第1章土木工程材料的基本性质
第1章 土木工程材料_基本性质
第一章土木工程材料的基本性质本章导学学习目的：土木工程材料有无机材料、有机材料及复合材料，它具有结构或功能的作用。
而土木工程包括建筑工程、道路工程、桥梁工程、地下工程、岩土工程等，土木工程材料为这些工程服务，通过学习其基本性质，了解土木工程基本性质与工程特性的关系。
教学要求：通过工程实例说明土木工程材料的分类；通过各种土木工程特点的分析，说明土木工程材料的物理、力学性质及耐久性；重点讲解土木工程材料的密度、与水有关的性质、强度、弹性、粘性与塑性。
1.1土木工程材料的分类土木工程材料是指在土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。
它是一切土木工程的物质基础。
由于组成、结构和构造不同，土木工程材料品种繁多、性能各不相同、在土木工程中的功能各异，而且价格相差悬殊，在土木工程中的用量很大，因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程结构物安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。
由于土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和论述方便，常从不同角度对它进行分类。
最通常的是按材料的化学成分及其使用功能分类。
1.1.1按化学成分分类根据材料的化学成分，可分为有机材料、无机材料以及复合材料三大类，如表1－1所示。
1.1.2按使用功能分类根据材料在土木工程中的部位或使用性能，大体上可分为二大类，即土木工程结构材料（如钢筋混凝土、预应力混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土、墙体材料、路面基层及底基层材料等）和土木工程功能材料（如吸声材料、耐火材料、排水材料等）。
1．土木工程结构材料土木工程结构材料主要指构成土木工程受力构件和结构所用的材料。
如梁、板、柱、基础、框架、墙体、拱圈、沥青混凝土路面、无机结合料稳定基层及底基层和其它受力构件、结构等所用的材料都属于这一类。
对这类材料主要技术性能的要求是强度和耐久性。
目前所用的土木工程结构材料主要有砖、石、水泥、水泥混凝土、钢材、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土、沥青和沥青混凝土。
在相当长的时期内，钢材、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土仍是我国土木工程中主要结构材料；沥青、沥青混凝土、水泥混凝土、无机结合料稳定基层及底基层则是我国交通土建工程中主要路面材料。
土木工程材料材料基本性质
火烧
难碳化
防火处理的 木材和刨花板
可燃材料
高温 火烧
立即起火 或微燃
木材
42
1.1.4 热工性质
• 耐燃性
钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高温作 用会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧
材料，但不是耐燃的材料
43
1.1.4 热工性质
• 耐燃性
44
1.1.4 热工性质
• 耐燃性案例
某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏
组成相同，其构造不同，强度也不同。
孔隙率愈大
强度愈低
53 6-23
1.2.1 强度
• 影响材料强度的几个因素
2. 材料的强度也与其含水状态有关， 含有水分的材料，其强度较干燥时的低
3. 材料的强度也与其温度有关 一般温度高时，材料的强度将降低
例如：沥青混凝土，钢铁
54 7-23
1.2.1 强度
• 影响材料强度的几个因素
• 耐水性
材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质
耐水性用 软化系数
KR的大小表明材料在浸 水饱和强度降低的程度。
KR值愈小，表示材料吸水饱和后 强度下降愈多，即耐水性愈差。
28
1.1.3 与水有关的性质
• 耐水性
一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是 因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱
对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。 封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，
但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。
24
1.1.3 与水有关的性质
•吸水性与吸湿性
空气湿度 环境温度
吸湿性
微小开口孔隙
第1章 土木工程材料基本性质1
θ
σsl
(b)憎水性材料
σ sg − σ sl cos θ = σ lg
θ--润湿角(接触角)
土木工程材料
1、亲水性与憎水性
根据水与材料表面的润湿角 的大小， 根据水与材料表面的润湿角θ的大小，有：
亲水性 0≤θ≤ 90°时，材料表面可被水所湿润； 90° 材料表面可被水所湿润； 材料表面被水湿润，水可被材料所吸附； 材料表面被水湿润，水可被材料所吸附； 材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲 材料的这种性能称为亲水性，这种材料称为亲 水性材料。 水性材料。 憎水性 90o＜ θ≤180o时，材料表面不可被水湿润； 材料表面不可被水湿润； 材料称为憎水性材料， 材料称为憎水性材料，这种性能称为材料的憎 水性。 水性。
土木工程材料
m ρ '0 = V '0
(3)堆积密度 (3)堆积密度
• 松堆积方式测得的堆积密度值要明显小于紧堆积时 的测定值。 的测定值。 • 工程中通常采用松散堆积密度，确定颗粒状材料的 工程中通常采用松散堆积密度， 堆放空间。 堆放空间。
土木工程材料
密度、 密度、表观密度和堆积密度测量方法
土木工程材料
(2)表观密度 (2)表观密度
• 表观密度的大小除取决于密度外，还与材料孔隙率 表观密度的大小除取决于密度外， 及孔隙的含水程度有关。 及孔隙的含水程度有关。 • 材料孔隙越多，表观密度越小； 材料孔隙越多，表观密度越小； • 当孔隙中含有水分时，其质量和体积均有所变 当孔隙中含有水分时， 因此在测定表观密度时，须注明含水情况， 化。因此在测定表观密度时，须注明含水情况， 没有特别标明时常指气干状态下的表观密度， 没有特别标明时常指气干状态下的表观密度， 在进行材料对比试验时， 在进行材料对比试验时，则以绝对干燥状态下 测得的表观密度值（干表观密度）为准。 测得的表观密度值（干表观密度）为准。 • 工程上可以利用表观密度推算材料用量，计算构件 工程上可以利用表观密度推算材料用量， 自重，确定材料的堆放空间。 自重，确定材料的堆放空间。
第一章 土木工程材料的基本性质
空气声： 选择密实、沉重的材料
固体声： 采用不连续的结构处理
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1.2 材料的基本力学性质 一、 强度和比强度
强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力
极限强度：材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力 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：
耐久性
第1章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的物理性质 一、 与质量状态有关的物理性质
1. 密度：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
m V
––– 密度，g/cm3；
m ––– 材料在干燥状态下的质量，g； V––– 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
测量方法 有较多孔隙的材料，
比强度：按单位体积的质量计算的材料强度， 等于材料强度与其容积密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
常用土木工程材料的强度（单位：MPa） 材料名称 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 120~250 5~8 10~14 花岗岩 7.5~30 1.8~4.0 普通粘土砖 7.5~60 1.0~4.0 普通混凝土 30~50 80~120 60~100 松木(顺纹) 235~600 235~600 建筑钢材
膨胀珍珠岩
矿棉
矿棉板
膨胀珍珠岩板
第1章 土木工程材料的基本性质
2.热阻R
热阻: 材料层厚度与导热系数的比值，表明热量通过材料 层时所受到阻力。 影响因素： 孔隙结构，含水状况，材料的组成，温度等
第1章 土木工程材料的基本性质
3.热容量——用比热c表示
热容量: 材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。
Q 比热： c m (T1 T2 )
土木工程材料
第一章土木工程材料的基本性质1、什么是材料的密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度？答：密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量(p=m/v)；表观密度是材料在包含闭口空隙条件下单位体积的质量(p’=m/v’)；毛体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量(p=m/v);堆积密度是指散粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量(p0=m/v0)2、某石灰岩的密度为2.68g/cm3,孔隙率为1.5%，将该石灰岩破碎成碎石，岁时的堆积密度为1520Kg/m3。
求碎石的毛体积密度和间隙率答:毛体积密：P=(1-p0/p);p0=(1-P)·p间隙率：P0=(1-p0’/p0)【p0’为堆积密度；p0为毛体积密度；p为密度】4、、什么是亲水性材料和憎水性材料？答：当材料与水接触时，如果水可以在材料表面铺展开，即材料表面可以被水所湿润，则称材料具有亲水性，这种材料被成为亲水材料；若水不能在材料表面铺展开，即材料表面不能被水所湿润，则称材料具有憎水性，此种材料成为憎水材料。
5、隔热保温材料为什么要防止受潮？答：材料中含有水或冰时，因为水和冰的导热系数是空气的25倍和100倍，导热系数会急剧增加。
6、什么叫材料的耐久性和安全性？答：材料在使用过程中，抵抗各种内在或外部破坏因素的作用，保持其原有性能，不变质、不破坏的性质称为耐久性；材料的安全性是指材料在生产和使用的过程中是否对人类或环境造成危害的性能。
通常，人们是根据使用条件与要求在实验室进行快速实验，对材料的耐久性进行判断。
7、当建筑材料的孔隙率增大时，下表中的性质将如何变化？第二章无机胶凝材料1、胶凝材料按硬化条件如何分类？答：水硬化；非水硬化2、什么叫生石灰的熟化？生石灰熟化后为什么要“陈伏”？答：生石灰（CaO）与水反应生成氢氧化钙的过程，称为生石灰的熟化或消化；为了消除过火石灰的再次熟化产生膨胀而引起隆起和开裂（陈伏2周）3、试述建筑石膏（半水石膏）的特性、差别和用途答：特性：凝结硬化快；尺寸稳定，装饰性好；孔隙率高；防火性好；耐久性和抗冻性差；用途:室内粉刷；建筑石膏制品4、从硬化过程和硬化产物分析石灰和石膏性能的差别答：硬化过程：石灰的硬化包括干燥结和喝碳化：石膏：浆体变稠，二水石膏凝聚成晶体，逐渐长大、共生和交错生长；硬化产物：石灰：氢氧化钙晶体、碳酸钙；石膏：结晶结构网5、试述水玻璃的特性和用途答：特性：较高的粘结力、强度高、耐酸性好、耐碱性、抗渗性、耐水性差；用途：涂料、注浆材料、配置速凝防水剂、制备碱－矿渣水泥6、碳酸盐水泥的主要矿物成分有哪些？它们的水化特征如何？它们对水泥的性质有何影响？主要矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙；水化特征及对水泥性质的影响：7、常用的硅酸盐系列水泥有哪些主要技术要求？这些要求有何工程意义？答：细度、凝结时间、体积安定性、强度及强度等级、水化热、碱含量；其性能直接影响工程质量8、试说明水泥体积安定性不良的原因。
土木工程材料复习资料
注：材料的孔隙率p可分为开口空隙率pk和闭口孔隙率pb
即p=pk+pb
5.含水率：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性常以含水率表示。
W含=（m含—m）/m
m含——材料含水时的质量
第二章 气硬性无机凝胶材料
1.石膏 建筑石膏
化学成分：Caso4·1/2H2o
2.石灰
化学成分Cao(生石灰) （熟石灰、消石灰Ca(OH)2）→硬化 硬化产物Caco3
3.孰料矿物
硅酸三钙3Cao·SiO2 C3S
硅酸二钙2CaO·SiO2 C2S
铝酸二钙3CaO·Al2O3 C3A
铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF
▷混凝土拌合物的和易性是一项综合技术性质，它至少包括流动性，粘聚性和保水性三项性能。
4.和易性的调整：若流动性太大，可在砂率不变的条件下，适当增加砂、石。若流动性太小，可保持水灰比不变，增加适量的水和水泥；若粘聚性和保水性不良，可适当增加砂率，直到和易性满足要求为止。
5.影响混凝土抗压强度的因素
1.什么叫木材的平衡含水率
经一定时间，木材吸湿或解湿与在大气条件（温度、湿度等）达到平衡状态时，其含水率相对稳定，这时木材的含水率称为该大气条件的平衡含水率。
2.影响木材强度的主要因素：
①含水率②环境温度③外力作用时间④木材使用时间⑤缺陷
3.木材湿胀干缩对变形的影响
4.木材的宏观结构
树木由树皮、木质部、和髓心所组成
6.①水泥石腐蚀的原因：
a存在易受腐的Ca(OH)2和水化铝酸钙
b水泥石本身不致密，侵蚀性介质入内
第1章 土木工程材料的基本性质
(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
未烧透的的重红量，砖从而导致房屋倒塌。
保温层的目的是较少外界温度变化对住户的 影响，材料保温性能的主要描述指标为导热 系数和热容量，其中导热系数越小越好。观
A B 察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构， B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较 小，适于作保温层材料。
7.其它性质
1 耐火性
耐火材料、难熔材料、易熔材料
2 耐燃性
韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。
1.2.4 材料的硬度和耐磨性（了解性内容）
1.硬度——抵抗外物压入或刻划的能力。 可采用：莫氏硬度（石料、陶瓷等）； 布氏、洛氏硬度（金属材料）。 特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。
2.耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力。
（路面材料要求）
1.3 材料的耐久性
材料在各种环境因素作用下，在长期使用过程中 保持其性能稳定的性质。
5. 材料的抗冻性
——材料饱水状态下<，思能考经>：受孔多隙次率冻越融交替作用， 既不破坏，强度又不大显，著材降料低的的抗性冻质性。
抗冻等级：能经受冻融是否循越环差的？最大次数，
记为F50、F100、F200、F300 …
材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔 隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融 破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水 越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔 隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔 隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的
第1章 土木工程材料的基本性质
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1.6.4 硬度和耐磨性
• 硬度
材料表面抵抗被刻划、擦伤和磨损的能力，称为硬 度。
按测定方法分为：压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、 刻痕硬度等。
实体体积 ——李氏比重瓶法(粉末)
表观体积(实体＋闭口) —— 排水法(水中重法) 毛体积（实体＋闭口＋开口）
——规则试件：计算法；
不规则试件：饱和排水法、封蜡排液法 堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)——密度筒法
8
1.2.2
材料的孔隙率与密实度 ——单块材料
V0 V 0 孔隙体积 100 % 100 % (1 ) 100 % 孔隙率 P 总体积 V0
m1——材料湿质量，g mo——材料干质量，g
☺ 材料湿度与空气湿度达平衡时的含水率称为平衡含水率。 ☺ 影响材料含水率的因素有：环境温度和湿度、材料亲水性、 孔隙率、孔隙特征。 思考题：含水率为4%的湿砂重100g，其中水的重量 为4 g？
19
1.3.3
耐水性(Water resistance)
卸载后材料的变形行为：
变形可完全恢复 变形不可恢复或部分恢复
29
• 弹性
当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全 恢复原来变形的性质称为弹性； 具有这种性质的材料称为弹性材料； 根据其应力—应变曲线，有:线弹性和非线弹性。
• 塑性 非线性特征：
当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料仍保持变 应力～应变曲线不是直线 应力与应变成正比； 形后形状和尺寸、并不发生裂缝的性质称为塑性； 而是曲线 应力～应变曲线是一条直 具有这种性质的材料称为塑性材料； 应力与应变之比——弹性 线 模量不是常数 其应力—应变曲线是非线性的，且不连续，每一点的 应力与应变之比(直线斜率) 应力与应变之比都不相同。 是弹性模量，为常数。 E
第1章 土木工程材料的基本性质
不同材料，强度等级有不同的划分方法，具体划分在各章分讲 不同材料，强度等级有不同的划分方法，
常用材料强度
比强度——指材料强度与其表观密度 2. 比强度 指材料强度与其表观密度 之比。 之比。 意义：反映材料轻质高强的指标。值越大 材料越轻质高强 影响材料强度的因素 ①材料的组成、结构和构造 ②试验条件：试验方面的因素有：试件 大小、试件形状、加荷速度以及试件的 平整度等。 ③材料的含水情况 ④温度
1.4
耐久性与环境协调性
耐久性——材料抵抗外力破坏的能力。 材料抵抗外力破坏的能力。 1.4.1 耐久性 材料抵抗外力破坏的能力 综合性质： 抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐热性、耐磨 性等不同环境中，应考虑相应的性质。 1.4.2 环境协调性 ——对资源和能源消耗少,对环境污染小,循环再生利用 率高。 目前，提倡“绿色建材”
注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 KR：0~1之间，通常>0.80则认为是耐水材料 0~1之间，通常>0.80则认为是耐水材料 之间 >0.80则认为是 若在潮湿环境下的重要建筑物，必须选用>0.85的材料建造 若在潮湿环境下的重要建筑物，必须选用>0.85的材料建造 潮湿环境下的重要建筑物 >0.85
1.5.2 弹性和塑性 1.弹性——外力作用产生变形,外力取消能完全恢复。 指标：弹性模量
σ E= ε
意义：E表示材料抵抗变形的指标，E值越大，材料 越不易变形，即抵抗变形的能力越强。 2.塑性——外力作用产生变形,外力取消变形不能恢复
混凝土的应力应变曲线
钢的应力应变曲线
1.5.3 韧性和脆性 1.脆性——无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等 特点：抗压强度远高于抗拉强度 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-土木工程材料的基本性质
材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系 数和抗渗等级。
材料的抗冻性:材料在水饱和状态下，能经受多次冻 融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。
抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下， 测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥 落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻等级， 用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。 如F25、F50等。
冻融破坏的大坝坝面
五、材料的热工性质
1、材料的导热性
材料传递热量的性质称为导热性，以导热系数表
示，即
Qa
At(T2 T1 )
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；
材料具有亲水性的原因是材料与水接触 时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身 分子间的内聚力。当材料与水பைடு நூலகம்间的分子亲 合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表 现为憎水性。
材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料 与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点 处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接 触面的夹角，称为润湿边角（润湿角）。
材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。
孔隙按尺寸分为微孔（≤2nm，无害孔）
毛细孔（2~50nm，少害孔）
大孔（≥50nm，有害孔）。
孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响很大。
第1章 土木工程材料的基本性质
D.强度高 ）。
2、为了达到保温隔热的目的，在选择墙体材料时，要求（ A. 导热系数小，热容量小 C. 导热系数大，热容量小 B. 导热系数小，热容量大 D. 导热系数大，热容量大
3、测定材料强度时，若加荷速度过（ 件下测得结果偏（ A.快，低 ）。 B. 快，高
）时，或试件尺寸偏小时，测得值比标准条
3 3 3 3 3 3
3
C. 慢，低 ） 。
D. 慢，高
4、某一材料的下列指标中为固定值的是（ A．密度 B．表观密度
C．堆积密度
D．导热系数
5、现有甲、乙两种材料，密度和表观密度相同，而甲的质量吸水率大于乙，则甲材料 （ ） 。 A．比较密实 B．抗冻性较差 C．耐水性较好 D．导热性较低
6、某材料 100g，含水 5g，放入水中又吸水 8g 后达到饱和状态，则该材料的吸水率可 用（ ）计算。 A．8/100 B．8/95 C．13/100 ）。 C．软化系数 ）时变小。 D．抗冻等级 D．13/95
第 1 章 土木工程材料的基本性质
一、学习指导 1、内容提要 本章介绍土木工程材料的各种基本性质及材料组成、结构、构造对材料性质的影响。主要包括： 1）材料的基本物理性质：包括材料与密度有关的性质（密度、表观密度、体积密度、堆积密度、 孔隙率与孔隙特征、空隙率等）；材料与水有关的性质（亲水性与憎水性、 吸水性与吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性等）；材料的热性质（导热性与热容量）；材料的耐 燃性等。 2）材料的基本力学性质：包括强度与比强度、弹性与塑性、脆性与韧性、硬度与耐磨性等。 3）材料的耐久性：材料耐久性的概念及影响材料耐久性的因素。 4）材料组成、结构与构造及其与材料性质的关系。 2、学习要求 1）了解材料的基本组成、结构和构造，材料的结构和构造与材料的基本性质的关系。 2）掌握材料的基本物理性质的概念、表示方法及与工程的关系。 3）掌握材料的基本力学性质的概念、表示方法及与工程的关系。 4）掌握材料耐久性的概念及影响材料耐久性的基本因素。 通过材料基本性质的学习， 要求了解材料科学的一些基本概念， 掌握材料的各种性质的基本 概念、表示方法、影响因素以及它们之间的相互关系和在工程实践中的意义。 3、重点、难点提示 1）重点提示：理解材料密度、表观密度、体积密度、堆积密度、孔隙率、吸水性及耐水性 的含义与表示方法。理解材料的孔隙率及孔隙特征对其体积密度、强度、吸水性、吸湿性、 抗渗性、抗冻性、导热性及吸音性等性质的影响。 2）难点提示：理解并掌握材料各物理量间的计算过程；理解材料的孔隙率及孔隙特征对其 基本性质的影响。 二、习题 （一）判断题 1、玻璃体材料就是玻璃，并具有良好的化学稳定性。 2、多孔材料吸水后，其保温隔热效果变差。 3、材料的吸水率就是材料内含有的水的质量与材料干燥时质量之比。 4、材料的孔隙率越大，其抗渗性就越差。 5、耐久性好的材料，其强度必定高。 （ ） （ （ （ （ ） ） ） ）
土木工程材料的基本性质
第1章土木工程材料的基本性质第1章土木工程材料的基本性质•1.1 材料的物理性质(physical properties) –1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度•(1)密度(density)–近似密度（视密度）(apparent density)•(2)表观密度(apparent density)•(3)堆积密度（散粒体）(bulk density)(for particles) –压实密度（compacted density）1 密实材料，如金属材料、花岗岩等材料的内部密实而没有孔隙VM ρ 密度：材料的密度－（1）密度2材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等孔表观密度：VVMVM+==ρ%VV100⨯=孔孔隙率%VV100⨯=密实度3 内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙空孔堆积密度：V V V M V M ++='='00ρ%V V 1000⨯'=空空隙率%V V 10000⨯'=填充率end第1章土木工程材料的基本性质–1.1.2 材料的密实度与孔隙率»(1)密实度(density)»(2)孔隙率(porosity)第1章土木工程材料的基本性质–1.1.3 材料的填充率与空隙率（散粒体）•(1)填充率(filling ratio)•(2)空隙率(voids ratio, void content, void volume) »表1.1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度第1章土木工程材料的基本性质• 1.1.4 材料与水有关的性质– (1) 材料的亲水性与憎水性•亲水性（被水润湿θ 90°）(hydrophilic nature)•憎水性（润湿角θ>90°）(hydrophobic nature) –(2) 材料的吸水性与吸湿性•吸水性(water absorptivity)»吸水率(water absorption)•吸湿性(hydroscopic nature)»含水率(moisture content)–(3) 材料的耐水性(抗水性)(water resistance)»软化系数(softening coefficient)第1章土木工程材料的基本性质–1.1.5 材料的抗冻性与抗渗性•(1)抗冻性(frost resistance)»水结冰时体积约增大9％，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。
土木工程材料_基本要点
土木工程材料_基本要点第一章土木工程材料的基本性质密度：材料在绝对密实状态下（不包括材料孔隙在内的体积），单位体积的质量表观密度：材料在自然状态下（包括材料内部孔隙的体积），单位体积的质量堆积密度：材料为散粒或粉状，在堆积状态下，单位体积的质量大小关系：密实度：材料体积内，被固体物质充实的程度孔隙率：材料体积内，孔隙体积所占的比例填充率：散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度空隙率：散粒材料体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。
亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质吸水性：材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水率表示吸湿性：材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表示耐水性：材料抵抗水破坏作用的性质，用软化性质表示软化系数的范围在0---1 之间。
用于水中、潮湿环境中的材料，必须选用软化系数不少于0.85的材料；用于受潮较轻的或者是次要结构，则不宜小于0.70—0.85 通常软化系数大于0.85 的材料称为耐水性材料。
抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质，用“抗冻等级”表示抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质，用渗透系数表示脆性：在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形韧性：在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不破坏的性质材料的组成是指化学组成和矿物组成材料的结构：宏观结构；细观结构；微观结构材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性、导热性、耐久性？第二章天然石材天然岩石根据生成条件，按地质分类分为岩浆岩、沉积岩、变质岩砌筑用石材分为毛石料石两类选择天然石材的原则：适用性；经济性；安全性适用性：考虑石材的技术性能是否满足使用要求经济性：考虑利用地方资源，尽可能做到就地取材安全性：对人体健康有影响的花岗岩：是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由石英、长石及少量暗色矿物和云母组成。
第1章土木工程材料基本性质
历史回顾
因地制宜用材的万里长城
万里长城飞越崇山峻岭，是我国古代劳 动人民的杰作，也是建筑史上的丰碑。万里 长城选用材料因地制宜，堪称典范。
居庸关、八达岭一段，采用砖石结构。 墙身用条石砌筑，中间填充碎石黄土，顶部 再用三四层砖铺砌，以石灰作砖缝材料，坚 固耐用。平原黄土地区缺乏石料，则用泥土 磊筑长城，将泥土夯打结实，并以锥刺夯打 土检查是否合格。在西北玉门关一带，既无 石料又无黄土，以当地芦苇或柳条与砂石间 隔铺筑，共铺20层。
5 抗冻性 材料在吸水饱和状态下抵抗多次 冻融循环而重量损失不大，强度也无 显著降低的性质称为材料的抗冻性。 （水变冰体积膨胀约9%）
材料受冻融破坏主要是 因其中的水结冰所致，水结冰 时体积增大约9%，这对材料孔 隙产生很大的冻胀应力而开裂， 冻融循环次数越多，对材料的 破坏作用越大。
1.1.4 热工性质
1．热容量和比热容 材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。 材料比热容的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所 吸收或放出的热量。 2．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。 材料的导热性可用导热系数来表示。材料的导热系数愈小，表示 其绝热性能愈好。 3. 燃烧性能 按照建筑材料及制品燃烧性能分级规定，将建筑材料及制品 分为四个等级：A级（不燃材料或制品）、B1级（难燃材料或制 品）、B2级（可燃材料或制品）和B3级（易燃材料或制品）。
第1章 土木工程材料基本性质
本章学习指导 历史回顾 1.1 材料的物理性质 1.2 材料的力学性质 1.3 材料的耐久性与环境协调性 1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响 创新能力培养 常见问题及解答 练习题 参与式试验
第1章 土木工程材料的基本性质
间的区别与联系，材料性质与其组成、结构、构造以及环境因
素的关系，材料强度的计算与测定。 【难点】材料基本性质的影响因素及其作用机理。
Civil Engineering Materials
1.1 材料的物理性质
1.1.1 与质量有关的性质
mb mg Vw 1 WV 100% 100% Vg Vg w
（1-9）
式中 WV ——材料的体积吸水率（%）；
VW ——材料吸水饱和时吸入水的体积（cm3 ） ；
Civil Engineering Materials
1.1.2 与水有关的性质
Vg ——材料在干燥状态下的自然体积（cm3）；
1.1.1 与质量有关的性质
2．密实度与孔隙率 （l）密实度（D） 密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料中固 体物质的体积占材料总体积的百分率。按下式计算：
D
V 100% 0 100% V0
（1-4）
（2）孔隙率（P）
孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。可用
Civil Engineering Materials
常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
材料 石灰石 花岗岩 碎石（石灰石） 砂 黏土 普通黏土砖 黏土空心砖 水泥 普通混凝土 轻骨料混凝土 木材 钢材 泡沫塑料 玻璃 密度 （g/cm3） 2.60 2.60～2.90 2.60 2.60 2.60 2.50～2.80 2.5 3.1 — — 1.55 7.85 — 2.55 表观密度 （kg/m3） 1800～2600 2500～2800 — — — 1600～1800 1000～1400 — 2000～2800 800～1900 400～800 7850 20～50 2550 堆积密度 （kg/m3） — — 1400～1700 1450～1650 1600～1800 — — 1200～1300 — — — — — — 孔隙率（%） — 0.5～3.0 — — — 20～40 — — 5～20 — 55～75 0 — 0
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解:石子的孔隙率P为：
•
P V 0 V 1 V 1 0 1 2 .6 1 1 .5% 1
V 0 V 0
2 .65
石子的空隙率P/为：
P V 0 V 0 1 V 0 1 0 1 1 .6 8 3.6 5 % 3 V 0 V 0 0 2 .61
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三、材料与水有关的性质
1.17～0.35
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2.2 材料的基本力学性质
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内 容：
◎ 材料的强度、比强度
◎ 材料的弹性与塑性
◎ 材料的脆性与韧性
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一、材料的强度、比强度
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1、定义：
强度－材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。
式中： K－材料的渗透系数（ml/cm2.s）
W－透过材料试件的水量（ml） t－透水时间（s） A－透水面积（ cm2 ） H－净水压力（cm） d－试件的厚度（cm）
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抗渗等级
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◎ 渗透系数越大，材料的抗渗性越差；
◎ 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：
度等级或标号。
◎ 混凝土按抗压强度划分为 C7.5～C60（12个）
◎ 水泥按抗压和抗折强度划分为32.5、32.5R 42.5、
42.5R、52.5、52.5R 六个等级
◎ 砂浆按抗压强度划分为M2.5、 M5 、M7.5、M10、
M15 、M20六个等级
No
比强度
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公式：
P/ VoV / /oVo1V V o o/ (1
/
o)10 % 0
o
空隙率与填充率的关系： P/+D/=1
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例1-1 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为
2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙 率与空隙率？
烘干→量测几何体积→称重→代入公式
2）对形状不规则的材料： 砂、石等
烘干→蜡封→浮力天平
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（三）材料的堆积密度
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1、堆积密度（松散容重）－散粒状材料在自然堆积状态
下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。
公式：
/ o
m
V
/ o
式中： ρ/o－堆积密度（ g/cm3 ） m－材料的质量（g）
比强度－材料的强度与其表观密度的比值（fc/ρo）。
用于评价材料轻质高强
几种材料的强度比较：
材料
低碳钢 松木 混凝土
表观密度(kg/m3)
7860 500 2400
强度fc (MPa)
415 34.3 60
比强度（fc/ρo） 0.053 0.059 0.025
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二、材料的弹性与塑性
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◎ 影响含水率大小的因素：
1、材料的本性－亲水性或憎水性材料
2、环境温度、湿度
◎ 吸水性对材料的影响：
体积膨胀－对木结构和木制品不利
湿胀干缩
木制门窗在潮湿环境下往往 不易开关
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（三）材料的耐水性
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耐水性－材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不 显著降低的性质，用软化系数表示。
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冻融破坏的桥梁
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冻融破坏的道面
冻融破坏的混凝土芯样
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冻 融 破 坏 的 水 库 坝 面
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冻融破坏的西直门桥
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四、材料的热工性质*
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1、实际密度（密度）－材料在绝对密实状态下单位体
积的质量。单位g/cm3或kg/m3。
公式：
m
V
式中： ρ－实际密度（ g/cm3 ） m－材料的质量（g） V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）
绝对密实状态下的体积－是指不包括材料内部孔隙在内 的体积。
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实际密度的测量
No
（三）填充率
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填充率－指散粒材料在某容器的堆积体积
中，被其颗粒填充的程度。
反映散粒材料堆积的致密程度。
公式：
D/
VVo/
/o
10% 0
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（四）空隙率
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空隙率－散粒材料在某容器的堆积体积中， 颗 粒之间的空隙体积占总体积的比率。
吸水率表示。
公式：
W质＝m湿 m － 干 m干10％ 0
式中 ： W质－材料的质量吸水率（％） m湿－材料吸水饱和后的质量（g） m干－材料烘干到恒重的质量（g）
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◎ 影响吸水率大小的因素：
1、材料的本性－亲水性或憎水性材料 2、材料的孔结构－孔径大小、开口与否
思考：
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※ 颗粒材料的密度为ρ，表观密度ρ′，堆积容重为ρ 0′，
则存在下列关系( )。
a、ρ>ρ 0′>ρ′ b、ρ′>ρ>ρ 0′ c、ρ>ρ′>ρ 0′
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二、材料的结构参数
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内容： ◎密实度
◎ 孔隙率
◎填充率
◎空隙率
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下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软≥0.85； 3 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K≥0.80；
4 K软≥0.80的材料，一般称为耐水的材料。
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No Image石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗 压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材 的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程?
2、分类:
(ａ)抗压 (ｂ)抗拉 (ｃ)抗折 (ｄ)抗剪 材料的受力形式
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◎ 不同材料的承载特点是不同的：
例：木材与钢材
◎ 相同种类的材料，随着其孔隙率及构造
特征的不同，各种强度也有明显差异。
No
强度等级
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◎建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强
用抗冻标号D表示。
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冻融破坏的原因
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材料有孔且孔隙含水，水→冰体积膨胀9％，结
冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度
时，材料开裂，裂缝的增加也进一步增加了材料的饱
水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏，反
复多次→进一步加剧→最终材料崩溃。
严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、 跨海大桥等均需考虑冻融破坏。
细微且连通的孔隙---吸水率较大
◎ 吸水性对材料的影响：
体积膨胀、强度降低，对围护结构材料不利
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（二）材料的吸水性与吸湿性
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2、吸湿性－材料在空气中吸收空气中水分的性质，
用含水率表示。
公式：
W含＝m含m － 干m干10％ 0
式中： W含－材料的质量含水率（％） m湿－材料含水时的质量（g） m干－材料烘干到恒重的质量（g）
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◎ 弹性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取
消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的
性质。
弹性模量： E=σ/ε
◎ 塑性－材料在外力的作用下产生变形，当外力取 消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂 缝的性质。
实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。
如：木材等。
2、憎水性材料： 当θ>90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料
表面分子之间的相互吸引力，材料表面可以被水浸湿。
如：防水材料等。
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润湿角θ
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θ
润湿角示意图
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（二）材料的吸水性与吸湿性
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1、吸水性－材料在浸水情况下吸入水分的能力，用
公式: PV o V oV1V V o(1 o) 10 % 0
孔隙率与密实度的关系: P+D=1
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内部孔隙:连通和封闭
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1、连通孔隙不仅彼此连通而且与外界连通； 2、封闭孔隙不仅彼此封闭而且与外界隔绝。
材料内部孔隙示意图
自然状态下体积示意图 1-固体；2-闭口空隙；3-开口空隙
o
m Vo
式中 ： ρo－表观密度（ g/cm3 ） m －材料的质量（g）
Vo－材料在自然状态下的体积（cm3） 自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体
积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生
变化。注明含水情况。
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表观密度的测量
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1）对形状规则的材料：砖、混凝土等