土木工程材料的基本性質BasticPropertiesofCivilEngineeringMaterials第1章【學習指導】學習目標：（1）了解土木工程材料的基本組成、結構和構造及其與材料基本性質的關系；√（2）熟練掌握土木工程材料的基本物理性質；（3）掌握土木工程材料的基本力學性質；（4）掌握土木工程材料耐久性的基本概念。本章的難點：

材料的組成及其對材料性質的影響。

1.2材料的物理性質與質量有關的性質與水有關的性質1.2.1密度、表觀密度、堆積密度1.2.2密實度VS孔隙率1.2.3填充率VS空隙率材料的親水性和憎水性；材料的吸水性和吸濕性；材料的耐水性；材料的抗滲性。1.2.1密度、表觀密度、堆積密度1.密度ρ－密度，g/cm3

m－材料的質量，gv－材料在絕對密實狀態下的體積,cm3密度是材料本身固有的一種屬性，其大小與組成物質的原子量和分子結構相關，原子量越大，分子結構越緊密，材料的密度就越大。不包含孔隙在內的體積（1）定義：指材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量。2）一般材料內部均含有孔隙，在測定有孔隙的材料密度時，應將材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶（密度瓶）測定其體積。李氏瓶（密度瓶）(單位：mm)容積為220~250mL，細頸上有刻度讀數，精確至0.1mL。

比如磚、石材都采用這種方法測定。1）密實材料的體積為絕對密實體積，如鋼材、玻璃等。（2）密度的測量點擊3）對于某些較為致密但形狀不規則的散粒材料，如砂、石子，內部有少量閉口孔，在測定其密度時，可以不必磨成細粉，直接以排水法測得的體積稱為近似體積，計算所得的密度稱為近似密度。（3）密度的工程應用初步了解材料的品質；可進行材料的孔隙率計算和混凝土配合比計算。2.表觀密度（1）定義：指材料在自然狀態下，單位體積的質量。ρ0－密度，g/cm3m－材料的質量，g；v0－材料在自然狀態下的體積，cm3。（2）影響表觀密度大小的因素

密度、材料的孔隙率及孔隙的含水程度。包含孔隙在內的體積材料孔隙越多，表觀密度越小；當孔隙中含有水份時，其質量和體積均有所變化。因此，在測定表觀密度時，須注明含水的情況。（3）表觀密度的測定（4）表觀密度的工程應用推算材料的用量；計算構件自重；對于外形規則的材料可通過直接度量外形尺寸，按幾何計算體積；對于外形不規則的不吸水材料，可直接用排水法測定材料的體積，對于吸水材料，用封蠟排液法測定材料的體積。ρ’0－堆積密度，kg/m3

m－材料的質量，kg/m3v’0－材料的自然堆積體積，m3

（1）定義：指散粒材料或粉末材料在堆積狀態下，單位體積的質量。3、堆積密度包含孔隙+空隙在內的體積材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測定時材料的裝填方式和疏密程度。（3）工程應用（2）堆積密度的測定質量指填充在一定容器內的材料質量；體積指所用容器的體積。確定顆粒狀材料的堆放空間。點擊表1-1

常用建筑材料的密度、體積密度、堆積密度數值材料名稱密度ρ（g/cm3)表觀密度ρ0（g/cm3)堆積密ρ’0（g/cm3)鋼材7.857.85-花崗巖2.6-2.92.6-2.85-石灰巖2.6-2.82.4-2.7-玻璃2.5-2.62.5-2.6-燒結普通磚2.5-2.71.5-1.8-建筑陶瓷2.5-2.71.8-2.5-普通混凝土2.6-2.82.3-2.5-建筑用砂2.6-2.82.55-2.751.45-1.70碎石2.6-2.92.55-2.851.40-1.70木材1.550.4-0.8-泡沫塑料1.0-2.60.01-0.05-1.密實度－－材料體積（自然狀態）內固體物質的充實程度。1.2.2密實度與孔隙率材料的自然體積材料的絕對密實體積V0VVpVKVB2.孔隙率－－材料在自然狀態下，孔隙體積占材料總體積的百分率。P+D=1按孔隙構造分為：開口孔隙（連通孔隙）（常壓水能進入）閉口孔隙（封閉孔隙）（常壓水不能進入）V0VVpVKVB孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，其大小取決于材料的組成、結構及制造工藝?？紫秾Σ牧闲再|的影響：孔隙率越高，材料的表觀密度、堆積密度、強度越??；孔隙率越高，材料的保溫性、隔聲性、吸水性越強。1.填充率－－散粒材料在堆積狀態下，顆粒體積占材料堆積體積的百分率。1.2.3填充率與空隙率V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙開口孔隙閉口孔隙D’+P’=12.空隙率－－散粒材料在堆積狀態下，顆粒間空隙體積占材料自然堆積體積的百分率。工程應用：空隙率可作為控制砼骨料的級配及計算砂率的依據。V0’V0VsVVpVKVB孔隙空隙開口孔隙閉口孔隙例1：普通粘土磚的尺寸為240×115×53mm，測得其干重為2600g，吸水飽和后的質量為2900g（假設開口孔吸水后全部存留孔中而不流出），將其磨細烘干后取50g，用李氏瓶測得體積19.23cm3，計算該磚的密度、表觀密度、密實度、孔隙率、開口孔隙率、閉口孔隙率。密實度D=ρ0/ρ=1.777/2.6=0.683=68.3%?？紫堵蔖=1-D=1–0.683=0.317=31.7%。開口孔隙率PK=（2900－2600）/(24×11.5×5.3）=0.205=20.5%閉口孔隙率Pb＝P-PK=31.7%-20.5%=11.2%。解：密度

ρ＝－Vm表觀密度

＝2600/(24×11.5×5.3）＝1.777g/cm3。ρ0＝m

V0＝50/19.23=2.6g/cm3。1.2.4材料與水相關的性質1、材料的親水性與憎水性（1）親（憎）水性：材料在空氣中或與水接觸時，能被水潤濕的性質，稱為親水性，否則為憎水性。材料親水和憎水的原因是什么？（2）原因：當水分子間的內聚力小于水分子與其他材料分子間的吸引力時，材料表面容易被水潤濕，該材料為親水材料。當水分子間的內聚力大于水分子與其他材料分子間的吸引力時，材料表面不能被水潤濕，該材料為憎水材料。

（3）判斷：在材料、水和空氣三相交點處，沿水滴表面作切線，此切線和水與材料接觸面所成的夾角θ稱為“潤濕角”。憎水性θ固液氣親水性θ固液氣θ≤90°θ＞90°（4）常見親水和憎水材料（5）工程意義親水材料：通常來說無機材料為親水材料，如混凝土、粘土磚、木材等。憎水材料：有機材料一般為憎水材料，如瀝青、塑料等。憎水材料具有良好的防水性能，可作為防水材料使用，或親水材料的表面處理。對于保溫隔熱及吸聲等多孔材料應進行憎水處理，避免性能下降。2、材料的吸水性與吸濕性（1）吸水性是指材料在浸水狀態下吸收水分的性質。其大小有兩種表示方法。m濕－材料吸水飽和后的質量，kg或g；m干－材料干燥狀態下的質量，kg或g。1）質量吸水率：

材料在吸水飽和狀態下，所吸水的質量占材料絕干質量的百分比。2）體積吸水率：

材料在吸水飽和狀態下，所吸水的體積占材料自然狀態下的體積的百分比。ρ水－水的密度；V0－材料干燥狀態下的體積，cm3或m3。材料的體積吸水率小于1。W體=W質·ρ0

材料在干燥狀態下的表觀密度3）影響材料吸水率(含水率）的因素：材料的性質（親水或憎水）；材料的孔隙率和孔隙構造。4）含水對材料性質的影響：材料質量增加；材料的強度下降；材料的保溫性能降低；材料的耐久性下降（易產生凍害、易被腐蝕）。平衡含水率：材料中的水分與空氣濕度達到平衡時的含水率叫做平衡含水率。材料烘干至恒重時的質量材料含水時的質量（2）吸濕性：材料在空氣中吸收水分的性質，用含水率表示。例題2：含水率5％的濕砂多少克烘干后質量為100kg？解：m含＝m干（1＋w含）＝100（1＋5％）＝105（g）。例題3：將100g濕砂烘干至恒重后稱其質量為95g，該砂的含水率是多少？解：w含＝（100-95）/95＝5.26%.3、材料的耐水性耐水性指材料在長期飽和水作用下不被破壞，其強度也不顯著降低的性質。

結構材料的耐水性用軟化系數K軟表f飽－材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa；f干－材料在干燥狀態下的抗壓強度，MPa。K軟≥0.80時為耐水材料。一般結構，材料的軟化系數，K軟≥0.75；重要結構，材料的軟化系數K軟≥0.85。4、材料的抗滲性抗滲性指材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質。衡量指標：(1)滲透系數，材料在壓力水作用下透過水量的多少遵守達西定律，即在一定時間內，透過材料試件的水量與試件的滲水面積及水頭差成正比，與試件的厚度成反比，如右圖AdHK越大，材料的抗滲性越差。防滲防水材料（油氈）的防水性常用滲透系數表示。

(2)抗滲等級Pn：材料的抗滲等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗滲等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透?；炷良吧皾{的抗滲性常用抗滲等級表示。1.3材料的基本力學性質1、材料的強度（1）強度：材料在外力作用下，保持原有形狀或抵抗破壞的能力。當材料承受外力作用時，內部就產生應力。隨著外力逐漸增加，應力也相應增大。直至材料內部質點間的作用力不能再抵抗這種應力時，材料即破壞，此時的極限應力值就是材料的強度，用單位面積上所承受的力（極限應力）的大小來表示。影響材料強度大小的因素：理論上取決于材料內部質點間結合力的強弱。實際上與材料中存在的結構缺陷直接相關。還與測試強度的條件與方法等外部因素有很大關系。f---材料的抗壓、抗拉、抗剪強度(Pa/MPa)F---試件破壞時的最大荷載(N)。A---試件面積（m2或mm2）?？箟篎F抗拉FF抗剪FF抗彎FbhL強度分類：根據荷載種類和作用方向的不同，材料強度有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度等。

材料抗壓強度抗拉強度抗彎強度花崗巖100-2505-810-14普通粘土磚7.5-30-1.8-4.0普通混凝土7.5-601-4-普通低碳鋼200-400200-400-松木（順紋）30-5080-12060-100常用材料的強度值單位MPa相同種類的材料，隨著孔隙率及構造特征不同，其強度差異較大，一般來說，孔隙率越大，材料的強度越低；不同種類的材料，其強度差別很大。2、材料的彈性和塑性（1）彈性材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料的變形立即消失并能完全恢復到原來形狀的性質稱為彈性。材料的這種變形稱為彈性變形。應變和應力成正比，其比值稱為材料的彈性模量。E=σ/ε（MPa)。圖1-6（a）（2）塑性材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料仍能保持變形后的形狀并且不產生裂縫的性質稱為塑性。材料的這種變形稱為塑性變形。圖1-6（b）完全的彈性材料與完全的塑性材料是不存在的，有的材料在低應力作用下，主要發生彈性變形，而在應力接近或高于其屈服強度時則產生塑性變形。例如建筑鋼材。有的材料為彈塑性材料，彈塑性材料---即在外力作用下，既發生彈性變形又發生塑性變形，如混凝土。ab—彈性變形ob—塑性變形

彈塑性材料的變形曲線3、材料的脆性與韌性（2）韌性－在沖擊、振動荷載的作用下，能吸收較大能量而不破壞的性質稱為韌性。如鋼材、木材等。橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等處所用的材料須有較好的韌性。（1）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。

脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）具有抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，抵抗沖擊或震動荷載的能力很差。工程上適宜用在受壓部位，如基礎、柱、墻體等。1.4材料的耐久性1、定義材料的耐久性是指材料在使用過程中抵抗其自身和環境