第1章 土木工程材料的基本性质

图1.5材料的塑性变形曲线
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材料在弹性范围内，其应力与应变之间的 关系符合虎克定律： σ=Eε 弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料 抵抗变形的能力，是结构设计中的主要参数之 一。
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实际上，完全的弹性材料或完全的塑性材料 是不存在的。
图6.3低碳钢受拉时的应力-应变图
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（6）抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经 受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏， 强度也不显著降低的性质。 材料的抗冻性与其强度、孔隙率、孔隙特 征、含水率等因素有关。
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5.材料的热工性质 （1）导热性 当材料两侧存在温度差时，热量将由温度 高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料 的这种传导热量的能力称为导热性。
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② 玻璃体 玻璃体是熔融的物质经急冷而形成的无定 形体。
（a） （b） 图1.1晶体与非晶体的原子排列示意图 （a）晶体；（b）非晶体
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③ 胶体 胶体是指以粒径为10-7～10-10m的固体颗粒 作为分散相（称为胶粒），分散在连续相介质 中，形成的分散体系。 依胶粒多少，胶体结构可分为：溶胶结构， 凝胶结构，溶-凝胶结构。 胶体的分散相（胶粒）很小，比表面积很 大。 与晶体及玻璃体结构相比，胶体结构的强 度较低，变形较大。
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（4）材料的耐水性 耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏， 而且强度也不显著降低的性质。 材料的耐水性用软化系数表示。按下式计 算： K=f饱/f干. 软化系数的范围在0～1之间。通常将软化 系数大于0.85的材料称为是耐水材料。
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（5）材料的抗渗性 抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。 材料的抗渗性常用渗透系数表示。按下式 计算： K=Qd/AtH 抗渗等级：以规定的试件、在标准试验方 法下所能承受的最大水压力来确定。
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同种材料抵抗不同类型外力作用的能力不 同。 试验条件等因素也会对材料强度值的测试 结果产生较大的影响。 材料的强度是大多数结构材料划分等级的 依据，大部分土木工程材料根据其极限强度的 大小，划分为若干不同的强度等级。
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（2）比强度 比强度是按单位体积质量计算的材料强度， 即材料的强度与其表观密度之比。 比强度是衡量材料轻质高强的重要指标。
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（2）孔隙率 孔隙率是指材料的体积内孔隙体积所占的 比例。按下式计算： P= (V0－ V)/V0×100% 或 P=(1－ ρ0/ρ.) ×100% D+P=1 孔隙率或密实度大小反映了材料的密实程 度。
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3.材料的填充率与空隙率 （1）填充率 填充率是指散粒状材料在自然堆积状态下， 颗粒体积占自然堆积状态下体积的百分率。按 下式计算： D’=V0/V’0×100% 或 D’=ρ’0/ρ0. ×100%
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2.弹性与塑性 材料在外力作用 下产生变形，当外力 去除后，变形能完全 消失的性质称为弹性， 这种可恢复的变形称 为弹性变形。
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图1.4材料的弹性变形曲线
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材料在外力作用下 产生变形，当外力除去 后，材料仍保留一部分 残余变形且不产生裂缝 的性质称为塑性,这部分 残余变形称为塑性变形。
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图1.6材料的弹塑性变形曲线
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3.脆性与韧性 材料在外力作用下， 无明显塑性变形而突然破 坏的性质，称为脆性，具 有这种性质的材料称为脆 性材料。
图1.7脆性材料的变形曲线
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大 能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧 性，具有这种性质的材料称为韧性材料。
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材料的导热性用导热系数（热导率）来表示， 导热系数是指一定厚度的材料，两侧存在温差时， 单位时间内透过单位面积材料的热量。导热系数 按下式计算：
Q×d λ= A × (T2 − T1 ) × t
热导率与材料孔隙构造密切相关。 工程中通常把λ≤0.23 W/(m·K)的材料称为绝 热材料。
（单点集中加荷） （三分点加荷 ）
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不同种类的材料，强度差异很大。 相同种类的材料，随着其孔隙率及构造特 征等因素的不同，各种强度也有显著差异。 同种材料抵抗不同类型外力作用的能力不 同。 试验条件等因素也会对材料强度值的测试 结果产生较大的影响。 材料的强度是大多数结构材料划分等级的 依据，大部分土木工程材料根据其极限强度的 大小，划分为若干不同的强度等级。
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4.材料与水相关的性质 （1）材料的亲水性与憎水性 材料与水接触时，材料表面能被水润湿的 性质称为亲水性。 材料与水接触时，材料表面不能被水润湿 的性质称为憎水性。
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润湿边角：在材料、水和空气的交点处， 沿水的表面的切线与水和固体接触面所成的夹 角(θ)称为润湿边角。
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质量吸水率是指材料吸收的水分质量与材 料干燥质量之比。按下式计算：
m1 − m Wm = × 100% m
体积吸水率是指材料吸收的水分体积与材 料自然体积之比。按下式计算：
m1 − m 1 WV = × × 100% V0 ρW
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（3）材料的吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸 湿性。 材料的吸湿性常以含水率表示。按下式计 算： W = ( m1 – m ) / m ×100% 材料的含水率随环境温度和空气湿度的变 化而变化。 材料与空气温、湿度相平衡时的含水率称 为平衡含水率。
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（2）热容量 热容量是指材料在温度变化时吸收和放出 热量的能力，按下式计算：
Q = cm(T2 − T1 )
比热容是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，比热容是反映材料 的吸热或放热能力大小的物理量。
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三、材料的基本力学性质 1.材料的强度和比强度 （1）强度 强度是材料抵抗外力破坏的能力。 根据外力作用方式的不同，材料强度可分 为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度 等。
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4.硬度与耐磨性 （1）硬度 硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划 的能力。常用压入法和刻划法来评价材料的硬 度。 （2）耐磨性 耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力，材料 的耐磨性用磨损率表示。按下式计算：
m1 − m2 N= A
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四、材料的耐久性 耐久性是指材料在长期使用过程中，能保 持原有性能而不变质、不破坏的能力。 土木工程材料在使用过程中，除受到各种 外力的作用外，还要受到环境中各种因素的破 坏作用，这些破坏作用有物理作用、化学作用、 生物作用和机械作用等。
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材料在长期使用过程中的破坏是多方面因 素共同作用的结果，即耐久性是一种综合性质， 包括抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、耐老化性、 耐磨性等。 在实际工程中，应根据材料所处的结构部 位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并 根据各种材料的耐久性特点，合理选用材料。
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第一章 土木工程材料的基本性质
一、材料的组成、结构和构造 1.材料的组成 （1） 化学组成 化学组成是指材料的化学成分，即指构成 材料的化学元素及化合物的种类和数量。 一些土木工程材料与环境中物质接触时， 按化学变化规律发生作用。
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（2） 矿物组成 材料中具有特定的晶体结构和特定物理力 学性能的组织结构称为矿物。 矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。 矿物组成是决定某些材料性质的重要因素。 （3）相组成 材料中结构相近、性质相同的均匀部分称 为相。 构成材料的相的种类和数量。
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① 晶体 质点（离子、原子、分子）在空间上按特 定的规则，呈周期性排列的固体称为晶体。 根据组成晶体的质点及化学键的不同，晶 体可分为，原子晶体、金属晶体、离子晶体和 分子晶体。
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原子晶体：中性原子以共价键结合而成的 晶体。 金属晶体：金属阳离子排列成一定形式的 晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结 合而成的晶体。 离子晶体：正负离子以离子键结合而成的 晶体。 分子晶体：以分子间的范德化力即分子键 结合而成的晶体。
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（a） （b） 图1.2材料的润湿边角 （a）亲水性材料；（b）憎水性材料
一般认为，当θ≤90°时，此种材料称为亲 水性材料；当θ>90°时，此种材料称为憎水性 材料。
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（2）材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力称为材料的吸 水性。 材料的吸水性常用吸水率表示，有质量吸 水率和体积吸水率两种表示方法。
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图1.3材料受力示意图
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材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度按 下式计算：
F f = A
材料的抗弯强度与受力情况有关，单点集 中加荷和三分点加荷，且构件有两个支点，材 料截面为矩形时，抗弯强度按下式计算：
3FL f = 2bh 2 FL f = 2 bh
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（2）空隙率 空隙率是指散粒状材料在自然堆积状态下， 颗粒之间的空隙占自然堆积状态下体积的百分 率。按下式计算： P’= (V’0－ V0)/V’0×100% 或 P=(1－ρ’0/ρ0.) ×100% P’+D’=1 填充率或空隙率反映了散粒材料颗粒之间 互相填充的程度。
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2.材料的结构 （1） 宏观结构 用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 按宏观结构不同，材料有密实、多孔、纤 维、层状、散粒和纹理等结构。 各种结构都有其各自的特点，宏观结构不 同的材料具有不同的性质。