第二章材料的基本性質

1、第二章第二章 材料的基本性質材料的基本性質一、材料與質量有關的性質一、材料與質量有關的性質p材料的體積構成材料的體積構成 體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。封閉孔隙（體積為Vb）開口孔隙（體積為Vk）固體物質（體積為V）材料在自然狀態(tài)下總體積：V0V+Vp 孔隙體積：VpVb+VkVp孔隙體積（一）材料的密度（一）材料的密度 1. 1.實際密度實際密度 指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量，指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量，按下式計算：按下式計算：Vm 式中：式中：實際密度

2、，實際密度，g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； m m材料的質量，材料的質量，g g 或或 kg kg； V V材料的絕對密實體積，材料的絕對密實體積，cmcm3 3 或或 mm3 3。2.2.表觀密度表觀密度 材料單位表觀體積的質量。按下式計算：材料單位表觀體積的質量。按下式計算：式中：式中： 0體積密度，體積密度， g/cmg/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； m m 材料的質量，材料的質量，g g 或或 kgkg； 0 材料的自然體積，材料的自然體積，cmcm3 3 或或 mm3 3。00Vm 3. 3. 堆積密度堆積密度 堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積

3、狀態(tài)下單堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。按下式計算：位體積的質量。按下式計算： 式中：式中：0 0材料的堆積密度材料的堆積密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； mm 材料的質量，材料的質量，g g 或或 kg kg； V 0 材料的堆積體積，材料的堆積體積，cmcm3 3 或或 mm3 3。00Vm顆粒材料空 隙p 砂堆積體積的測定砂堆積體積的測定將容量筒內(nèi)材料將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的刮平，容量筒的容積即為材料堆容積即為材料堆積體積積體積（二）（二） 材料的密實度材料的密實度 密實度是指材料體積內(nèi)固體物質填充的程度。密實度密實度是指材料

4、體積內(nèi)固體物質填充的程度。密實度的計算式如下：的計算式如下： 式中：式中： 密度；密度； 0 0材料的表觀密度。材料的表觀密度。 對于絕對密實材料，對于絕對密實材料， 因因 0 0 = = ，故密實度，故密實度D =1 D =1 或或100%100%。對于大多數(shù)土木工程材料，。對于大多數(shù)土木工程材料， 因因 0 0 ，故密，故密實度實度D D 1 1 或或 D D 100%100%。 10010000VVDp 材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率?？紫堵史e的百分率?？紫堵蔖 P按下式計算：按下式計算：式中：式中：V V 材料的絕對密

5、實體積，材料的絕對密實體積，cmcm3 3 或或 mm3 3； V V0 0 材料的表觀體積，材料的表觀體積，cmcm3 3 或或 mm3 3； 0 0 材料的表觀密度材料的表觀密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3； 密度密度, g/cm, g/cm3 3 或或 kg/mkg/m3 3。）（1001100000VVVP （三）孔隙率（三）孔隙率（四）空隙率（四）空隙率 空隙率是指散粒材料在其堆積體積中空隙率是指散粒材料在其堆積體積中, , 顆粒之間顆粒之間的空隙體積所占的比例?？障堵实目障扼w積所占的比例?？障堵?P P按下式計算：按下式計算： 式中：式中：0 0 材

6、料的體積密度；材料的體積密度； 0 0 材料的堆積密度。材料的堆積密度。 空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹驴障堵实拇笮》从沉松⒘２牧系念w?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計算砂密程度?？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計算砂率的依據(jù)。率的依據(jù)。 ）（）（10011001100000000VVVVVPp 孔隙率與空隙率的區(qū)別孔隙率與空隙率的區(qū)別比較項目比較項目孔隙率孔隙率空隙率空隙率適用場合適用場合個體材料內(nèi)部堆積材料之間作作 用用可判斷材料性質可進行材料用量計算計算公式計算公式）（10010P）（100100P 1. 1. 材料的強度材料的強度 材料的強度是材料在

7、應力作用下抵抗破壞的能力。材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。p 根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有、抗壓、根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有、抗壓、 抗剪、抗彎（抗折）強度等?？辜?、抗彎（抗折）強度等。FFFFFFlFl/2bh抗壓抗壓抗拉抗拉抗剪抗剪抗彎抗彎二、材料的力學性質二、材料的力學性質p抗壓強度、抗拉強抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度的計度、抗剪強度的計算：算：式中：式中：ff材料強度，材料強度， MPaMPa； F Fmaxmax材料破壞時材料破壞時的最大荷載，的最大荷載，NN； A A試件受力面試件受力面積，積，mmmm2 2。p抗彎強度的計算：抗彎強度的計算： 中間作用一

8、集中荷載，對矩中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則其抗彎強度形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：用下式計算： 式中：式中：f fww材料的抗彎強材料的抗彎強 度，度， MMPaPa； F Fmaxmax材料受彎破材料受彎破壞時的最大荷載，壞時的最大荷載，NN； A A試件受力面積，試件受力面積，mmmm2 2；L L 、b b 、 h h 兩支點的間兩支點的間距，試件橫截面的寬及高，距，試件橫截面的寬及高， mmmm。AFfmax2max23bhLFfw 2. 2. 彈性和塑性彈性和塑性（1 1）彈性）彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能夠完

9、全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。 （2 2）塑性）塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。（或永久變形）。3. 3. 脆性和韌性脆性和韌性p 材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的

10、變形，材料的這種性質稱為顯的變形，材料的這種性質稱為脆性脆性。大部分無機非。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。p 材料在沖擊、震動荷載作用下，能發(fā)生較大變形而材料在沖擊、震動荷載作用下，能發(fā)生較大變形而不發(fā)生突然破壞的性質稱為不發(fā)生突然破壞的性質稱為韌性韌性。 木材、建筑鋼材、瀝青

11、、橡膠等均屬于韌性材料。木材、建筑鋼材、瀝青、橡膠等均屬于韌性材料。4. 4. 硬度和耐磨性硬度和耐磨性（1 1）硬度）硬度p材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定材料的硬度?；貜椃ê蛪喝敕y定材料的硬度。p刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為玉、金剛石的順序，分為1010個硬度等級。個硬度等

12、級。p回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、凝土的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強度。橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強度。 （2) 2) 耐磨性耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下：耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下：式中：式中： G G 材料的磨耗率，材料的磨耗率， （g/cmg/cm2 2）；）； mm1 1材料磨損前的質量，（材料磨損前的質量，（g g）；）； m m2 2 材

13、料磨損后的質量，（材料磨損后的質量，（g g）；）； A A 材料試件的受磨面積材料試件的受磨面積 （cmcm2 2）。）。p 建筑中，地面、樓梯踏步、人行道路等處需考建筑中，地面、樓梯踏步、人行道路等處需考慮材料的硬度和耐磨性。慮材料的硬度和耐磨性。AmmG21p材料的材料的耐久性耐久性是泛指材料在使用條件下，受是泛指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外來自然因素及有害介質的作用，各種內(nèi)在或外來自然因素及有害介質的作用，能長久地保持其使用性能的性質。能長久地保持其使用性能的性質。p材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素用

14、之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。機械及生物的作用。p物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。p化學作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、化學作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對材料的侵蝕作用。堿、鹽等液體或有害氣體對材料的侵蝕作用。p機械作用包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引機械作用包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。p生物作用包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐

15、朽、生物作用包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。蛀蝕而破壞。 1. 1.材料的材料的親水性親水性與與憎水性憎水性 與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質稱為與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質稱為親水性親水性；材料表面不能被水潤濕的性質稱為材料表面不能被水潤濕的性質稱為憎水性憎水性。 具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。親水性材料與水分子之間的分子作用力，大于水分子相互親水性材料與水分子之間的分子作用力，大于水分子相互之間的內(nèi)聚力；憎水性材料與水分子之間的作用力，小于之間的內(nèi)聚力；憎水性材料與水分子之間的作用力，小于水分子相

16、互之間的內(nèi)聚力。水分子相互之間的內(nèi)聚力。（）親水性材料（）親水性材料 （）憎水性材料（）憎水性材料9090稱為潤濕角三、材料與水有關的性質 2. 2. 材料的吸水性材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率來表示。吸水性的大小以吸水率來表示。式中：式中： W W 材料的重量吸水率材料的重量吸水率(%);(%); m m1 1材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（g g或或kgkg）；）； m m 材料在干燥狀態(tài)下的質量（材料在干燥狀態(tài)下的質量（g g或或kgkg）。）。%1001mmmW 影響材料吸

17、水性的因素影響材料吸水性的因素: : 材料的吸水率與其孔隙率有關，更與材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其空隙特征有關。因為水分是通過材料的其空隙特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內(nèi)部的。材開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水料內(nèi)與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。率就愈大。 3. 3. 材料的吸濕性材料的吸濕性 材料在空氣中吸收水分，所吸收水分隨空氣中濕材料在空氣中吸收水分，所吸收水分隨空氣中濕度的大小而變化。度的大小而變化。 當空氣中濕度在較長時間內(nèi)穩(wěn)定時，材料的吸濕當空氣中濕度在較長時間內(nèi)穩(wěn)定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀

18、態(tài)，此時材料的含水率保持不和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時材料的含水率保持不變，其含水率稱為變，其含水率稱為平衡含水率平衡含水率。p 吸水率與含水率的區(qū)別吸水率與含水率的區(qū)別比較項目比較項目吸水率吸水率含水率含水率適用場合適用場合在水中吸收水分在水中吸收水分在空氣中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法表示方法吸收水分的質量比吸收水分的質量比或體積比或體積比吸收水分的質量比吸收水分的質量比吸收水量吸收水量達到飽和達到飽和與空氣中水分平衡與空氣中水分平衡通常小于吸水率通常小于吸水率 4. 4. 材料的耐水性材料的耐水性 材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用

19、下不破壞， 強度也不顯著降低的性質。材料耐水性的指標用軟化系數(shù)強度也不顯著降低的性質。材料耐水性的指標用軟化系數(shù) K KR R表示：表示：式中：式中：K KR R 材料的軟化系數(shù)；材料的軟化系數(shù)； f fb b 材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPaMPa）；）； f fg g 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPaMPa）。）。gbRffKp軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。吸水后性質變化的重要特征之一。p 一般材料吸水后，水分會分散在材料內(nèi)微粒的表面，

20、一般材料吸水后，水分會分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結合力，強度則有不同程度的降低。當材削弱其內(nèi)部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內(nèi)含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的料內(nèi)含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。p軟化系數(shù)的波動范圍在軟化系數(shù)的波動范圍在0 0至至1 1之間。工程中通常將之間。工程中通常將K KR R0.850.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部境中的重要工程。用于一般受潮較輕或

21、次要的工程部位時，材料軟化系數(shù)也不得小于位時，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75 0.75 。 5.5.抗凍性抗凍性p抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復凍融循抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。p材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內(nèi)凍材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內(nèi)凍結成冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應力，結成冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，材料的會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，材料的破壞作用逐步加劇

22、，這種破壞稱為凍融破壞。破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。p抗凍性以試件在凍融后的質量損失和強度損失不超過一抗凍性以試件在凍融后的質量損失和強度損失不超過一定限度時所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍定限度時所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級。等級。p材料的抗凍等級可分為材料的抗凍等級可分為F F1515、F25F25、F F5050、F F100100、F F200200等，分別表示此材料可承受等，分別表示此材料可承受1515次、次、2525次、次、5050次、次、100100次、次、200200次的凍融循環(huán)。次的凍融循環(huán)。 影響抗凍性的因素：影響抗凍性的因素：1. 1.

23、材料的材料的密實度密實度（孔隙率）：密實度越高則其抗凍性越好。（孔隙率）：密實度越高則其抗凍性越好。2.2.材料的材料的孔隙特征孔隙特征：開口孔隙越多則其抗凍性越差。：開口孔隙越多則其抗凍性越差。3.3.材料的材料的強度強度：強度越高則其抗凍性越好。：強度越高則其抗凍性越好。4.4.材料的材料的耐水性耐水性：耐水性越好則其抗凍性也越好。：耐水性越好則其抗凍性也越好。5.5.材料的材料的吸水量大小吸水量大小：吸水量越大則其抗凍性越差。：吸水量越大則其抗凍性越差。 6. 6. 材料的抗?jié)B性材料的抗?jié)B性 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能?？?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲透系

24、數(shù)或抗?jié)B等級表示。用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級表示。（1 1）滲透系數(shù)）滲透系數(shù) 材料的滲透系數(shù)材料的滲透系數(shù)K K可通過下式計算可通過下式計算: :式中：式中：KK滲透系數(shù)滲透系數(shù), ,（cm / hcm / h） Q Q滲水量（滲水量（cmcm3 3）；）； F F滲水面積（滲水面積（cmcm2 2） H H材料兩側的水壓差，（材料兩側的水壓差，（cmcm）；）； d d試件厚度試件厚度 （cmcm）；）；tt滲水時間滲水時間 （h h）。）。材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強。材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強。FtHQdK （2 2）抗?jié)B等級）抗?jié)B等級 材料的抗?jié)B等級是指用標準方法

25、進行透水測試時，材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水測試時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母字母P P及可承受的水壓力（以及可承受的水壓力（以0.1MPa0.1MPa為單位）來表示為單位）來表示抗?jié)B等級。如抗?jié)B等級。如P4P4、P6P6、P8P8、P10P10等，表示試件能承等，表示試件能承受逐步增高至受逐步增高至0.4MPa0.4MPa、0.6MPa0.6MPa、0.8MPa0.8MPa、1.0MPa1.0MPa的水壓而不滲透。的水壓而不滲透。 （3 3）影響材料抗?jié)B性的因素）影響材料抗?jié)B性的因素p材料親水性和憎水性：通常憎水性

26、材料其抗?jié)B性優(yōu)于材料親水性和憎水性：通常憎水性材料其抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料；親水性材料；p材料的密實度：密實度高的材料其抗?jié)B性也較高；材料的密實度：密實度高的材料其抗?jié)B性也較高；p材料的孔隙特征：具有開口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。材料的孔隙特征：具有開口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。 1. 1.導熱性導熱性 當材料兩面存在溫度差時，熱量提高建筑材料傳遞的當材料兩面存在溫度差時，熱量提高建筑材料傳遞的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù)性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù)表示：表示：式中：式中： 導熱系數(shù)，導熱系數(shù)，W W/ /（mmK K）；）； Q Q 傳導的熱量，傳導的熱量，J J； d d 材料厚度，材料厚度，mm； F F 熱傳導面積，熱傳導面積，mm2 2； Z Z 熱傳導時間，熱傳導時間，h h；（t2t2t1t1）材料兩面溫度差，材料兩面溫度差，K K。p物理意義：單位厚度（物理意義：單位厚度（1m1m）的材料、兩面溫度差為）的材料、兩面溫度差為1K1K時、在單位時間（時、在單位時間（1s 1s）內(nèi)通過單位面積（）內(nèi)通過單位面積（1 m1 m2 2 ）的熱量。）的熱量。）（12ttFZQd四、材料的熱工性質 2. 2. 熱容量和比熱熱容量和比熱 材料在受