗剪FF抗彎FbhL強(qiáng)度分類：根據(jù)荷載種類和作用方向的不同，材料強(qiáng)度有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度等。

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7.5-30-1.8-4.0普通混凝土7.5-601-4-普通低碳鋼200-400200-400-松木（順紋）30-5080-12060-100常用材料的強(qiáng)度值單位MPa相同種類的材料，隨著孔隙率及構(gòu)造特征不同，其強(qiáng)度差異較大，一般來說，孔隙率越大，材料的強(qiáng)度越低；不同種類的材料，其強(qiáng)度差別很大。2、材料的彈性和塑性（1）彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料的變形立即消失并能完全恢復(fù)到原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料的這種變形稱為彈性變形。應(yīng)變和應(yīng)力成正比，其比值稱為材料的彈性模量。E=σ/ε（MPa)。圖1-6（a）（2）塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料仍能保持變形后的形狀并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。材料的這種變形稱為塑性變形。圖1-6（b）完全的彈性材料與完全的塑性材料是不存在的，有的材料在低應(yīng)力作用下，主要發(fā)生彈性變形，而在應(yīng)力接近或高于其屈服強(qiáng)度時(shí)則產(chǎn)生塑性變形。例如建筑鋼材。有的材料為彈塑性材料，彈塑性材料---即在外力作用下，既發(fā)生彈性變形又發(fā)生塑性變形，如混凝土。ab—彈性變形ob—塑性變形

彈塑性材料的變形曲線3、材料的脆性與韌性（2）韌性－在沖擊、振動(dòng)荷載的作用下，能吸收較大能量而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。如鋼材、木材等。橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等處所用的材料須有較好的韌性。（1）脆性－在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質(zhì)。

脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）具有抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，抵抗沖擊或震動(dòng)荷載的能力很差。工程上適宜用在受壓部位，如基礎(chǔ)、柱、墻體等。1.4材料的耐久性1、定義材料的耐久性是指材料在使用過程中抵抗其自身和環(huán)境