绪论 一、土木工程材料及其分类 广义上的土木工程材料是人类建造建筑物时所用一切材料和制品的总称，种类极为繁多。 1.按主要组成成分分类 「金局材料气若色金属一的、失、不锈制等 有色金属一 一铅、创等及其合金 机材料 一秘、石及石材制品等 非金届材料 砖、其、我璃等 ”植物材料一一术材、竹材等 土木工程材料《有机材料 尤机非金属材料与有机材料复合 一得里科、聚合物水泥滋士 复合材料 金属材料与无机非金属材料复合一 钢筋混凝土、倒纤锥混凝土、夹丝疚璃 金属材料与有机材料复合一一红轻质金属夹芯板 图0.1土木工程材料的分类 2.按使用功能分类 根据士木工程材料在建筑物中的部位或使用性能，大体可分为建筑结构材料、墙体材料、 建筑功能材料三大类。 3.按材料来源分类 根据材料来源，可分为天然材料与人造材料。而人造材料又可按治金、窑业（水泥、玻璃、 陶瓷等)、石油化工等材料制造部门来分类。 一般把各种分类方法经适当组合后对材料种类进行划分。如装饰砂浆、沥青防水材料等。 二、土木工程材料在土建工程中的地位 土木工程材料在土木建筑工程中有若举足轻重的地位。 首先，士木工程材料是一切士木工程的物质基础。 第二，土木工程材料与建筑、结构和施工之间存在着相互依存、相互促进的密切关系。 第三，建筑物和构筑物的功能和使用寿命在很大程度上由土木工程材料的性能决定。 第四十独丁的质 主要取决于材料的质量控制。 最后，建筑物和构筑物的可靠度评价，相当程度地依存于材料的可靠度评价。 三、土木工程材料的发展趋势 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
遵循可持续发展战咯，土木工程材料的发展趋势表现为： (1)高性能化 (2)高耐久性 (3)多功能化 (4)绿色环保 (5)智能化 另外，主产品和配套产品应同步发展，并解决好利益平衡关系。同时，为满足现代土木工 程结构性能和施工技术的要求，材料的应用应向着工业化方向发展。 四、土木工程材料的检验方法及标准化 1.士木工程材料的质量检验方法 通常可采用实验室内原材料性能检验、实验室内模拟结构鉴定及现场鉴定等方法。本课程 主要若重介绍实验室内材料性能的检验，包括下列内容： (1)物理性能检验 (2)力学性能检验 (3)材料与水有关的性能检验 2.土木工程材料的标准化 土木工程材料涉及的标准主要包括两类 一是产品标准。其内容主要包括：产品规格、分 类、技术要求、检验方法、验收规则、应用技术规程等；二是工程建设标准。其内容有土木丁 程材料选用有关的标准，有各种结构设计规范、施工及验收规范等。 目前，我国常用的标准按适用领域和有效范围，分为四级。 (1)国家标准分强制性标准（代号为GB)和推荐性标准（代号GB/T) 2)行业标准某些行业标淮代号见表0.1。 表0.1几个行业的标准代号 行业名称建工行业黑色治金行业石化行业交通行业建材行业铁路行业 标准代号 JG YB SH T TB (3)地方标准（代号B) (4)企业标准（代县0B) 有关工程建设方面的技术标准的代号，应在部门代号后加】地方标准或企业标准所制定 的技术要求应高于类似（或相关）产品的国家标准。 标准一般由标准名称、部门代号（以汉语拼音字母表示）、标准编号和颁发年份等来表示。 例如，1992年制定的建材行业推荐性479号建筑石灰的标准为：《建筑石灰》(JC/T479-92)。 五、课程学习的目的和要求 .课程学习的目的与主要内容 土木工程材料课程是针对土木工程、工程管理、水利水电等专业开设的专业技术基础课。 通过学习，使学生掌握材料的基本理论和基础知识，为后续专业课程的学习及以后从事土木工 理正洗田材料打下良好的堪。 本牧材重点介绍了 当前土木工程常用的材料，如水泥、石灰、混凝土、钢材、沥青材料等 并简要介绍了建筑功能材料.对于各类材料，除重点介绍了技术性质外，对材料的生产、组成、 结构与构造、技术标准也做了简要介绍，另外还简要介绍了检测这些技术性能指标的试验方法。 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
2课程的理论课学习任务 学习时，可把相关内容分成三个层次： 第一层次是土木工程材料基础理论知识。所谓基础理论知识是指每类材料的生产工艺 材料的组成、结构、构造，该部分要重点领会其对材料性能的影响： 第二层次是土木工程材料的基本性质。这一层次要求学生重点掌握，在了解基本概念的 基础上，要能运用已有的理论知识对基本性质的改善进行分析。并能够结合工程实际，正确选 用材料。对于现场制作的材料，要能根据材料性能要求设计计算材料配比： 第三层次为士木工程材料质量检验的内容，需要结合试验理解基本技术性质要求的意义 3.课程的实验课学习任务 实验是课程的重要教学环节。通过实验可验证所学的基础理论，增加感性认识，加深对理 论知识的理解，熟悉试验鉴定、检验和评定材料质量的方法，掌握一定的试验技能，这对培养 学生分析与判断问题的能力、试验工作能力以及严谨的科学态度十分有益，也为今后从事既有 材料的改性、新材料的研制以及材料方面的科学研究英定基础。 第1章土木工程材料的基本性质 1.1材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响 1.1.1材料的组成 材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。它不仅影响材料的化学稳定性，而 且也是决定材料物理及力学性质的重要因素。 (1)化学组成 （2)矿物组成 (3)相组成 1.1.2材料的结构 材料的结构对材料的性质有重要影响。材料的结构一般分为宏观、细观和微观三个层次。 (1)宏观结构 士木工程材料的宏观结构是指肉眼可以看到或借助放大镜可观察到的（毫米级）粗大组织 其尺寸在10m级以上。 ①散粒结构 ②聚集结构 ③多孔结构 ④致密结村 ⑤纤维结构 @层状结构 (2)细观结构 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构。其尺寸 范围在103一10m。包括 ①品相种类、形状 颍料大小及其分布情况 ②玻璃相的含量及分布： ③气孔数量、形状及分布. (3)微观结构 微观结构是指借助电子显微镜或X射线，可以观察到的材料的原子、分子级的结构，微观 结构的尺寸范围在10 材料微观结构可分为品体、玻璃体、胶体三种形式。 品体 品体是内部质点（原子、离子、分子）在空间上按特定的规则是周期性排列时所形成的结构 ②玻璃体 将培融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及按规则排列就凝固，这时形成的物质 结构即为玻璃体，又称为无定形体或非品体。 ③胶体 物质以极其微小的颗粒（粒径为10一10m)分散在连续相介质中形成的结构，称为胶体。 1.1,3材料的构造 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况·构造概念与结构概 念相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。 1.1.4材料中的孔隙与材料性质的关系 (1)孔隙的分类 按孔隙的大小，可将孔隙分为微小孔隙、细小孔隙（毛细孔）、粗大孔限等。对于无机非 金属材料，孔径小于20m的微小孔隙，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔。 按孔隙形状可将孔照分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔照、带 尖角的孔隙等。片状孔、管状孔隙、带尖角的孔隙对材料性质的影响较大 按常压 水能否进入到孔隙中， 将常压水可以进入的孔隙称为开口孔隙，而将常压水不 能进入的孔隙称为闭口孔隙。另外，开口孔中有些孔不仅与外界相通，而且彼此贯通，称为连 通孔。 (2)孔隙对材料性质的影响 般情况下，材料孔照率越大，则材料的表观密度、堆积密度、强度均越小，耐磨性、抗 冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性及其他耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性与吸湿性等 越强。 (3)材料内部孔隙的来源与产生 1.2.1材料与质量有关的性质 (1)材料的密度、表观密度与堆积密度 ①密度一True Density 4 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
材料在绝对密实状态下、单位体积干材料的质量称为材料的密度。按照(11)式进行计 p-月 (1.1) 式中：p一材料的密度，g·cm3, m一材料在绝对干燥状态下的质量，： V一材料在绝对密实状态下的体积，cm ②表观密度 材料在自然状态下，单 立体积材料的质量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中称 为体积密度)。按照(12)式进行计算。 A= (1.2) 式中：A一材料的表观密度，g·cm或kg·m m一材料在自然状态下的重量，g或kg: 。一材料在自然状态下的体积，cm3或m3. ③堆积密度-Bulk Densit 粒材料（粉状或粒状材料）在堆积状态下，单位体积材料的质量称为材料的堆积密度。按 照(1.3)式进行计算。 (13) 式中：A一散粒材料的堆积密度，kg·m, m一散位材料在堆积状态下的质量，kg: 。一散粒材料在堆积状态下的体积，m。 常用士木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1.1所示 (2)材料的孔隙率与密实度 ①孔隙率 材料内部孔隙体积占材料自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率。按照(1.4)式进 行计算 V。 (1.4) o 材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。 材料的固体物质体积占自然状态下体积的百分率称为材料的密实度。密实度反映了材料体 积内被固体物质所填充的程度。按照(1.5)式进行计算： D=x100g=6x10g (1.5) This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
密实度与孔隙率之间的关系为：P+D=1 (3)材料的空隙率与填充率 ①空隙率 散粒材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率称为材料的空隙率。按照(1.6) 式进行计算： p-x10-5-x106-1-x10 (1.6) D 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的程度 ②填东率 材料在自然状态下的体积占堆积体积的百分率称为材料的填充率。填充率反映了材料被颗 粒填充的程度。按照(17)式进行计算 D=5x100=x10 (1.7) 密实度与空隙率之间的关系为：P+D=1 .2.2材料与水有关的性质 (1)材料的亲水性与憎水性 材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性，而材料与水接触时不能被水润湿的性质称 为憎水性， 材料被水湿润的程度可以用润混角来表示，如图13所示。润湿角越小，说明材料越容 易被水湿润。实验证明，润湿角9≤90的材料为亲水性材料，反之，日>90°的材料不能被水 湿润，为憎水性材料。当9-0°时，表明材料完全被水润湿。 (2)材料的吸湿性和吸水性 ①吸湿性 材料在潮湿空气中吸附水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小，用含水率来表示。含 水率是指材料内部所含水的质量占干材料质量的百分率。可按照(18)式进行计算。 =%-m1006 (18) 式中：P,一材料的含水率，% m,一材料在吸湿状态下的重量，： 定的温度和湿度条件下，材料中所含水分与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平 衡含水率。 ②吸水性 材料在水中（通过毛细孔隙）吸收水分的性质称为吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般 用质量吸水率表示，质量吸水率是指材料吸水饱和时，其内部吸收水分的质量占干材料质量的 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
百分率。可按照(1.9)式进行计算。 Ix100 (1.9) 式中：P一材料的质量吸水率，%； m。一材料在吸水饱和状态下的质量， m一材料在干燥状态下的质量，g (3)材料的耐水性 材料长期在饱和水作用下，不破坏同时强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐 水性好坏用软化系数表示，材料在饱和水状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度的 比值，就是软化系数。按照(1.10)式计算。 (1.10) 式中：K一材料的软化系数： 一材料在吸水饱和状态下的抗压强度，P ∫一材料在干燥状态下的抗压强度，Pa。 材料的软化系数在0一1之间.经常位于水中或受湖严重的重要结构物的材料，软化系数 (4)材料的抗冻性 材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性质， 称为抗冻性。 影响材料抗冻性的因素： ①材料的孔隙率和孔隙特征。 ②材料的吸水饱和程度。 ③材料抵抗冻胀应力的能力，即材料的强度。 就外界条件来说，材料受冻破坏的程度与冻融温度、结冰速度及冻融频繁程度等因素有关 温度越低、降温越快、冻融越频繁，则受冻破坏越严重。 (5)材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，另外，材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗 渗性。 1.2.3材料的热工性质 （1)材料的导热性 材料传导热量的性质称为导热性。材料导热能力的大小，用导热系数来表示。 影响材料导热系数的因素主要有以下几个方面： This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
1)材料的物质组成与结构。 2)材料的孔隙率及孔隙特征 含水率 2度 4)导热时的温度 (2)材料的热容量 热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。可用(111)式表示。 0=cm(6-4) (111) 式中：Q一材料吸收或放出的热量，K: c一材料的比热，J(gK), m一材料的质量，g 4-2一材料受热或冷却前后的温度差，K。 几种典型材料的热工性能指标如表1.2所示。 (3)耐燃性 建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重降低的性能称为耐燃性。 根据耐燃性可将材料分为三大类 1)不燃烧类如普通石材、混凝土、砖、石棉等 2)难燃烧类如沥青混凝土、经防火处理的木材等。 3)燃烧类如木材、沥青等。 (4)耐火性 材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能称为耐火性。按耐火性高低可将材料 分为3 1)耐火材料如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等。 2)难熔材料如难熔黏土砖、耐火混凝土等。 3)易熔材料如普通黏土砖等。 (5)材料的热变形性 材料在温度变化时的尺寸变化称为热变形性。热变形性的大小用线膨胀系数表示。 1.3材料的力学性质 材料的力学性质是指材料在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下的变形性或强度 来表示 1.3.1材料的强度与比强度 材料在外力（即荷载）作用下抵抗破坏的能力，称为强度。 (1)材料的强度类型 1)材料的抗压、抗拉及抗剪强度 材料的抗压、抗拉及抗剪强度按(1.12)式计算。 (1.12) 8 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
式中：f一材料的强度，MPa F一试件玻坏时的最大荷载，N: A一试件受力截面面积，mm 抗压强度是评定脆性材料强度的基本指标，而抗拉强度是评定塑性材料强度的主要指标。 2)材料的抗弯强度 材料的抗弯强度与试件的几何形状及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当 采用二分点试验（图1,4）〈在两支点的中间作用一个集中荷载)时，其抗弯极限强度按(1,13) 式计算。 (1.13) 当采用三分点试验（图1.4）（在跨度的三分点上加两个集中荷载）时，其抗弯极限强度 按(1.14)式计算。 (1.14) 式中：n一材料的抗弯极限强度，Pa: Fx一试件破坏时的最大荷载，N L一试件两支点间的距离，mm: b、h一试件截面的宽度和高度，mm。 (2)影响材料程度的因素 ①材料的组成、结构和构造 孔腺审 图1.5材料强度与孔隙率的关系 ②试验条件 试验方面的因素有：试件大小、试件形状、加荷速度以及试件的平整度等。 ③材料的含水情况 ④温度 (3)材料的强度等级 常用土木工程材料的强度如表1.3所示。 (4)材料的比强厨 比强度等于材料的强度与表观密度之比，即单位质量的材料强度。比强度是用来评价材料 是否轻质高强的一个指标。几种主要材料的比强度如表1.4所示。 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
1.3.2材料的弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形随即消失并能完全恢复原来形状的性 质，称为材料的弹性。应力与应变的比值称为材料的弹性模量。按照(1.15)式计算。 F=g (1.15) 式中：一材料的应力，Pa 一材料的应变 E一材料的弹性模量P 材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，不能恢复变形，仍然保持变形后的形状和 尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为材料的塑性。 1.3.3材料的脆性与韧性 材料受外力作用，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，但破坏时设有明显塑性变形的 性质，称为材料的脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生较大变形而不致破坏的性质，称为 材料的韧性或冲击韧性。 1.3.4材料的硬度与耐磨性 (1)硬度 硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力 (2)耐性 耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性以磨损前后材料单位面积的质量损 失，即磨损率表示。 材料的磨损率越低，表明该材料的耐磨性越好。 1.4材料的耐久性 材料在长期使用过程中，能抵抗各种作用而不破坏，并且能保持原有性能的能力，称为 材料的耐久性。 影响耐久性的因素很多，包括物理作用、化学作用及生物作用等。 (1)物理作用 物理作用指材料受干湿、冷热、冻融变化等，使材料体积发生收缩与膨胀，或产生内应 力而开裂破坏。 (2)化学作用 化学作用指材料在大气和环境水中的酸碱盐等溶液的侵蚀下，使材料逐渐发生质变而破 坏 (3)生物作用 生物作用指材料在昆虫或菌类等的侵害下，导致材料发生虫蛀、腐朽而破坏。 10 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information