第一章土木工程材料的基本性質(zhì)

第一章

土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì)，是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時(shí)，通常必須要考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。因?yàn)橥聊窘ㄖ牧纤幗ǎ?gòu)）筑物的部位不同、使用環(huán)境不同、人們對(duì)材料的使用功能要求不同。

第一節(jié)、材料的物理性質(zhì)第二節(jié)、材料的基本力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)、材料的耐久性第四節(jié)、材料的組成與結(jié)構(gòu)第五節(jié)、材料的環(huán)境負(fù)荷性及其使用的健康安全性第一章土木工程材料的基本性質(zhì)封閉孔隙（體積為Vb）開(kāi)口孔隙（體積為Vk）固體物質(zhì)（體積為V）材料在自然狀態(tài)下總體積：V0＝V+Vp孔隙體積：Vp＝Vb+VkVp——孔隙體積第一節(jié)、材料的物理性質(zhì)

一、材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)材料的體積構(gòu)成絕對(duì)密實(shí)體積（V）干燥材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積。即材料內(nèi)部固體物質(zhì)的體積，不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。一般以Ｖ表示。一般將材料磨成規(guī)定細(xì)度的粉末，經(jīng)干燥至恒重，用排開(kāi)液體的方法得到其體積。（李氏瓶）表觀體積（V’）自然狀態(tài)下，不含開(kāi)口孔時(shí)的體積對(duì)于比較密實(shí)、孔隙較少的散粒狀材料，不必磨細(xì)，直接用排開(kāi)液體的方法測(cè)定的體積。一般以表示。材料的自然體積（V0

）材料在自然狀態(tài)下的宏觀外形體積（含內(nèi)部孔隙和水分）。一般以V0

表示。形狀規(guī)則的材料可根據(jù)其尺寸計(jì)算其體積；形狀不規(guī)則的材料可先在材料表面涂臘，然后用排開(kāi)液體的方法得到其體積。材料的堆積體積（V0’）粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下的宏觀外形體積。松散堆積狀態(tài)下的體積較大，密實(shí)堆積狀態(tài)下的體積較小。一般以表示。

1.密度（ρ）指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：

式中：ρ——實(shí)際密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質(zhì)量，g或kg；

V——材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3或m3。測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)。含孔材料則必須磨細(xì)后采用李氏瓶來(lái)測(cè)定其體積。材料的密度大小取決于組成物質(zhì)的原子量和分子結(jié)構(gòu)。重金屬材料的密度為7.5-9.00g/cm3，硅鋁酸鹽的密度多在1.80-3.30g/cm3，有機(jī)高分子材料的密度小于2.50g/cm3；同為碳原子組成，石墨的分子結(jié)構(gòu)較松散，密度為2.20g/cm3，而金剛石則極為堅(jiān)實(shí)，密度高達(dá)3.0g/cm3。2.表觀密度（）是指材料在自然狀態(tài)下，不含開(kāi)口孔時(shí)單位體積的質(zhì)量。即材料單位表觀體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：式中：——表觀密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質(zhì)量，g或kg；

——材料的表觀體積，cm3或m3；Vb——材料內(nèi)部閉口孔隙的體積。表觀體積是指包括內(nèi)部封閉孔隙在內(nèi)的體積。材料在自然狀態(tài)下由于內(nèi)部孔隙的存在，當(dāng)材料含有水分時(shí)，它的質(zhì)量和體積都會(huì)發(fā)生變化，因而表觀密度也不相同。故測(cè)定材料表觀密度時(shí)，材料必須絕對(duì)干燥。工程中砂石材料，直接用排水法測(cè)定其表觀體積3.容積密度（ρ0）容積密度（又稱體積密度，俗稱容重）是指材料在自然狀態(tài)下，單位宏觀外形體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

式中：ρ0——材料的容積密度,g/cm3或kg/m3；m

——材料的質(zhì)量，g或kg；V0——材料的自然狀態(tài)下宏觀外形體積，cm3或m3；Vk

——材料內(nèi)部開(kāi)口孔隙的體積。封閉孔隙（體積為Vb）開(kāi)口孔隙（體積為Vk）固體物質(zhì)（體積為V）材料在自然狀態(tài)下總體積：V0＝V+Vp

孔隙體積：Vp＝Vb+VkVp——孔隙體積材料的體積構(gòu)成粉狀材料如水泥、消石灰粉等，其平均顆粒粒徑甚小，與一般塊體材料測(cè)定密度時(shí)所研碎制作的試樣粒徑相近，因而它們?cè)诮^干狀態(tài)下的容積密度，與密度值很接近，可視為相等。對(duì)于不規(guī)則的材料，可涂蠟后采用排水法測(cè)定其體積。4.堆積密度(ρ0’

)堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

式中：——材料的堆積密度,g/cm3或kg/m3；

m

——材料的質(zhì)量，g或kg；——材料的堆積體積，cm3或m3。——散粒材料或粉狀材料間的空隙體積，砂堆積密度的測(cè)定將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積幾種密度的比較比較項(xiàng)目實(shí)際密度表觀密度容積密度堆積密度材料狀態(tài)絕對(duì)密實(shí)近似絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)自然狀態(tài)堆積狀態(tài)材料體積VV0計(jì)算公式應(yīng)用判斷材料性質(zhì)用量計(jì)算、體積計(jì)算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?？紫堵蔖按下式計(jì)算：式中：V——材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3或m3；

V0——材料的自然狀態(tài)下宏觀外形體積，cm3或m3；

ρ0——材料的容積密度,g/cm3或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3或kg/m3。二、與構(gòu)造狀態(tài)有關(guān)的物理性質(zhì)

1、孔隙率與密實(shí)度封閉孔隙（體積為Vb）開(kāi)口孔隙（體積為Vk）固體物質(zhì)（體積為V）材料在自然狀態(tài)下總體積：V0＝V+Vp孔隙體積：Vp＝Vb+VkVp——孔隙體積材料的體積構(gòu)成二、與構(gòu)造狀態(tài)有關(guān)的物理性質(zhì)

1、孔隙率與密實(shí)度

密實(shí)度是指材料體積內(nèi)固體物質(zhì)填充的程度。密實(shí)度的計(jì)算式如下：

式中：ρ——密度；ρ0——材料的容積密度。

對(duì)于絕對(duì)密實(shí)材料，因ρ0=ρ，故密實(shí)度D=1或100%。對(duì)于大多數(shù)土木工程材料，因ρ0＜ρ，故密實(shí)度D＜1或D＜100%。材料孔隙率或密實(shí)度的大小直接反映材料的密實(shí)程度。材料的孔隙率高，則表示密實(shí)程度小?？紫短卣鳎涸谝话愎こ虘?yīng)用中，材料的孔隙特征通常主要是指孔隙的連通性，按此可將孔隙分為開(kāi)口孔隙和閉口孔隙。開(kāi)口孔隙：是指材料內(nèi)部孔隙不僅彼此相互貫通，并且與外界相通，如常見(jiàn)的毛細(xì)孔，在一般浸水條件下，開(kāi)孔能吸水飽和。開(kāi)口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸聲性，降低材料的抗凍性。閉口孔隙：是指材料內(nèi)部孔隙彼此不相通，而且與外界隔絕，閉口孔隙能提高材料的保溫隔熱性能和材料的耐久性。

2、空隙率與填充率

空隙率是指散粒材料在其堆積體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率按下式計(jì)算：

式中：ρ0——材料的容積密度；

——材料的堆積密度?？障堵实拇笮》从沉松⒘２牧系念w粒之間互相填充的程度。

孔隙率與空隙率的區(qū)別比較項(xiàng)目孔隙率空隙率適用場(chǎng)合個(gè)體材料內(nèi)部堆積材料之間作用可判斷材料性質(zhì)可作為控制砼集料的砂石級(jí)配及計(jì)算配合比的依據(jù)計(jì)算公式三、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.材料的親水性與憎水性與水接觸時(shí)，材料表面能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱為親水性；材料表面不能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱為憎水性。材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結(jié)構(gòu)。分子間內(nèi)聚力圖1－1材料潤(rùn)濕角

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料親水性材料可以被水潤(rùn)濕，即水可以在材料表面鋪展開(kāi)。當(dāng)親水性材料存在開(kāi)口孔隙時(shí)，水分就可以通過(guò)孔隙的毛細(xì)作用自動(dòng)滲入材料內(nèi)部。憎水性材料則不能被水潤(rùn)濕，水分不易滲入材料毛細(xì)管。憎水性材料常用作防水材料。而對(duì)親水性材料表面做憎水處理，可改善其耐水性能。三、材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.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(lái)表示。材料的吸濕性可吸收空氣中的水分，又可向空氣中釋放水分。不良影響：會(huì)使材料的表觀密度增大、體積膨脹、強(qiáng)度下降、保溫性能降低、抗凍性變差等。2.材料的吸水性（1）質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料絕對(duì)干燥狀態(tài)下質(zhì)量的百分比，并以ｗm表示。ｗm的計(jì)算公式為：式中：m飽——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）；m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）。（2）體積吸水率

體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以WV表示。體積吸水率WV的計(jì)算公式為：式中:

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積，（cm3或m3）；

ρw——水的密度,（g/cm3或kg/m3），常溫下取

ρw=1.0g/cm3。體積吸水率，可用來(lái)說(shuō)明材料內(nèi)部孔隙被水充滿的程度。（3）影響材料吸水性的因素材料的吸水率與其孔隙率有關(guān)，更與其孔隙特征有關(guān)。若材料具有微細(xì)而連通的孔隙，則吸水率就較大；若材料具有封閉孔隙，則水分就難以滲入，吸水率就較??；若只具有較粗大開(kāi)口的孔隙，水分雖較容易進(jìn)入，但不易在孔內(nèi)保留，僅起到潤(rùn)濕孔壁的作用，吸水率也較小。（4）、材料的吸濕性材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。用含水率Ｗ含

表示，其計(jì)算公式為：式中：m含——材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）。含水率表示材料在某一狀態(tài)的含水能力，它隨環(huán)境溫度和空氣濕度的變化而變化，當(dāng)環(huán)境溫度較低且空氣濕度較大時(shí)，材料的含水率就大。當(dāng)空氣中濕度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過(guò)程處于平衡狀態(tài)，此時(shí)材料的含水率保持不變，其含水率稱為平衡含水率（氣干含水率）。吸水率與含水率的區(qū)別比較項(xiàng)目吸水率含水率適用場(chǎng)合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質(zhì)量比或體積比吸收水分的質(zhì)量比吸收水量達(dá)到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率例1-1

材料的密度、表觀密度、堆積密度有何區(qū)別？如何測(cè)定？材料含水后對(duì)三者有什么影響？解 密度： 表觀密度： 堆積密度：V為材料的絕對(duì)密實(shí)體積V0為材料的表觀體積(固、液、氣）V0，為材料的堆積體積對(duì)于含孔材料，三者的測(cè)試方法要點(diǎn)如下：測(cè)定密度時(shí)，需先將材料磨細(xì)，之后采用排出液體或水的方法來(lái)測(cè)定體積。測(cè)定表觀密度時(shí)，直接將材料放入水中，即直接采用排開(kāi)水的方法來(lái)測(cè)體積；測(cè)定堆積密度時(shí)，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測(cè)試其自然堆積狀態(tài)下體積。含水與否對(duì)密度、表觀密度無(wú)影響，因密度、表觀密度均是對(duì)干燥狀態(tài)而言的。含水對(duì)堆積密度的影響則較復(fù)雜．一般來(lái)說(shuō)是使堆積密度增大。例1-2

某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、表觀密度為2.61g/cm3、堆積密度為1680kg/m3，計(jì)算此石子的孔隙率與空隙率？解：石子的孔隙率P為：石子的空隙率P，為：四、材料的熱工性質(zhì)1.導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性。當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量從溫度高的一面向溫度低的一面?zhèn)鲗?dǎo)。導(dǎo)熱性常用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示。1、導(dǎo)熱性勻質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ計(jì)算公式：式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Q——傳導(dǎo)的熱量，J；

δ——材料厚度，m；

A——熱傳導(dǎo)面積，m2；t——熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；

（T2－T1）——材料兩面溫度差，K。λ物理意義：?jiǎn)挝缓穸龋?m）的材料、兩面溫度差為1K時(shí)、在單位時(shí)間（1s）內(nèi)通過(guò)單位面積（1m2）的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)λ越小，表示材料越不容易導(dǎo)熱。通常將λ≤0.23W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。常用的絕熱材料有：礦棉、膨脹珍珠巖、泡沫塑料。四、材料的熱工性質(zhì)2.熱阻熱阻是材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過(guò)的能力，熱阻的定義及計(jì)算式為：

Ｒ＝δ/λ式中：R——材料層熱阻，（m2·K）/W；

δ——材料層厚度，m；

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。熱阻的倒數(shù)１／Ｒ稱為材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的傳熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻是評(píng)定材料絕熱性能的主要指標(biāo)，其大小受材料的孔隙結(jié)構(gòu)，含水狀況影響很大。通常材料的孔隙率越大、表觀密度越小、導(dǎo)熱系數(shù)就越小。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)只有0.025；具有細(xì)微而封閉孔結(jié)構(gòu)的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)更比具有較粗大或連通孔結(jié)構(gòu)的材料?。挥捎谒膶?dǎo)熱系數(shù)較大0.58，冰的導(dǎo)熱系數(shù)更大2.33，所以材料受潮或冰凍之后，導(dǎo)熱性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，因此，保溫材料在存放、施工和使用過(guò)程中，要采取措施保持干燥。導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻還與材料的組成、溫度等因素有關(guān)。例如，金屬材料、無(wú)機(jī)材料、晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般分別大于非金屬材料、有機(jī)材料和非晶體材料；溫度越高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越大，（金屬材料除外。）3.熱容量材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。用比熱表示。比熱的計(jì)算式如下所示：式中：C——材料的比熱，J/（g·K）；

Q——材料吸收或放出的熱量(熱容量)；

m——材料質(zhì)量，g；（T2

－T1）——材料受熱或冷卻前后的溫差，K。四、材料的熱工性質(zhì)五、材料與聲相關(guān)的性質(zhì)1.吸聲性—材料能吸收聲音的性質(zhì)。用吸聲系數(shù)來(lái)表示：α----吸聲系數(shù)（%）；E1-----被材料吸收的聲能；E0-----入射到材料表面的總聲能。2.隔聲性材料隔絕聲音的性質(zhì)。思考題1-1：選用建筑材料應(yīng)如何考慮其放射性核素限量?在自然界中，凡原子核不穩(wěn)定、能自發(fā)地放出射線并能衰變成其他元素原子核的元素，稱之為放射性元素，即放射性核素。氡是放射性元素鈾、釷等衰變鏈的一個(gè)產(chǎn)物，是天然放射性鈾系中的一種放射性惰性氣體。當(dāng)人吸入氡的短壽命子體后，氡子體不斷沉積在呼吸道表面并在局部區(qū)域內(nèi)不斷積累。因此，吸入含氡氣體對(duì)呼吸系統(tǒng)造成的輻射危害主要來(lái)自氡子體。據(jù)估計(jì)，美國(guó)每年約有2．2萬(wàn)人因吸入氡及其短壽命子體得肺癌；我國(guó)每年約有55萬(wàn)人因同樣的原因而得肺癌；香港地區(qū)每年因氡致癌約占肺癌患者的30％。氡被世界衛(wèi)生組織列為使人致癌的19種最重要物質(zhì)之一。建筑材料中的放射性核素主要來(lái)源有兩個(gè)方面：一是原料本身含有天然放射性核素；二是加工過(guò)程導(dǎo)致放射性核素富集。為此，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料放射性核素限量》(GB6566--2001)對(duì)建筑主體材料和裝修材料提出了相關(guān)要求。思考題1-2：

為什么新建房屋的墻體保溫性能較差?尤其在冬季?材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，表示其保溫絕熱性能越好。工程中通常把導(dǎo)熱系數(shù)A<0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料。影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要是化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)、孔隙率、孔隙特征、含水率、傳熱時(shí)材料的溫度。材料含水或含冰時(shí)，會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加。干燥墻體由于其孔隙被空氣所填充，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小。只有0·023W／(m.K)，因而干燥墻體具有良好的保暖性能。而新建房屋的墻體由于未完全干燥，其內(nèi)部孔隙中含有較多的水分。而水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58W／(m·K)，是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的近25倍，因而傳熱速度較快，保溫性較差。尤其在冬季，一旦濕墻中孔隙水結(jié)冰后，導(dǎo)熱能力更加提高，冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.3W／(m.K)，是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的100倍，保溫性能更差。思考題1-3

：有的以紅磚建的房屋被水泡后會(huì)倒塌，試分析原因。應(yīng)如何選用受潮或被水浸泡部位的結(jié)構(gòu)材料？這些倒塌的房屋所用的紅磚沒(méi)有燒透，紅磚內(nèi)開(kāi)口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的黏土遇水分散，強(qiáng)度的下降幅度更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。

第二節(jié)、材料的基本力學(xué)性質(zhì)一、材料的強(qiáng)度和比強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是材料在應(yīng)力作用下抵抗破壞的能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強(qiáng)度等?？箟嚎估辜艨箯澋诙?jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算：式中：f——材料強(qiáng)度，MPa；

Fmax——材料破壞時(shí)的最大荷載，N；

A——試件受力面積，mm2。-矩形截面的條形試件，抗彎強(qiáng)度的計(jì)算：（動(dòng)畫(huà)）兩支點(diǎn)間的中間作用一集中荷載，抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：第二節(jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)-矩形截面的條形試件，抗彎強(qiáng)度的計(jì)算：兩支點(diǎn)間的三分點(diǎn)處作用兩個(gè)相等的集中荷載（P/2），抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：-第二節(jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)2.彈性和塑性（1）彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)變形）。屬可逆變形。（2）塑性材料在外力作用下，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定限值時(shí)產(chǎn)生顯著變形，且不產(chǎn)生裂縫或發(fā)生斷裂，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質(zhì)，稱為塑性（或永久變形）。屬不可逆變形。第二節(jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)（3）彈塑性實(shí)際上，完全的彈性材料是沒(méi)有的，許多材料在受力不大時(shí)，僅產(chǎn)生彈性變形，可視作彈性材料，當(dāng)受力超過(guò)一定限度后，便出現(xiàn)塑性變形，如建筑鋼材。第二節(jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)彈性模量：E=應(yīng)力/應(yīng)變，材料在外力作用下，產(chǎn)生單位變形所需要的應(yīng)力。彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個(gè)指標(biāo)。其值愈大，材料愈不易變形，即剛度好。材料的彈性模量和強(qiáng)度之間沒(méi)有固定的關(guān)系。鋼材的彈性模量不受強(qiáng)度變化的影響，混凝土的彈性模量，在相同的溫度和濕度條件下，一般強(qiáng)度高，彈性模量大，二者關(guān)系密切，但并不呈線性關(guān)系。第二節(jié)、材料的力學(xué)性質(zhì)3.脆性和韌性脆性：材料受力達(dá)到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，并無(wú)明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無(wú)機(jī)非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結(jié)普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的特點(diǎn)：抗壓強(qiáng)度高而抗拉、抗折強(qiáng)度低。韌性：在沖擊荷載或震動(dòng)荷載作用下，材料能吸收較大能量，同時(shí)產(chǎn)生較大變形，而不發(fā)生突然破壞的性質(zhì)稱為材料的沖擊韌性（簡(jiǎn)稱韌性）。韌性材料的特點(diǎn)是變形大，特別是塑性變形大，抗拉強(qiáng)度接近或高于抗壓強(qiáng)度。木材、建筑鋼材、橡膠等屬于韌性材料。第三節(jié)、材料的耐久性材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外來(lái)自然因素及有害介質(zhì)的作用，能長(zhǎng)久地保持其使用性能的性質(zhì)。它是土木工程材料的一種綜合性質(zhì)。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)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學(xué)、機(jī)械及生物的作用。第三節(jié)、材料的耐久性物理作用：可有干濕變化、冷熱變化及凍融變化等?；瘜W(xué)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(duì)材料的侵蝕作用。機(jī)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。生物作用：包括菌類、昆蟲(chóng)等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。一、材料的耐水性材料的耐水性是指材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料耐水性的指標(biāo)用軟化系數(shù)K軟表示：式中：K軟——材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著料的軟化系數(shù)；

f飽——材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

f干

——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。第三節(jié)、材料的耐久性軟化系數(shù)反映了材料飽水后強(qiáng)度降低的程度，是材料吸水后性質(zhì)變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會(huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強(qiáng)度則有不同程度的降低。當(dāng)材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時(shí)（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。軟化系數(shù)的波動(dòng)范圍在0至1之間。工程中通常將K軟＞0.85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位時(shí)，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75

。二、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。用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級(jí)表示。（1）滲透系數(shù)材料的滲透系數(shù)K可通過(guò)下式計(jì)算:式中：K——滲透系數(shù),（cm/h）;

QW——滲水量，（cm3）；

A——滲水面積,（cm2）；

H——材料兩側(cè)的水壓差，（cm）；

d——試件厚度（cm）；t——滲水時(shí)間（h）。

材料的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。（2）抗?jié)B等級(jí)

材料的抗?jié)B等級(jí)是指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來(lái)表示抗?jié)B等級(jí)。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透。（3）影響材料抗?jié)B性的因素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；材料的密實(shí)度（孔隙率）：密實(shí)度高的材料其抗?jié)B性也較高；材料的孔隙特征：具有開(kāi)口孔隙的材料其抗?jié)B性較差。三、抗凍性抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。三、抗凍性材料吸水后，在負(fù)溫作用條件下，水在材料毛細(xì)孔內(nèi)凍結(jié)成冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。三、抗凍性抗凍性以試件在凍融后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失不超過(guò)一定限度時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)表示，或稱為抗凍等級(jí)材料的抗凍等級(jí)可分為F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。影響抗凍性的因素1.材料的密實(shí)度（孔隙率）密實(shí)度越高則其抗凍性越好。2.材料的孔隙特征開(kāi)口孔隙越多則其抗凍性越差。3.材料的強(qiáng)度強(qiáng)度越高則其抗凍性越好。4.材料的耐水性耐水性越好則其抗凍性也越好。5.材料的吸水量大小吸水量越大則其抗凍性越差。四、耐候性材料對(duì)陽(yáng)光、風(fēng)、雨、露、溫度變化和腐蝕氣體（如二氧化硫、二氧化碳、臭氧）等自然侵蝕的耐受能力稱為耐候性。在工程中，選用材料時(shí)，必須考慮材料的耐久性問(wèn)題，耐久性良好的材料，對(duì)控制工程造價(jià)、減少維修費(fèi)用、保證工程的長(zhǎng)期正常使用，有著十分重要的意義。材料的耐久性指標(biāo)是根據(jù)工程所處的環(huán)境條件來(lái)決定的。例如，處于凍融環(huán)境的工程，所用材料的耐久性以抗凍性指標(biāo)來(lái)表示。處于暴露環(huán)境的有機(jī)材料，其耐久性以抗老化能力來(lái)表示。第四節(jié)材料的組成與結(jié)構(gòu)一、材料的組成材料的組成是決定材料性質(zhì)的最基本因素。材料的組成是指材料的化學(xué)組成、礦物組成和相組成。第四節(jié)材料的組成與結(jié)構(gòu)1、化學(xué)組成化學(xué)組成是指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類和數(shù)量。習(xí)慣上，金屬材料的化學(xué)組成以主要元素的含量來(lái)表示；無(wú)機(jī)非金屬材料則以各種氧化物含量表示。2、礦物組成材料科學(xué)中常將具有特定的晶體結(jié)構(gòu)、特定的物理力學(xué)性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量如天然石材、無(wú)機(jī)膠凝材料等?；瘜W(xué)組成確定的條件下，礦物組成決定材料性質(zhì)的主要因素。3、相組成（補(bǔ)充內(nèi)容、見(jiàn)湖大等合編的教材）材料中結(jié)構(gòu)相近、性質(zhì)相同的均勻部分稱為相。自然界中物質(zhì)可分為氣相、液相、固相三種形態(tài)。材料中，同種化學(xué)物質(zhì)由于加工工藝的不同，溫度、壓力等環(huán)境條件的不同，可形成不同的相。土木工程材料大多是多相固體材料，這種由兩相或兩相以上的物質(zhì)組成的材料，稱為復(fù)合材料。二、材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)同樣決定著材料的性質(zhì)，一般地從宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)層次來(lái)分析研究材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。二、材料的結(jié)構(gòu)1、宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)（或稱構(gòu)造）是指材料宏觀存在的狀態(tài)，即用肉眼或放大鏡就可分辨的粗大組織。其尺寸在10-3m以上。如材料中孔隙的大小、分布、特征的改變，都會(huì)使材料的強(qiáng)度、抗凍性、保溫隔熱性、吸聲性等性質(zhì)發(fā)生變化。2、細(xì)觀結(jié)構(gòu)細(xì)觀結(jié)構(gòu)（也稱顯微或亞微觀結(jié)構(gòu)）是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-3-10-6m,如金屬材料的金相組織，木材的木纖維、導(dǎo)管、髓線、樹(shù)脂道等纖維組織，以及混凝土內(nèi)部的微裂縫等。材料在細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次上，各種組織的性質(zhì)是各不相同的，這些組織的特征、數(shù)量、分布以及界面之間的結(jié)合情況，都對(duì)土木工程材料的整體性質(zhì)起著重要的影響。3、微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)是指材料原子、分子層次的結(jié)構(gòu)?？山柚陔娮语@微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀等手段來(lái)分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。其尺寸范圍在10-6-10-10m。材料的許多物理、力學(xué)性質(zhì)。如強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等都是由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)所決定的。土木工程材料使用狀態(tài)均為固體，其微觀結(jié)構(gòu)可分為晶體、玻璃體和膠體三類。晶體的結(jié)構(gòu)特征是由其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（離子、原子、分子）按特定的規(guī)則在空間呈有規(guī)律的排列。晶體具有一定的幾何外形，并顯示各向異性。晶體材料又是由大量排列不規(guī)則的晶粒所組成，在宏觀上材料整體又具有各向同性的性質(zhì)。材料的化學(xué)成分相同，但形成的晶體結(jié)構(gòu)可以不同，其性能也就大有差異。如石英、石英玻璃和硅藻土。玻璃體是熔融物在急速冷卻時(shí)形成的無(wú)定形體。其質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及做有規(guī)則的排列就凝固了，大量的化學(xué)能未能釋放出來(lái)，故其具有化學(xué)不穩(wěn)定性，亦即存在化學(xué)潛能，容易和其他物質(zhì)反應(yīng)或自行緩慢向晶體轉(zhuǎn)換。如在水泥、混凝土中使用的粒化高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等均屬玻璃體。另外，由于質(zhì)點(diǎn)排列無(wú)規(guī)律，玻璃體具有各向同性，而且沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。膠體是物質(zhì)以極微?。綖?-100μm）分散在介質(zhì)中所形成的結(jié)構(gòu)。由于膠體的質(zhì)點(diǎn)很微小，其總的表面積很大，因而表面能很大，有很強(qiáng)的吸附力，所以膠體具有較強(qiáng)的粘結(jié)力。膠體可以經(jīng)脫水或質(zhì)點(diǎn)的凝聚作用而形成凝膠。凝膠具有固體的性質(zhì)，但在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下，又具有粘