第1章 土木工程材料的基本性质 教学提示：材料的基本性质是材料的共同性质，学生通过学习，要求了解材料科学的一 些基本概念,并掌握材料各项基本力学性质、物理性质、化学性质、耐久性质等材料性质 的意义，以及它们之间的相互关系和在工程实践中的意义。 教学要求：熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。掌握土木工程材料的基本物理性 质，耐久性的基本概念。了解土木工程材料的基本组成、结构和构造，了解材料结构和构 造与材料基本性质的关系。 土木工程材料是土木工程的物质基础，材料的性质与质量很大程度上决定了工程的性 能与质量。在工程实践中，选择、使用、分析和评价材料，通常是以其性质为基本依据的。 土木工程材料的性质，可分为基本性质和特殊性质两大部分。材料的基本性质是指土木工 程中通常必须考虑的最基本的、共有的性质；材料的特殊性质则是指材料本身的不同于别 的材料的性质,是材料的具体使用特点的体现。 1.1材料的基本物理性质 1.1.1材料的体积组成 大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产 生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。 孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连通两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔， 与外界不相连通的叫闭口孔。 含孔材料的体积组成如图1.1所示。从图1.1可知，含孔材料的体积包括以下三种。 (1)材料绝对密实体积。用V表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。 (2)材料的孔体积。用VP表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积（记为V)和 闭口孔体积（记为VB)。 (3)材料在自然状态下的体积。用表示，是指材料的实体积与材料所含全部孔隙体 积之和。 上述几种体积存在以下的关系。 Vo-V+Vp (1.1) 其中 VP=VK+VB (1.2) 散粒状材料的体积组成如图1.2所示。其中V’表示材料堆积体积，是指在堆积状态 下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒
土木工程材料*6.状材料体积关系如下：Vo=Vo+V=V+Vp+ V(1.3)VoV图1.1含孔材料体积组成示意图1.固体物质：2.闭孔：3.开孔Vo'Vo图1.2散粒材料堆积体积组成示意图1.颗粒的固体物质；2.颗粒的闭口孔隙：3.颗粒的开口孔隙；4.颗粒间的间隙.6
第1章土木工程材料的基本性质.7.1.1.2材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为材料的密度（俗称比重）。其计算式如下：p="(1.4)式中p—材料的密度(g/cm)。m—材料的质量(干燥至恒重)(g)。V一材料的绝对密实体积（cm）密度的单位在SI制中为kg/m，我国建设T程中般用g/cm，偶尔用kg/L，忽略不写时，隐含的单位为g/cm，如水的密度为1。多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实休积。在常用的土木工程材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体私的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排波法（李氏瓶，见15.1.1）测得的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的休积也就越精确，因此，二般要求细粉的粒径至少小于0.2mm对」砂石，因其孔隙率很小，VVo，常不经磨细，直接用排水法测定H密度。对丁本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重，2.表观密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度（原称容重）。其计算式如下：-%(1.5)式中P%——材料的表观密度(kg/m)。-材料的质量(kg)。m-一材料在自然状态下的体积（m）。测定材料在口然状态下的体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算：若外观形状不规则，可用排液法测得，为了防正液体山孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度（见15.3.3），如果要测定砂仁真正意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干（气干）、烘干、饱和面干和湿润四种。一般为气干状态，烘干状态下的表观密度叫干表观密度。3.堆积密度散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积密度（原称松散容重）。其计算式如下：=m(1.6)Po =-17
:8.土木工程材料式中一散粒材料的堆积密度（kg/m）。P-材料的质量(kg)。m-V。——散粒材料的堆积体积(m)。材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积（人工捣实后）。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1-1所示。表1-1常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称密度(g/cm2)表观密度(kg/m2)堆积密度(kg/m2)石灰岩2.6~2.81800~2600花岗岩2.7~~3.02000~2850900~1300(松散堆积)水泥2.8~3.1-【400~1700(紧密堆积)混凝土用砂2.5~2.61450~1650-混凝土川石2.6~2.91 400~1 700普通混凝上-2 100~2500粘土2.5~2.71 600~1 800钢材7 8507.85-铝合金2.7~2.92700~2900-烧结普通砖2.5~2.71500~1800-建筑陶瓷2.5~2.71800~2500红松木1.55~1.60400~800玻璃2.45~2.552450~2.550-10~50泡沫塑料--1.1.3材料的孔隙率与空隙率1.孔隙率材料中孔隙体积占材料总体的白分率，称为材料的孔隙率（P）。其计算式如下：V.-V×100%=[1_Px100%P=(1.7)1P材料孔隙率的人小反映了材料的密实程度，孔隙率人，则密实度小。工程中对保温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。1.程上，一般通过测定材料的密度和表观密度来计算材料的孔隙率。2.空隙率散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙休积占堆积休积的百分率，称为材料的空隙率(P）。其计算式如下：.8
第1章土木工程材料的基本性质.9.V,-VPaPx100%=x100%(1.8)v.Po)空隙率的大小反映了散粒材料堆积时的致密程度，与颗粒的堆积状态密切相关，可以通过压实或振实的方法获得较小的空隙率，以满足不同工程的需要。1.1.4材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性当水与材料表面相接触时，不同的材料被水所润湿的情况各不相同，这种现象是由于材料与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的（如图1.3所示）。T777(a)(b)(a)亲水性材料(b）僧水性材料图1.3材料的润湿角材料、水和空气三相接触的交点处，沿水表而的切线与水和固体接触面所成的夹角θ称为润湿角。当水分子间的内聚力小于材料与水分子间的分子亲合力时，6≤90°，这种材料能被水润湿，表现为亲水性。当水分子间的内聚力大于材料与水分子间的分子亲合力时，9≥90°，这种材料不能被水润湿，表现为僧水性。土木工程材料中石材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材为亲水性材料：沥背、塑料、橡胶和油漆等为增水性材料，工程上多利用材料的怡水性来制造防水材料。2.吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料的吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达形式。1）质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水量占材料十质量的百分率。其计算式如下：mg-mg×100%Wu=(1.9)m.式中Wm-材料的质量吸水率(%)。材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mbmg—材料在T燥状态下的质量(g)。2）体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料白然体积的百分率。其计算式如下：m-m×二×100%W=(1.10)Vapw式中W一材料的体积吸水率(%)。9
10 .土木工程材料材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mhm—材料在干燥状态下的质量(g)。Vo—材料的自然体积(cm)。P%——水的密度，常温下取1.0g/cm2。材料的吸水率一般用质量吸水率表示。体积吸水率与质量吸水率之间存在以下关系：W,=W.P(1.11)材料吸水率的大小主要取决于它的孔隙率和孔隙特征。水分通过材料的开口孔隙吸入，通过连通孔隙渗入其内部，通过润湿作用和毛细管作用等因素将水分存留住。因此，具有较多细微连通孔隙的材料，其吸水率较大：而具有粗大孔隙的材料，虽水分容易渗入，但也仪能润湿孔壁表面，不易在孔内存留，其吸水率并不高：致密材料和仪有闭口孔隙的材料是不吸水的。3.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，材料的吸湿性是可逆的。当较干燥材料处于较潮湿空气中时，会从空气中吸收水分：当较潮湿材料处丁较干燥空气中时，材料就会向空气中放出水分材料的吸湿性受所处环境的影响，随环境的温度、湿度的变化而变化。当空气的湿度保持稳定时，材料中的湿度会与空气的湿度达到平衡，也即材料的吸湿与于燥达到平衡这时的含水率称为平衡含水率。含水率计算式如下：W.".-"x100%(1.12)mg式中W—材料的含水率(%)。m。—材料吸湿后的质量(g)。mg—材料在干燥状态下的质量(g)。4.耐水性材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称耐水性。材料的耐水性用软化系数来衡量，其计算式如下：KR=L(1.13)f式中Kr—材料的软化系数。人—材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa)。f材料在T燥状态下的抗压强度(MPa)。材料吸水后，水分会吸附到材料内物质微粒的表面，减弱微粒间的结合力，从而致使其强度下降，这是吸水材料性质变化的重要特征之，软化系数反映了这变化的程度。软化系数KR的范围在0～1之间，它是选择使用材料的重要参数。上程中通常将KR>0.85的材料看作是耐水材料，可以用于水中或潮湿坏境中的重要结构；用于受潮较轻或次要结构时，材料的K值也不得低于0.75。. 10
第1章土木工程材料的基本性质.11.5.抗渗性材料抵抗压力水渗透的能力称为抗渗性。材料中含有孔隙、孔或其他缺陷，当材料两侧受水压差的作用时，水可能会从高压一侧问低压一侧渗透。水的渗透会对材料的性质和使用带来不利的影响：尤其当材料处于压力水中时，材料的抗渗性是决定其工程使用寿命的重要因素。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。渗透系数计算式如下：K,=Qd(1.14)AtH式中K一材料的渗透系数(cm/h)。Q时间t内的渗水总量（cm)。d—材料试件的厚度(cm)。A一材料垂直于渗水方向的渗水面积（cm）一渗水时间(h)。H—材料两侧的水头高度(cm)。渗透系数K，的物理意义是定时问内，在定水压力作用下，单位厚度的材料，单位渗水面积上的渗水量。材料的K，越小，说明材料的抗渗性越好。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级用标准方法进行渗水性试验，测得材料能承受的最大水压力，并依此划分成不同的等级，常用“Pn”衣示，其中n衣示材料所能承受的最大水压力MPa数的10倍值，如P6表示材料最大能承受0.6MPa的水压力而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。材料的抗渗性与其孔隙多少和孔隙特征关系密切，开口并连通的孔隙是材料渗水的主要渠道。材料越密实、闭口孔越多、孔径越小，水越难渗透；孔率越大、孔径越大、开口并连通的孔隙越多的材料，其抗渗性越差。此外，材料的亲水性、裂缝缺陷等也是影响抗渗性的重要因素。1程上常采用降低孔隙率提高密实度、提高闭口孔隙比例、减少裂缝或进行增水处理等方法来提高材料的抗渗性。6.抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性质称为抗冻性。当温度下降到负温时，材料内的水分会由表及里地冻结，内部水分不能外溢，水结冰后体积膨胀约9%，产生强大的冻胀压力，使材料内毛细管壁胀裂，造成材料局部破坏，随若温度交替变化，冻结与融化循环反复，冰冻的破坏作用逐渐加剧，最终导致材料破坏。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是用标准方法进行冻融循坏试验，测得材料强度降低不超过规定值，且无明显损环和剥落时所能承受的冻融循环次数来确定，常用“Fn”表示，其中n表示材料能承受的最大冻融循环次数，如F100表示材料在一定试验条件下能承受100次冻融循环。材料的抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和冷冻速度等因素有关。材料的强度越高，其抵抗冰冻破坏的能力也越强，抗冻性越好；材料的孔隙率及孔隙特征对抗冻性影响较大，其影响与抗渗性相似。.1l
土木工程村料.12 .1.1.5材料的热工性质1.热容量与比热容热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力：比热容也叫比热，指单位质量的材料在温度每变化1K时所吸收或放出的热量，用“C”表示。其计算式如下：(1.15)O=Cm(t,-t.)9(1.16)C=m(t -t.)式中Q—材料的热容量(kJ)C—材料的比热容，kJ/(kg-K)m—材料的质量(kg)。t-t2材料受热或冷却前后的温差(K)。比热容与材料质量的积称为材料的热容量值，即材料温度上升1K须吸收的热量或温度降低1K所放出的热量。材料的热容量值对于保持室内温度稳定作用很大，热容量值大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动：屋面材料也宜选用热容量值人的材料。2.导热性指材料传导热量的能力。导热性可用导热系数表示，其物理意义是厚度为1m的材料，当其相对表面的温度差为1K时，1s时间内通过1m面积的热量。导热系数的计算式如下：Qa1=(1.17)AT(t, -t.)式中 —-材料的导热系数(W/(m·K))。一传导的热量()。0一一材料的厚度(m)。AA—材料传热的面积(m）T—传热时间(s)。-材料两侧的温度差(K)。ti-t2-材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。工程上把<0.23W/(mK）的材料称为绝热材料。常用材料的热工性质指标见表1-2。表1-2常用材料的热工性质指标材料名称导热系数，W/(m-K)比热容，kJ/(kg-K)线膨胀系数10/K铜3700.3818.6钢550.4610~12石灰岩2.66~3.230.749~0.8466.75~6.77花岗岩2.91~3.450.716~0.925.60~7.34· 12
第1章土木工程材料的基本性质·13 .续表材料名称导热系数，W/(m-K)比热容，kJ/(kg-K)线膨胀系数10/K大理岩2.450.8756.50~10.121.80.88普通混凝土5.8~15~烧结普通砖0.4~0.75~7松木0.17~0.352.51玻璃0.832.7~3.268~10泡沫塑料0.031.30水4.1870.601密闭空气0.023材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。因为，密闭空气的导热系数仅为0.023W/mK)，所以，当材料中含有较多闭口孔隙时，其导热系数较小，材料的隔热绝热性较好：但当材料内部含有较多粗大、连通的孔隙时，则空气会产生对流作用，使其传热性大大提高。水的导热系数远大」空气，当材料吸水或吸湿后，其导热系数增加，导热性提高，隔热绝热性降低。3.耐火性指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基木稳定而不损坏的性能，用耐火度表示。工程上用于高温坏境的材料和热工设备等都要使用耐火材料。根据材料耐火度的不同，可分为三大类。1）耐火材料耐火度不低于580℃的材料，如各类耐火砖等。2）难熔材料耐火度为1350℃~1580℃的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。3）易熔材料耐火度低于1350℃材料，如普通粘土砖、玻璃等。4.耐燃性指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据材料耐燃性的不同，可分为三大类。1）不燃材料遇火或高温作用时，不起火、不燃烧、不碳化的材料，如混凝土、天然石材、砖、玻璃和金属等。需要注意的是玻璃、钢铁和铝等材料，虽然不燃烧，但在火烧或高温下会发生较大的变形或熔融，因而是不耐火的。2）难燃材料遇火或高温作用时，难起火、难燃烧、难碳化，只有在火源持续存在时才能继续燃烧，火源消除燃烧即停止的材料，如沥青混凝上和经防火处理的木材等。· 13
土木工程村料: 14 .3）易燃材料指遇火或高温作用时，容易引燃起火或微燃，火源消除后仍能继续燃烧的材料，如木材、沥青等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。5.温度变形指材料在温度变化时产生的体积变化，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。温度变形在单问尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩，一般用线膨胀系数来衡量，线膨胀系数用“α”表示，其计算式如下：AL(1.18)α=(t -t)L式中α一材料在常温下的平均线膨胀系数1/K。AL材料的线膨胀或线收缩量（mm）。t2-t—温度差(K)。L-材料原长(mm)。材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解决温度变形问题。2材料的力学性质1.21.2.1材料受力状态材料在受外力作用时，由于作用力的方向和作用线（点)的不同，表现为不同的受力状态，典型的受力情况如图1.4所示。(c1/311/3(a)(b)(d)(e)(a)压力(b) 拉力(c)弯曲(折)(e)剪切(d)弯曲(折)图 1.4材料的受力状态· 14