第1章 土木工程材料基本性质.讲述
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第一章土木工程材料的基本性质2
二、材料的结构
（一）材料的微观结构 材料的微观结构主要是指材料在原子、离子、分子层 次上的组成形式。材料的许多性质与材料的微观结构都有 密切的关系。较为常见的例子有C、SiO2、Al2O3等。
金刚石晶体，属于立方晶系 抗压强度高，耐磨性能好，而且具有抗腐蚀、 抗辐射等优良性能。是天然存在最硬的物质。
三、土木工程材料的技术标准 本课程重要依据的是国内标准。
中国国标 GB。 行业建材标准 JC，建工标准 JG
工程建设标准 CECS，石油标准 SY
四、本课程的学习目的及方法
本课程的学习目的是掌握土木工程材料基本 知识和试验的基本性能，为学习有关基础技术课 程打下基础，并在工程实践中，具有选择与使用 土木工程材料的能力。 在理论学习方面，要重点掌握材料的组成、 技术性质和特征、外界因素对材料性质的影响和 应用原则，各种材料都应遵循这一主线来学习。
金属材料 有 机 材 料 复 合 材 料 生物质材料 沥青材料 高分子材料 无机非金属材料和有 机材料的复合 金属材料与无机非金 属材料复合 金属材料与有机材料 复合
建筑结构材料：构成 砖混结构 ：石材，砖，水泥混凝土，钢筋
表 2 土 木 工 程 材 料 按 功 能 分 类 基础、柱、梁、框架 屋架、板等承重系统 的材料。 钢木结构：建筑钢材，木材 砖及砌块：普通砖、空心砖，硅酸盐及砌块 墙板：混凝土墙板、石膏板、复合墙板
构成建筑物本身的材料，如钢材、木材、水泥、石灰、砂石玻璃、
各种建筑器材，如排水设备、采暖通风设备、空调、电气、电信、
土木工程材料应具有四大特点：使用、耐久、量大和价廉。
理想的土木工程材料的特点：轻质、高强、防火、无毒、 高效能和多功能等。
分类：
根据化学成分土木工程材料可分为无机材料，有机材料和
土木工程材料(第一章)PPT课件
钢材 松木 水泥
砂
7.85 1.55 2.80~3.20 2.66
—— 0.40 ~ 0.80
—— 2.65
—— —— 900 ~ 1300 1450 ~ 1650
碎石（石灰石） 2.60 ~ 2.80
2.60
1400 ~ 1700
普通混凝土 普通黏土砖
2.60 2.60
1.95 ~ 2.50 16.0 ~ 1.90
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
19
公式： V0V 0V10 % 0(10)10 % 0
密实度与孔隙率关系：
D1
10
土木工程材料基本性质
间隙率（P0/）
定义：散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百 分率。
公式：0' V0'V 0'V010% 0(1 0 0 ' )10% 0
11
土木工程材料基本性质
算例： 某石灰岩的密度为2.68 g/cm3，孔隙率为1.5%。 今将该石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1520㎏／
土木工程材料的基本性质
1
材料的基本物理性质
土木工程材料基本性质
四个状态参数：密度、表观密度、毛体积密度、
堆积密度 三个计算参数：密实度、孔隙率、间隙率
2
土木工程材料基本性质
V V´ V0
1.固体 2.闭口孔隙 3.开口孔隙
3
密度（ρ）
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(第3版)》教学课件第1章 绪论 土木工程材料的基本性质
18世纪至19世纪，资本主义兴起，促进了工商业及交通运输业 的蓬勃发展，原有的土木工程材料已不能与此相适应，在其他科学技 术进步的推动下，土木工程材料进入到一个新的发展阶段，钢材、水 泥、混凝土及其他材料相继问世，为现代土木工程材料奠定了基础。
进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工 程学的形成和发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品 种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功 能的新型土木工程材料也应运而生。
五、抗渗性
材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。
材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如 P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0 MPa 压力水不 渗漏。
1.3 材料与水有关的性质
六、抗冻性
材料在含水状态下能经受多次冻融循环而不破坏、强 度不显著下降，且质量也不显著减少的性质。
P+D=1
开口孔隙率PK 材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 PK＝VK/V0 闭口孔隙率PB 材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 PB＝VB/V0
VP=VK+VB P=PK+PB
1.1 材料的基本物理性质
3.空隙率（P’）－－散粒或粉状材料在堆积状 态下，颗粒间空隙体积（VS）占材料堆积体积 （V’0）的百分率。
材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料干燥状态
下的体积的百分比。
Wv=
mb－mg× V0
1 ρw
×100％
ρw －水的密度； V0 －材料干燥状态下的体积，
cm3或m3。
1.3 材料与水有关的性质
2.吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,用含水率
表示。
Wh=
进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工 程学的形成和发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品 种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功 能的新型土木工程材料也应运而生。
五、抗渗性
材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。
材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如 P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0 MPa 压力水不 渗漏。
1.3 材料与水有关的性质
六、抗冻性
材料在含水状态下能经受多次冻融循环而不破坏、强 度不显著下降，且质量也不显著减少的性质。
P+D=1
开口孔隙率PK 材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 PK＝VK/V0 闭口孔隙率PB 材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 PB＝VB/V0
VP=VK+VB P=PK+PB
1.1 材料的基本物理性质
3.空隙率（P’）－－散粒或粉状材料在堆积状 态下，颗粒间空隙体积（VS）占材料堆积体积 （V’0）的百分率。
材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料干燥状态
下的体积的百分比。
Wv=
mb－mg× V0
1 ρw
×100％
ρw －水的密度； V0 －材料干燥状态下的体积，
cm3或m3。
1.3 材料与水有关的性质
2.吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,用含水率
表示。
Wh=
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
第1章 土木工程材料的基本性质
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 )
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。
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。
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。 （ ） （ （ （ （ ） ） ） ）
第一章土木工程材料基本性质
1.1 材料的物理性质
观察与讨论
孔隙对材料性质的影响
某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。 请问选择何种材料合适？
A 讨论
B
第一章土木工程材料基本性质
1.1 材料的物理性质
工程实例分析
(1) 加气混凝土砌块吸水分析 (2) 火灾中混凝土的破坏
第一章土木工程材料基本性质
1.2 材料的力学性质
第一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。
1.4 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响 工程实例分析
现象 材料微观结构对性能的影响
某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好 的施工性能，配合比中要求加入硅粉，并对硅粉的 化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉理解 为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组 成和细度均满足要求，在实际使用中效果不好，水 泥浆体成分不均。
1.2.1 强度 1.2.2 弹性与塑性 1.2.3 韧性与脆性 1.2.4 硬度
基础知识
第一章土木工程材料基本性质
压入法实验
第一章土木工程材料基本性质
刻划法实验
第一章土木工程材料基本性质
1.2 材料的力学性质
观察与讨论
脆性材料与韧性材料
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
矿物组成是无机非金属材料中化合物存在 的基本形式。
二 相组成
材料中结构相近、性质相同的均匀部 分。
三 材料的结构与构造
一 宏观结构（构造）
材料的宏观结构是指用肉眼和放大 镜能够分辨的粗大组织。 尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸 的构造情况。
二 宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：
致密结构 多孔结构 微孔结构 纤维结构 层状结构 散粒结构
第1章(XX)土木工程材料 的基本性质
2020/11/25
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
第一章 土木工程材料的基本性质
土木工程材料的基本性质，是指材料处于 不同的使用条件和使用环境时，通常必须考 虑的最基本的、共有的性质。 学习目的：通过学习材料的基本性质，了解
土木工程结构物的基本性质与工 程特性关系。 教学要求：通过分析各种土木工程的特点， 说明建筑材料的基本性质及耐久 性；重点材料的基本力学性质、 与水有关的性质等。
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
第二节 材料的物理性质
一 材料的体积
体积是材料占有的空间尺寸。 由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
1材料的绝对密实体积
干材料在绝对密实状态下的体积。即材 料内部没有孔隙时的体积，或不包括内 部孔隙的材料体积。
式中 mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg） mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。
体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所 吸水的体积占材料自然体积的百分率， 并以WＶ表示。体积吸水率WＶ的计算公 式为：
式中 mb —材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg） mg —材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。 V0 — 材料在自然状态下的体积，（cm3 或 m3） ρw— 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3）， 常温下取ρw
二 相组成
材料中结构相近、性质相同的均匀部 分。
三 材料的结构与构造
一 宏观结构（构造）
材料的宏观结构是指用肉眼和放大 镜能够分辨的粗大组织。 尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸 的构造情况。
二 宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：
致密结构 多孔结构 微孔结构 纤维结构 层状结构 散粒结构
第1章(XX)土木工程材料 的基本性质
2020/11/25
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
第一章 土木工程材料的基本性质
土木工程材料的基本性质，是指材料处于 不同的使用条件和使用环境时，通常必须考 虑的最基本的、共有的性质。 学习目的：通过学习材料的基本性质，了解
土木工程结构物的基本性质与工 程特性关系。 教学要求：通过分析各种土木工程的特点， 说明建筑材料的基本性质及耐久 性；重点材料的基本力学性质、 与水有关的性质等。
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
第二节 材料的物理性质
一 材料的体积
体积是材料占有的空间尺寸。 由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不 同的体积。
第1章(XX)土木工程材料的基本性质
1材料的绝对密实体积
干材料在绝对密实状态下的体积。即材 料内部没有孔隙时的体积，或不包括内 部孔隙的材料体积。
式中 mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg） mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。
体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所 吸水的体积占材料自然体积的百分率， 并以WＶ表示。体积吸水率WＶ的计算公 式为：
式中 mb —材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg） mg —材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。 V0 — 材料在自然状态下的体积，（cm3 或 m3） ρw— 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3）， 常温下取ρw
第1章 土木工程材料的基本性质
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第1章 土木工程材料的基本性质 （2） 表观密度 表观密度(Apparent density)是指材料在自然状 态下，单位体积的质量。按下式计算： ρ0=m/V0 式中，ρ0——表观密度，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， 或称表观体积，cm3或m3。 一般情况下，表观密度是指气干状态下的表观 密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密 度。
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第1章 土木工程材料的基本性质
玻璃体是非晶体，质点排列无规律，因而玻璃 体没有固定的几何形状，具有各向同性。 玻璃体具有化学不稳定性，即具有潜在的化学 活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应。 玻璃体没有固定的熔点，加热时会出现软化。
12
第1章 土木工程材料的基本性质
③ 胶体 胶体(Colloid)是指以粒径为10-7～10-10m的固体 颗粒作为分散相（称为胶粒），分散在连续相介质 中，形成的分散体系。 依胶粒多少，胶体结构可分为：溶胶结构，凝 胶结构，溶-凝胶结构。
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第1章 土木工程材料的基本性质 （6）抗冻性 抗冻性(Frost resistance)是指材料在吸水饱和状 态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而 不破坏，强度也不显著降低的性质。 土木工程中用量最大的材料之一混凝土的抗冻 性用抗冻等级或抗冻标号来表示。 抗冻等级或抗冻标号是由混凝土试件吸水饱和 后，所能承受的最大冻融循环次数来划分。
13
第1章 土木工程材料的基本性质
在胶体结构中，若胶粒较少，则胶粒悬浮、分 散在连续相介质中，此时连续相介质的性质对胶体 的性质影响较大，这种胶体结构称为溶胶结构。 若胶粒数量较多，则胶粒在表面能作用下发生 凝聚，彼此相连形成空间网络结构，从而胶体强度 增大，变形减少，形成固体或半固体状态，这种胶 体结构称为凝胶结构。 介于两者之间的是溶胶-凝胶结构。
第1章土木工程材料基本性质
第1章土木工程材料基本性质
（二）材料的密度
内容：
• 材料的实际密度（密度）
• 材料的表观密度
• 材料的堆积密度
用途：
• 计算材料的用量，
• 构件的自重，
• 配料计算
• 确定材料的堆积空间等
第1章土木工程材料基本性质
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。
第1章土木工程材料基本性质
实际密度的测量
1）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测
几何体积－称重－代入公式 2）对有孔隙的材料：
砖、混凝土、石材等 磨成细粉－ 李氏比重瓶法测试 P285-286
第1章土木工程材料基本性质
2、表观密度（容重）－材料在自然状态下单 位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。
公式：
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
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
第1章土木工程材料基本性质
（二）材料的吸水性与吸湿性
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
（二）材料的密度
内容：
• 材料的实际密度（密度）
• 材料的表观密度
• 材料的堆积密度
用途：
• 计算材料的用量，
• 构件的自重，
• 配料计算
• 确定材料的堆积空间等
第1章土木工程材料基本性质
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。
第1章土木工程材料基本性质
实际密度的测量
1）对近于绝对密实的材料： 金属、玻璃等量测
几何体积－称重－代入公式 2）对有孔隙的材料：
砖、混凝土、石材等 磨成细粉－ 李氏比重瓶法测试 P285-286
第1章土木工程材料基本性质
2、表观密度（容重）－材料在自然状态下单 位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。
公式：
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
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
第1章土木工程材料基本性质
（二）材料的吸水性与吸湿性
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
土木工程材料第1章基本性质 ppt课件
体表观积体（积含。内部孔隙和水P分PT课件）。一般以V0
表示材料的
5
1----固体部分 2----闭口孔隙
V0=V+V孔
3----开口孔隙
PPT课件
6
（3）材料的堆积体积：
粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。
根据其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可
能不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体
Vρ0—w—材水料的在密自度然状,（态g下/c的m3 体或积k，g/（m3c）m3，或常m3温）下取ρ w =1.0 g/cm3
PPT课件
34
Wv=Wm·ρ0
材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其
孔隙特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并
经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔
隙愈多，其吸水率就愈大。
能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为 憎水性。
PPT课件
26
材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子
结构。
材料分子与水分子之间的分子亲合力 水分子本身之间的内聚力
亲合力＞内聚力 亲合力＜内聚力
亲水性材料 憎水性材料
PPT课件
27
工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角
水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能
渗入材料的毛细管中。
PPT课件
29
材料的润湿角θ
PPT课件
30
PPT课件
31
亲水性材料有：
砖、瓦、砂、石、气硬性胶凝材料、钢材、混凝
土、玻璃等。
憎水性材料有：
沥青、塑料、橡胶、石蜡、油漆等。
PPT课件
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2.材料的吸水性
第1章 土木工程材料的基本性质
土木工程材料的使用范围受其组成、结构和性质的影响。无机非金属材料如各种氧化物，金属材料如各化学元素，以及有机材料如各化合物，它们的化学组成决定了材料的主要性质。材料的结构，包括微观结构如晶体和非晶ห้องสมุดไป่ตู้，亚微观结构如晶粒和孔隙，以及宏观结构如致密和多孔等，进一步影响了材料的强度、耐久性、保温性等。例如，原子晶体如金刚石和石英因其高强度和硬度适用于耐磨和切割场合，而离子晶体如氯化钠和石膏则因其较高的强度但波动性大的特点在特定工程中应用。分子晶体如石蜡和部分有机化合物因其低强度、硬度和熔点，常用于密封和润滑。金属晶体如铁、钢和铝则广泛应用于承重和导电结构。此外，复合材料通过结合不同材料的优点，扩大了使用范围，提高了综合性能。因此，土木工程材料的使用范围是根据具体工程需求，综合考虑材料的组成、结构和性质来选择的。
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1.1.3 与水有关的性质
1．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。陶瓷、金属材料、石材等无机材料等 为亲水性材料；沥青、塑料等为憎水性材料。
1.1.3 与水有关的性质
2．材料的吸水性与吸湿性 材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。吸水性的大 小用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方 法。 ①质量吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部 所吸收水分的质量占材料干燥时质量的百分率。 ②体积吸水率：体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水 分的体积占干燥材料体积的百分率。 材料吸收水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大， 材料吸水量愈多；材料的吸水性还与材料的孔隙特征有关。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，但不易在孔内存留， 只能润湿孔壁，因此吸水率也较小。
1.1.2 材料的孔隙率和空隙率 孔隙率是指材料内部 孔隙的体积占材料总体积的 百分率。 空隙率则是指散粒状材 料在堆积体积状态下颗粒固 体物质间空隙体积(开口孔 隙与间隙之和)占堆积体积 的百分率。材料的孔隙有闭 口和开口，其特征状态对材 料的性质有重要影响，见右 图。
1－固体； 3－闭口孔隙； 2－开口孔隙
1.3 材料的耐久性、安全性与环境协调性
1.3.1 材料的耐久性
1.3.2 材料的安全性与环境协调性
1.3.1 材料的耐久性
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，统称为耐久性，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、电化学作用、机械作用和生物 作用等。要根据材料所处的结构部 位和使用环境等因素，综合考虑其 耐久性，并根据各种材料的耐久性 特点合理地选用。
1.2 材料的力学性质
工程实例分析
(1) 测试强度与加荷速度 (2) 砖浸水后强度下降
(1) 测试强度与加荷速度
现象
人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到， 同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。
原因分析
(1) 测试强度与加荷速度
原因分析
材料的强度除与其组成结构有关外，还 与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、 试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷 载的增长速度大于材料的变形速度 ，测出的 数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中， 一般都规定其加荷速度范围。
原因分析
1.1 材料的物理性质
原因分析
加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨 水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔 是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材 料的吸水性不仅要看孔数量的多少，还需看孔的结构。
(2) 火灾中混凝土的破坏
概况
某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见 下图，请分析原因。
1.3 材料的耐久性、安全性与环境协调性
(1) 酸雨腐蚀建筑物
(2) 路面磨损裂纹
(1) 酸雨腐蚀建筑物
现象
下图为某大楼的外表，从中可见墙壁发黑，在 有的地方可见白色流迹线。
讨论
(1) 酸雨腐蚀建筑物
讨论
由于吸附了以碳为主的煤烟状悬浮颗粒物 使其建筑物表面变黑，而且由于酸雨的冲洗， 使石材露出新表面，从而形成流迹线。同时， 石灰质碱性岩容易与酸起反应，石材本身被硫 酸溶解，出现表面凸凹不平，故出现了建筑物 的表面腐蚀。
1.2.1 强度
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。 包括变形、强度等。 （1）强度 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。
（2）比强度 承重的结构材料除了承受外荷载外，还要承受自重，反映材 料轻质高强的力学参数是比强度，其含义是单位体积质量的材 料强度，数值上等于材料的强度与自身表观密度之比。
1.1 材料的物理性质
工程实例分析
(1) 加气混凝土砌块吸水分析 (2) 火灾中混凝土的破坏
(1) 加气混凝土砌块吸水分析
现象
某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、 体积密度仅700 kg/ m3 的加气混凝土砌块。在抹灰前 采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘 土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看上去浇水 不少，但实际吸水不多。
1.2 材料的力学性质
讨论
具有脆性性质的材料称脆性材料。脆性材料的 抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十 倍，脆性材料抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差， 脆性材料只适合用作承压构件。土木工程材料中大 部分无机非金属材料均为脆性材料，如烧结普通砖、 混凝土等。 具有韧性性质的材料称韧性材料。在建筑工程 中，对于要求承受冲击载荷和有抗震要求的结构， 如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较 高的韧性。土木工程常用的低碳钢、有色金属等都 是韧性材料。
1.1.3 与水有关的性质
吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性用 含水率表示。含水率是指材料所含水重量占材料干重量的百分率。 材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。 3 耐水性 材料长期在水作用下不破坏，强度等原有功能基本不变 的能力，称为耐水性，通常用软化系数表示。 材料吸水后，强度均会有所降低，强度降低越多，软化 系数就越小，说明材料的耐水性就越差，受水浸泡或长期处 于潮湿环境中的重要结构时，必须选用大于等于0.85的材料 （大于0.85称为耐水材料）。选用受潮较轻或次要结构物的 材料，K应大于0.75，小于等于0.75时，称为软化岩石。
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）。
(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。
1.3.2 材料的安全性与环境协调性
土木工程材料的环境协调问题日益受到 重视。材料的环境协调性是指材料在生产、 使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负 荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产 生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较 高的可回收率。1994年设立中国环境标志产 品认证委员会，据此土木工程材料中首先对 水性涂料实行环境标志，制定环境标志的评 定标准。
1.2.4 硬度和耐磨性 （1）材料另一个重要的力学性质是硬度。 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刻痕，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。 （2）耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨 损的能力，用磨损率表示。
1.2.2 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除 后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材 料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有 一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑 性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为 可逆变形，后者为不可逆变形。
1.2.3 韧性与脆性
材料受外力作用，当外力达一定值时，材 料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形， 这种性质称为脆性。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，这种性质称为韧性。
1.1 材料的物理性质
孔隙对材料性质的影响
观察与讨论
某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。 请问选择何种材料合适？
A 讨论
B
1.1 材料的物理性质
讨论
保温层的目的是减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。
材料受冻融破坏主要是 材料在吸水饱和状态下抵抗多次 因其中的水结冰所致，水结冰 时体积增大约9%，这对材料孔 冻融循环而重量损失不大，强度也无 隙产生很大的冻胀应力而开裂， 显著降低的性质称为材料的抗冻性。 冻融循环次数越多，对材料的 （水变冰体积膨胀约9%） 破坏作用越大。
5 抗冻性
1.1.4 热工性质
原因分析
1.1 材料的物理性质
原因分析
混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固 形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下， 混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混 凝土微观结构破坏。
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度
基础知识
1.2.2 弹性与塑性 1.2.3 韧性与脆性
1.2.4 硬度
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。 万里长城因地制宜使用建筑材料，展现 了我国劳动人民的勤劳、智慧和创造力。