第1章 土木工程材料基本性質

第1章土木工程材料基本性質

1.1材料的物理性質1.2材料的力學性質

1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性1.4材料的組成、結構、構造及其對性能的影響本章學習指導歷史回顧因地制宜用材的萬里長城

萬里長城飛越崇山峻嶺，是我國古代勞動人民的杰作，也是建筑史上的豐碑。萬里長城選用材料因地制宜，堪稱典范。

居庸關、八達嶺一段，采用磚石結構。墻身用條石砌筑，中間填充碎石黃土，頂部再用三四層磚鋪砌，以石灰作磚縫材料，堅固耐用。平原黃土地區(qū)缺乏石料，則用泥土壘筑長城，將泥土夯打結實，并以錐刺夯打土檢查是否合格。在西北玉門關一帶，既無石料又無黃土，以當地蘆葦或柳條與砂石間隔鋪筑，共鋪20層。

萬里長城因地制宜使用建筑材料，展現了我國勞動人民的勤勞、智慧和創(chuàng)造力?；A知識1.1材料的物理性質1.1.1密度、表觀密度、體積密度和堆積密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率

1.1.3與水有關的性質

1.1.4熱工性質

1－固體；2－閉口孔隙；3－開口孔隙1.1.1密度、表觀密度、體積密度和堆積密度

（1）密度(Density)：材料在絕對密實狀態(tài)下，單位實體體積的干質量。（2）表觀密度(Apparentdensity)：

材料單位表觀體積（閉口+實體）的干質量。VV0V′（3）毛體積密度(Bulkdensity)：

比較體積密度

材料單位毛體積（閉口+開口+實體）的干質量。

(測試方法不同，獲得體積大小不同）

若m為自然氣干質量，則稱為體積密度。

三種密度區(qū)別：m為材料的烘干質量；

v不同，可為實體體積，表觀體積，毛體積。

密度表觀密度毛體積密度（4）堆積密度(Loosedensity)：

散粒狀材料單位堆積體積（開口+閉口+實體+間隙）物質顆粒的質量。

——反映散粒堆積的緊密（壓實）程度及可能的堆放空間。幾種密度的特點：

相同點：指單位體積質量。（質量/體積）

區(qū)別：測試方法不同，獲得體積大小不同體積的測試方法：

實體體積

——李氏比重瓶法(粉末)

表觀體積(實體＋閉口)—

排液置換法(水中稱重法)

毛體積（實體＋閉口＋開口）

——規(guī)則試件：計算法；不規(guī)則試件：排液法或封蠟排液法

堆積體積(實體＋閉口＋開口＋間隙)——密度筒法★

1.1.2孔隙率(Porosity)和空隙率(Percentageofvoid)（1）孔隙率與密實度(對應概念)——單塊材料

孔隙率

密實度

同理，可計算出開口閉口孔隙率，實用意義不大。

（2）空隙率與填充率——散粒狀材料

空隙率

填充度

孔隙率與空隙率的區(qū)別

1.1.3材料與水有關的性質

1.

親水性與憎水性親水性：與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質；憎水性：與水接觸時，材料表面不能被水潤濕的性質。濕潤角

親水性材料憎水性材料親水性材料：

憎水性材料：磚、石、木、混凝土瀝青、石蠟親水性材料四種狀態(tài)：干燥、氣干、飽和面干、濕潤親水性材料：潤濕角θ≤90°

水分子間內聚力＜水分子與材料分子間吸引力

憎水性材料：潤濕角θ＞90°

水分子間內聚力＞水分子與材料分子間吸引力

2.

吸水性(Absorption)與吸濕性(Hygroscopicity)（1）吸水性——飽水狀態(tài)（吸水飽和）恒值

質量吸水率：材料飽水狀態(tài),所吸水分質量占干質量的百分率

體積吸水率：材料飽水狀態(tài),所吸收水分體積占干體積百分率（2）吸濕性——自然狀態(tài)變值含水率：自然狀態(tài)，材料所含水分質量占其干質量的百分率m1——材料濕質量，gmo——材料干質量，g

3.耐水性(Waterresistance)——材料長期在水的作用下既不破壞強度又不顯著下降的性質指標：軟化系數fb——材料飽水狀態(tài)抗壓強度，MPafg——材料干燥狀態(tài)抗壓強度，MPa注意：隨含水量增加，減弱其內部結合力，導致強度下降。KR>0.85，稱為耐水材料

（1）滲透系數透水量：

4.抗?jié)B性(Watertightness)

——抵抗壓力水滲透的性質

滲透系數：

Ks的意義：抗?jié)B系數越小，表明抗?jié)B性能越好。（2）抗?jié)B等級

指石料、砼或砂漿所能承受的最大水壓力。如最大承水壓力為0.2MPa，表示為P2，另有P4、P6、P8、P10…5.抗凍性(Freeze-thawdurability)——材料飽水狀態(tài)下，能經受多次凍融交替作用，既不破壞強度又不顯著下降的性質。因素：水、負溫度抗凍等級：能經受凍融循環(huán)的最大次數，記為F50、F100、F200、F300…1.1.4熱工性質

1．熱容量和比熱

材料的熱容量是指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力。材料比熱容的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。

2．導熱性

當材料兩側存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側通過材料傳遞到溫度低的一側，材料的這種傳導熱量的能力，稱為導熱性。材料的導熱性可用導熱系數來表示。材料的導熱系數愈小，表示其絕熱性能愈好。3.耐燃性材料對火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性。建筑材料分為三類：（1）非燃燒材料，如鋼鐵、石等；（2）難燃材料，如經過防火處理的刨花板；（3）可燃材料，如一般木材。觀察與討論1.1材料的物理性質孔隙對材料性質的影響

某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面。請問選擇何種材料合適？

討論AB討論1.1材料的物理性質

保溫層的目的是減少外界溫度變化對住戶的影響。材料保溫性能的主要描述指標為導熱系數和熱容量，其中導熱系數越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結構，B材料為密實結構，多孔材料的導熱系數較小，適于作保溫層材料。

1.1材料的物理性質工程實例分析(1)加氣混凝土砌塊吸水分析

(2)火災中混凝土的破壞(1)加氣混凝土砌塊吸水分析

某施工隊原使用普通燒結粘土磚，后改為多孔、體積密度僅700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前采用同樣方式往墻上澆水，發(fā)覺原使用的普通燒結粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看上去澆水不少，但實際吸水不多。

現象原因分析原因分析1.1材料的物理性質

加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數為墨水瓶結構，肚大口小，毛細管作用差，只有少數孔是水分蒸發(fā)形成的毛細孔，故吸水及導濕均緩慢。材料的吸水性不僅要看孔數量的多少，還需看孔的結構。(2)火災中混凝土的破壞

某在建住宅樓不慎發(fā)生火災，混凝土被破壞，見下圖，請分析原因。

概況原因分析原因分析1.1材料的物理性質

混凝土一般由砂、石、水泥等材料經拌和、凝固形成了復雜的物相體系，由于受到火災，在高溫下，混凝土的水化產物分解后又產生了新的物相，導致混凝土微觀結構破壞?；A知識1.2材料的力學性質1.2.1強度1.2.2彈性與塑性

1.2.3韌性與脆性1.2.4硬度

材料的力學性質：材料在外力作用下所引起的變化的性質。這些變化包括材料的變形和破壞。材料的變形：在外力的作用下，材料通過形狀的改變來吸收能量。分為彈性變形和塑性變形。材料的破壞：當外力超過材料的承受極限時，材料出現斷裂等喪失使用功能的變化。材料可分為脆性材料和韌性材料。強度：在外力作用下，材料抵抗破壞的能力。1.2.1強度1.幾種強度（1）抗壓(Compressive)、抗拉(Tensile)、抗剪(Shearing)強度

（MPa）

P——破壞時的最大荷載，N

F——受力截面面積，mm2

（2）抗彎強度（抗折強度Bendingstrength）

單點加荷：

三分點加荷：

不同材料，強度等級有不同的劃分方法

2.比強度(Strength-weightratio)

——指材料強度與其表觀密度之比。

意義：反映材料輕質高強的指標。值越大，材料越輕質高強

概念：材料在外力作用下產生變形，當外力去除后能完全恢復到原始形狀的性質稱為彈性。材料在外力作用下產生變形，當外力去除后，有一部分變形不能恢復，這種性質稱為材料的塑性。區(qū)別：彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。1.2.2彈性與塑性指標：彈性模量

意義：E表示材料抵抗變形的指標，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強。1.2.3韌性(Fragility)和脆性(Tenacity)1.脆性——材料受外力作用，當外力達一定值時，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。

脆性材料：石、磚、砼、陶瓷、玻璃、鑄鐵等

2.韌性——材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產生較大的變形而不破壞，這種性質稱為韌性。

韌性材料：低碳鋼、木材、玻璃鋼等。

采用沖擊試驗測定。1.2.4硬度(Hardness)和耐磨性(Abradability)1.硬度——抵抗外物壓入或刻劃的能力。

可采用：摩氏硬度（石料、陶瓷等）；布氏、洛氏硬度（金屬材料）。

特點：硬度高，耐磨性強，但不易加工。

2.耐磨性——材料表面抵抗磨損的能力。

（路面材料要求）壓入法實驗刻劃法實驗觀察與討論脆性材料與韌性材料

觀察以下兩動畫，請對比分析韌性材料與脆性材料的差異。討論1.2材料的力學性質討論1.2材料的力學性質

具有脆性性質的材料稱脆性材料。脆性材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，可高達數倍甚至數十倍，脆性材料抵抗沖擊載荷或振動作用的能力較差，脆性材料只適合用作承壓構件。土木工程材料中大部分無機非金屬材料均為脆性材料，如燒結普通磚、混凝土等。

具有韌性性質的材料稱韌性材料。在建筑工程中，對于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結構，如吊車梁、橋梁、路面等所用的材料，均應具有較高的韌性。土木工程常用的低碳鋼、有色金屬等都是韌性材料。

工程實例分析1.2

材料的力學性質(1)測試強度與加荷速度

(2)磚浸水后強度下降

現象原因分析(1)測試強度與加荷速度

人們在測試混凝土等材料的強度時可觀察到，同一試件，加荷速度過快，所測值偏高。原因分析(1)測試強度與加荷速度

材料的強度除與其組成結構有關外，還與其測試條件有關，包括加荷速度、溫度、試件大小和形狀等。當加荷速度較快時，荷載的增長速度大于材料的變形速度，測出的數值就會偏高。為此，在材料的強度測試中，一般都規(guī)定其加荷速度范圍。

現象原因分析(2)磚浸水后強度下降

某地發(fā)生歷史上罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見右圖。原因分析(2)磚浸水后強度下降

這些紅磚沒有燒透，磚內開口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強度下降，特別是當有水進入磚內時，未燒透的粘土遇水分散，強度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導致房屋倒塌。基礎知識1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性

1.3.1材料的耐久性

1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調性

1.3.1材料的耐久性

材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質、不破壞的性質，統(tǒng)稱為耐久性，它是一種復雜的、綜合的性質,包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環(huán)境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學作用和生物作用。要根據材料所處的結構部位和使用環(huán)境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據各種材料的耐久性特點合理地選用。1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調性

土木工程材料的環(huán)境協(xié)調問題日益受到重視。材料的環(huán)境協(xié)調性是指材料在生產、使用和廢棄全壽命周期中要有較低的環(huán)境負荷，包括生產中廢物的利用、減少三廢的產生，使用中減少對環(huán)境的污染，廢棄時有較高的可回收率。1994年設立中國環(huán)境標志產品認證委員會，據此土木工程材料中首先對水性涂料實行環(huán)境標志，制定環(huán)境標志的評定標準。

觀察與討論1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性

(1)酸雨腐蝕建筑物

(2)路面磨損裂紋(1)酸雨腐蝕建筑物

下圖為某大樓的外表，從中可見墻壁發(fā)黑，在有的地方可見白色流跡線。

現象討論(1)酸雨腐蝕建筑物

由于吸附了以碳為主的煤煙狀懸浮顆粒物使其建筑物表面變黑，而且由于酸雨的沖洗，使石材露出新表面，從而形成流跡線。同時，石灰質堿性巖容易與酸起反應，石材本身被硫酸溶解，出現表面凸凹不平，故出現了建筑物的表面腐蝕。

討論(2)路面磨損裂紋

經過幾年的使用，某水泥混凝土路面出現露石現象。

現象討論(2)路面磨損裂紋討論

路面由于長年受到車輛及行人的磨損，表面水泥砂漿層剝落，導致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不夠。工程實例分析1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調性

(1)室內空氣污染

(2)放射性污染現象原因分析(1)室內空氣污染

某新建體育館因造型新穎成為旅游熱點，一小孩進入該館即哭鬧不止，到體育館之外就恢復正常，再進館又開始哭鬧。原因分析(1)室內空氣污染

該館大量使用各種裝修材料，由于剛竣工，室內空氣污染嚴重。木地板使用較多的膠粘劑、脲醛樹脂、合成橡膠膠乳等，釋放甲醛、苯類和合成單體，這些有機物質經呼吸道吸入人體能引起頭疼、惡心，刺激眼和鼻，嚴重時引起氣喘、神志不清、嘔吐和支氣管炎。室內沒有明顯污染時的甲醛含量一般為0.134mg/m3～0.670mg/m3，使用各種裝修材料后的游離甲醛含量可達2.3mg/m3。現象原因分析(2)放射性污染

某家居裝修采用一種超過放射性物質控制要求規(guī)定的花崗巖作地板。經檢測，室內氡含量高，后被迫拆除更換。原因分析(2)放射性污染

氡是由鐳衰變產生的自然界唯一的天然放射性惰性氣體，無味，在空氣中易被呼吸系統(tǒng)截留，并在局部區(qū)域不斷累積而誘發(fā)肺癌?？茖W研究表明，有相當部分的肺癌患者與氡有關。在裝修時選購石材須索要產品放射性合格證，根據石材的放射性等級作選擇。

根據美國環(huán)保機構的調查數據，無形殺手導致人類患肺癌的數量每年在7000-10000人?；A知識1.4材料的組成、結構、構造及其對性能的影響

1.4.1材料的組成及其對材料性質的影響

1.4.2材料的結構及其對性質的影響1.4.3材料的構造及其對性能的影響

1.4.1材料的組成及其對材料性質的影響

材料的組成是指材料的化學成分和礦物組成。材料組成是材料性質的基礎，它對材料的性質起著決定性的作用。材料化學組成相同但礦物組成不同也會導致性質的巨大差異。如下圖所示，Ａ、Ｂ為兩種鋼材的金相照片，兩者化學組成接近，主要差別是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ則為0.2％～0.4％，但礦物組成則差別較大。兩種鋼材性能差別較大，其中Ａ具有較好的冷、熱變形等工藝性能，但強度較低，而Ｂ則強度較高。1.4.2材料的結構及其對性質的影響1.

宏觀結構2.

亞微觀結構3.

微觀結構1.

宏觀結構

材料的宏觀結構是指可用肉眼能觀察到的外部和內部的結構。土木工程材料常見的結構形式有：密實結構、多孔結構、纖維結構、層狀結構、散粒結構、紋理結構。密實結構的材料內部基本上無孔隙，結構致密。這類材料的特點是強度和硬度較高，吸水性小，抗?jié)B和抗凍性較好，耐磨性較好，絕熱性差。如鋼材、天然石材、玻璃鋼等。多孔結構的材料有加氣混凝土、石膏制品、燒結普通磚等。2.

亞微觀結構

亞微觀結構是指用光學顯微鏡和一般掃描透射所能觀察到的結構，是介于宏觀和微觀之間的結構。其尺度范圍在10－3～10－9m。材料的顯微結構根據其尺度范圍，還可分為顯微結構和納米結構。其中，顯微結構是指用光學顯微鏡所能觀察到的結構，其尺度范圍在10－3～10－7m。土木工程材料的顯微結構，應根據具體材料分類研究。對于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙結構及界面特性等結構；對于金屬材料，通常是研究其金相組織，即晶界及晶粒尺寸等。3.

微觀結構

材料的微觀結構是指物相種類、形態(tài)、大小及其分布特征。它與材料的強度、硬度、彈塑性、熔點、導電性、導熱性等重要性質有著密切的關系。土木工程材料的使用狀態(tài)均為固體，固體材料的結構基本上可分為晶體、非晶體兩類，不同結構的材料，各具不同特性。1.4.3材料的構造及其對性能的影響

材料的構造是指具有特定性質的材料結構單元間的互相搭配組合情況。構造這一概念與結構相比，更強調了相同材料或不同材料間的搭配組合關系。如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理、疵病等，這些結構的特征、大小、尺寸及形態(tài)，決定了材料特有的一些性質。如孔隙是開口、細微且連通的，則材料易吸水、吸濕，耐久性較差；若孔隙是封閉的，其吸水性會大大下降，抗?jié)B性則提高。所以，對同種材料來講，其構造越密實、越均勻，強度越高，表觀密度越大。觀察與討論討論AB1.4材料的組成、結構、構造及其對性能的影響

兩種石材性能對比

下圖為同一棟樓外墻所用的兩種不同材質的裝飾石材，使用時間相同。大理石石材顏色已變暗且出現裂縫，而花崗巖石材完好如新