土木工程材料(材料基本性质)

m g 1.密度 V ( cm3 ) 式中：V—实体体积,李氏密度瓶测V m m g kg ) ( 或 3 3 2.表观密度 0 V V V V cm m 0 开 闭 实
式中：V0—表观体积，表面封蜡测V0 表观密度又称容重，分
m干 干容重 0 V0 m湿 湿 湿容重 0 V0 饱水容重 饱 m饱 0 V0
②
孔隙 孤立孔 三大 是否相互贯通 特征 连通孔 开口孔
与外界是否连通
材料的内部孔隙示意
闭口孔
孔隙、孔隙率与孔隙(形态)特征对材性的影响
1.一般来说,(单个)孔隙尺寸增大, 材料强度降低,导热系数增大 2.孔隙率增大，材料表观密度减小；强度降低；导热系数 减小；吸水率增大；透气、透水性变大。抗冻性是否降 低，要视孔隙大小和形态特征而定
粗孔与细孔
——毛细孔使材料吸水率增大、耐久性降低。
3.孔隙(形态)特征
一般来说粗孔不易吸满水，微细孔隙吸水率 非常大.
开孔与闭孔
——开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性更 不利.或增加闭口孔隙，可提高材料保温性、耐久性.
4.孔隙率
V实 0 V孔 V0 V实 P 1 1 100% V0 V0 V0
思考题
1.上面几种密度有何区别？如何测定？材料含水对四者 有何影响？ 2.测知各种材料的几种密度有何用途？ 3.材料的孔隙、空隙、间隙的区分，孔隙率与空隙率、 间隙率的区别？ 4.材料的密实度和填充率有何区别？密实度和孔隙率有 何关系？填充率和间隙率有何关系？ 5.材料密度、体积密度、孔隙率之间有何关系？ 6.材料的堆积密度和间隙率有何关系？ 7.材料内部孔隙对材性的影响应从哪两方面分析？
5、空隙率P′
材料之间空隙体积占堆积体积的百分率
材料的体积组成
闭口孔 隙
开口孔 隙
空 隙
开口孔隙 闭口孔隙
V开 V 闭 V孔
V空
Vo V ' o
V0 =ΣV0i
实 体 V空=ΣV空
实 体
V实
孔隙体积 V孔= V开 + V闭
表观体积 Vo= V实+ V孔= V实+V开 + V闭
堆积体积 Vo'= Vo + V空=V实+V开 + V闭+ V空
M M V开 1 干 饱 P开 Pk 100% 5.开口孔隙率 V0 V H O 0 2
V闭 V孔 V开 V孔 V开 PB P Pk 闭 6.闭口孔隙率 P V0 V0 V0 V0
7.空隙率
V空 V0 V0 V0 0 100% P 1 1 V0 V0 V0 0
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑 性变形同时发生，外力去除后，弹性变形 恢复，塑性变形保留。
（土木工程用材料多为弹塑性材料）
1.2.3 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。（属塑性变形）
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。 徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。 分析徐变对结构的影响？
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• (2)非晶体 非晶体是相对晶体而言的，又称玻璃体、无定形体 。非晶体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排 列，而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。非 晶体没有固定的熔点和几何形状，且各向同性，其强度 、导电性、导热性等低于晶体。 • 2.细观结构 细观结构（亚微观结构）是指用光学显微镜所能观 察到的材料结构。其尺寸范围介于宏观和微观之间。 材料的细观结构对材料的性质影响很大。通常，材 料内部的晶粒越细小、分布越均匀，其受力越均匀、强 度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料组成 之间的界面粘结越好，则其强度和耐久性越好。
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 3.宏观结构 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构 和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上的材料结构。 材料的宏观结构形式主要有以下几种： （1）按其孔隙特征可分为 ①致密结构 ②微孔结构 ③多孔结构 （2）按存在状态或构造特征可分为 ①纤维结构 ②层状结构 ③散粒结构 ④堆聚结构 宏观结构不同的材料具有不同的性质和用途。工程上 常用改变材料的密实度、孔隙结构，应用复合材料等方 法，来改善材料的性能，以满足不同的需要。
玻璃钢：0.225；低碳钢：0.054； 铝合金：0.160；砼：0.056
1.3.2
材料的弹性与塑性
弹性与塑性 材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复
变形，而残留一部分不能消失的变形，该
残留部份称为塑性变形。
• 【分析与讨论】
抗弯强度 1）
2）
3 PL ff 2bh 2 PL ff bh 2
(中点集中荷载) (三分点两相等集中荷载)
ff –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
b –––– 试件横截面积宽度，mm； h –––– 试件横截面积高度，mm。
∴
V闭 PB V0
同理：
m V
0
m V0
1.3 材料的力学性质
1.3.1 强度与比强度
（1）材料的强度
定义
材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强
度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F F F/2 F
土木工程材料
第 一 章
土 木 工 程 材 料 的 基 本 性 质
本章重点及难点
• 材料的组成结构及物性参数对材料的物理性质、 力学性质、耐久性等的影响
思考题？
1. 为什么要研究材料的基本性质（物理性质、力学 性质、耐久性）？ 2. 建筑物对不同部位的材料性能要求一样吗？
材料的性质分四个方面
⑴物理性质： 与质量有关的基本物理参数★ 与水有关的若干性质★ 与热有关的若干性质 与声音有关的性质 ⑵力学性质： 材料在应力作用下有关抵抗破坏和变 形的能力，包括强度、比强度、弹性 塑性、韧性及脆性。 ⑶化学性质： 材料发生化学变化的能力及抵抗化学 腐蚀的稳定性。 ⑷耐久性： 材料在使用过程中能长久保持其原有 性质的能力
土木工程材料的基本性质
材料性质 （性能） （特性） 技术要求 检验检测 常用规格 取决 于 材料组成 材料结构 物理性质 化学性质 力学性质 耐久性
掌握
目 的
合理应用
试验条件
化学组成 材料组成 矿物组成 相组成 宏观结构 材料结构
细观结构
微观结构
晶体结构 玻璃体结构
胶体结构 纳观结构 试件形状、尺寸 试件表面状况、含水状态 试验条件 试验温、湿度；加荷速度
弹性变形与塑性变形的区别
（a）弹性变形曲线（b）塑性变形曲线
材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下 公式： σ ＝Ε ε σ —— 应力； ε ——应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比； Ε ——弹性模量；
弹性模量E ：材料刚度的度量，反映材料抵抗 变形的能力，是结构设计中变形验算的主要参数之一。 低碳钢：21 砼：1.45~3.60 （104MPa） 花岗岩200~600
1.2 材料的基本状态参数 (与质量有关的性质）
1.2 材料的基本状态参数 1、密度ρ 材料在绝对密实状态下单位体积重量
材 料 2、表观密度ρ0 材料在自然状态下单位体积重量 与 容重 体积密度 质 毛体积密度 量 有 3、堆积密度ρ0′ 散粒材料在堆积状态下单位体积重量 关 松散容重 的 性 4、孔隙率P 材料内部孔隙体积占表观体积的百分率 质 比重
常用材料密度与体积密度值
材料 密度 （g/cm3) 钢材 7.85 பைடு நூலகம்岗岩 2.6-2.9 石灰岩 2.6 普通砼 2.7 砂 2.6 水泥 3.1 粘土空心砖 2.5 木材 1.55 毛体积密度 (kg/m3) 7850 2500-2800 1800-2600 2000-2600 1000-1400 400-800 堆积密度 (kg/m3) 1450-1650 1200-1300 -
1.1 材料的组成、结构与构造对材 料性质的影响
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 1.1.1 材料的组成
材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材 料物理、力学性质的重要因素。
• 1.化学组成
化学组成是指材料的化学元素及化合物的种类和数 量。无机非金属材料的化学成分常用各氧化物的含量 来反映。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有 关，如耐火性、力学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等 。
1.1 材料的组成、结构与构造对材料性质的影响
• 2.物相组成 物相是指具有相同物理、化学性质，以及一定化学 成分和结构特征的物质。自然界中的物质可分为气相 、液相和固相。凡由两相或两相以上物质组成的材料 称为复合材料，土木工程材料大多数是多相固体。 • 3.矿物组成 矿物是指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。矿物组成是指构成材料的矿物的 种类和数量。
干 0
3.堆积密度
0
m m ( g 3 或 kg 3 ) m V0 V实 V开 V闭 V空 cm
式中： V0′—堆积体积，容量筒测V0′
或得：V0 V0 V 经比较可得： 0 0
某些致密材料，如卵石等，可用直接 排液法，用这种方法测量的体积，由 于无法排除内部封闭的孔隙，所以称 这样测得的密度为近似密度( ′)。
土木工程材料常以其强度大小 划分为若干等级，俗称