土木工程材料第一章 土木工程材料的基本性质
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是指材料在自然状态下，单位宏观外形体积的质量。
m m 0 V0 V Vb Vk
如何测？
形状规则：直接测量并计算 形状不规则：蜡封并排液测定
宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固 体体积＋开口孔隙体积＋闭口孔隙体积。
Civil Engineering Materials
41
Civil Engineering Materials
42
（2）抗渗等级： 砂浆、混凝土等材料： P=10H-1 材料透水前所能承受的最大水压力
P 的意义： 抗渗等级越高，表明抗渗性能越好。 材料抗渗性的好坏，与其孔隙率和孔隙特征有关。 孔隙率低且为封闭孔的材料具有较高的抗渗性能。
35
材料的吸水性与吸湿性
1 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。
m1 m0 W 100% m0
其中 W —— 材料的吸水率，100%；
m１——材料吸水饱和状态下的质量，g；
m0 ——材料在干燥状态下的质量，g。
材料的吸水率与孔隙构造有何关系？ 孔隙特征 微细而连通 封闭 粗大开口
西南交通大学 希望学院 2015年
Civil Engineering Materials
1
第1章 土木工程材料的基本性质
• 本章要点 土木工程材料的基本物理性质、力学 性质及耐久性等。 • 学习目标 熟悉和掌握各种材料的基本性质，在 工程设计与施工中正确选择和合理使用各 种材料。
Civil Engineering Materials
13
晶体
固态
有规则，各向异性
（石墨、金刚石、“足球烯”C60）
土木工 程材料
玻璃体
无定形态（短程有序， 长程无序） 微小质点分散于介 质中形成的结构 （1~100μm）
胶体
Civil Engineering Materials
14
金刚石晶胞
金刚石三维结构
石墨三维结构
C60比例模型
C60球棍模型
Civil Engineering Materials
Civil Engineering Materials
17
1. 材料内部孔隙的来源与产生
天然材料
锆石的微观结构
人造材料
木材的细观结构
Civil Engineering Materials
18
2. 孔隙的分类 孔隙大小
孔隙形状
常压下水 能否进入
微细孔隙 毛细孔 较粗大孔隙 粗大孔隙
球形孔隙 片状孔隙 管状孔隙 墨水瓶状孔隙 带尖角的孔隙
25
4. 堆积密度ρ0/
4
粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。
如何测？
m m 0 V0 V0 Vv
堆积体积: 散粒材料填充容器的体积。 固体体积＋孔隙体积＋颗粒间空隙。
Civil Engineering Materials
26
例1-1
已知某卵石的质量为10.6g，体积为4.06cm3，用李氏瓶法， 排除的水的体积为4ml，现总共有这样的卵石3360kg，堆成体 积为2m3，求石子的表观密度、密度、堆积密度。
Civil Engineering Materials
22
1.密度ρ
材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
ρ——密度，g/cm3；
m V
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:不包括孔隙。 如何测？
磨成细粉，用李氏瓶； 排液置换法。
实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似 密度）。
Vk 215 100% 100% 14.70% V0 1462.8
V0 V 0 1.66 总孔隙率为： P 100% (1 ) 100% (1 ) 100% 36.15% V0
2.60
∴闭口孔隙率为： P b PP k 36.15% 14.70% 21.45% 密实度为： D 1 P 1 36.15% 63.85%
吸水率
较大 较小 较小
Civil Engineering Materials
37
2 吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水 分的性质。 含水率
mH m WH 100% m
含水率表示材料在一定温度和湿度下吸附水分的 能力随环境温度和空气湿度的变化而变化。 与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。
表观密度 0 密 度 堆积密度
m 10.6 2.61g / cm3 V0 4.06
m 10.6 2.65g / cm3 V 4 m 3360 1680kg / m3 ' 2 V0
0 '
Civil Engineering Materials
问题？？
• 对于某一种材料来说，其密度、表观密度、 容积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ • 密度＞表观密度＞容积密度＞堆积密度
Civil Engineering Materials
34
1. 亲水性与憎水性
亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。
亲水性材料
憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。
憎水性材料
=0
90
90
全润湿
润湿 Civil Engineering Materials
不润湿
Civil Engineering Materials
29
1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。
Vk P 100% k V0
2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。
Vb P 100% b V0
P Pk P b
Civil Engineering Materials
Civil Engineering Materials
31
• 练习题： 一块普通粘土砖尺寸为 240mm×115mm×53mm，烘干后质量为 2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨 细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3， 求该砖的密度、表观密度、容积密度、开 口孔隙率、闭口孔隙率及密实度。
Civil Engineering Materials
32
V0 24 11.5 5.3 1462.8cm3 解：该砖的宏观外形体积为：
开口孔的体积为： Vk
W
mw
2640 2425 215cm3 1
m 50 2.60 g / cm3 则该砖的密度为： V 19.2
Civil Engineering Materials
4
1.1 材料的组成与结构
1.1.1 1.1.2 材料的组成 材料的结构
1.1.3
结构中的孔隙与材料性质的关系
Civil Engineering Materials
5
1. 化学组成 • 化学组成指构成材料的基本元素与化合物。
材料在使用过程按化学变化规律发生作用，
表观密度为：
m 2425 2425 1.94 g / cm3 V V0 Vk 1Hale Waihona Puke Baidu62.8 215
容积密度为： 0
m 2425 1.66 g / cm3 V0 1462.8
Civil Engineering Materials
33
开口孔隙率为： Pk
10
金属的金相组织
木材的细观结构
Civil Engineering Materials
11
钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片
Civil Engineering Materials
12
粉煤灰在3.0K下的SEM照片
矿渣在3.0K下的SEM照片
Civil Engineering Materials
Civil Engineering Materials
28
1. 孔隙率与密实度 • 孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体 积（在自然状态下体积）的百分率 。
V0 V 0 P 100% (1 ) 100% V0
• 密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。
0 V D 100% 100% 1 P V0
Civil Engineering Materials
8
Civil Engineering Materials
9
宏观结构
常用材料
主要特性
单 一 材 料
复 合 材 料
致密结构
多孔结构
钢材、玻璃、沥青、部分 高强，或不透水、耐 塑料 腐蚀
泡沫塑料、泡沫玻璃 轻质、保温、低强度
纤维结构
聚集结构 粒状聚集结 构
李氏密度瓶
Civil Engineering Materials
23
2. 表观密度
（视密度、近似密度）
• 是指材料在自然状态下，不含开口 孔时单位体积的质量。
Vb
V
Vk
m m V V Vb
2
如何测？？
Civil Engineering Materials
24
3. 容积密度ρ0（体积密度、容重）
30
2. 空隙率与填充率 • 空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空 隙体积占其自然堆积体积的百分率。
V0 V0 0 P' 100% (1 ) 100% V0 0
• 填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填 充的程度。
D' V0 100% 0 100% 1 P V0 0
木材、竹材、岩棉、玻璃 高抗拉、且大多数轻 纤维、钢纤维 质、保温、吸声
陶瓷、砖、某些天然石材 强度较高 各种混凝土、钢筋混凝土 综合性能好、价格较 低
纤维聚集结 构
多孔结构 叠合结构
岩棉板、纤维板、纤维增 轻质、保温，或高抗 强塑料 拉
加气混凝土、泡沫混凝土 纸面石膏板、胶合板、各 种加芯板 Materials Civil Engineering 轻质保温 综合性能好
注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 KR>0.85，称为耐水材料
4 材料的抗渗性与抗冻性
抗渗性：抵抗压力水渗透的性质 （1）渗透系数 透水量：
AtH Q KS d
A
渗透系数：
KS
Qd AtH
d
Ks 的意义： 抗渗系数越小，表明 抗渗性能越好。
静 水 压 力
试件
水 头
Civil Engineering Materials
Civil Engineering Materials
38
电导式木材含水率测定仪
Civil Engineering Materials
39
3
材料的耐水性
材料抵抗水的破坏作用的能力称为耐水性。
指标：软化系数
fw Kp f
fw-----材料饱水状态抗压强度，MPa
f -----材料干燥状态抗压强度，MPa
例如： 混凝土碳化 钢材锈蚀
Civil Engineering Materials
6
Civil Engineering Materials
7
2. 矿物组成
• 矿物是具有一定化学成分和结构特征的单 无机非金属材料 质或化合物。 •矿物组成 = 矿物种类 + 矿物含量
例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥
2
研究土木工程材料的一般规律
• 如下图所示：
组成 原料 生产工艺 构造
形成了
决定了 (内因) 外影 因响 提 出 了 技术 要求 依据 检验 与 验收
提出了要求
运输 储存
结构
性质
决定了
应用
外界环境条件
Civil Engineering Materials
3
内容提要：
1.1 材料的组成与结构 1.2 材料的物理性质 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料的耐久性 1.5 材料的热工、声、光性
Civil Engineering Materials
20
1－固体物质； 2－开口孔隙； 3－闭口孔隙
材料内孔隙示意图
开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙 大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性 除外）。
Civil Engineering Materials
21
1.2 材料的物理性质
• 1.2.1 与质量状态有关的物理性质 • 1.2.2 与构造状态有关的物理性质 • 1.2.3 与水有关的性质
开口/连孔隙 闭口/封闭孔隙
Civil Engineering Materials
19
3. 孔隙特征及其对材料性质的影响 • 孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、 分布、连通与否等构造上的特征，对材料 的物理、力学性质均有显著影响。 • 一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的 连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。
15
泡沫玻璃
泡沫塑料
泡沫混凝土
玻璃
Civil Engineering Materials
16
小结：材料的组成、微观结构、宏观结
构与材料性质、用途的关系
宏观结构不同，即使组成与微观结构等相
同，材料的性质与用途也不同
宏观结构相同或相似，则即使材料的组成
或微观结构等不同，材料也具有某些相同或
相似的性质与用途
m m 0 V0 V Vb Vk
如何测？
形状规则：直接测量并计算 形状不规则：蜡封并排液测定
宏观外形体积:包括开口孔隙和闭口孔隙在内的体积。即固 体体积＋开口孔隙体积＋闭口孔隙体积。
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（2）抗渗等级： 砂浆、混凝土等材料： P=10H-1 材料透水前所能承受的最大水压力
P 的意义： 抗渗等级越高，表明抗渗性能越好。 材料抗渗性的好坏，与其孔隙率和孔隙特征有关。 孔隙率低且为封闭孔的材料具有较高的抗渗性能。
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材料的吸水性与吸湿性
1 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。
m1 m0 W 100% m0
其中 W —— 材料的吸水率，100%；
m１——材料吸水饱和状态下的质量，g；
m0 ——材料在干燥状态下的质量，g。
材料的吸水率与孔隙构造有何关系？ 孔隙特征 微细而连通 封闭 粗大开口
西南交通大学 希望学院 2015年
Civil Engineering Materials
1
第1章 土木工程材料的基本性质
• 本章要点 土木工程材料的基本物理性质、力学 性质及耐久性等。 • 学习目标 熟悉和掌握各种材料的基本性质，在 工程设计与施工中正确选择和合理使用各 种材料。
Civil Engineering Materials
13
晶体
固态
有规则，各向异性
（石墨、金刚石、“足球烯”C60）
土木工 程材料
玻璃体
无定形态（短程有序， 长程无序） 微小质点分散于介 质中形成的结构 （1~100μm）
胶体
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14
金刚石晶胞
金刚石三维结构
石墨三维结构
C60比例模型
C60球棍模型
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1. 材料内部孔隙的来源与产生
天然材料
锆石的微观结构
人造材料
木材的细观结构
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18
2. 孔隙的分类 孔隙大小
孔隙形状
常压下水 能否进入
微细孔隙 毛细孔 较粗大孔隙 粗大孔隙
球形孔隙 片状孔隙 管状孔隙 墨水瓶状孔隙 带尖角的孔隙
25
4. 堆积密度ρ0/
4
粉状或粒状材料，在自然堆积状态下，单位体积的质量。
如何测？
m m 0 V0 V0 Vv
堆积体积: 散粒材料填充容器的体积。 固体体积＋孔隙体积＋颗粒间空隙。
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例1-1
已知某卵石的质量为10.6g，体积为4.06cm3，用李氏瓶法， 排除的水的体积为4ml，现总共有这样的卵石3360kg，堆成体 积为2m3，求石子的表观密度、密度、堆积密度。
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1.密度ρ
材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
ρ——密度，g/cm3；
m V
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:不包括孔隙。 如何测？
磨成细粉，用李氏瓶； 排液置换法。
实际上，自然界完全密实的材料不存在（近似 密度）。
Vk 215 100% 100% 14.70% V0 1462.8
V0 V 0 1.66 总孔隙率为： P 100% (1 ) 100% (1 ) 100% 36.15% V0
2.60
∴闭口孔隙率为： P b PP k 36.15% 14.70% 21.45% 密实度为： D 1 P 1 36.15% 63.85%
吸水率
较大 较小 较小
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2 吸湿性：是指材料在潮湿空气中吸收水 分的性质。 含水率
mH m WH 100% m
含水率表示材料在一定温度和湿度下吸附水分的 能力随环境温度和空气湿度的变化而变化。 与空气温湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。
表观密度 0 密 度 堆积密度
m 10.6 2.61g / cm3 V0 4.06
m 10.6 2.65g / cm3 V 4 m 3360 1680kg / m3 ' 2 V0
0 '
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问题？？
• 对于某一种材料来说，其密度、表观密度、 容积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？ • 密度＞表观密度＞容积密度＞堆积密度
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1. 亲水性与憎水性
亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。
亲水性材料
憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。
憎水性材料
=0
90
90
全润湿
润湿 Civil Engineering Materials
不润湿
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1）开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。
Vk P 100% k V0
2）闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。
Vb P 100% b V0
P Pk P b
Civil Engineering Materials
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• 练习题： 一块普通粘土砖尺寸为 240mm×115mm×53mm，烘干后质量为 2425g，吸水饱和后为2640g，将其烘干磨 细后取50g用李氏瓶测其体积为19.2cm3， 求该砖的密度、表观密度、容积密度、开 口孔隙率、闭口孔隙率及密实度。
Civil Engineering Materials
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V0 24 11.5 5.3 1462.8cm3 解：该砖的宏观外形体积为：
开口孔的体积为： Vk
W
mw
2640 2425 215cm3 1
m 50 2.60 g / cm3 则该砖的密度为： V 19.2
Civil Engineering Materials
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1.1 材料的组成与结构
1.1.1 1.1.2 材料的组成 材料的结构
1.1.3
结构中的孔隙与材料性质的关系
Civil Engineering Materials
5
1. 化学组成 • 化学组成指构成材料的基本元素与化合物。
材料在使用过程按化学变化规律发生作用，
表观密度为：
m 2425 2425 1.94 g / cm3 V V0 Vk 1Hale Waihona Puke Baidu62.8 215
容积密度为： 0
m 2425 1.66 g / cm3 V0 1462.8
Civil Engineering Materials
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开口孔隙率为： Pk
10
金属的金相组织
木材的细观结构
Civil Engineering Materials
11
钙钛锆石在不同放大倍数下的SEM照片
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粉煤灰在3.0K下的SEM照片
矿渣在3.0K下的SEM照片
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1. 孔隙率与密实度 • 孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体 积（在自然状态下体积）的百分率 。
V0 V 0 P 100% (1 ) 100% V0
• 密实度，即材料体积内被固体物质充实的程度。
0 V D 100% 100% 1 P V0
Civil Engineering Materials
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宏观结构
常用材料
主要特性
单 一 材 料
复 合 材 料
致密结构
多孔结构
钢材、玻璃、沥青、部分 高强，或不透水、耐 塑料 腐蚀
泡沫塑料、泡沫玻璃 轻质、保温、低强度
纤维结构
聚集结构 粒状聚集结 构
李氏密度瓶
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2. 表观密度
（视密度、近似密度）
• 是指材料在自然状态下，不含开口 孔时单位体积的质量。
Vb
V
Vk
m m V V Vb
2
如何测？？
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3. 容积密度ρ0（体积密度、容重）
30
2. 空隙率与填充率 • 空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空 隙体积占其自然堆积体积的百分率。
V0 V0 0 P' 100% (1 ) 100% V0 0
• 填充率，即散粒材料堆积体积中，颗粒填 充的程度。
D' V0 100% 0 100% 1 P V0 0
木材、竹材、岩棉、玻璃 高抗拉、且大多数轻 纤维、钢纤维 质、保温、吸声
陶瓷、砖、某些天然石材 强度较高 各种混凝土、钢筋混凝土 综合性能好、价格较 低
纤维聚集结 构
多孔结构 叠合结构
岩棉板、纤维板、纤维增 轻质、保温，或高抗 强塑料 拉
加气混凝土、泡沫混凝土 纸面石膏板、胶合板、各 种加芯板 Materials Civil Engineering 轻质保温 综合性能好
注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 KR>0.85，称为耐水材料
4 材料的抗渗性与抗冻性
抗渗性：抵抗压力水渗透的性质 （1）渗透系数 透水量：
AtH Q KS d
A
渗透系数：
KS
Qd AtH
d
Ks 的意义： 抗渗系数越小，表明 抗渗性能越好。
静 水 压 力
试件
水 头
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电导式木材含水率测定仪
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材料的耐水性
材料抵抗水的破坏作用的能力称为耐水性。
指标：软化系数
fw Kp f
fw-----材料饱水状态抗压强度，MPa
f -----材料干燥状态抗压强度，MPa
例如： 混凝土碳化 钢材锈蚀
Civil Engineering Materials
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2. 矿物组成
• 矿物是具有一定化学成分和结构特征的单 无机非金属材料 质或化合物。 •矿物组成 = 矿物种类 + 矿物含量
例如：普通硅酸盐水泥与快硬硅酸盐水泥
2
研究土木工程材料的一般规律
• 如下图所示：
组成 原料 生产工艺 构造
形成了
决定了 (内因) 外影 因响 提 出 了 技术 要求 依据 检验 与 验收
提出了要求
运输 储存
结构
性质
决定了
应用
外界环境条件
Civil Engineering Materials
3
内容提要：
1.1 材料的组成与结构 1.2 材料的物理性质 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料的耐久性 1.5 材料的热工、声、光性
Civil Engineering Materials
20
1－固体物质； 2－开口孔隙； 3－闭口孔隙
材料内孔隙示意图
开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙 大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性 除外）。
Civil Engineering Materials
21
1.2 材料的物理性质
• 1.2.1 与质量状态有关的物理性质 • 1.2.2 与构造状态有关的物理性质 • 1.2.3 与水有关的性质
开口/连孔隙 闭口/封闭孔隙
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19
3. 孔隙特征及其对材料性质的影响 • 孔隙特征是指材料内部孔隙的大小、形状、 分布、连通与否等构造上的特征，对材料 的物理、力学性质均有显著影响。 • 一般工程应用上，孔隙特征主要指孔隙的 连通性，按此分为开口孔隙和闭口孔隙。
15
泡沫玻璃
泡沫塑料
泡沫混凝土
玻璃
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小结：材料的组成、微观结构、宏观结
构与材料性质、用途的关系
宏观结构不同，即使组成与微观结构等相
同，材料的性质与用途也不同
宏观结构相同或相似，则即使材料的组成
或微观结构等不同，材料也具有某些相同或
相似的性质与用途