FJUT《土木工程材料》3材料的热工性质及耐久性
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材料的基本性质—材料的力学性质及耐久性(土木工程材料)
材料的力学性质-强度
学习情境：材料的基本性质
材料力学性质-强度
强度：材料在外力作用下抵抗破坏(变形和断裂)的 能力称为强度。通俗来说，就是材料承载能力的体现。
所以，对于承重材料来说，强度是最重要的力学指标。
材料力学性质-强度
材料常见的受力形式
（a）抗压
（b）抗拉
（c）抗剪
P=Fmax/S
P=3FmaxL/2bh2
（d）抗弯折
强度P：
材料力学性质-强度
抗压强度P=Fmax/S
1
其中：P------材料强度， MPa（N/mm2）；
Fmax--材料破坏时的最大荷载，N；
S------材料受力面积，mm2。
使用耐久性材料可以使整体工程的综合费用降低，利用率提高，收益增大，因此，研究如何提高材料的耐久性将是土木工程材料生产及应用的重要课题之一。
混凝土试块
材料力学性质-强度
解析：
（1）求混凝土块的抗压强度：选用公式P=Fmax/S（2）其中Fmax=680kN=680×103N（3）受力面积A=试件截面积（4）试件尺寸a=b=h=150mm，则受力面积S=150mm×150mm
P=Fmax/A =
解答：
=
30.2MPa
ห้องสมุดไป่ตู้
材料力学性质-强度
材料的力学性质
学习情境：材料的基本性质
力学性质
强度：是指材料在应力作用下抵抗破坏的能力。
力学性质
抗压强度（compressive strength）
外力作用方式
抗剪强度(shear strength)
抗拉强度(tensile strength)
抗弯拉（抗折）强度(bending strength)
学习情境：材料的基本性质
材料力学性质-强度
强度：材料在外力作用下抵抗破坏(变形和断裂)的 能力称为强度。通俗来说，就是材料承载能力的体现。
所以，对于承重材料来说，强度是最重要的力学指标。
材料力学性质-强度
材料常见的受力形式
（a）抗压
（b）抗拉
（c）抗剪
P=Fmax/S
P=3FmaxL/2bh2
（d）抗弯折
强度P：
材料力学性质-强度
抗压强度P=Fmax/S
1
其中：P------材料强度， MPa（N/mm2）；
Fmax--材料破坏时的最大荷载，N；
S------材料受力面积，mm2。
使用耐久性材料可以使整体工程的综合费用降低，利用率提高，收益增大，因此，研究如何提高材料的耐久性将是土木工程材料生产及应用的重要课题之一。
混凝土试块
材料力学性质-强度
解析：
（1）求混凝土块的抗压强度：选用公式P=Fmax/S（2）其中Fmax=680kN=680×103N（3）受力面积A=试件截面积（4）试件尺寸a=b=h=150mm，则受力面积S=150mm×150mm
P=Fmax/A =
解答：
=
30.2MPa
ห้องสมุดไป่ตู้
材料力学性质-强度
材料的力学性质
学习情境：材料的基本性质
力学性质
强度：是指材料在应力作用下抵抗破坏的能力。
力学性质
抗压强度（compressive strength）
外力作用方式
抗剪强度(shear strength)
抗拉强度(tensile strength)
抗弯拉（抗折）强度(bending strength)
FJUT《土木工程材料》3材料的热工性质及耐久性
把导热系数小于0.23W/m·k的材料称为绝热材 料。
热容量
热容量是材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的
性质，用比热表示:
C Q m(t1 t2 )
式中C ——比热，J／(g·K)。
Q ——热容量，J；
m ——材料的质量，g；
t1-t2 ——材料受热或冷却前后的温度差，K
材料中热容量最大的是水，为C=4.19 J／(g·K)，故 材料含水量增加，比热增大。
根据。
3、某厂生产的烧结粉煤灰砖，干表观密度为1450kg/m3，密 度为2.5g/cm3，质量吸水率为18%，试求：①砖的孔隙率； ②体积吸水率；③孔隙中开口孔隙体积与闭口孔隙体积各 自所占的百分数。
4、现有甲、乙两种墙体材料，密度均为2.7g/cm3。甲的干 表观密度为1400kg/m3，质量吸水率为17%。乙浸水饱和 后的表观密度为1862kg/m3，体积吸水率为46.2%。试求： （1）甲材料的孔隙率和体积吸水率；（2）乙材料的干表 观密度和孔隙率；（3）哪种材料抗冻性差，并说出理论
三、材料的热工性质
导热性
材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数λ
（w/m·K）表示:
Qa
At(T2 T1 )
式中： Q ——总传热量，J； a ——材料厚度，m；Βιβλιοθήκη A ——热传导面积，m2；
t ——热传导时间，h；
T2-T1——材料两侧温度差，K。
影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构 成、微观结构、孔隙构造、湿度、温度和热流 方向等。
1.3 材料的耐久性
耐久性:材料在长期使用过程中，能保持其
原有性能而不变质、不破坏的性质。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，
还要受到环境中各种自然因素的破坏作用， 这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和 生物作用。
热容量
热容量是材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的
性质，用比热表示:
C Q m(t1 t2 )
式中C ——比热，J／(g·K)。
Q ——热容量，J；
m ——材料的质量，g；
t1-t2 ——材料受热或冷却前后的温度差，K
材料中热容量最大的是水，为C=4.19 J／(g·K)，故 材料含水量增加，比热增大。
根据。
3、某厂生产的烧结粉煤灰砖，干表观密度为1450kg/m3，密 度为2.5g/cm3，质量吸水率为18%，试求：①砖的孔隙率； ②体积吸水率；③孔隙中开口孔隙体积与闭口孔隙体积各 自所占的百分数。
4、现有甲、乙两种墙体材料，密度均为2.7g/cm3。甲的干 表观密度为1400kg/m3，质量吸水率为17%。乙浸水饱和 后的表观密度为1862kg/m3，体积吸水率为46.2%。试求： （1）甲材料的孔隙率和体积吸水率；（2）乙材料的干表 观密度和孔隙率；（3）哪种材料抗冻性差，并说出理论
三、材料的热工性质
导热性
材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数λ
（w/m·K）表示:
Qa
At(T2 T1 )
式中： Q ——总传热量，J； a ——材料厚度，m；Βιβλιοθήκη A ——热传导面积，m2；
t ——热传导时间，h；
T2-T1——材料两侧温度差，K。
影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构 成、微观结构、孔隙构造、湿度、温度和热流 方向等。
1.3 材料的耐久性
耐久性:材料在长期使用过程中，能保持其
原有性能而不变质、不破坏的性质。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，
还要受到环境中各种自然因素的破坏作用， 这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和 生物作用。
土木工程材料教材：绪论及第一章土木工程材料的基本性质
一般硬度越大耐磨性越章 土木工程材料的基本性质
§1-3 材料与水有关的性质
一、材料的亲水性与憎水性： 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现 为亲水与憎水两种不同的性质。用润湿角判断。 润湿角： θ
θ≤90o 亲水材料 90o＜ θ≤180o 憎水材料
体积吸水率:
WV
m
b
mg V0
W
100 % Wm 0
mb——吸水饱和后质量 mg ——干燥状态下质量 V0——干燥时自然体积 0 ——干燥时体积密度
第一章 土木工程材料的基本性质
2、吸湿性：材料在空气中吸收水的性质。
含水率
Wh ms mg mg 100%
绪
论
20世纪——预应力混凝土、高分子材料 21世纪——轻质、高强、节能、高性能绿色建材
2、土木工程材料的发展趋势： （1）轻质、高强；（2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能（4）由单一材料向复合材料及制品发展 （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环 保方向发展；（7）发展更多花色品种的装饰材料。
例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状
态下的体积为40cm3，质量为85.50g，吸水饱和后的质量为89.77g，
烘干后的质量为82.30g。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙 率、闭口孔隙率。
解：密度=干质量/密实状态下的体积
=82.30/40×（1-0.24）=2.7g/cm3 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积
第一章 土木工程材料的基本性质
2、耐磨性：耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。常用 耐磨率表示（道路路面、工业地面、踏步、台阶等受磨损的 部位，选择材料需考虑其耐磨性）。
§1-3 材料与水有关的性质
一、材料的亲水性与憎水性： 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现 为亲水与憎水两种不同的性质。用润湿角判断。 润湿角： θ
θ≤90o 亲水材料 90o＜ θ≤180o 憎水材料
体积吸水率:
WV
m
b
mg V0
W
100 % Wm 0
mb——吸水饱和后质量 mg ——干燥状态下质量 V0——干燥时自然体积 0 ——干燥时体积密度
第一章 土木工程材料的基本性质
2、吸湿性：材料在空气中吸收水的性质。
含水率
Wh ms mg mg 100%
绪
论
20世纪——预应力混凝土、高分子材料 21世纪——轻质、高强、节能、高性能绿色建材
2、土木工程材料的发展趋势： （1）轻质、高强；（2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能（4）由单一材料向复合材料及制品发展 （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环 保方向发展；（7）发展更多花色品种的装饰材料。
例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状
态下的体积为40cm3，质量为85.50g，吸水饱和后的质量为89.77g，
烘干后的质量为82.30g。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙 率、闭口孔隙率。
解：密度=干质量/密实状态下的体积
=82.30/40×（1-0.24）=2.7g/cm3 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积
第一章 土木工程材料的基本性质
2、耐磨性：耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。常用 耐磨率表示（道路路面、工业地面、踏步、台阶等受磨损的 部位，选择材料需考虑其耐磨性）。
土木工程材料基本性质
式中：
W m1 m 100% m
m1—材料吸湿状态下旳质量（ｇ或kg） m—材料在干燥状态下旳质量（ｇ或kg）。
（3）含水对材料性质旳影响 材料吸水后，强度下降 材料体积密度和导热性增长 几何尺寸略有增长 材料保温性、吸声性下降、并使材料受到旳冻害、
腐蚀加剧
材料旳含水率受所处环境中空气湿度旳影响。当空气 中湿度在较长时间内稳定时，材料旳吸湿和干燥过程处于 平衡状态，此时材料旳含水率保持不变，其含水率叫作材 料旳平衡含水率。
V0'
0
ρ0—材料旳表观密度;ρ0，—材料旳堆积密度
（2）填充率
定义：是指在某堆积体积中，被散粒材料旳颗粒所填 充旳程度。
计算式：
D'
V
100%
' 0
100%
V0'
0
填充率和空隙率旳关系：
P' D' 1
三、材料与水有关旳性质
1.材料旳亲水性与憎水性 材料与水接触时，能被水润湿，为亲水性材料。 材料与水接触时，不能被水润湿，为憎水性材料。 表达措施：润湿角
思索：硬度、耐磨性与强度旳关系。
第四节 材料旳耐久性
一.耐久性
材料旳耐久性是泛指材料在使用条件下，受多种内在 或外来自然原因及有害介质旳作用，能长久地保持其使 用性能旳性质。
二.影响耐久性旳主要原因
1.内部原因：构成、构造
2.外部原因：
材料在建筑物之中，除要受到多种外力旳作用之外， 还经常要受到环境中许多自然原因旳破坏作用。这些破 坏作用涉及物理、化学、机械及生物旳作用。
比强度越大，材料轻质高强性能越好。
几种材料旳比强度： 低碳钢—0.045 一般混凝土—0.017 松木（顺纹抗拉）—0.2 粘土砖—0.006
《建筑材料》第三次课(第一章)第二节
3.某些材料虽然在受力初期表现为弹性，达 到一定程度后表现出塑性特征，这类材料 称为塑性材料。 4.材料比强度越大，越轻质高强。 5.材料的亲水性与憎水性用 来表示，材 料的吸湿性用 来表示。材料的吸水性 用 来表示。
6.材料的耐水性是指材料在长期_ _ 作用下， _ _ 不显著降低的性质。材料的耐水性可 以用_ 系数表示，该值越大，表示材料的 耐水性_ 。 7 .材料的导热系数越大，其保温隔热性能 越好。 8.材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开 口孔隙体积。
1.2 材料的力学性质
材料的力学性质：指材料在外力作用下所引起的 变化的性质。
弹性变形
变形：在外力的作用下，材料 通过形状的改变来吸收能量。
变化
破坏：当外力超过材料的承受极限 时，材料出现断裂等丧失使用功能 的变化。
塑性变形 脆性材料
韧性材料
1.2.1 材料的强度及比强度
强度(Strength) ——材料抵抗外力破坏的能力 1.几种强度：材料受力动画 （1）抗压强度、抗拉强度应力水平较低时，变形特征主要表 现为弹性，而应力水平较高时，主要为塑性。例 如钢材。
图1.2.1 低碳钢受拉的应力—应变曲线
2）有的材料受力后，弹塑性变形同时产生，取消 外力，弹性变形可以恢复，塑性变形不能恢复。
荷载
A ob—塑性变形
ab—弹性变形
(2) 砖浸水后强度下降 某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许 多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的 多孔的红砖，见下图。请分析原因。
原因分析：这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率 大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是 当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强 度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房 屋倒塌。
土木工程材料的基本性质优质文档
W含=（2700-2600）/2600*100% W吸=（2850-2600）/2600*100% ρ0=2600/（24*11.5*5.3）
4、某石灰石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.2%，将该石灰石 破碎成石子，石子的堆积密度为1580kg/m3，求此石子的表观密 度和空隙率。
ρ0=（1-0.012）*2.70 P’=（1-1580/ρ0）*100%
孔隙率越大，表观密度越小、强度越低。开孔能提高材料的吸水性、 透水性、吸声性，降低抗冻性。细小的闭孔能提高材料的隔热保温性能 和耐久性。细小的开孔能提高材料的吸声性。
3、一块砖，外形尺寸240*115*53mm，从室外取来时重量为2700g， 浸水饱和后重量为2850g，绝干时重量为2600g，求此砖的含水率、 吸水率、干表观密度。
9、材料科学的基本原理？举例说明。
材料的组成、结构决定其性能。例：混凝土材料，通过调整原材料 品种及配合比，可以获得具有不同强度、表观密度等性质的混凝土；通过 抽孔、引气等措施改变其宏观结构，可改变其表观密度、渗透性等性质； 通过控制微裂缝、水化程度，可改变其强度。
10、材料的性能与使用性能有何关系？
4、某石灰石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.2%，将该石灰石 破碎成石子，石子的堆积密度为1580kg/m3，求此石子的表观密 度和空隙率。
5、某岩石在气干、绝干、水饱和状态下测得的抗压强度分别为 172、178、168MPa，求该岩石的软化系数？并指出该岩石可否 用于水下工程？ 6、建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各应具备哪些性质？
第四节 材料的组成与结构
材料科学的一个基本原理是：材料的性能取决于材料的组 成与结构。
基本概念
化学组成，矿物组成；宏观结构，细观结构，微观结构； 宏观构造；晶体，玻璃体，胶体。
4、某石灰石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.2%，将该石灰石 破碎成石子，石子的堆积密度为1580kg/m3，求此石子的表观密 度和空隙率。
ρ0=（1-0.012）*2.70 P’=（1-1580/ρ0）*100%
孔隙率越大，表观密度越小、强度越低。开孔能提高材料的吸水性、 透水性、吸声性，降低抗冻性。细小的闭孔能提高材料的隔热保温性能 和耐久性。细小的开孔能提高材料的吸声性。
3、一块砖，外形尺寸240*115*53mm，从室外取来时重量为2700g， 浸水饱和后重量为2850g，绝干时重量为2600g，求此砖的含水率、 吸水率、干表观密度。
9、材料科学的基本原理？举例说明。
材料的组成、结构决定其性能。例：混凝土材料，通过调整原材料 品种及配合比，可以获得具有不同强度、表观密度等性质的混凝土；通过 抽孔、引气等措施改变其宏观结构，可改变其表观密度、渗透性等性质； 通过控制微裂缝、水化程度，可改变其强度。
10、材料的性能与使用性能有何关系？
4、某石灰石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.2%，将该石灰石 破碎成石子，石子的堆积密度为1580kg/m3，求此石子的表观密 度和空隙率。
5、某岩石在气干、绝干、水饱和状态下测得的抗压强度分别为 172、178、168MPa，求该岩石的软化系数？并指出该岩石可否 用于水下工程？ 6、建筑物的屋面、外墙、基础所使用的材料各应具备哪些性质？
第四节 材料的组成与结构
材料科学的一个基本原理是：材料的性能取决于材料的组 成与结构。
基本概念
化学组成，矿物组成；宏观结构，细观结构，微观结构； 宏观构造；晶体，玻璃体，胶体。
东南大学土木工程材料-第1章 fx土木工程材料的基本性质修
➢ 软化系数
K软
软化系数：材料浸水后强度降低的程度。
f饱 f干
结论： 材料的软化系数大小一般波动在0～1之间； 软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降 低越多，其耐水性越差。
1.3 材料与水有关的性质
➢ 工程对材料软化系数的要求 ❖ 用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系
数不低于0.85的材料； ❖ 用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于0.70～
W含
m含 m干 m干
100 %
1.3 材料与水有关的性质
➢ 影响吸湿性的主要因素
➢ 本身的亲水、憎水性 ➢ 孔隙率 ➢ 孔隙特征 ➢ 周围空气的湿度和温度 ➢ 平衡含水率 平衡含水率：材料既能在空气中吸收水分，同时又可以向
外扩散水分，最终使材料中水分与周边空气 中的湿度达到平衡，此时材料的含水率。
1.3 材料与水有关的性质
2、吸水性与吸湿性
吸水性：材料在浸水状态下的吸水能力，通常用 吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体 积吸水率。
➢ 质量吸水率
质量吸水率：材料吸收水分的质量占材料干燥质量的比例。
➢ 体积吸水率
Wm
m1 m
m
100%
体积吸水率：材料吸收水分的体积占自然状态下体积的比例。
Wv
V水 V0
应用：比如压力管道安装时，选择在间隔多少米加装一个 膨胀节或让管道转弯以便让管道由于温度的变化而能够自 由伸缩时，就要根据管子的线膨胀系数算出膨胀量。
1.3 材料与水有关的性质
材料与热有关的性质
4、耐燃性与耐火性
(１)耐燃性 定义：材料抵抗燃烧的性质。 分类：不燃、难燃、可燃 作用：是影响建筑物防火、耐火等级的重要因素。 (２)耐火性 定义：材料抵抗长期高温的性质成为耐火性。 分类：耐火、难熔、易熔 耐燃的材料不一定是耐火的。如钢材。
《土木工程材料》课件——材料的热工性质
材料名称
砖（20℃） 水泥、混凝土（20℃） 有机玻璃（20～100℃） 辉绿岩板 耐酸陶砖、陶板 不透性石墨板（浸渍型） 硬聚氯乙烯（10～60℃） 玻璃管道（0～500℃） 玻璃（2O～100℃）
线膨胀系数a，1/℃
9.5×10-6 （10～14）×10-6 130×10-6 1×10-6 （4.5～6）×10-6 5.5×10-6 59×10-6 ≤5×10-6 4～11.5×10-6
影响材料导热系数的主要因素： ①组成与结构 金属＞无机非金属＞有机(窗）
晶体＞玻璃体，如水淬矿渣——较好的绝热材料 ②孔隙特征：P大， ρo小——λ小。
P相同时，孔径大、连通孔多—— λ越大 ③湿度 水λ=0.58（冰λ=2.2，空气0.029）(防潮） ④温度升高——λ增加（热管、锅炉绝热材料） ⑤热流方向——各向异性材料木材λ∥ 0.35、 λ⊥0.17
0.17～0.35
2.51
泡沫塑料 0.03
1.30
冰
2.20
2.05
水
0.60
4.19
静止空气 0.025
工程中通常把λ＜0.23 W／(m·K)（0.25）的材料称为绝热 材料（或保温隔热材料）（ ） 哈尔滨49-30,37—10 燃烧性能达不到B1级，作为临时建筑曾
多次发生火灾，金属面层传热速度非常快，火灾时施救也非常困难。故从严要求，改用不燃材料（如岩棉）的金属面夹芯复合板材。)
Q= λ(t1-t2)AZ/a
式中：λ——材料的导热系数，w/（m·K）；
Q ——总传热量，J； a ——材料厚度，m；
A ——热传导面积，m2； Z ——热传导时间，h；
t1-t2——材料两侧温度差，K。
一、材料的导热性
教学课件 土木工程材料(第3版)苏卿
，
V0 —材料在自然状态下的堆积体积（cm3或
m3 ），它包含内部和颗粒之间的空隙。
1.2 材料的基本物理性质
1.2.3 密实度和孔隙率 （1）密实度
密实度是指材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体 物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算：
D V 0 V0
1.2 材料的基本物理性质
1.2.1 孔隙构造 体积是指材料占有的空间大小。由于材 料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
1-1
第一章 土木工程材料的基本性质
1.2 材料的基本物理性质
1.2.2 体积 体积是指材料占有的空间大小。由于材 料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
1.2 材料的状态参数和结构特征
1.2 材料的基本物理性质
1.2.2 体积与密度
（3）毛体积 V0与体积密度 ρ0
V0是指材料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体积（材料实体+闭口孔隙 体积+开口孔隙体积）。
对于外形规则的材料，可以直接量取其外形尺寸，计算即可；对于不规则的 材料，采用封蜡处理后用排液法测定。
1.2.2 体积与密度
难点：材料的密度及其计算方法、材料 的亲水性、材料的热物理性质
第一章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的组成、结构及构造
土木工程中，由于工程性质、结构部位和环境条 件不同，对材料性能的要求也不同。材料应具备强度、 刚度、耐久和装饰等作用。
第一章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的组成、结构及构造
1.1.1材料的组成
• 化学组成 • 物相组成
1.1 材料的组成、结构及构造
1.1.1材料的组成
V0 —材料在自然状态下的堆积体积（cm3或
m3 ），它包含内部和颗粒之间的空隙。
1.2 材料的基本物理性质
1.2.3 密实度和孔隙率 （1）密实度
密实度是指材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体 物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算：
D V 0 V0
1.2 材料的基本物理性质
1.2.1 孔隙构造 体积是指材料占有的空间大小。由于材 料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
1-1
第一章 土木工程材料的基本性质
1.2 材料的基本物理性质
1.2.2 体积 体积是指材料占有的空间大小。由于材 料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
1.2 材料的状态参数和结构特征
1.2 材料的基本物理性质
1.2.2 体积与密度
（3）毛体积 V0与体积密度 ρ0
V0是指材料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体积（材料实体+闭口孔隙 体积+开口孔隙体积）。
对于外形规则的材料，可以直接量取其外形尺寸，计算即可；对于不规则的 材料，采用封蜡处理后用排液法测定。
1.2.2 体积与密度
难点：材料的密度及其计算方法、材料 的亲水性、材料的热物理性质
第一章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的组成、结构及构造
土木工程中，由于工程性质、结构部位和环境条 件不同，对材料性能的要求也不同。材料应具备强度、 刚度、耐久和装饰等作用。
第一章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的组成、结构及构造
1.1.1材料的组成
• 化学组成 • 物相组成
1.1 材料的组成、结构及构造
1.1.1材料的组成
《土木工程材料》教材
《土木工程材料》教材一、绪论本教材旨在介绍土木工程中常用的材料及其基本性质，包括建筑材料、钢材、水泥、混凝土、沥青及沥青混合料、木材以及其他工程材料。
教材将重点介绍这些材料的基本性质、特点、应用领域以及绿色土木工程材料和智能建造与BIM技术应用等方面的内容。
二、建筑材料的基本性质本章将介绍建筑材料的基本性质，包括密度、孔隙率、强度、弹性模量、韧性以及耐久性等。
通过对这些基本性质的了解，可以更好地选择和使用建筑材料。
三、天然石材天然石材是一种重要的土木工程材料，具有高强度、高密度和良好的耐磨性等优点。
本章将介绍天然石材的分类、特点、应用领域以及与其他材料的比较等方面的内容。
四、钢材钢材是一种具有高强度和良好塑性的土木工程材料，广泛用于桥梁、高层建筑等领域。
本章将介绍钢材的分类、特点、制造工艺以及在土木工程中的应用等方面的内容。
五、水泥水泥是一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木工程中。
本章将介绍水泥的分类、特点、制造工艺以及在土木工程中的应用等方面的内容。
六、混凝土混凝土是一种由水泥、砂、石和水混合而成的复合材料，具有高强度、耐久性和良好的可塑性等优点。
本章将介绍混凝土的分类、特点、制造工艺以及在土木工程中的应用等方面的内容。
七、沥青及沥青混合料沥青及沥青混合料是一种防滑、耐磨和耐候性良好的土木工程材料，广泛应用于道路工程中。
本章将介绍沥青及沥青混合料的分类、特点、制造工艺以及在土木工程中的应用等方面的内容。
八、木材木材是一种可再生和可循环利用的土木工程材料，具有轻质高强、耐久性好等优点。
本章将介绍木材的分类、特点、制造工艺以及在土木工程中的应用等方面的内容。
土木工程材料的基本性质
第一节 材料的物理性质
二、与水有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
3.吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收水分的性质,称为吸湿性。 用含水率 含水率表示： 含水率
影响材料吸湿性的因素有： (1)自身的特性(亲水性、孔隙率和孔隙特征)。 (2)周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，材料的含水率 就越大。 (3)材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，称为平衡含 水率。
第一节 材料的物理性质
二、与水有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
5.抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性(不透水性)。 材料的抗渗性可用以下两种方法表示: (1)渗透参数K 渗透参数K 渗透系数越大,表明材料的透水性越好而抗渗性越差。 (2)抗渗等级 是指材料在标准试验方法下进行透水试验,以规定的试件在透水 前所能承受的最大水压力p(MPa)来确定。P 越大,材料的抗渗性 越好。 影响材料抗渗性的因素： 与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。 孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。
(3)测定方法：磨细、烘干、称量、排水法测体积。
第一节 材料的物理性质
一、与质量和体积有关的性质
1.1材料的物理性质 1.2材料的力学性质 1.3材料的耐久性
2.视密度 (1)定义：包括闭口孔隙在内的单位体积的质量。 (2)计算公式： （g/cm3）
(3)适用范围及测定方法：已经是粒状的材料，如：砂、石子、水泥 等,不再磨细，直接用排水法测定其体积。
反映块状材料密实程度的二个指标： 反映块状材料密实程度的二个指标： 块状材料密实程度的二个指标 5.密实度D 6.孔隙率P 显然，D+P=1。 显然，D+P=1
第1章_土木工程材料基本性质1详解
2.韧性——产生一定变形不破坏,能吸收较大的能量。
韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。 采用冲击试验测定。
1.2.4 硬度
材料另一个重要的力学性能是硬度。它是 指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属 材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法， 是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷 等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大 的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所 以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。
m v
m 0 v0
m / v
/
1.1.2 材料的孔隙率和空隙率
孔隙率
V0 V 0 孔隙体积 P 100% 100% (1 ) 100% 总体积 V0
空隙率
/ / V V 空隙体积 0 P' 100% 100% (1 ) 100% / 堆积体积 V 0
(2) 路面磨损裂纹
现象
经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。
讨论
(2) 路面磨损裂纹
讨论
路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表 面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水 泥混凝土的耐磨性不够。
1.3 材料的耐久性与环境协调性
工程实例分析
(1) 室内空气污染
(2) 放射性污染
(1) 室内空气污染
1.1.3 与水有关的性质
1.亲水性与憎水性 (Water affinity、Water repellency)
水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不 能润湿材料的表面。对工程防水有利。
水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展， 并自发地润湿表面。
有机材料一般是憎水性， 无机材料都是亲水性。
1.3 材料的耐久性与环境协调性
土木工程材料-材料的热工声学光学性质及耐久性
试题
1.材料在各种外界因素作用下,能长期正常的工作,
能保持原有性能而不变质、不破坏的性质，称为
（)
A.抗化学侵蚀性 B.抗碳化性能
C.大气稳定性
D. 耐久性
❖ 隔声性: 隔空气声 隔固体声
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、 材料的耐久性
❖ 耐久性:材料在长期使用过程中，能保持其原有
性能而不变质、不破坏的性质，统称之为，它是 一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐 热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。
❖ 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还 要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破 坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。
（二）材料的热容量
❖ 热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量 的性质，用比热容表示，即
C Q m(t1 t2 )
式中 C ——材料的比热容，kJ／(kg·K)。 Q ——材料的热容量，kJ； m ——材料的重量，kg； t1-t2 ——材料受热或冷却前后的温度差，K；
材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每 改变1K时所吸收或放出的热量。 ❖ 材料中热容量最大的是水，为C=4.19 J／(kg·K).
（四）耐火性
材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的 性能称为材料的耐火性。按耐火性高低可将材料
分为以下3类：
❖ 耐火材料
❖ 难熔材料
❖ 易熔材料
二、 材料的声学性质
❖ 吸声性 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸 声性，评价指标为吸声系数。
❖ 影响材料的吸声效果因素有： ➢材料的表观密度和声速 ➢材料的孔隙构造 ➢材料的厚度等
小结：选用围护结构材料时，要达到保温隔热效果，
应选用导热系数小，热容量大的材料。
第2章土木工程材料的基本性质
➢ 渗透系数越小，说明材料的抗渗性越好。 ➢ 对于混凝土和砂浆，其抗渗性常用抗渗等级来表
示。
5. 材料的抗冻性 抗冻性是指材料在饱和水作用下，经受多次冻
融循环而不破坏、强度也不严重降低的性能。 材料发生冻融破坏的原因是由于当温度达到冰
点时，材料内部的水分结冰引起体积膨胀，对孔 壁造成较强的冻胀压力，致使孔壁破裂，当发生 多次冻融循环后，会使得这种破坏作用加剧，表 现为由表及里的开裂，起皮，甚至脱落，降低材 料使用寿命。
3. 材料的耐水性
耐水性是指材料抵抗水破坏的能力。水对于材
料性能的破坏可以体现在不同方面。但最多的是
指对材料力学性能的破坏作用。
耐水性用软化系数来表示。计算公式如下：
Kf
f1 f0
式中：Kf—材料的软化系数；
f1—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
f0—材料在干燥状态下的抗压强度, MPa。
Q—传导的热量(J)。
d—材料的厚度(m)。
A—材料传热的面积(m2)。
z—传热时间(s)。
T2-T1—材料两侧的温度差(K)。
➢ 材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。
工程上把λ≤0.175W/(m•K) 的材料称为绝热材料。
2. 材料的热容量与比热容 热容量是指材料受热时吸收热量、冷却时放出热
D V0 100% 0 100%
V0
0
（2）空隙率 空隙率是指松散颗粒材料在堆积状态下，颗粒间 的空隙体积占堆积体积的百分率。计算公式如下：
P V0 V0 100% (1 V0 )100% (1 0 )100% 1 D
V0
V0
0
➢ 空隙率与填充率的关系：P’+D’=1 ➢ 空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的
示。
5. 材料的抗冻性 抗冻性是指材料在饱和水作用下，经受多次冻
融循环而不破坏、强度也不严重降低的性能。 材料发生冻融破坏的原因是由于当温度达到冰
点时，材料内部的水分结冰引起体积膨胀，对孔 壁造成较强的冻胀压力，致使孔壁破裂，当发生 多次冻融循环后，会使得这种破坏作用加剧，表 现为由表及里的开裂，起皮，甚至脱落，降低材 料使用寿命。
3. 材料的耐水性
耐水性是指材料抵抗水破坏的能力。水对于材
料性能的破坏可以体现在不同方面。但最多的是
指对材料力学性能的破坏作用。
耐水性用软化系数来表示。计算公式如下：
Kf
f1 f0
式中：Kf—材料的软化系数；
f1—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
f0—材料在干燥状态下的抗压强度, MPa。
Q—传导的热量(J)。
d—材料的厚度(m)。
A—材料传热的面积(m2)。
z—传热时间(s)。
T2-T1—材料两侧的温度差(K)。
➢ 材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。
工程上把λ≤0.175W/(m•K) 的材料称为绝热材料。
2. 材料的热容量与比热容 热容量是指材料受热时吸收热量、冷却时放出热
D V0 100% 0 100%
V0
0
（2）空隙率 空隙率是指松散颗粒材料在堆积状态下，颗粒间 的空隙体积占堆积体积的百分率。计算公式如下：
P V0 V0 100% (1 V0 )100% (1 0 )100% 1 D
V0
V0
0
➢ 空隙率与填充率的关系：P’+D’=1 ➢ 空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的
柯国军主编《土木工程材料》部分作业参考答案
第一章土木工程材料的基本性质P24：评注一般来说，孔隙率增大，材料的体积密度降低、保温性能提高、抗渗性降低、抗冻性降低、耐腐蚀性降低、耐久性降低、吸水性提高。
若是开口孔隙和连通孔隙增加，会使材料的吸水性、吸湿性和吸声性显著增强，而使材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等耐久性能显著下降。
若是封闭的细小气孔增加，则对材料的吸水、吸湿、吸声无明显的影响；但对抗渗性、抗冻性则有影响。
在一定的范围内，增加细小封闭气孔．特别是球形气孔，会使材料的抗渗性、抗冻性提高。
在孔隙率一定的情况下，含大孔、开口孔隙及连通孔隙多的材料，其保温性较含细小、封闭气孔的材料稍差。
题1.7、答：材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用．能长久地保持其使用性能的性质。
材料在建筑物中．除要受到各种外力的作用外。
还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用．这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。
物理作用有：干湿变化、温度变化及冻融变化等．这些作用将使材料发生体积的胀缩或导致内部裂缝的扩展．时间长久之后即会使材料逐渐破坏。
在寒冷地区，冻融变化对材料起着显著的破坏作用。
在高温环境下．经常处于高温状态的建筑物或构筑物．所选用的建筑材料要具有耐热性能。
在民用和公共建筑中．考虑到安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。
化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用；机械作用包括使用荷载的持续作用以及交变荷载引起的材料疲劳、冲击、磨损、磨耗等；生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。
砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。
金属材料则主要是由于化学作用而引起的腐蚀。
木材等有机质材料常因生物作用而遇到破坏。
沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。
材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。
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孔隙率 密度 表观密 强度 吸水率 抗冻性 导热性 度
↑
2、已知卵石的表观密度为2.6g/cm3，把它装入一个2m3的车 厢内，装满共用3500Kg，求该卵石此时的空隙率？若用堆 积密度为1500Kg/m3的砂子，填入上述车内卵石的全部空 隙，共需砂子多少Kg？
3、某厂生产的烧结粉煤灰砖，干表观密度为1450kg/m3，密 度为2.5g/cm3，质量吸水率为18%，试求：①砖的孔隙率； ②体积吸水率；③孔隙中开口孔隙体积与闭口孔隙体积各 自所占的百分数。
n 生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作 用而产生的破坏。
青藏公路雅玛尔河大桥桥墩表面混凝土冻融剥落情形
青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土桥墩
梁钢筋锈蚀
n 提高措施 减轻环境的破坏作用 提高材料的密材料的孔隙率增大时，下表 内的其他性质将如何变化(用符号填写：↑增 大，↓下降，一不变，?不定)?
4、现有甲、乙两种墙体材料，密度均为2.7g/cm3。甲的干 表观密度为1400kg/m3，质量吸水率为17%。乙浸水饱和 后的表观密度为1862kg/m3，体积吸水率为46.2%。试求： （1）甲材料的孔隙率和体积吸水率；（2）乙材料的干表 观密度和孔隙率；（3）哪种材料抗冻性差，并说出理论
根据。
n 把导热系数小于0.23W/m·k的材料称为绝热材 料。
n 物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环 等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩,或 导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生 破坏。
n 化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的 水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成 分发生质的变化，而引起材料的破坏。
三、材料的热工性质
导热性
n 材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数λ
（w/m·K）表示:
Qa
At(T2 T1)
n 式中： Q ——总传热量，J；
a ——材料厚度，m；
n
A ——热传导面积，m2；
n
t ——热传导时间，h；
T2-T1——材料两侧温度差，K。
n 影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构 成、微观结构、孔隙构造、湿度、温度和热流 方向等。
↑
2、已知卵石的表观密度为2.6g/cm3，把它装入一个2m3的车 厢内，装满共用3500Kg，求该卵石此时的空隙率？若用堆 积密度为1500Kg/m3的砂子，填入上述车内卵石的全部空 隙，共需砂子多少Kg？
3、某厂生产的烧结粉煤灰砖，干表观密度为1450kg/m3，密 度为2.5g/cm3，质量吸水率为18%，试求：①砖的孔隙率； ②体积吸水率；③孔隙中开口孔隙体积与闭口孔隙体积各 自所占的百分数。
n 生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作 用而产生的破坏。
青藏公路雅玛尔河大桥桥墩表面混凝土冻融剥落情形
青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土桥墩
梁钢筋锈蚀
n 提高措施 减轻环境的破坏作用 提高材料的密材料的孔隙率增大时，下表 内的其他性质将如何变化(用符号填写：↑增 大，↓下降，一不变，?不定)?
4、现有甲、乙两种墙体材料，密度均为2.7g/cm3。甲的干 表观密度为1400kg/m3，质量吸水率为17%。乙浸水饱和 后的表观密度为1862kg/m3，体积吸水率为46.2%。试求： （1）甲材料的孔隙率和体积吸水率；（2）乙材料的干表 观密度和孔隙率；（3）哪种材料抗冻性差，并说出理论
根据。
n 把导热系数小于0.23W/m·k的材料称为绝热材 料。
n 物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环 等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩,或 导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生 破坏。
n 化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的 水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成 分发生质的变化，而引起材料的破坏。
三、材料的热工性质
导热性
n 材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数λ
（w/m·K）表示:
Qa
At(T2 T1)
n 式中： Q ——总传热量，J；
a ——材料厚度，m；
n
A ——热传导面积，m2；
n
t ——热传导时间，h；
T2-T1——材料两侧温度差，K。
n 影响材料导热系数的主要因素有材料的物质构 成、微观结构、孔隙构造、湿度、温度和热流 方向等。