第二章-土木工程材料的基本性質

第二章土木工程材料的基本性質第一節(jié)材料的組成、結構及構造

一、材料的組成

（一）化學組成化學組成是指構成材料的化學元素或化合物的種類與數量。不同的化學成分構成了不同的材料，因而也表現出不同的性質。例如，木材質輕高強，但易于燃燒和腐朽；鋼材密度大，強度較高，但易于銹蝕。材料的這些特性都與其化學組成密切相關。

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（二）礦物組成礦物組成是指組成材料的礦物種類和數量。礦物是指無機非金屬材料中具有特定化學成分和特定的晶體結構及物理力學性能的單質或化合物。礦物是構成巖石及各類無機非金屬材料的基本單元。材料中的天然石材、無機膠凝材料，其礦物組成是決定其性質的主要因素。例如天然石材，由于其礦物組成不同，所以構成了不同的巖石品種。水泥也因其熟料的礦物組成不同而表現出不同的性能，水泥熟料中硅酸三鈣含量高，則水泥強度較高。第二章土木工程材料的基本性質

（三）相組成

材料中具有相同物理、化學性質的均勻部分稱為相。凡有兩相或兩相以上物質組成的材料稱為復合材料。自然界中的物質可分為氣相、液相和固相，土木工程復合材料大多是多相固體。例如混凝土可以認為是骨料顆粒（骨料相）分散在水泥漿基體（基相）中所組成的復合材料。復合材料取各組成材料之長，避免了單一材料的某些缺陷，一般綜合性能較好。第二章土木工程材料的基本性質

二、材料的結構

（一）宏觀結構

1．密實結構

2．多孔結構

3．纖維結構

4．層狀結構

5．散粒結構

6．聚集結構

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（二）亞微觀結構亞微觀結構又稱顯微結構，一般是指用光學顯微鏡所能觀察到的微米級的組織結構。土木工程材料的顯微結構，應根據具體材料分類研究。對于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙結構和界面特性等結構；對于金屬材料，通常是研究其金相組織，即晶體組織及晶粒尺寸等；對于木材，通常是研究木纖維、管胞、髓線等組織的結構。材料在顯微結構層次上的差異對材料的性能有著顯著的影響。

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（三）微觀結構

1．晶體

晶體是物質中的質點（原子、離子、分子）在空間呈周期性規(guī)則排列的結構。

2．玻璃體將熔融的物質進行迅速冷卻（急冷），使其內部質點來不及作有規(guī)則的排列就凝固了，這時形成的物質結構即為玻璃體，又稱為非晶體或無定形體。

3．膠體膠體是指粒徑為10-6~10-4mm的顆粒分散在連續(xù)相介質中（水或油）形成的分散體系結構。膠體具有很大的表面能，具有很強的吸附力和粘接力，常利用膠體材料來粘結其他材料。第二章土木工程材料的基本性質

三、材料的構造材料的構造是指具有特定性質的材料結構單元間的相互組合搭配情況。材料的性質與其構造有密切關系。構造致密的材料，強度高；疏松多孔的材料密度小，強度也較低；層狀或纖維狀構造的材料，是各向異性的。構造概念與結構概念相比，更強調了相同材料或不同材料間的搭配組合關系。如具有特定構造的節(jié)能墻板，就是利用不同性質的材料組合搭配而成的一種復合材料。這種構造賦予了墻板良好的保溫隔熱、吸聲隔聲、防火抗震、堅固耐久等綜合性能。第二章土木工程材料的基本性質第二節(jié)材料的基本物理性質

一、密度、表觀密度與堆積密度

（一）密度密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質量。

材料在絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括孔隙在內的體積。材料磨得越細，測得的密度值越精確。

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（二）表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質量。

材料在自然狀態(tài)下的體積又稱表觀體積，是指包含材料內部孔隙在內的體積。當材料含有水分時，其質量和體積將發(fā)生變化，影響材料的表觀密度。一般情況下，材料的表觀密度是指在氣干狀態(tài)（長期在空氣中干燥）下的表觀密度。在烘干狀態(tài)下的表觀密度，稱為干表觀密度。第二章土木工程材料的基本性質

（三）堆積密度堆積密度是指粉狀（水泥、石灰等）或散粒材料（砂子、石子等）在堆積狀態(tài)下，單位體積的質量。

材料的堆積體積包含了顆粒內部的孔隙和顆粒之間的空隙。第二章土木工程材料的基本性質

二、孔隙率與密實度、空隙率與填充率

（一）孔隙率與密實度

1．孔隙率

孔隙率是指在材料體積內，孔隙體積所占的比例。第二章土木工程材料的基本性質

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度?？紫堵试叫。f明材料越密實。

材料內部孔隙可分為連通孔隙和封閉孔隙兩種構造。連通孔隙不僅彼此連通而且與外界相通，封閉孔隙不僅彼此封閉且與外界相隔絕?？紫栋雌淇讖匠叽绱笮】煞譃榧毿】紫逗痛执罂紫丁２牧系脑S多性能（如強度、吸水性、吸濕性、耐水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性等）都與孔隙率的大小和孔隙特征有關。第二章土木工程材料的基本性質

2．密實度密實度是指材料體積內被固體物質充實的程度。

材料的密實度和孔隙率之和等于1，即：D+P=1。第二章土木工程材料的基本性質

（二）空隙率與填充率

1．空隙率空隙率是指散粒材料在堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占總體積的百分率。

空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒之間互相填充的致密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配及計算砂率的依據。第二章土木工程材料的基本性質

2．填充率

填充率是指材料自然狀態(tài)下的體積占堆積體積的百分率。填充率反映了材料在堆積體積中被散粒材料的顆粒所填充的程度。

材料的填充率和空隙率之和等于1，即：第二章土木工程材料的基本性質

三、材料與水有關的性質

（一）親水性與憎水性

材料與水接觸時能被水潤濕的性質稱為稱為親水性。具備這種性質的材料稱為親水性材料。大多數建筑材料，如磚、混凝土、木材、砂、石、鋼材、玻璃等都屬于親水性材料。材料與水接觸時不能被水潤濕的性質稱為稱為憎水性。具備這種性質的材料稱為憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料等。憎水性材料可用作防水材料，也可用于親水性材料的表面處理，以降低其吸水性。

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（二）吸水性材料在水中吸收水分的性質稱為吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用質量吸水率表示。質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸收水分的質量占材料干燥質量的百分率。材料吸水率的大小主要取決于材料孔隙率及孔隙特征。一般孔隙率越大，吸水性也越強。封閉孔隙水分不易滲入，粗大孔隙水分只能潤濕表面而不易在孔內存留，故在相同孔隙率的情況下，材料內部的封閉孔隙、粗大孔隙越多，吸水率越小。

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（三）吸濕性

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。含水率是指材料含水的質量占材料干燥質量的百分率。

當較干燥的材料處于較潮濕的空氣中時，會吸收空氣中的水分；而當較潮濕的材料處于較干燥的空氣中時，便會向空氣中釋放水分。在一定的溫度和濕度條件下，材料與周圍空氣濕度達到平衡時的含水率稱為平衡含水率。第二章土木工程材料的基本性質

材料含水率的大小，除與材料的孔隙率、孔隙特征有關外，還與周圍環(huán)境的溫度和濕度有關。一般材料孔隙率越大，材料內部細小孔隙、連通孔隙越多，材料的含水率越大；周圍環(huán)境相對濕度越大，溫度越低，材料的含水率也越大。

材料吸水或吸濕后會對材料性能產生不利影響。材料吸水后會導致自重增加，保溫隔熱性下降，強度、耐久性降低，體積發(fā)生變化，多對工程產生不利影響。保溫材料吸收水分后，會大大降低保溫效果，故對保溫材料應采取有效的防潮措施。第二章土木工程材料的基本性質

（四）耐水性材料長期在飽和水作用下不破壞，而且強度也不顯著降低的性質稱為耐水性。耐水性的大小用軟化系數表示。

軟化系數越小，說明材料吸水飽和后強度降低越多，耐水性越差。軟化系數的范圍在0—1之間，通常將軟化系數大于0.85的材料稱為耐水材料。經常位于水中或潮濕環(huán)境的重要結構的材料，軟化系數不宜低于0.85；受潮較輕或次要結構的材料軟化系數不宜小于0.75。第二章土木工程材料的基本性質

（五）抗?jié)B性

材料抵抗壓力水（也可指其它液體）滲透的性質稱為抗?jié)B性。對于砂漿、混凝土等材料，常用抗?jié)B等級來表示抗?jié)B性。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，如混凝土的抗?jié)B等級為P6、P8、P12、P16，表示分別能夠承受0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa的水壓而不滲水。材料的抗?jié)B等級越高，其抗?jié)B性越強。

抗?jié)B性與材料的孔隙率和孔隙特征有密切關系。

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（六）抗凍性抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，同時強度也不顯著降低的性質。材料抗凍性的大小用抗凍等級表示?？箖龅燃壱话闶且砸?guī)定的試件，在規(guī)定的試驗條件下，測得其強度降低和質量損失不超過規(guī)定值時所能承受的凍融循環(huán)次數。例如混凝土抗凍等級F50，表示混凝土所能承受的最大凍融循環(huán)次數為50次，強度下降不超過25%，質量損失不超過5%。材料的抗凍性主要與孔隙率、孔隙特性、抵抗脹裂的強度等有關，工程中常從這些方面改善材料的抗凍性。對于室外溫度低于-15oC的地區(qū)，其主要工程材料必須進行抗凍性實驗。第二章土木工程材料的基本性質

四、材料的熱工性能

建筑材料在建筑物中，除需滿足強度及其它性能的要求外，還應具有良好的熱工性能，以節(jié)約能源。

（一）導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。導熱性的大小以導熱系數表示，導熱系數的含義是：當材料兩側的溫差為1K時，在單位時間（1h）內，通過單位面積（1m2），并透過單位厚度（1m）的材料所傳導的熱量。

材料的導熱系數越大，傳導的熱量就越多；反之，導熱系數越小，材料的保溫隔熱性能越好。第二章土木工程材料的基本性質

影響材料導熱系數的因素主要有：

1．物質構成

2．孔隙構造

3．含水率（濕度）

4．溫度

5．熱流方向第二章土木工程材料的基本性質

（二）熱容量

材料的熱容量是指材料材料受熱時吸收熱量或冷卻時放出熱量的能力。

比熱的物理意義表示單位質量的材料升高（降低）單位溫度時吸收（放出）的熱量。不同材料的比熱不同，即使是同一種材料，所處的物態(tài)不同，比熱也不同。如水和冰的比熱相差2倍左右。采用熱容量大的材料作圍護結構，對維持建筑物內部溫度的相對穩(wěn)定十分重要。

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（三）溫度變形性

材料的溫度變形性，是指溫度升高或降低時材料的體積變化。絕大多數建筑材料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。這種變化表現在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮。材料的單向線膨脹量或線收縮量計算公式為：

線膨脹系數越大，表明材料的溫度變形性越大。建筑工程中，對材料的溫度變形往往只考慮某一單向尺寸的變化，因此，研究材料的線膨脹系數具有重要意義。材料的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。第二章土木工程材料的基本性質

（四）耐燃性建筑物失火時，材料能經受高溫與火的作用不破壞，強度不嚴重下降的性能，稱為耐燃性。材料按耐燃性分為非燃燒材料、難燃燒材料和燃燒材料。在建筑工程中，應根據建筑物的耐火等級和材料的使用部位，選用非燃燒材料或難燃燒材料。當采用燃燒材料時，應進行防火處理。

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（五）耐火性

耐火性是材料在火焰和高溫作用下，保持其不破壞、性能不明顯下降的能力。材料的耐火性常用耐火極限來表示。耐火極限是指按規(guī)定方法，從材料受到火的作用起，到材料失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用的時間，以h（小時）計。耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如鋼材是不燃燒材料，但其耐火極限僅有0.25h，故鋼材雖為重要的建筑結構材料，但其耐火性卻較差，使用時須進行特殊的防火處理。第二章土木工程材料的基本性質第三節(jié)材料的力學性質

一、強度

材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。根據所受外力的作用方式不同，材料強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度及抗剪強度等。各種強度指標要根據國家規(guī)定的標準方法來測定，測定各種強度的材料受力示意圖見圖2-2。第二章土木工程材料的基本性質圖2-2材料強度測定受力示意圖第二章土木工程材料的基本性質

一般材料的孔隙率越大，材料強度越低。不同種類的材料具有不同的抵抗外力的特點，如磚、石材、混凝土等非勻質材料的抗壓強度較高，而抗拉強度和抗折強度卻很低；鋼材為均質的晶體材料，其抗拉強度和抗壓強度都很高；木材為纖維結構，順紋方向的抗拉強度高于橫紋方向的抗拉強度。土木工程材料常根據其強度的大小劃分為若干不同的強度等級，如砂漿、混凝土、磚、砌塊等常按抗壓強度劃分強度等級。將建筑材料劃分為若干個強度等級，對掌握材料的性能、合理選用材料、正確進行設計和控制工程質量都是非常重要的。

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結構材料在土木工程中的主要作用是承受荷載，對大部分建（構）筑物來說，相當一大部分的承載能力用于承受材料本身的自重。因此，要提高結構材料承受外荷載的能力，一方面應提高材料的強度，另一方面應減輕材料本身的自重，這就要求材料應具備輕質高強的特點。反映材料輕質高強的力學參數是比強度。比強度是指材料的強度與其表觀密度之比。在高層建筑及大跨度結構工程中常采用比強度較高的材料。這類輕質高強的材料，是未來建筑材料發(fā)展的主要方向。第二章土木工程材料的基本性質

二、彈性與塑性

材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并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。材料在外力作用下產生變形，但不破壞，當外力取消后不能自動恢復到原來形狀的性質稱為塑性。這種不可恢復的變形稱為塑性變形。工程實際中，完全的彈性材料或完全的塑性材料是不存在的。例如建筑鋼材在受力不大的情況下，僅產生彈性變形；當受力超過一定限度后產生塑性變形。再如混凝土在受力時彈性變形和塑性變形同時發(fā)生，當取消外力后，彈性變形可以恢復，而塑性變形則不能恢復。第二章土木工程材料的基本性質

三、脆性與韌性

當外力作用達到一定限度后，材料突然破壞且破壞時無明顯的塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。具有這種性質的材料稱為脆性材料，如混凝土、磚、石材、陶瓷、玻璃等。一般脆性材料的抗壓強度很高，但抗拉強度低，抵抗沖擊荷載和振動作用的能力差。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，如建筑鋼材、木材、橡膠等。韌性材料抵抗沖擊荷載和振動作用的能力強，可用于橋梁、吊車梁等承受沖擊荷載的結構和有抗震要求的結構。

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四、硬度和耐磨性（一）硬度硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。測定材料硬度的方法常用的有壓入法或刻劃法。木材、金屬、混凝土等韌性材料的硬度，往往采用壓入法來測定，壓入法硬度的指標有洛氏硬度（HRA、HRB、HRC，以金剛石圓錐或圓球的壓痕深度計算求得）和布氏硬度（HB，以壓痕直徑計算求得）等。而陶瓷、玻璃等脆性材料的硬度往往采用刻劃法來測定，用莫