第1章土木工程材料的基本性質(zhì)

1、第第1 1章章 土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì)123材料的基本物理性質(zhì)材料的基本物理性質(zhì) 材料的基本力學性質(zhì)材料的基本力學性質(zhì) 材料的耐久性材料的耐久性 目目 錄（錄（contents）2.1 材料的基本物理性質(zhì)內(nèi)容：內(nèi)容： 材料的狀態(tài)參數(shù)材料的狀態(tài)參數(shù) 材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù) 材料與水有關的性質(zhì)材料與水有關的性質(zhì) 材料的熱工性質(zhì)材料的熱工性質(zhì)一、材料的狀態(tài)參數(shù)內(nèi)容：內(nèi)容： 材料的實際密度（密度） 材料的表觀密度 材料的堆積密度 用途：用途： 計算材料的用量， 構(gòu)件的自重， 配料計算 確定材料的堆積空間等（一）材料的密度（一）材料的密度1、實際密度（密度）、實際密度（密度）

2、材料在絕對密實狀態(tài)下單位體 積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中：式中： 實際密度（ g/cm3 ） m材料的質(zhì)量（g） V材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3） 絕對密實狀態(tài)下的體積絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括材料內(nèi)部孔隙在內(nèi) 的體積。 Vm實際密度的測量實際密度的測量1）對近于絕對密實的材料：金屬、玻璃等量測 幾何體積稱重代入公式 2）對有孔隙的材料： 磚、混凝土、石材等 磨成細粉 李氏比重瓶法測試 （二）材料的表觀密度（二）材料的表觀密度1、表觀密度（容重）表觀密度（容重）材料在自然狀態(tài)下單位體積 的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 ： o

3、表觀密度（ g/cm3 ） m 材料的質(zhì)量（g） Vo材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3） 自然狀態(tài)下的體積自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體 積。材料內(nèi)部孔隙含有水分時，其質(zhì)量和體積均發(fā)生 變化。注明含水情況。ooVm表觀密度的測量表觀密度的測量 1）對形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土等 烘干量測幾何體積稱重代入公式 2）對形狀不規(guī)則的材料： 砂、石等 烘干蠟封浮力天平 （三）材料的堆積密度（三）材料的堆積密度1、堆積密度（松散容重）、堆積密度（松散容重）散粒狀材料在自然堆積狀態(tài) 下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。 公式：公式： 式中：式中： /o堆積密度（ g/cm3 ） m材

4、料的質(zhì)量（g） V/o材料的堆積體積（cm3） 堆積體積堆積體積指包含顆粒內(nèi)部孔隙和顆粒之間的空隙在內(nèi)的 體積。 ooVm/堆積密度的測量堆積密度的測量1）容器法：）容器法： 散粒材料裝入容器量測體積稱凈重 代入公式 2）自然堆積法：）自然堆積法： 堆積成定形狀量測幾何體積稱重代入公式 常用材料的狀態(tài)參數(shù)思考：思考： 顆粒材料的密度為，表觀密度，堆積容重為 0，則存在下列關系()。 a、 0 b、 0 c、 0二、材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)容：內(nèi)容： 密實度 孔隙率 填充率 空隙率 （一）密實度（一）密實度密實度密實度指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實 的程度。反映材料的致密程度。 公式: 影響材料的： 強度

5、 吸水性 耐久性%100ooVVD（二）孔隙率（二）孔隙率孔隙率孔隙率指材料體積內(nèi)，孔隙體積與總體積 之比。 直接反映材料的致密程度。 公式公式: 孔隙率與密實度的關系: P+D=1 %100)1 (1ooooVVVVVP內(nèi)部孔隙內(nèi)部孔隙:連通和封閉連通和封閉1、連通孔隙不僅彼此連通而且與外界連通； 2、封閉孔隙不僅彼此封閉而且與外界隔絕。材料內(nèi)部孔隙示意圖自然狀態(tài)下體積示意圖 1-固體；2-閉口空隙；3-開口空隙（三）填充率（三）填充率填充率填充率指散粒材料在某容器的堆積體積 中，被其顆粒填充的程度。 反映散粒材料堆積的致密程度。 公式：公式： %100/ooVVD（四）空隙率（四）空隙率空

6、隙率空隙率散粒材料在某容器的堆積體積中， 顆 粒之間的空隙體積占總體積的比率。 公式： 空隙率與填充率的關系： P/+D/=1 %100)1 (1/oooooooVVVVVP例例1-1 某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、表觀密度為 2.61g/cm3、堆積密度為1680 kg/m3，計算此石子的孔隙 率與空隙率？ 解解:石子的孔隙率P為： 石子的空隙率石子的空隙率P/為為： %63.3561. 268. 11110000000VVVVVP%51. 165. 261. 21110000VVVVVP三、材料與水有關的性質(zhì)三、材料與水有關的性質(zhì) 內(nèi)內(nèi) 容：容： 1、材料的親水性與憎水性、

7、材料的親水性與憎水性 2、材料的吸水性與吸濕性、材料的吸水性與吸濕性 3、材料的耐水性、材料的耐水性 4、材料的抗?jié)B性、材料的抗?jié)B性 5、材料的抗凍性、材料的抗凍性 （一）親水性與憎水性（一）親水性與憎水性1、親水性材料、親水性材料： 當90時，水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與材料 表面分子之間的相互吸引力，材料表面可以被水浸濕。 如：木材等。 2、憎水性材料：憎水性材料： 當90時，水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與材料 表面分子之間的相互吸引力，材料表面可以被水浸濕。 如：防水材料等。 潤濕角潤濕角 潤濕角示意圖潤濕角示意圖（二）材料的吸水性與吸濕性（二）材料的吸水性與吸濕性1、吸水性、吸水性材

8、料在浸水情況下吸入水分的能力，用 吸水率表示。 公式：公式： 式中 ： W質(zhì)材料的質(zhì)量吸水率（） m濕材料吸水飽和后的質(zhì)量（g） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（g） 干干濕質(zhì)100mmmW 影響吸水率大小的因素：影響吸水率大小的因素： 1、材料的本性親水性或憎水性材料 2、材料的孔結(jié)構(gòu)孔徑大小、開口與否 細微且連通的孔隙-吸水率較大 吸水性對材料的影響：吸水性對材料的影響： 體積膨脹、強度降低，對圍護結(jié)構(gòu)材料不利 （二）材料的吸水性與吸濕性（二）材料的吸水性與吸濕性2、吸濕性、吸濕性材料在空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)， 用含水率表示。 公式：公式： 式中： W含材料的質(zhì)量含水率（） m濕材料含水時的

9、質(zhì)量（g） m干材料烘干到恒重的質(zhì)量（g） 干干含含100mmmW 影響含水率大小的因素：影響含水率大小的因素： 1、材料的本性親水性或憎水性材料 2、環(huán)境溫度、濕度 吸水性對材料的影響：吸水性對材料的影響： 體積膨脹對木結(jié)構(gòu)和木制品不利 濕脹干縮 木制門窗在潮濕環(huán)境下往往木制門窗在潮濕環(huán)境下往往不易開關不易開關（三）材料的耐水性（三）材料的耐水性耐水性耐水性材料長期在飽水作用下不破壞，其強度也不材料長期在飽水作用下不破壞，其強度也不 顯著降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)表示。顯著降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)表示。 公式：公式： 式中：式中： K軟軟材料的軟化系數(shù)（材料的軟化系數(shù)（K軟軟01） f飽飽材料在飽

10、水狀態(tài)下的抗壓強度（材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度（MPa） f干干材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）干飽軟ffK材料軟化系數(shù)的要求材料軟化系數(shù)的要求軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強度降低軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強度降低 越多，其耐水性越差；越多，其耐水性越差； 對經(jīng)常處于水中或受潮嚴重的重要結(jié)構(gòu)物對經(jīng)常處于水中或受潮嚴重的重要結(jié)構(gòu)物（如地（如地 下構(gòu)筑物、基礎、水工結(jié)構(gòu)）下構(gòu)筑物、基礎、水工結(jié)構(gòu)）的材料，其的材料，其K軟軟0.85； 受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其K0.80； K軟軟0.80的材料，一般稱為耐水的材料。

11、的材料，一般稱為耐水的材料。1234例例1-2 某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測得的抗 壓強度分別為174、178、165 MPa，求該石材 的軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程? 解:該石材的軟化系數(shù)為: 93.0178165gbRffK 由于該石材的軟化系數(shù)為由于該石材的軟化系數(shù)為0.930.93，大于，大于0.850.85，故該石材可用于水下工程。故該石材可用于水下工程。（四）材料的抗?jié)B性（四）材料的抗?jié)B性抗?jié)B性抗?jié)B性材料抵抗有壓介質(zhì)（水、油、氣）滲透的性材料抵抗有壓介質(zhì)（水、油、氣）滲透的性 質(zhì)稱抗?jié)B性。用滲透系數(shù)質(zhì)稱抗?jié)B性。用滲透系數(shù)K表示。表示。 依達西定律：依達西定律： 式

12、中：式中： K材料的滲透系數(shù)（材料的滲透系數(shù)（ml/cm2.s） W透過材料試件的水量（透過材料試件的水量（ml） t透水時間（透水時間（s） A透水面積（透水面積（ cm2 ） H凈水壓力（凈水壓力（cm） d試件的厚度（試件的厚度（cm）AtHWdK 抗抗 滲滲 等等 級級 滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差；滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差； 對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(S)表示：表示： S=10H1； H試件開始滲水時的水壓力（試件開始滲水時的水壓力（MPa） 影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征；影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征； 地下

13、建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結(jié)地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結(jié) 構(gòu)、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。構(gòu)、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。 （五）材料的抗凍性（五）材料的抗凍性抗凍性抗凍性： 材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的和融化作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性質(zhì)稱為抗凍性。性質(zhì)稱為抗凍性。 用抗凍標號用抗凍標號D表示。表示。 凍融破壞的原因凍融破壞的原因 材料有孔且孔隙含水，水材料有孔且孔隙含水，水冰體積膨脹冰體積膨脹9，結(jié)，結(jié) 冰壓力高達冰壓力高達100MPa，結(jié)冰壓力超過材料的抗拉強度

14、，結(jié)冰壓力超過材料的抗拉強度 時，材料開裂，裂縫的增加也進一步增加了材料的飽時，材料開裂，裂縫的增加也進一步增加了材料的飽 水程度，飽水程度的增加進一步加劇了凍融破壞，反水程度，飽水程度的增加進一步加劇了凍融破壞，反 復多次復多次進一步加劇進一步加劇最終材料崩潰。最終材料崩潰。 嚴寒地區(qū)嚴寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺、道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺、跨海大橋跨海大橋等均需考慮凍融破壞。等均需考慮凍融破壞。凍融破壞的橋梁凍融破壞的橋梁凍融破壞的道面凍融破壞的道面凍融破壞的混凝土芯樣凍融破壞的混凝土芯樣凍凍融融破破壞壞的的水水庫庫壩壩面面凍融破壞的西直門橋凍融破壞的西直門橋四、

15、材料的熱工性質(zhì)四、材料的熱工性質(zhì)*1、導熱性、導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大 小用熱導率（小用熱導率（）表示。）表示。 公式：公式： 式中：式中： 熱導率（熱導率（W/m.K） 熱阻熱阻 R=1/ Q傳導的熱量（傳導的熱量（J） A熱傳導面積（熱傳導面積（m2） 材料的厚度（材料的厚度（m） t熱傳導時間（熱傳導時間（s） (T2-T1)材料兩側(cè)溫差（材料兩側(cè)溫差（K） )(12TTAtQ熱工性質(zhì)熱工性質(zhì)* 材料的熱導率越小，絕性能越好。材料的熱導率越小，絕性能越好。 影響熱導率的因素：影響熱導率的因素： 材料內(nèi)部的孔隙構(gòu)造密閉的空氣使材料內(nèi)部的孔隙

16、構(gòu)造密閉的空氣使降降 材料的含水情況含水、結(jié)冰使材料的含水情況含水、結(jié)冰使增增 常見熱導率參數(shù)：常見熱導率參數(shù)：材料材料材料材料泡沫塑料泡沫塑料0.0350.035水水0.58 0.58 大理石大理石3.53.5 冰冰2.22.2鋼材鋼材5858空氣空氣0.023 0.023 混凝土混凝土1.511.51松木松木1.171.170.35 0.35 2.2 材料的基本力學性質(zhì)材料的基本力學性質(zhì) 內(nèi)內(nèi) 容：容： 材料的強度、比強度材料的強度、比強度 材料的彈性與塑性材料的彈性與塑性 材料的脆性與韌性材料的脆性與韌性 一、材料的強度、比強度一、材料的強度、比強度1、定義：、定義： 強度強度材料在外力

17、（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。 2、分類、分類: ( () )抗壓抗壓( () )抗拉抗拉( () )抗折抗折( () )抗剪抗剪 材料的受力形式材料的受力形式 不同材料的承載特點是不同的：不同材料的承載特點是不同的： 例：木材與鋼材例：木材與鋼材 相同種類的材料，隨著其孔隙率及構(gòu)造相同種類的材料，隨著其孔隙率及構(gòu)造 特征的不同，各種強度也有明顯差異。特征的不同，各種強度也有明顯差異。 強強 度度 等等 級級建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。 混凝土按抗壓強度劃分為 C15C80（混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范2002） 水泥

18、按抗壓和抗折強度劃分為（P.0/P./P.）分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R八個強度等級 砂漿按抗壓強度劃分為M2.5、 M5 、M7.5、M10、 M15 、M20六個等級比比 強強 度度比強度比強度材料的強度與其表觀密度的比值（fc/o）。 用于評價材料輕質(zhì)高強 幾種材料的強度比較：幾種材料的強度比較：材材 料料表觀密度表觀密度(kg/m3)強度強度fc (MPa)比強度（比強度（fc/o）低碳鋼78604150.053松 木50034.30.059混凝土2400600.025二、材料的彈性與塑性二、材料的彈性與塑性 彈性彈性材料在

19、外力的作用下產(chǎn)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(zhì)。 彈性模量： E=/ 塑性塑性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。 實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。低碳鋼的低碳鋼的曲線曲線=P/A L/L = b p s A B C D 低碳鋼受拉時應力-應變曲線 0 分段的彈性變形和塑性變形三、材料的脆性與韌性三、材料的脆性與韌性1、脆性、脆性在外力作用下，當外力達到一定限度后，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）抵抗沖擊 或震動荷載的能力很差。 2、韌性、韌性在沖擊、震

20、動荷載的作用下，材料承受很大 的變形也不致破壞的性能稱為韌性。如鋼材、 木材、纖維等。 橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等 2.3 材料的耐久性材料的耐久性定義：定義：材料在使用過程中能抵抗周圍各種介 質(zhì)的侵 蝕而不破壞，也不易失去其原有性能的性質(zhì)。 包括：包括： 抗凍性混凝土、磚、石材 抗風化性陶瓷、磚 抗老化性有機建材 耐化學腐蝕金屬材料侵侵 蝕蝕 介介 質(zhì)質(zhì) 物理介質(zhì)溫度、濕度、凍融、陽光、輻射 化學介質(zhì)酸、堿、鹽的溶液或氣體、水、大氣 生物介質(zhì)昆蟲、菌類、白蟻 機械介質(zhì)荷載、沖擊、震動、磨損、磨耗 如瀝青的老化、木材的腐蝕、鋼材的腐蝕等等如瀝青的老化、木材

21、的腐蝕、鋼材的腐蝕等等耐久性的特點耐久性的特點長期性、后期加劇作用；長期性、后期加劇作用； 多種介質(zhì)同時作用；多種介質(zhì)同時作用； 材料劣化結(jié)構(gòu)失效服務壽命降低。材料劣化結(jié)構(gòu)失效服務壽命降低。海洋環(huán)境下腐蝕嚴重金嶺鐵礦料倉除銹阻銹防腐并噴射混凝土加固金嶺鐵礦料倉除銹阻銹防腐并噴射混凝土加固 小小 結(jié)結(jié)一、名詞解釋：n密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率、密實度、空隙率、親水性、憎水性、吸水性、吸濕性、含水率、耐水性、抗凍性、抗?jié)B性、導熱性、強度、比強度、塑性、彈性、脆性、韌性、耐久性 二、判斷題：n1、同一種材料，其體積密度愈大，則其密度也就愈大。（? ） n2、同一種材料，其體積密度愈大，則其孔隙

22、率愈小。（? ） n3、將某種含孔的材料，置于不同濕度的環(huán)境中，分別測得其密度，其中以干燥條件下的密度為最小。（? ） n4、具有粗大孔隙的材料，吸水率較大；具有細微而連通孔隙的材料，吸水率較小。（? ） n5、軟化系數(shù)愈大的材料，愈容易被水軟化。（? ） n6、吸水率小的材料，其孔隙率一定小。（? ） n7、潤濕角愈小，表明建筑材料愈不易被水潤濕。（? ） n8、材料的孔隙率愈大，材料的抗凍性愈差。（? ） n9、建筑材料的抗?jié)B等級愈高，表明其抗?jié)B性愈強。（? ） n10、相同種類的材料，其孔隙率愈大，則其強度愈低。（? ） n11、一般來說，硬度大的建筑材料，其耐磨性較強。（? ） n12

23、、對于需要長時間保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定的建筑，其墻體、屋頂?shù)炔课豢梢圆捎帽葻崛莞叩牟牧?。? ） n13、材料受潮或受凍后，其導熱性降低，導熱系數(shù)增大。（? ） n14、在進行材料抗壓強度試驗時，大試件較小試件的試驗結(jié)果值偏?。患雍伤俣瓤煺咻^加荷速度慢者的試驗結(jié)果值偏小。（?）三、填空題：三、填空題：n1、材料的吸水性大小用（ )表示，吸濕性大小用( ) 表示。 n2、材料的耐水性的強弱可以用( ) 表示，其值=( )，材料的耐水性愈差，該值愈( ) 。n3、同種材料，孔隙率愈( )，材料的強度愈高；當材料的孔隙率一定時，( )孔隙愈多，材料的絕熱性能愈好。 n4、通常，當材料的孔隙率增大時，其密度

24、( )，體積密度( )，吸水率( )，強度( )，抗凍性( ），耐水性（ ） ，導熱性（ ），耐久性（ ） 。 n5、根據(jù)外力作用的形式不同，建筑材料的強度有（ ） 、（） 、（ ）及（） 等。 四、選擇題：n1、當材料的潤濕角為（? ）時，稱為憎水性材料。 nA、90 B、90 C、0 n2、通常，材料的軟化系數(shù)為（? ）時，可以認為是耐水材料。 nA、0.85 B、0 B、0 C、0 n4、材質(zhì)相同的A、B兩種材料，已知0A0B，則A材料的保溫效果比B材料（ ）。 nA、好 B、差 C、相同 n5、含水率為5%的濕砂220kg，將其干燥后的質(zhì)量是（? ）kg。 nA、209 B、209.5

25、2 C、210 （注：不考慮修約）五、問答題：n1、材料的吸水性、吸濕性、耐水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性的含義各是什么？各用什么指標表示？ n2、簡述材料的孔隙率和孔隙特征與材料的體積密度、強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性及導熱性等性質(zhì)的關系。 n3、材料的耐久性包括哪些內(nèi)容？ n4、什么是材料的強度？影響材料強度試驗結(jié)果的因素有哪些？ n5、為什么新建房屋的墻體保暖性能較差，尤其是在冬季？ n6、密實度和孔隙率有什么關系？孔隙率和空隙率有何區(qū)別？ 五、問答題：1. 1. 某工地質(zhì)檢員從一堆碎石料中取樣，并將其洗凈后某工地質(zhì)檢員從一堆碎石料中取樣，并將其洗凈后干燥，用一個干燥，用一個10升升的金屬桶，稱得一桶碎石的凈質(zhì)量是的金屬桶，稱得一桶碎石的凈質(zhì)量是13.50Kg；再從桶中取出；再從桶中取出1000g的碎石，讓其吸水飽和后的碎石，讓其吸水飽和后用布擦干，稱其質(zhì)量為用布擦干，稱其質(zhì)量為1036g；然后放入一廣口瓶中，并；然后放入一廣口瓶中，并用水注滿這廣口瓶，連蓋稱重為用水注滿這廣口瓶，連蓋稱重為1411g，水溫為，水溫為25 C，將，將碎石倒出后，這個廣口瓶盛滿水連同蓋的質(zhì)量為碎石倒出后，這個廣口瓶盛滿水連同蓋的質(zhì)量為791g；另；另外從洗凈完全干燥后的碎石樣中，取一塊碎石磨細、過篩外從洗凈完全干燥后的碎石樣中，取一塊碎石磨細