第十二章土木工程材料(一)

土木工程材料
第一节材料科学知识与土木工程材料的基本性质
一、土木工程材料分类、组成及结构
（一）土木工程材料的组成
土木工程材料的组成分为化学组成和矿物组成。

化学组成影响着材料的化学性质，矿物组成影响着材料的物理力学性质。

通常按照土木工程材料的化学组成将其划分为无机材料、有机材料和复合材料三大类，详见表1。

表1 土木工程材料的分类
（二）土木工程材料的结构
土木工程材料的结构有宏观结构、细观结构和微观结构。

1、微观结构
（1）晶体：基本质点按照一定的逻辑罗列，而且按照一定的周期重复浮上，即具有各向异性的性质，宏观的晶体材料是由多个晶粒聚拢而成，表现出各向同性的性质，如钢材。

分为原子晶体，如金刚石；离子晶体，如NaCl；金属晶体，如铜；分子晶体，如冰。

（2）玻璃体：各向同性的，具有潜在的化学活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应，如粉煤灰。

（3）胶体：属于非晶体。

质点很极小，表面积很大，所以表面能很大，吸附能力很强，使胶体具有很强的粘结力，如水化硅酸钙。

2、宏观结构又划分为。

（1）按照土木工程材料的构造特征，土木工程材料的构造分为
堆聚结构：由骨料与胶凝材料结合而成的材料，例如混凝土
纤维结构：玻璃纤维及矿物棉等纤维材料所具有的结构。

层状结构：将材料叠合而成的结构，例如胶合板
散粒结构：松散颗粒的结构，例如砂石骨料
（2）、按照土木工程材料的孔隙特征分为
致密结构：无孔隙存在的材料，例如玻璃、钢材
多孔结构：有粗壮孔隙的结构，例如加气混凝土
微孔结构：有微细的孔隙结构，例如粘土砖、石膏制品
[例题1] 以下哪种微观结构或性质的材料不属于晶体？
A.结构单元在三维空间逻辑性罗列
B.非固定熔点
C.材料的任一部分都具有相同的性质
D.在适当的环境中能自发形成封闭的几何多面体
【解析】晶体结构的基本特征是内部质点按照一定的逻辑罗列，并且按照一定周期重复浮上，即结构单元在三维空间逻辑性罗列，且在适当的环境中能自发形成封闭的几何多面体。

晶体具有固定的熔点。

宏观的晶体材料是由许多晶体颗粒组成，使其表现为各向同性。

【答案】B
二、土木工程材料的物理性质 （一）密度、表观密度与堆积密度
1、密度：是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，又称质量密度（ρ）。

可表示为：
m V
ρ=
式中，ρ——材料密度（kg/m 3）；
m ——材料质量（kg ）； V ——材料体积（m 3）。

必须强调材料绝对密实状态的概念，密度只与材料中固体物质的体积有关，与孔隙无关，测定孔隙时材料需磨成细粉以便排除孔隙。

2、表观密度：是指材料在天然状态下单位体积的质量，亦称体积密度（ρ0）。

材料在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。

00
m V ρ=
式中，ρ0——材料表观密度（kg/m 3）；
m ——材料质量（kg ）；
V 0——材料在天然状态下体积（m 3）。

包括内部孔隙的体积。

3、堆积密度：散粒材料在天然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度（0ρ'）。

可表示为：
0m V ρ'='
式中，0ρ'——散粒材料堆积密度（kg/m 3
）；
m ——散粒材料质量（kg ）；
0V '——散粒材料在天然堆积状态下体积（m 3
）。

不仅包括材料内部孔隙体积，还包括颗粒之间的空隙体积。

所以可知，密度（ρ）、表观密度（ρo ）和堆积密度（ρ’o ）均指材料单位体积的质量，不同之处在于决定单位体积时材料所处的状态不同。

4、孔隙率与密实度
通常材料内部总是包括一部分孔隙，材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P 0）。

材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。

0000100%1100%V V P V ρρ-⎛⎫=
⨯=-⨯ ⎪⎝
⎭
孔隙率和密实度两者之和为1，均反映了材料的致密程度。

材料的孔隙特征对其性质影响更大。

按照孔隙特征，孔隙分为封闭孔隙和连通孔隙。

5、空隙率
对于散粒材料，其堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率称为空隙率（0
P '）。

空隙率大小反映了散粒材料颗粒互相填充的致密程度。

（二）材料与水有关的性质 1、材料的亲水性和憎水性
材料表面与水或空气中的水汽接触时，会产生不同程度的润湿。

材料能被水润湿的性质
称为亲水性；材料不能被水润湿的性质称为憎水性。

表面能被水润湿的材料为亲水材料，如砖、混凝土、木材等；表面不会被水润湿的材料为憎水材料，如石蜡、沥青，憎水材料相宜做防水和防潮材料。

材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。

当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1所示。

θ角越小，表明材料越容易被水润湿。

θ≤90°时，材料能被水湿润，称为亲水性材料；θ＞90°时材料表面不易吸附水，称为憎水性材料。

(a) 亲水材料 (b) 憎水材料
图1 材料润湿暗示图
2、材料的吸水性和吸湿性
（1）吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。

材料的吸水性以吸水率表示。

质量吸
水率指吸入水的质量占材料干燥质量的百分率。

材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。

封闭孔隙或粗壮开口孔隙时，吸水率低；
细微连通孔隙时吸水率大，这种材料的吸水性强。

（2）吸湿性：材料在湿润空气中吸收水分的性质称为吸湿性。

湿润材料在干燥空气中
也会放出水分。

材料的吸湿性用含水率表示；含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率。

材料的含水率会随环境温度和湿度变化而异。

通常采用平衡含水率。

材料吸湿含水后会使材料表观密度和导热系数增大，强度降低、体积膨胀。

3、材料的耐水性
材料的耐水性：指材料持久在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。

材料的耐水性用软化系数来表示，即材料在水饱和状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度之比。

可用下式表示：
b g
f K f
式中，K ——材料的软化系数；
f b ——材料在饱水状态下的抗压强度（MPa ）； f
g ——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa ）。

软化系数的大小表明材料在浸水饱和后保持抗压强度的能力。

软化系数越小，材料的耐水性越差，通常把软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。

4、材料的抗渗性
材料抵御压力水渗透的性质成为抗渗性，或不透水性。

材料的抗渗性通常用渗透系数来表示。

渗透系数是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时光内透过单位面积的水量。

渗透系数越小，材料的抗渗性越好。

对于混凝土或砂浆用抗渗等级表示其抗渗性，抗渗等级越大，混凝土或砂浆的抗渗性越好。

材料的抗渗性和其孔隙率及孔隙特征有关，普通孔隙率小且为封闭孔的材料，抗渗性好。

孔隙率大且是连通孔的材料，抗渗性差。

对于防水材料要求具有更高的抗渗性。

如地下构筑物
和防水工程要求有较高的抗渗性
5、材料的抗冻性
材料在水饱和状态下，能经历多次冻融循环（冻结和融化）作用而不破坏、强度也不严重降低的性质为抗冻性。

用抗冻等级Fn表示，n指材料所能承受的最大冻融次数。

抗冻等级越大，材料的抗冻性越好。

密实或具有封闭孔隙的材料抗冻性好。

（三）材料的导热性
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。

材料导热性可用导热系数来表示。

导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度改变1K时，在1s时光内通过1m2面积的热量。

材料的导热系数愈小，表示材料的导热性越差，绝热性能愈好。

影响材料导热性的因素有：
（1）材料的组成与结构：金属材料、无机材料、晶体材料的导热性大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。

（2）材料的孔隙率：增大孔隙率大，即表观密度小，导热系数小。

（3）材料的孔隙特征：相同孔隙率时，微孔或封闭孔隙构造材料的导热系数小，绝热性好。

（4）材料的含水情况：材料含水或含冰后会使导热系数增大，绝热性下降。

以上各物理性能及其指标汇总于表2中。

表2 材料的物理性能及其指标
[例题2]已知某材料的表观密度是1400kg/m3，密度是1600kg/m3，则其孔隙率是：
A.14.3%
B.14.5%
C.87.5%
D.12.5%
【提醒】孔隙率=（1-1400/1600） 100%=12.5%。

【答案】D
[例题3] 下列与材料的孔隙率没有关系的是：
A.强度
B.绝热性
C.密度
D.耐久性
【提醒】密度是指在材料在绝对密室状态下单位体积的质量，与孔隙无关；强度随孔隙率增大而降低；绝热性和耐久性随开口孔隙率增大而降低，随封闭孔隙增多而提高。

【答案】C
三、材料的力学性质
1、材料的强度、比强度
材料在外力作用下抵御破坏的能力，称为材料的强度。

按照外力作用的形式不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。

比强度：指材料强度对其表观密度的比值，是衡量材料轻质高强的主要指标。

该值越大，表明材料轻质高强。

2、弹性与塑性：
弹性：指外力作用下材料产生变形，外力取消后变形出现，材料能彻低恢复本来的形状的性质，这种变形为弹性变形。

弹性模量是衡量材料在弹性范围内抵御变形能力的指标，该值越大，材料抵御变形的能力越强，材料受力变形越小。

塑性：指外力作用下材料产生变形，外力取消后仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂隙的性质，这种变形称为塑性变形。

弹-塑性材料：受力时弹性和塑性变形同时浮上，如混凝土。

3、脆性和韧性
材料受外力作用，当外力达到一定数值时，材料发生骤然破坏，且破坏时无显然的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。

脆性材料抗压强度比抗拉强度大无
数，如混凝土等，相宜作承压构件。

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。

如建造钢材。

4、硬度
硬度是指材料表面抵御硬物压入或刻划的能力。

材料的硬度愈大，其强度愈高。

通常石料用刻痕法或磨耗法；金属、木材和混凝土用压痕法；矿物材料用刻划法；塑料、橡胶及金属用布氏硬度表示。

[例题4]弹性体受拉应力时，所受应力与纵向应变之比称为：
A.弹性模量
B.泊松比
C.体积模量
D.剪切模量
【提醒】弹性体受拉应力时，所受应力与纵向应变之比称为弹性模量。

【答案】A
四、练习题
1、胶体结构的材料具有：
A、各向同性，并有较强的导热导电性
B、各向同性，并有较强的粘结性
C、各向异性，并有较强的导热导电性
D、各向同性，无粘结性
提醒：胶体是由细小固体颗粒（粒径在1~100µm）凝聚在延续介质中而成，各向同性，具有良好的吸附力和较强的粘结力。

答案：B
2、材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为：
A、密度
B、表观密度
C、密实度
D、堆积密度
提醒：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度；材料在天然状态下，单位体积的质量称为表观密度；散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。

材料中固体体积占天然状态体积的百分比称为密实度。

答案：A
3、某材料吸水饱和后重100g，比干燥时重了10g，此材料的吸收率为：
A、10%
B、8%
C、7%
D、11.1%
提醒：吸水率=水的质量/材料在干燥状态下的质量=10/（100-10）=11.1%。

答案：D
4、建造材料与水相关的物理特性表述准确的是:
A、孔隙率越大，其吸水率也越大
B、平衡含水率普通是固定不变的
C、渗透系数越大，其抗渗性越大
D、软化系数越大，其耐水性越好
提醒：封闭孔隙或粗壮开口孔隙时，吸水率低；细微连通孔隙时吸水率大，这种材料的吸水性强。

平衡含水率随环境温度和湿度变化而异。

渗透系数越大，材料的抗渗性越差。

材料的软化系数越大。

耐水性越好。

答案：D
5、具有封闭孔隙特征的多孔材料相宜用于哪种建造材料？
A、吸声
B、隔声
C、保温
D、承重
提醒：因为空气的导热系数为0.023W/（m.K），封闭孔隙中含有大量空气，使这种材料的导热系数很小，相宜做保温材料。

吸声材料需要具有开口孔隙特征。

隔声材料和承重材料要求密实度高，孔隙率小。

答案：C
6、关于绝热材料的性能，下列中哪一项是错误的？
A、材料中固体部分的导热能力比空气小
B、材料受潮后，导热系数增大
C、各向异性的材料中与热流平行方向的热阻小
D、导热系数随温度升高而增大
提醒：空气，水、冰的导热系数由大到小的顺序是：冰>水>空气，即固体的导热能力大于空气，材料受潮后，导热系数增大，温度升高使导热系数增大。

各向异性的材料中与热流平行方向的热阻小。

答案：A
7、承受震动和冲击荷载作用的结构，应挑选下列：
A 抗拉强度较抗压强度高许多倍
B 变形很小，抗拉强度很低
C 变形很大，且取消外力后仍保持本来的变形
D 能够吸收较大能量且能产生一定的变形而不破坏
提醒：能够吸收较大能量且能产生一定的变形而不破坏的材料可以用于承受震动和冲击荷载作用的结构中。

答案：D
8、脆性材料的特征是：
A 破坏前无显然变形
B 抗压强度与抗拉强度均较高
C 抗冲击破坏时吸收能量大
D 受力破坏时，外力所做的功大
提醒：材料受外力作用，当外力达到一定数值时，材料发生骤然破坏，且破坏时无显然的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。

脆性材料抗压强度比抗拉强度大无数。

答案：A。