土木工程材料(材料基本性质)

总体积的百分率
（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口 孔）。
把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB， 则孔隙体积
V ｐ = V k + VB 定义开口孔孔隙率为
pK VK V0
定义闭口孔孔隙率为
则孔隙率为
p
B
p p p K B
VB V0
1.2.2.2 材料的空隙
m 0 VV V K B
装在容 器里的 粒状、 粉状或 块状材 料
空 隙 开口孔隙 封闭孔隙 实 体
VK VB V0 V0
´
V

’ 0
m ‘ V 0
1.1.2
材料的孔隙和空隙
1.1.2.1 材料的孔隙 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响： 一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。 孔隙数量用孔隙率表征。 (1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率
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；
弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需 要的应力，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。 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。
m ––– 材料的质量，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，采用磨细 后用李氏瓶测定
其体积的方法。
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(a)。
1.1.1.2
1.2.3
（1）脆性
脆性和韧性
材料在外力作用下，无明显塑性变形
而突然破坏的性质。
具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。


从应力应变图中看材料的脆性
（2）韧性
材料在冲击或震动荷载作用下，
能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的
能量作为指标。
定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下， 单位体积的质量。 计算：
0 m V‘ 0
0––– 堆积密度，kg/m3；
m ––– 材料的质量， kg； V0 ––– 松散材料的堆积体积， m3。
自然状态下的块状材料 开口孔隙
开口孔 封闭孔 实体
VK VB
闭口孔隙
V0
V
m V
m 0 V VP
表观密度 （unit weight）
定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。 计算：
m 0 V0
0––– 表现密度，g/cm3或 kg/m3；
m ––– 材料的质量，g，或 kg；
V0
––– 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。
1.1.1.3 堆积密度 （heaped density ）
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。
许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级，俗称
“
标号 ”。
材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于
材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
1.2.2
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。
散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的 百分率
V V 0 0 p ' 100 % ( 1 ) 100 % V 0 0
' ' 0
(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率
V ' 0 0 D ' 100 % 100 % 1 p V 0 0
1.2.4
硬度和耐磨性
硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 常用刻划法和压入法测定。
刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。
耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示
1.2.5
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。 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。
(b) 拉力
(c) 弯曲
(d) 剪切
各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度
P f A
f –––– 强度， Mpa； P–––– 破坏时最大荷载，N； A –––– 受力截面面积，mm2。
抗弯强度 1）
2）
3PL ff 2bh2 PL ff bh 2
(中点集中荷载) (三分点两相等集中荷载)
'
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度与比强度
一、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
L F/2
L/3 L/3 L/3 L
(a) 压力
V V 0 0 p 100 % ( 1 ) 100 % V 0
(2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料
V D 100 % 0 100 % 1 p V 0
孔隙特征主要有三方面： （1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔； （2）按空隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔；
土木工程材料
第 一 章
土 木 工 程 材 料 的 基 本 性 质
1.1 材料的基本物、表观密度和堆积密度
1.1.1.1 密度 （density） 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
可按下式计算：
m V
––– 密度，g/cm3；