1建筑材料主講教師：馮新軍

交通運輸工程學院土木工程材料系2課程說明

一、學習目的和重要性

1、為學習后續專業課程提供土木工程材料的基本知識。

2、為以后從事專業技術工作能夠合理地選擇和使用土木工程材料打下基礎。3二、課程特點

1、內容多，需要記憶的內容（概念、性質、應用等）多；

2、各章之間聯系不大；

3、實踐性很強，理論計算少。

4三、學習方法

1、抓住一個中心，兩條線索；

2、在書上作筆記，在理解的基礎上記憶，適當采用記憶方法（列表、對比、擬人等）；

3、課后多做習題，鞏固所學內容；

4、試驗自己動手，認真觀察，正確分析試驗結果。

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四、教學內容第1～4章；第7～9章。五、參考文獻

嚴家伋編著《道路建筑材料》－人民交通出版社王福川主編《土木工程材料》－中國建材工業出版社

JTGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTGE42-2005《公路工程集料試驗規程》JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》

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六、課程成績計算平時成績20％（考勤、作業成績各占10％）總成績考試成績80％

注：如果整個授課過程中有四次點名都沒到的話，課程成績以零分計！

7緒論一、定義用于土木工程結構物的所有材料的總稱。二、分類

1、按材料來源分：天然材料；人造材料。

2、按使用功能分：結構材料（主要承受荷載）；

功能材料（強調某一種功能）。

3、按材料的化學成分：

89三、土木工程材料的作用和發展

1．作用：

（1）是保證土木工程質量的基礎；

（2）決定土木工程的造價；

（3）是土木工程技術發展的重要基礎。2007年8月13日鳳凰堤溪沱江大橋垮塌102．發展概況：第一次：磚、瓦等人造材料相繼出現；土木工程三次飛躍第二次：建筑鋼材的出現；第三次：混凝土材料的出現。

111213

3．發展趨勢：（1）結構材料輕質高強化；（2）材料的功能性越來越受重視；（3）加強材料的耐久性研究和設計；

（4）綠色化。14

四、土木工程材料的技術標準

1、定義：對材料的各項技術指標制定統一的標準，包括材料的規格、分類、技術要求、檢驗方法、驗收規則、標志、運輸和貯存等內容。是材料質量評定的依據。

2、等級：國家標準行業標準；地方標準；企業標準。

3、表示方法：由標準名稱、標準代號、編號和發布年份四部分組成。15國家標準

行業標準

GB(強制標準)GB/T(試行標準，推薦性)如:GB

175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》

建工行業：JG如：JGJ55—2000《水泥混凝土配合比設計規程》

交通行業：JT如：JTGE42—2005《公路工程集料試驗規程》

建材行業：JC如：JC/T479—92《建筑生石灰》

地方標準（DB）和企業標準（QB）

1617第1章土木工程材料的基本性質

§1.1材料的組成、結構及構造▲§1.3材料與水有關的性質▲§1.2材料的物理性質

§1.4材料的熱工性質§1.5材料的聲學和光學性質▲§1.6材料的力學性質§1.7材料的耐久性18§1.1.1

材料的組成

一、化學組成

二、礦物組成

材料的組成、結構和構造是影響材料性質的內因，使用條件和環境條件是外因。§1.1

材料的組成、結構及構造19一、化學組成

化學組成：構成材料的化學元素及化合物的種類和數量。材料的化學組成是決定其化學性質（耐蝕性、可燃性）、物理性質（耐水性、耐熱性）和力學性質的重要因素。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。如木材易于燃燒和腐朽，鋼材強度高但易于銹蝕，石灰耐水性差等。

20二、礦物組成

礦物組成：構成材料的礦物種類和數量。

化學組成相同的材料，礦物組成不同，也可以表現出不同的性質。如天然石料，由于其礦物組成不同，所以構成了不同的巖石品種。各種水泥也因具有不同的熟料礦物組成而表現出不同的性能。

21§1.1.2

材料的結構和構造

一、宏觀結構二、亞微觀結構三、微觀結構四、構造22一、宏觀結構

指用肉眼或放大鏡可分辨出的結構狀況，其尺寸范圍在10-3m級以上。材料的宏觀結構和特征23二、亞微觀結構

又稱介觀結構，是指用光學顯微鏡所能觀察到的結構，其尺寸范圍在10-6m～10-3m。充分顯示出天然巖石的礦物組成、金屬材料的晶粒大小與金相組織、水泥混凝土的孔隙與裂縫等。

亞微觀結構層次上的差異顯著影響材料的性能。

24三、微觀結構是指原子或分子層次的結構，其尺寸范圍在10-10m～10-6m。材料按微觀結構可分為晶體、玻璃體和膠體。（一）晶體結構

定義：質點在空間按特定的規則呈周期性排列所形成的結構。特點：（1）特定的幾何外形。（2）各向異性。（3）固定的熔點和化學穩定性。（4）結晶接觸點和晶面是晶體破壞或變形的薄弱部分。

晶體質點間鍵能的大小以及結合鍵的特性決定晶體材料的特性。25晶體結構結合鍵及其特性

材料的微觀結構常見材料主要特性原子晶體（以共價鍵結合）

金剛石、石英、剛玉

強度、硬度、熔點均高，難溶，密度較小離子晶體（以離子鍵結合）

氧化鈉、石膏、石灰巖強度、硬度、熔點較高，部分可溶，密度中等分子晶體（以分子鍵結合）蠟及有機化合物晶體強度、硬度、熔點較低，大部分可溶、密度小金屬晶體（以金屬鍵結合）鐵、鋼、銅、鋁及其合金強度、硬度、熔點變化大，難溶，密度大26

無機非金屬材料中的晶體，通常不是單一的結合鍵，而是既存在共價鍵又存在離子鍵。

硅酸鹽材料在土木工程材料中占有重要地位，它廣泛應用在水泥、陶瓷、磚瓦、玻璃等材料中，硅酸鹽晶體的基本結構單元是SiO4四面體，硅在四個氧形成的四面體的正中。硅酸鹽的結構比較復雜，是由基本單元SiO4與其它金屬離子結合而成。27硅氧四面體示意圖

28（二）玻璃體

定義：熔融物在急冷時，質點來不及按一定規律排列而形成的內部質點無序排列的固體或固態液體。

特點：（1）沒有固定的熔點和幾何外形。（2）各向同性。（3）化學穩定性差，如粒化高爐礦渣、粉煤灰、火山灰等。29（三）膠體

定義：以結構粒徑為10-9m~10-7m的固體顆粒（膠粒）作為分散相，分散在連續介質中形成分散體系的物質。

膠體類型：溶膠結構；凝膠結構；溶－凝膠結構。

膠體特點：（1）強度較低。（2）變形較大。30四、構造

定義：具有特定性質的材料結構單元間的相互組合搭配情況。

與結構的區別：構造更強調相同材料或不同材料間的搭配組合關系。如木材構造是指具有相同結構單元-木纖維管狀細胞，按不同的形態和方式組合搭配情況。節能墻板的構造，是指具有不同性質的材料組合搭配情況。31▲

§1.2

材料的物理性質

一二三密度表觀密度堆積密度毛體積密度密實度孔隙率填充率空隙率間隙率32（一）密度

1、定義：材料在絕對密實狀態下單位體積的質量。

式中ρ—密度，g/cm3。

m—干燥材料的質量,g。

v—材料在絕對密實狀態下的體積，cm3。材料的密度與4℃純水密度之比稱為相對密度。

33自然狀態下體積示意圖34

2、測定：為測定有孔材料的絕對密實體積，常把材料磨細，干燥后用李氏瓶測定其體積，材料磨得越細，測得的數值越接近材料的真實體積。

35（二）表觀密度

1、定義：材料在包含閉口孔隙條件下單位體積的質量。

式中：－表觀密度，㎏/m3。

m－材料的質量，㎏。－材料在包含閉口孔隙條件下的體積，m3。

2、測定：采用排液法或水中稱重法。對于某些密實材料（如天然砂、石等），表觀密度與密度十分接近，因此，也稱為視密度，又稱近似密度。36

材料的表觀密度一般指材料在干燥狀態下單位表觀體積的質量，稱為干表觀密度。按材料含水狀態的不同，如絕干、氣干、飽和面干、濕潤等，分別稱為干表觀密度、氣干表觀密度、飽和面干表觀密度、濕表觀密度等。37（三）毛體積密度（容重）

1、定義：材料在自然狀態下單位體積的質量。

式中：—毛體積密度，㎏/m3。

m—材料的質量，㎏。

—材料在自然狀態下體積，m3。

材料在自然狀態下的體積是指包括內部孔隙（開口孔隙和閉口孔隙）在內的體積。

38

2、測定：規則形狀材料：游標卡尺法

不規則形狀材料：排液法或水中稱重法按含水狀態的不同，分別稱為干毛體積密度、氣干毛體積密度、飽和面干毛體積密度、濕毛體積密度等。39

表觀密度：毛體積密度：

ma－石料的烘干質量；

mf－石料的飽和面干質量；

mw－石料的水中質量；－試驗溫度T時水的密度。水中稱重法（網籃法）40

表觀密度：毛體積密度：

m0－石料的烘干質量；

m1－水、瓶及玻璃片的總質量；

m2

－石料、水、瓶及玻璃片的總質量；

m3－石料的飽和面干質量；－試驗溫度T時水的密度。容量瓶法（排液法）41（四）堆積密度

1、定義：指散粒狀或纖維狀材料在堆積狀態下單位體積的質量。

式中—堆積密度，㎏/m3。

m—材料的質量，㎏。

—材料堆積體積，m3。

材料的堆積體積包括固體體積、孔隙體積和間隙體積。因此，堆積密度與材料堆積的緊密程度有關。堆積密度有松堆密度（自然堆積狀態）和緊堆密度（振實或搗實的緊密堆積狀態）。42

2、測定：容量筒法

3、注意：散粒材料的顆粒內部或多或少存在孔隙，顆粒與顆粒間又存在間隙，所以對散粒材料而言，有密度、表觀密度、毛體積密度和堆積密度四個物理量。

▲四種密度的區別：m為材料的烘干質量，而體積各不相同，分別為固體體積、表觀體積、毛體積、堆積體積。

43

二、密實度和孔隙率

（針對單塊材料）

（一）密實度定義：材料體積（自然狀態）內固體物質的充實程度。

密實度D反映材料的密實程度，D越大，材料越密實，含有孔隙的材料，密實度均小于1。44（二）孔隙率

孔隙率的大小反應了材料的致密程度。材料的許多性能，如強度、吸水性、耐久性、導熱性等均與孔隙率有關。此外，還與材料內部孔隙的結構有關。

定義：材料內部孔隙體積占材料在自然狀態下體積的百分率。

開口孔隙率：材料內部開口孔隙的體積占材料在自然狀態下體積的百分率。

閉口孔隙率：材料內部閉口孔隙的體積占材料在自然狀態下體積的百分率。

4546三、填充率、間隙率和空隙率

（針對散粒材料）

定義：散粒材料在堆積狀態下顆粒填充的體積占堆積體積的百分率。

（一）填充率47（二）間隙率

定義：散粒材料在堆積狀態下顆粒間間隙體積占堆積體積的百分率。

間隙率的大小反映了散粒狀材料的顆粒之間互相填充的致密程度。48（三）空隙率

定義：散粒材料在堆積狀態下顆粒間空隙體積（開口孔隙與間隙體積之和）占堆積體積的百分率。

空隙率的大小反映了散粒狀材料的顆粒之間互相填充的致密程度和顆粒開口孔隙的多少。49問題1、什么是材料的填充率？填充率和哪個概念是相對的？為什么？2、某石料烘干試樣500克，水中稱重300克，飽和面干重550克，若水的密度為1g/cm3，求該石料的表觀密度和毛體積密度。50▲

§1.3

材料與水有關的性質

一、親水性與憎水性二、吸水性與吸濕性三、耐水性四、抗滲性五、抗凍性51一、親水性與憎水性

1、定義：

當材料與水接觸時，如果水可以在材料表面鋪展開，即材料表面可以被水所潤濕，則稱材料具有親水性；這種材料稱為親水性材料。大多數建筑材料屬于親水性材料，如混凝土、鋼材、磚石等。

若水不能在材料的表面鋪展開，即材料表面不能被水所潤濕，則稱材料具有憎水性。此種材料稱為憎水性材料。大部分有機材料屬于憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料等。52

2、表示方法

材料的親水（或憎水）程度可用潤濕角θ表示。在材料、水和空氣的三相交叉點處沿水滴表面做切線，此切線與材料和水接觸面的夾角稱為濕潤角。

潤濕角θ≤900時，材料表現為親水性；潤濕角θ>900時，材料表現為憎水性。潤濕角越小，親水性越強，憎水性越弱。53

在材料、水與空氣的三相交點上作用有三個表面張力，這三個力達到平衡時，可得下式：

式中：σsv—材料與空氣的表面張力，N/m；

σlv—水與空氣的表面張力，N/m；

σsl—材料與水的表面張力，N/m。

54

3、影響因素：材料分子與水分子間的吸引力。

4、工程應用：憎水性材料具有較好的防水性、防潮性，常用作防水材料，也可用于對親水性材料進行表面處理，以降低吸水率，提高抗滲性。

55

1、吸水性：材料在水中吸收水分的性質。常用吸水率表示。

二、材料的吸水性與吸濕性

質量吸水率：材料吸收水分的質量與材料在干燥狀態下的質量之比。

式中：W—材料的質量吸水率，%。

m—材料在干燥狀態下的質量，g。

m1—材料在吸水飽和狀態下的質量，g。

56

體積吸水率：材料吸收水分的體積與材料在自然狀態下的體積之比。

影響因素：材料的親水性和憎水性、孔隙率的大小及孔隙特征。一般孔隙率越大，其吸水性越強。封閉孔隙水分不易進入；粗大開口孔隙，不易吸滿水分；具有微細開口孔隙的材料，其吸水能力特別強。57

2、吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。常用含水率表示。

式中：Wh—材料的含水率，%。

m—材料干燥狀態下的質量，g。

ms—材料吸濕狀態下的質量，g。

含水率：材料所含水分的質量與材料在干燥狀態下的質量之比。

58

材料吸水或吸濕后，可削弱材料內部質點間的結合力，引起強度下降；同時使材料的容重和導熱性增加，保溫性、吸聲性下降，受到的凍害、腐蝕加劇。由此可見，含水使材料的絕大多數性質下降或變差。

注意區分：吸水率：飽水狀態恒值含水率：自然狀態變值影響因素：空氣濕度、材料的親水性和憎水性、孔隙率的大小及孔隙特征。59三、耐水性

定義：材料長期在飽和水的作用下抵抗破壞、保持原有功能的性質。常用軟化系數KR來表示。

式中KR—材料的軟化系數。

fb—材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa。

fg—材料在絕干狀態下的抗壓強度，MPa。60土木工程材料的軟化系數在0～1之間波動，鋼的軟化系數為1，粘土為0。用于長期處于水中或潮濕環境的重要結構的材料，軟化系數KR應大于0.85（耐水材料）；用于受潮較輕或次要結構物的材料，軟化系數KR應大于0.75。

影響因素：材料的溶解度、親水性和憎水性、孔隙率的大小及孔隙特征。61四、抗滲性

定義：材料在壓力水作用下，抵抗滲透的性質。一般用滲透系數表示。

式中：K—滲透系數，cm/hd—試件厚度，cm；

Q—滲水量，cm3

；

A—滲水面積，cm2t—滲水時間，h；

H—水頭（水壓力），cm。

滲透系數K越小，材料的抗滲性越好。

62材料的抗滲性還可用抗滲等級來表示，以規定的試件在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力（MPa）來確定，用“Pn”表示，如P2、P4、P6、P8等，分別表示可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水壓力而不滲透。

影響因素：材料的孔隙率、孔隙特征以及親水性和憎水性。

63五、抗凍性

定義：材料在吸水飽和狀態下，能經受反復凍融的作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。

抗凍等級：材料在吸水飽和狀態下，經凍融循環作用，強度損失和質量損失均不超過規定值時，所能經受的最大凍融循環次數，用“Fn”表示，如F25、F50、F100、F150等分別表示在經受25、50、100、150次的凍融循環后，材料仍可滿足使用要求。

影響因素：材料的孔隙率、孔隙特征、吸水率及降溫速度等。

64▲

§1.6

材料的力學性質

一、強度二、彈性與塑性三、脆性與韌性四、疲勞極限五、硬度、磨損及磨耗65一、強度

1、定義：材料抵抗外力破壞的能力。

式中：f—材料的極限強度，MPa。

Fmax—材料破壞時的最大荷載，N。

A—材料受力截面面積，mm2。

2、分類：根據外力引起內應力的不同，可分為：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度及抗彎強度等。材料的抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度按下式計算：

66

材料的抗彎強度一般采用簡支梁試件進行試驗，當采用集中荷載時，按下式計算：

當采用在兩支點間的三分點作用對稱荷載時，按下式計算：

式中：fm—材料的抗彎極限強度，MPa。

Fmax—彎曲破壞時的最大荷載，N。

L—兩支點的間距，mm。

b、h—分別為受彎試件截面的寬和高，mm。

L/2L/267

3、影響因素：

①材料的組成和結構；

②試件的尺寸和形狀；

③試驗裝置情況；④試件的表面平整度；⑤加荷速度；⑥溫度和濕度。68

4、強度等級：土木工程材料常按其強度的大小劃分等級。普通水泥按抗壓強度和抗折強度分為32.5、42.5、52.5、62.5共4個強度等級；普通混凝土按抗壓強度分為C15、C20、C25、C30～C80共14個強度等級。

5、比強度：材料的強度與其表觀密度之比。反映材料輕質高強的指標，其值越大，材料越輕質高強。

69二、彈性與塑性

1、彈性：材料在外力作用下產生變形，當外力除去后，能夠完全恢復原來形狀的性能。這種能完全恢復的變形稱為彈性變形。

2、塑性：材料在外力作用下產生顯著變形，但不斷裂破壞，外力取消后，仍保持變形后的形狀的性質。這種不可恢復的殘余變形稱為塑性變形。在土木工程材料中，幾乎沒有完全的彈性材料或塑性材料。70材料的彈性變形和塑性變形曲線材料的彈塑性變形71三、脆性與韌性

1、脆性：材料在外力作用下，在破壞前無明顯的塑性變形而突然破壞的性質。脆性材料的特點：塑性變形很小，且抗壓強度與抗拉強度的比值較大（5~50倍）。無機非金屬材料多屬于脆性材料。

2、韌性：材料在外力的作用下，能夠吸收較大的能量，同時產生一定的變形而不致破壞的性能。而材料在沖擊、振動荷載作用下，能夠吸收較大能量，產生一定的變形而不致破壞的性質稱為沖擊韌性。在土木工程中，材料的韌性一般以沖擊韌性評價。72

式中αk—材料的沖擊韌性，J/mm2

Ak—試件破壞所消耗的功，JA—試件沖擊破壞面的凈截面積，mm2

韌性材料的特點：變形大，特別是塑性變形大，抗拉強度與抗壓強度接近。木材、建筑鋼材、橡膠等屬于韌性材料。

材料的沖擊韌性一般用帶缺口的試件，在一次沖擊作用下沖斷破壞后，斷口處單位面積所吸收的功來表示。73思考題

1、普通混凝土標準試件經28d標準養護后測得抗壓強度為27MPa，同時又測得同批混凝土吸水飽和后的抗壓強度為24MPa，干燥狀態測得抗壓強度為30MPa，該混凝土的軟化系數為（

）。A：0.9B：0.1C：0.2D：0.8

2、含水率表示材料的什么性質？含水率為5%的濕砂280kg，將其干燥后的重量是（

）kg。A：260B：266C：266.67D：27074四、疲勞極限

1、定義：材料在受到拉伸、壓縮、彎曲、扭轉以及這些外力的反復作用，當應力超過某一限度時會導致材料的破壞，這個限度叫疲勞極限，又稱疲勞強度。

2、影響因素：材料的性質、應力種類、疲勞應力比值、應力集中情況以及溫度等。對于混凝土，通常規定應力循環次數為106～108次，此時混凝土的壓縮疲勞極限為抗壓強度的50％～60％。75五、硬度、磨損及磨耗

1、硬度：材料抵抗其它物體刻劃或壓入其表面的能力。

刻劃法：用于礦物材料的測定