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1、第第1 1章章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质第1章 土木工程材料的基本性质1.1 材料的物理性质(physical properties)1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度材料的密度、表观密度与堆积密度(1)密度密度(density)近似密度（视密度）近似密度（视密度）(apparent density)(2)表观密度表观密度(apparent density)(3)堆积密度堆积密度（散粒体）（散粒体）(bulk density)(for particles)压实密度（压实密度（compacted density）1密实材料，如金属材料、花岗岩等材料的内部密实而没有孔隙
2、材料的密度（材料的密度（1）密度）密度材料的密度（材料的密度（2）表观密度）表观密度2材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等3内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙材料的密度（材料的密度（3）堆积密度）堆积密度endend第1章 土木工程材料的基本性质1.1.2 材料的密实度与孔隙率材料的密实度与孔隙率(1)密实度密实度(density)(2)孔隙率孔隙率(porosity)第1章 土木工程材料的基本性质1.1.3 材料的填充率与空隙率材料的填充率与空隙率（散粒体）（散粒体）(1)填充率填充率(fillin
3、g ratio)(2)空隙率空隙率(voids ratio,void content,void volume)表表1.1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度常用材料的密度、表观密度、堆积密度第1章 土木工程材料的基本性质1.1.4 材料与水有关的性质(1)材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性亲水性（亲水性（被水润湿被水润湿 90）(hydrophilic nature)憎水性憎水性（润湿角（润湿角90）(hydrophobic nature)(2)材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性吸水性吸水性(water absorptivity)吸水率吸水率(water absorption)吸湿
4、性吸湿性(hydroscopic nature)含含水水率率(moisture content)(3)材料的耐水性材料的耐水性(抗水性抗水性)(water resistance)软化系数软化系数(softening coefficient)第1章 土木工程材料的基本性质1.1.5 材料的抗冻性与抗渗材料的抗冻性与抗渗性性(1)抗冻性抗冻性(frost resistance)水结冰时体积约增大水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而使孔，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。壁开裂。冻融循环冻融循环(freezing and thawing circle)抗冻等级抗冻等级(grade)D15(Don
5、g)F15(Freeze)(2)抗渗抗渗性性(impermeability)渗透系数渗透系数(coefficient of permeability)抗渗等级抗渗等级 S(Shen)P(Permeate)材料的抗冻性材料的抗冻性oC-20-1001020304050601.材料的内部一般都充满着孔隙，2.如果浸入水中，孔隙中便会吸水3.气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀4.气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化5.经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。6.材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级endend由于结
6、冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。第1章 土木工程材料的基本性质1.2 材料的基本力学性质材料的基本力学性质1.2.1 材料的强度材料的强度(strength)(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(2)材料的抗弯强度材料的抗弯强度表表1.3 常用材料的强度常用材料的强度/MPa1.2.2 材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性1.2.3 材料的脆性与韧性材料的脆性与韧性第1章 土木工程材料的基本性质1.3 材料的热工、声学性质及材料的耐久性材料的热工、声学性质及材料的耐久性1.3.1 材料的热工性质材料的热工性质(1)材料的导热材料的导热性（性（thermal
7、 conductivity)导热系数导热系数影响材料导热系数的主要因素影响材料导热系数的主要因素材料的表观密度材料的表观密度孔隙大小与构造孔隙大小与构造湿度湿度温度温度热流方向热流方向(2)材料的热容量材料的热容量(heat capacity)比热比热容容第1章 土木工程材料的基本性质(3)耐燃性（防失火（防失火）(flame resistance)建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。破坏，强度不严重下降的性能。材料根据耐燃性可分为三大类：材料根据耐燃性可分为三大类：1)不燃烧类，如石材、混凝土、砖、不燃烧类，如石材、混凝
8、土、砖、石棉等；石棉等；2)难燃烧类，如沥青混凝土、经防难燃烧类，如沥青混凝土、经防火处理的木材等；火处理的木材等；3)燃烧类，如木材、沥青等。燃烧类，如木材、沥青等。第1章 土木工程材料的基本性质(4)耐火性（耐高温）（耐热性）（耐高温）（耐热性）(fire resistance)材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能。按耐火性高低可将材料分为以下按耐火性高低可将材料分为以下3类：类：1)耐火材料，耐火度耐火材料，耐火度15800C，如耐火砖如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；中的硅砖、镁砖、铝转、铬砖等；2)难熔材料，耐火度难熔材料
9、，耐火度13500C15800C，如，如难熔粘土砖、耐火混凝土等难熔粘土砖、耐火混凝土等；3)易熔材料，耐火度易熔材料，耐火度13500C，如，如普通粘普通粘土砖。土砖。第1章 土木工程材料的基本性质1.3.2 材料的声学性质材料的声学性质(1)吸声性吸声性(sound absorption)吸声系数吸声系数(sound-absorption coefficient)(2)隔声性隔声性(sound insulation)隔声与吸声不同隔声与吸声不同 隔声量隔声量（R）第1章 土木工程材料的基本性质1.3.3 材料的耐久性材料的耐久性(durability)作用于材料的自然因素和有害介质可概括为
10、以下作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面：几个方面：(1)物理作用物理作用,如干湿、冷热、冻融变化等；如干湿、冷热、冻融变化等；(2)化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。(3)生物作用，如虫蛀、腐朽。生物作用，如虫蛀、腐朽。第1章 土木工程材料的基本性质1.4 材料的组成、结构与构造及其对材料材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响性质的影响1.4.1 材料的组成材料的组成(1)化学组成化学组成(chemical composition)(2)矿物组成矿物组成(mineral composition)(3)相组成相组成(phases)第1章
11、土木工程材料的基本性质1.4.2 材料的结构和构造材料的结构和构造(structure&constitution)(1)宏观结构宏观结构(10-3mm的尺度的尺度,macro-structure)按孔隙特征可分为：按孔隙特征可分为：1)致密结构致密结构2)多孔结构多孔结构3)微孔结构微孔结构按存在状态或构造特征分为：按存在状态或构造特征分为：1)堆聚结构堆聚结构2)纤维结构纤维结构-3)层状结构层状结构4)散粒结构散粒结构(2)细观结构细观结构(亚微观结构亚微观结构)(10-3 10-6mm 尺度尺度,submicro-)金属材料的金相组织金属材料的金相组织木材的木纤维木材的木纤维混凝土内的微
12、裂缝等混凝土内的微裂缝等第1章 土木工程材料的基本性质(3)微观结构微观结构(10-6 10-10mm原子、分子尺度原子、分子尺度,micro-structure)1)晶体晶体(crystal)原子晶体原子晶体(atomic crystal)离子晶体离子晶体(ionic crystal)分子晶体分子晶体(molecular crystal)金属晶体金属晶体(metal crystal)2)玻璃体玻璃体(glass)3)胶体胶体(gel)第1章 土木工程材料的基本性质习题：习题：(1)某石灰岩的密度为某石灰岩的密度为2.62g/cm3，孔隙率孔隙率1.2%。今将石。今将石灰岩破碎成碎石，碎石的堆
13、积密度为灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1580kg/m3。求此求此碎石的表观密度和空隙率。碎石的表观密度和空隙率。(2)一块烧结普通砖的外型尺寸为一块烧结普通砖的外型尺寸为240 115 53，吸水，吸水饱和后重为饱和后重为2940g，烘干至恒重为烘干至恒重为2580g。今将该砖磨细今将该砖磨细并烘干后取并烘干后取50g,用李氏瓶测得其体积为用李氏瓶测得其体积为18.58cm3。试求试求该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔该砖的密度、表观密度、孔隙率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。隙率及闭口孔隙率。(3)某材料的体积吸水率为某材料的体积吸水率为10%，密度为，密度为3,0g
14、/cm3，绝干绝干时的表观密度为时的表观密度为1500kg/m3。试求该材料的试求该材料的质量吸水率、质量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何开口孔隙率及闭口孔隙率，并估计该材料的抗冻性如何？第1章 土木工程材料的基本性质思考题思考题(1)当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观当某一建筑材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是密度、强度、吸水率、抗冻性及导热性是下降、上升还是不变不变?(2)材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差材料的密度、近似密度、表观密度、堆积密度有何差别别?(3)材料的孔隙率和空隙率的含义如
15、何材料的孔隙率和空隙率的含义如何?如何测定如何测定?了解它了解它们有何意义们有何意义?(4)亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的亲水性材料与憎水性材料是怎样区分的?举例说明怎样举例说明怎样改变材料的亲水性与憎水性改变材料的亲水性与憎水性?(5)普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为普通粘土砖进行抗压实验，浸水饱和后的破坏荷载为183kN，干燥状态的破坏荷载为干燥状态的破坏荷载为207kN(受压面积为受压面积为115mml20mm)，问此砖是否宜用于建筑物中常与水接触问此砖是否宜用于建筑物中常与水接触的部位的部位?第1章 土木工程材料的基本性质(6)塑性材料和脆性材料在外力作用下，其变形塑
16、性材料和脆性材料在外力作用下，其变形性能有何区别性能有何区别?(7)材料的耐久性应包括哪些内容材料的耐久性应包括哪些内容?(8)建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各应具备哪些性质应具备哪些性质?END OFEND OF THIS CHAPTER THIS CHAPTER附 录材料的密度 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中：密度，gcm3；m 材料在干燥状态的质量，g；V 材料的绝对密实体积，cm3。材料的表观密度材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：式中：式中：0表表观观密度，密度
17、，kgm3；m 材料的材料的质质量，量，kg；V0材料在自然状材料在自然状态态下的外形体下的外形体积积，m3。材材料料为为散散粒粒或或粉粉状状，如如砂砂、石石子子、水水泥泥等等，在在堆堆积积状状态态下下，单单位体位体积积的的质质量。按下式量。按下式计计算：算：式中：式中：材料的堆材料的堆积积密度，密度，kgm3；m 材料的材料的质质量，量，kg；材材料料的的自自然然(松松散散)堆堆积积体体积积(包包括括材材料料颗颗粒粒体体积积和和颗颗粒之粒之间间空隙的体空隙的体积积)，m3。材料的堆积密度材料的密实度材料体材料体积积内被固体物内被固体物质质充充实实的程度。按下式的程度。按下式计计算：算：材料的
18、孔隙率材料体材料体积积内，孔隙体内，孔隙体积积所占的比例。按下式所占的比例。按下式计计算：算：即：即：DP=1或密或密实实度孔隙率度孔隙率=1。材料的填充率散散粒粒材材料料堆堆积积体体积积中中，颗颗粒粒填填充充的的程程度度。按按下下式式计计算：算：材料的空隙率 散散粒粒材材料料堆堆积积体体积积中中，颗颗粒粒之之间间的的空空隙隙体体积积所所占占的的比比例例。用下式用下式计计算：算：即：即：DP=1或填充率空隙率或填充率空隙率=1。材料的吸水率 材材料料在在水水中中通通过过毛毛细细孔孔隙隙吸吸收收并并保保持持水水分分的的性性质质，用用吸吸水水率表示，即率表示，即式中：式中：Wm材料材料质质量吸水率
19、，量吸水率，%；m材料干燥状材料干燥状态态下下质质量，量，g；m1材料吸水材料吸水饱饱和状和状态态下下质质量，量，g。材料的含水率 材材料料在在一一定定温温度度和和湿湿度度下下吸吸附附水水分分的的能能力力，用用含含水水率率表表示，即示，即式中：式中：W含含材料材料质质量吸水率，量吸水率，%；m含含材料含水材料含水时时的的质质量，量，g；m材料干燥状材料干燥状态态下的下的质质量，量，g。材料的软化系数 材材料料抵抵抗抗水水破破坏坏作作用用的的性性质质称称为为耐耐水水性性，用用软软化化系系数表示，即数表示，即式中：式中：KP材料的材料的软软化系数；化系数；fw材材料料在在吸吸水水饱饱和和状状态态下
20、下的的抗抗压压强强度度，MPa；f 材料在干燥状材料在干燥状态态下的下的抗压抗压强强度，度，MPa。材料的渗透系数 材材料料抵抵抗抗压压力力水水渗渗透透的的性性质质称称为为抗抗渗渗性性，用用渗渗透透系系数表示，即数表示，即式中：式中：K渗透系数，渗透系数，cmh；Q透水量，透水量，cm3；d试试件厚度，件厚度，cm；A透水面透水面积积，cm2；t渗水渗水时间时间，h；H静水静水压压力力水水头头，cm。材料的抗渗等级P=10H1式中：式中：P抗渗等抗渗等级级；H试试件开始渗水件开始渗水时时的水的水压压力，力，MPa。S(Shen)P(Permeate)材料的抗压、抗拉及抗剪强度(compress
21、ive,tensile and shear strength)材料的抗材料的抗压压、抗拉及抗剪、抗拉及抗剪强强度按下式度按下式计计算：算：式中：式中：f材料的材料的强强度，度，MPa；Fmax破坏破坏时时最大荷最大荷载载，N；A受力截面面受力截面面积积，mm2。材料的抗弯强度(bending strength)1)二二分分法法。将将条条形形试试件件放放在在两两支支点点上上，中中间间作作用用一一集集中中荷荷载载，对对矩形截面矩形截面试试件，件，则则抗弯抗弯强强度按下式度按下式计计算：算：2)三三分分法法。在在跨跨度度的的三三分分点点上上作作用用两两个个相相等等的的集集中中荷荷载载，则则抗弯抗弯强
22、强度按下式度按下式计计算：算：式中：式中：fm抗弯抗弯强强度，度，MPa；Fmax弯曲破坏弯曲破坏时时最大荷最大荷载载，N；b、h试试件横截面的件横截面的宽宽及高，及高，mm；L两支点两支点间间的距离，的距离，mm。材料的弹性与塑性、脆性与韧性弹性：弹性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全消失的性质。变形能完全消失的性质。(elasticity)塑性：塑性：材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。仍保持变形后的形状，并不产生裂缝的性质。(plasticity)
23、脆性：脆性：材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形的性质。(brittleness,fragility)韧性：韧性：材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。(fracture toughness)材料的导热系数(coefficient of thermal conduction)材料材料传导热传导热量的性量的性质质称称为导热为导热性，以性，
24、以导热导热系数表示，即系数表示，即式中：式中：导热导热系数，系数，W(mK)；Q总传热总传热量，量，J；a材料厚度，材料厚度，m；A热传导热传导面面积积，m2；t热传导时间热传导时间，h；T2T1材料两面温度差，材料两面温度差，K。可将本式与材料的渗透系数定义式比较理解和记忆材料的比热容(specific heat capacity)材材料料受受热热(或或冷冷却却)时时吸吸收收(或或放放出出)热热量量的的性性质质称称为为材材料料的的热热容量，用比容量，用比热热容表示，即容表示，即式中：式中：C材料比材料比热热容，容，J/(gK)Q材料吸收或放出的材料吸收或放出的热热量，量，J；m材料的材料的质
25、质量，量，g；T2T1材料受材料受热热或冷却前后温差，或冷却前后温差，K。材料的吸声系数(acoustical coefficient)声声能能穿穿透透材材料料和和被被材材料料消消耗耗的的性性质质称称为为材材料料的的吸吸声声性性，评评定材料的吸声性能好坏的主要指定材料的吸声性能好坏的主要指标标称称为为吸声系数吸声系数()，即即式中：式中：E材料材料吸收吸收的声能；的声能；E0入射到材料表面的全部声能。入射到材料表面的全部声能。材材料料的的吸吸声声特特性性与与声声波波的的方方向向、频频率率，以以及及材材料料的的表表观观密密度、孔隙构造、厚度等有关。度、孔隙构造、厚度等有关。化学组成指指构成材料的
26、化学元素及化合物的种类和构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。如水泥化学组成：数量。如水泥化学组成：SiO2 2024%CaO 6267%Fe2O3 2.56.0%AL2O3 47%MgO 5%矿物组成将将无机非金属材料中具有特定的晶体结无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。矿物组成指构成材料的矿物的为矿物。矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。如水泥的矿物组成：种类和数量。如水泥的矿物组成：3CaO.SiO2 3760%2CaO.SiO2 1537%3CaO.AL2O3 715%4CaO.AL2O3.Fe2O3 1018%相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。建筑材料大多数是复相、液相和固相。建筑材料大多数是复合相。合相。