土木工程材料：1土木工程材料的基本性質(zhì)課件

第一章

材料的基本性質(zhì)1.1材料的組成、結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響一、材料的組成(一)化學(xué)組成

化學(xué)組成即化學(xué)成分。無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成以各氧化物的含量來(lái)表示，金屬材料則常以各化學(xué)元素的含量表示，有機(jī)材料常用各化合物的含量來(lái)表示。(二)礦物組成

許多無(wú)機(jī)非金屬材料是由各種礦物組成的。礦物是具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征的單質(zhì)或化合物。二、材料的結(jié)構(gòu)(一)微觀結(jié)構(gòu)

利用電子顯微鏡、X-射線衍射儀等手段來(lái)研究原子級(jí)或分子級(jí)的結(jié)構(gòu)。材料的微觀結(jié)構(gòu)可分為晶體和非晶體結(jié)構(gòu)，或晶態(tài)和非晶態(tài)。(二)亞微觀結(jié)構(gòu)(顯微或細(xì)觀結(jié)構(gòu))

由光學(xué)顯微鏡所看到的微米級(jí)的組織結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布。(三)宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）

用肉眼或放大鏡即可分辨的毫米級(jí)以上的組織稱為宏觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要研究材料中的大孔隙、裂紋、不同材料的組合與復(fù)合方式(或形式)、各組成材料的分布等。微觀結(jié)構(gòu)形式及其主要特性微觀結(jié)構(gòu)常見(jiàn)材料主要特性晶體原子、離子、分子有規(guī)律排列原子晶體(以共價(jià)鍵結(jié)合)金剛石、石英、剛玉強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)均高，密度較小離子晶體(以離子鍵結(jié)合)氯化鈉、石膏、石灰?guī)r強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)較高，但波動(dòng)較大。部分可溶，密度中等分子晶體(以分子鍵結(jié)合)石蠟及部分有機(jī)化合物強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)較低。大部分可溶，密度小金屬晶體(以金屬鍵結(jié)合)鐵、鋼、鋁及其合金強(qiáng)度、硬度變化大，密度大非晶體質(zhì)點(diǎn)無(wú)序排列(短程有序,長(zhǎng)程無(wú)序)玻璃、高爐礦渣、火山灰、粉煤灰無(wú)固定的熔點(diǎn)和幾何形狀，與同組成的晶體相比，強(qiáng)度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性較差，各向同性材料的宏觀結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的主要性質(zhì)材料的宏觀結(jié)構(gòu)常用材料主要特性單一材料致密結(jié)構(gòu)鋼材、玻璃、瀝青、部分塑料高強(qiáng)或不透水、耐腐蝕，自重較大多孔結(jié)構(gòu)泡沫塑料、泡沫玻璃輕質(zhì)、保溫、低強(qiáng)度纖維結(jié)構(gòu)木材、竹材、巖棉、玻璃纖維、鋼纖維高抗拉、且大多數(shù)具有輕質(zhì)、保溫、吸聲性質(zhì)聚集結(jié)構(gòu)陶瓷、磚、某些天然石材強(qiáng)度較高，脆性大復(fù)合材料粒狀聚集結(jié)構(gòu)各種混凝土、鋼筋混凝土綜合性能好、價(jià)格較低纖維聚集結(jié)構(gòu)巖棉板、纖維板、纖維增強(qiáng)塑料輕質(zhì)、保溫，吸聲或高抗拉多孔結(jié)構(gòu)加氣混凝土、泡沫混凝土輕質(zhì)保溫疊合結(jié)構(gòu)紙面石膏板、膠合板、各種加芯板綜合性能好（一）絕對(duì)密實(shí)體積

是指材料內(nèi)部沒(méi)有孔隙時(shí)的體積，或不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。一般以V表示。通常將材料磨成規(guī)定細(xì)度的粉末，用排開(kāi)液體的方法得到其體積。

絕對(duì)密實(shí)材料1.2材料的物理性質(zhì)一、材料的體積指材料占據(jù)的空間大小，同一材料由于所處的物理狀態(tài)不同，能表現(xiàn)不同的體積。（二）表觀體積是指單個(gè)顆粒內(nèi)部有孔隙，包括開(kāi)口孔和閉口孔，這樣一個(gè)整體材料的外觀體積稱為材料的表觀體積。一般以V0表示。通常用直接用排開(kāi)液體的方法測(cè)定體積。1.2材料的物理性質(zhì)（三）堆積體積是指散粒狀材料除了礦質(zhì)料顆粒占有體積外，顆粒之間還有間隙或空隙，二者體積之和就是材料的堆積體積，故堆積體積是散粒狀材料堆積狀態(tài)下總體外觀體積。一般以V0ˊ表示。顆粒狀材料二、材料的密度（一）實(shí)際密度是指材料在絕對(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——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。（二）表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：

式中：ρ0——表觀密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的質(zhì)量，g或kg；

V0——材料的表觀體積，cm3

或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m2砂表觀密度的測(cè)定（三）堆積密度是指粉狀或顆粒材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：

式中：ρ0ˊ——堆積密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的質(zhì)量，g或kg；

V0ˊ——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幾種密度的比較材料密度材料體積情況密度ρV

絕對(duì)密實(shí)體積，不含開(kāi)口孔和閉口孔表觀密度ρ0體積密度V0

表觀體積，含開(kāi)口孔和閉口孔（塊狀材料）視密度Vˊ視體積，含閉口孔，不含開(kāi)口孔（砂石類散粒材料）

堆積密度

ρ0ˊ松堆密度V0ˊ松堆體積，含開(kāi)閉孔，且有顆粒間空隙緊堆密度V0″

緊堆體積，含開(kāi)閉孔，顆粒間孔隙較小三、材料的孔隙與空隙（一）密實(shí)度和孔隙率

密實(shí)度是指材料內(nèi)部被固體所填充的程度，用D表示，計(jì)算公式如下：

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%。

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，用P表示，計(jì)算公式如下：

孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系：P+D=1材料孔隙特征包括孔隙開(kāi)閉口狀態(tài)和孔的大?。哼B通孔和封閉孔；大孔、中孔（毛細(xì)孔）和小孔。封閉孔連通孔（二）填充率和空隙率

填充率是指散粒材料占堆積體積的百分比，用Dˊ表示，計(jì)算公式如下：

空隙率是指材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間空隙體積占堆積體積的百分比，用Pˊ表示，計(jì)算公式如下：

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)算公式已知某種磚尺寸為240mm×115mm×53mm，孔隙率為12%，干燥質(zhì)量為2487g，求該種磚的密度、表觀密度。1.2.2材料與水有關(guān)的性質(zhì)一、材料親水性與憎水性當(dāng)材料與水接觸時(shí)，如果材料表面可以被水所潤(rùn)濕或浸潤(rùn)。此種性質(zhì)稱為材料的親水性，具備這種性質(zhì)的材料稱為親水性材料。若水不能在材料的表面上鋪展開(kāi)，即材料表面不能被水所潤(rùn)濕或浸潤(rùn)，則稱為憎水性，此種材料稱為憎水性材料。親水性，θ≤90°θ憎水性，θ

＞90°θ

憎水性材料具有較好的防水性、防潮性。常用作防水材料，也可用于對(duì)親水性材料進(jìn)行表面處理，以降低吸水率，提高抗?jié)B性。

大多數(shù)建筑材料屬于親水性材料，如混凝土、鋼材、木材、磚、石等；大部分有機(jī)高分子材料屬于憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料、有機(jī)硅等。二、吸水性與吸濕性(一)吸水性

吸水性是材料在水中吸收水分的性質(zhì)。用質(zhì)量吸水率Wm或體積吸水率Wv來(lái)表示。兩者分別是指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)量的百分率，或所吸水的體積占材料自然狀態(tài)體積的百分率，定義式如下：(二)吸濕性

吸濕性是材料在空氣中吸收水蒸氣的性質(zhì)。吸濕性用含水率表示，即材料所含水的質(zhì)量與材料絕干質(zhì)量的百分比。材料吸濕或干燥至與空氣濕度相平衡時(shí)的含水率稱為平衡含水率。材料的吸濕性主要與材料的組成、孔隙含量，特別是毛細(xì)孔的含量有關(guān)。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已知某種磚尺寸為240mm×115mm×53mm，孔隙率為12%，干燥質(zhì)量為2487g，浸水飽和后的質(zhì)量為2984g，求該磚吸水率。三、耐水性

材料長(zhǎng)期在水的作用下，保持其原有性質(zhì)的能力。

對(duì)于裝飾材料則主要指顏色的變化、是否起泡、起層等；對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，耐水性主要指強(qiáng)度變化。結(jié)構(gòu)材料的耐水性用軟化系數(shù)KR來(lái)表示，即：式中

f1—材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa；

f0—材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。

材料的軟化系數(shù)KR=0~1.0。

KR≥0.85的材料稱為耐水性材料。四、抗?jié)B性

抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水或其它液體滲透的性質(zhì)?？?jié)B性用滲透系數(shù)K來(lái)表示，計(jì)算式如下：式中K—滲透系數(shù)，cm/h；Q—滲水量，cm3；

d—試件厚度，cm；

A—滲水面積，cm2；

t—滲水時(shí)間，h；

H—水頭(水壓力)，cm。

Ad水壓力H試件材料的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)?？?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。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。五、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?？箖龅燃?jí)用材料在吸水飽和狀態(tài)下(最不利狀態(tài))，經(jīng)凍融循環(huán)作用，強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失均不超過(guò)規(guī)定值，或動(dòng)彈性模量滿足要求時(shí)所能抵抗的最多凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)表示。如F50、F100、F300等，分別表示在經(jīng)受50、100、300次凍融循環(huán)后仍可滿足使用要求。凍害原因由于材料內(nèi)部毛細(xì)孔隙及大孔隙中的水結(jié)冰時(shí)的體積膨脹(約9%)造成的。影響材料抗凍性的因素材料的密實(shí)度：密實(shí)度越高則其抗凍性越好；材料的孔隙特征：開(kāi)口孔隙越多則其抗凍性越差；材料的強(qiáng)度：強(qiáng)度越高則其抗凍性越好；材料的耐水性：耐水性越好則其抗凍性也越好；材料的吸水量大?。何吭酱髣t其抗凍性越差。1.2.3材料的熱工性質(zhì)一、材料的導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性是指材料將熱量從溫度高的一側(cè)傳遞到溫度低的一側(cè)的能力。λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m﹒K)；Q—傳導(dǎo)的熱量，Jδ—材料的厚度，m；A—材料的傳熱面積，m2t—傳熱時(shí)間，h；T2-T1—材料兩側(cè)的溫度差，K材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，說(shuō)明材料的絕熱性越好。導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23W/(m﹒K)的材料稱為絕熱材料。

二、材料的熱容性熱容性是指材料受熱時(shí)吸收熱量和冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)。

Q—材料的熱容量，kJ；m—材料的質(zhì)量，kgC—材料的比熱容，kJ/(kg·K)；

t1-t2—材料受熱或冷卻前后的溫度差

熱容量值對(duì)保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定有很大作用。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小而熱容量較大的材料。1.3材料的力學(xué)性質(zhì)一、材料的強(qiáng)度

材料抵抗在外力（荷載）作用下而引起破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗壓、抗拉、抗剪、抗彎（抗折）強(qiáng)度等。抗壓抗拉抗剪抗彎影響強(qiáng)度的因素材料的組成、結(jié)構(gòu)及孔隙率受力情況實(shí)驗(yàn)條件形狀大小表面狀態(tài)加荷速度含水量

強(qiáng)度等級(jí)比強(qiáng)度材料的抗拉強(qiáng)度與材料比重之比叫做比強(qiáng)度。比強(qiáng)度的法定單位為牛/特（N/tex）習(xí)慣上，有時(shí)將比強(qiáng)度也稱為強(qiáng)度.材料在斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度（通用拉伸強(qiáng)度）與其密度之比。二、材料的彈性與塑性（一）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）。（二）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）。砼拌合物,水泥漿,石灰膏,鋼材,瀝青等都屬于塑性材料三、材料的脆性與韌性（一）脆性外力作用于材料，并達(dá)到一定值時(shí)，材料并不產(chǎn)生明顯變形即發(fā)生突然破壞的性質(zhì)稱為脆性。磚、石、陶瓷、混凝土、生鐵、玻璃都屬于脆性材料

（二）韌性材料在沖擊、動(dòng)荷載作用下能吸收大量能量并能承受較大的變形而不突然破壞的性質(zhì)稱為韌性。鋼材和木材等材料均屬于韌性材料四、材料的硬度與耐磨性（一）硬度材料表面的堅(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。（二）耐磨性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：1.4材料的耐久性能一、耐久性(durability)

是指材料長(zhǎng)期抵抗各種內(nèi)外破壞因素或腐蝕介質(zhì)的作用，保持其原有性質(zhì)的能力。它是材料的一項(xiàng)綜合性質(zhì)，一般包括有抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性、抗老化性、抗碳化性、耐熱性、耐溶蝕性、耐磨性、耐光性等許多項(xiàng)。

過(guò)去一般按強(qiáng)度設(shè)計(jì)，現(xiàn)在按耐久性設(shè)計(jì)。材料的組成、性質(zhì)和用途、工程的重要性及所處環(huán)境不同，對(duì)材料耐久性的主要要求及耐久性年限也不同。二、影響耐久性的主要因素(一)內(nèi)部因素

內(nèi)部因素是造成材料耐久性下降的根本原因。主要包括材料的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。(二)外部因素物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等；化學(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。

金屬材料常由化學(xué)和電化學(xué)作用引起腐蝕和破壞；

無(wú)機(jī)非金屬材料常由化學(xué)作用、溶解、凍融、風(fēng)蝕、溫差、濕差、摩擦等其中某些因素或綜合作用而引起破壞；