第1章 土木工程材料的基本性質(zhì)

第1章土木工程材料的基本性質(zhì)

本章知識點

【知識點】材料密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率、空隙率、密實度、填充率等物理性質(zhì)的概念及表征，親水性、憎水性、吸濕性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性、抗凍性等材料與水有關(guān)性質(zhì)的概念與區(qū)別，材料強度、比強度、彈性、塑性、脆性、韌性、硬度、耐磨性等力學性質(zhì)的概念與計算，材料耐久性的環(huán)境作用及評定?！局攸c】材料基本性質(zhì)的概念含義、公式表達，各性質(zhì)之間的區(qū)別與聯(lián)系，材料性質(zhì)與其組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及環(huán)境因素的關(guān)系，材料強度的計算與測定?！倦y點】材料基本性質(zhì)的影響因素及其作用機理。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

1.密度、表觀密度與堆積密度

（l）密度

密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計算：1.1材料的物理性質(zhì)式中——密度（g/cm3）；

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；

V——絕對密實狀態(tài)下的體積（絕對體積或?qū)嶓w積）（cm3）。材料密度的大小主要取決于材料的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)。物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)不同的材料，其密度相差很大。（1-1）常用土木工程材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率材料密度（g/cm3）表觀密度（kg/m3）堆積密度（kg/m3）孔隙率（%）石灰石2.601800～2600——花崗巖2.60～2.902500～2800—0.5～3.0碎石（石灰石）2.60—1400～1700—砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通黏土磚2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心磚2.51000～1400——水泥3.1—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20輕骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75鋼材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0圖1-1材料組成示意圖1—孔隙；2—固體物質(zhì)

在自然界和現(xiàn)實工程中，絕對密實狀態(tài)的材料是不存在的，有些材料（如鋼材、玻璃等）可視為接近絕對密實，而絕大多數(shù)材料內(nèi)部都含有一定量的孔隙。

1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（2）表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)式中——材料的表觀密度（kg/m3）；

m——材料的質(zhì)量（kg）；

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積（簡稱自然體積或表觀體積，包括材料的實體積和所含孔隙體積）（m3）。材料的表觀密度除取決于材料的組成外，還與材料的孔隙率和孔隙的含水程度有關(guān)。材料孔隙率越大，其表觀密度越小。當孔隙中含有水分時，其質(zhì)量和體積均有所變化。（1-2）通常情況下的材料表觀密度是指材料在氣干狀態(tài)下的表觀密度，在烘干狀態(tài)下的表觀密度稱為干表觀密度。在實際工程中，常依據(jù)材料的表觀密度值，推算材料用量、計算構(gòu)件自重、確定運輸負載和材料堆放空間等。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（3）堆積密度

堆積密度是指散粒狀或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)式中——材料的堆積密度（kg/m3）；

m——材料的質(zhì)量（kg）；——散?；蚍蹱畈牧系淖匀欢逊e體積（包括顆粒體積和顆粒之間的空隙體積，圖1-2）（m3）。堆積密度取決于材料的表觀密度及測定時材料裝運方式和疏密程度。工程中常據(jù)松散堆積密度確定顆粒狀材料堆放空間。（1-3）圖1-2

散粒材料堆積體積示意圖1—固體物質(zhì)；2—空隙；3—孔隙材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測定時材料裝運方式和疏密程度。材料在松散堆積狀態(tài)下測得的堆積密度值小于緊密堆積狀態(tài)下測得的堆積密度值。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

密度、表觀密度、堆積密度的區(qū)別

三個密度概念均表征了材料質(zhì)量與其體積的關(guān)系，但三者所表征材料的狀態(tài)、體積所包含的內(nèi)容、定義式和所研究的對象則分別不同，見下表：名稱材料狀態(tài)體積包含內(nèi)容定義式研究對象密度絕對密實狀態(tài)實體體積理想材料表觀密度自然狀態(tài)實體體積孔隙體積固體材料堆積密度堆積狀態(tài)實體體積孔隙體積空隙體積粉、粒、纖維材料1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

2．密實度與孔隙率

（l）密實度（D）

密實度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實的程度，即材料中固體物質(zhì)的體積占材料總體積的百分率。按下式計算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)（2）孔隙率（P）

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?？捎孟率接嬎悖海?-4）（1-5）密實度和孔隙率是從不同角度反映了材料的致密程度。材料密實度和孔隙率的大小主要取決于材料的組成、結(jié)構(gòu)及制造工藝。材料的許多工程性質(zhì)，如材料的強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性、吸聲性等都與材料的孔隙率或密實度有關(guān)。這些性質(zhì)不僅取決于孔隙率的大小，還與孔隙的類型、形狀、大小、分布等構(gòu)造特征密切相關(guān)?？紫堵瘦^大的泡沫磚密實度較大的花崗巖1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)工程上常按孔隙的連通性，將孔隙分為開口孔隙（簡稱開孔）和閉口孔隙（簡稱閉孔）。開孔是指那些彼此連通，并與外界也相通的孔隙，如常見的毛細孔。當開口孔隙率增大時，材料的吸水性、吸濕性、透水性和吸聲性增強，材料的抗凍性和抗?jié)B性則因此變差。閉孔是指那些彼此不連通，而且與外界隔絕的孔隙。當閉口孔隙率增大時，材料的保溫隔熱性能和耐久性增強。開孔結(jié)構(gòu)的浮石復合材料閉孔結(jié)構(gòu)珍珠巖1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)3.填充率與空隙率

（l）填充率()

填充率是指顆粒或粉狀材料在堆積體積內(nèi)，被顆粒材料表觀體積所填充的程度。按下式計算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（2）空隙率()

空隙率是指顆?；蚍蹱畈牧显诙逊e體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積所占總體積的百分率?？捎孟率接嬎悖?1-6)(1-7)填充率和空隙率從不同角度同樣反映了顆?；蚍蹱畈牧隙逊e的緊密程度?？障堵试谂渲苹炷習r可作為控制混凝土骨料配料以及計算混凝土含砂率的依據(jù)。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

密實度、孔隙率和填充率、空隙率的聯(lián)系與區(qū)別名稱聯(lián)系區(qū)別密實度分別從實體積和孔隙多少角度反映了固體材料的致密程度D+P=1表征對象為固體材料孔隙率填充率分別從固體物和空隙多少角度反映了顆?；蚍蹱畈牧系亩逊e緊密程度+=1表征對象為顆粒、粉狀等散粒材料空隙率1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

總之，材料的密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率及空隙率等概念，都是認識與掌握材料性能以及選擇應用材料的重要指標。常用土木工程材料的基本物性能參數(shù)見表1-1。材料密度（g/cm3）

表觀密度（kg/m3）

堆積密度（kg/m3）

孔隙率（%）

石灰石2.601800～2600——花崗石2.60～2.902500～2800—0.5～3.0砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通粘土磚2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心磚2.501000～1400——水泥3.10—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20輕骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75鋼材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0常用土木工程材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率表1-1

1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

1.親水性與憎水性材料的親水或憎水程度用潤濕角θ來表示。潤濕角是在材料、水和空氣三相的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體的接觸面之間的夾角，如圖1-3所示。圖1-3

材料的潤濕示意圖當潤濕角θ=0時，表明該材料完全被水所潤濕;潤濕角θ≤90°的材料稱為親水性材料，如磚、混凝土、砂漿等；潤濕角θ＞90°的材料稱為憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料等。

2.

吸水性與吸濕性

（1）吸水性

吸水性是指材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力，用吸水率來表示。材料主要是通過其中連通的開口孔隙吸收水分，吸水率的大小不僅取決于材料的親水性或憎水性，而且還與材料的孔隙率大小、孔隙特征等因素有關(guān)。如果材料屬于親水性材料，孔隙率大，且為細小的開口孔隙，那么材料的吸水性就較強。吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法：

①質(zhì)量吸水率是指材料吸水飽和時，所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。按下式計算：1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)式中WV

——材料的體積吸水率（%）；

VW——材料吸水飽和時吸入水的體積（cm3

）

；式中Wm

——材料的質(zhì)量吸水率（%）；

mb

——材料吸水飽和時的質(zhì)量（g）；

mg

——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。②體積吸水率是指材料在吸水飽和時，其內(nèi)部吸入水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。按下式計算：（1-8）（1-9）——材料在干燥狀態(tài)下的自然體積（cm3）；——水的密度（g/cm3），常溫下取g/cm3。當材料的吸水率不大時，常用質(zhì)量吸水率來評價材料的吸水性。各種土木工程材料的吸水率差異很大，如花崗石的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率為2%～3%，燒結(jié)磚的吸水率為8%～20%，軟木材的吸水率可超過100%。對一些輕質(zhì)多孔材料（如加氣混凝土、軟質(zhì)木材等），吸入水分的質(zhì)量往往超過材料干燥時的質(zhì)量，其質(zhì)量吸水率可能會超過100%，此時用體積吸水率更能反映材料吸水能力的強弱，體積吸水率不可能超過100%。質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為：

(1-10)1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

（2）吸濕性

吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，用含水率來表示。吸濕作用具有可逆性，材料既可吸收潮濕空氣中的水分，又可向較為干燥的空氣中釋放水分。材料的吸濕性除了取決于自身的組成和構(gòu)造以外，還與所處的空氣濕度和環(huán)境溫度有關(guān)，并隨溫濕度的變化而改變，當空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率較大，反之則小。材料與空氣濕度達到平衡時的含水率稱為平衡含水率。含水率按下式計算：

（1-11）

式中

Wh——材料的含水率（%）；

ms——材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

mg——材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。材料的吸水性和吸濕性分別從不同的環(huán)境角度，反映了材料吸收水分的性能，二者的區(qū)別見下表：名稱表征狀態(tài)表征指標影響因素吸水性材料浸水狀態(tài)下吸水率材料的親水性或憎水性、材料的孔隙率大小、孔隙特征等吸濕性材料在潮濕空氣中含水率材料的組成和構(gòu)造、空氣濕度和環(huán)境溫度等1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

通常情況下，無論是吸水或吸濕，往往會給材料及工程帶來一系列不良影響，使材料的許多性能發(fā)生改變，如自重增大、體積膨脹、抗凍性變差、保溫性能下降、強度和耐久性降低等。

3.耐水性

耐水性是指材料長期在飽和水作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性主要取決于其化學成分在水中的溶解度及材料內(nèi)部開口孔隙率的大小。不同的材料類別，其耐水性有不同的表示方法：對于工程結(jié)構(gòu)材料，耐水性主要指材料的強度變化；對裝飾工程材料，耐水性則主要反映在顏色變化、起泡、起層等方面。結(jié)構(gòu)材料的耐水性用軟化系數(shù)來表示，按下式計算：

（1-12）式中KR——材料的軟化系數(shù)；

fw

——材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）；1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

fd——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。材料吸水飽和后，其強度均有所降低。因此，材料的軟化系數(shù)一般在0～1之間，軟化系數(shù)值越小，說明材料吸水飽和強度降低得越多，材料的耐水性越差。鋼、玻璃及瀝青等材料的軟化系數(shù)基本等于1，而黏土的軟化系數(shù)基本等于0。通常將軟化系數(shù)大于0.8的材料稱為耐水材料。耐水板材耐水砌塊1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

在選用材料時，對經(jīng)常位于水中或處于潮濕環(huán)境中的重要建筑物，所選用材料的軟化系數(shù)不得小于0.85；對受潮程度較輕或次要結(jié)構(gòu)所用的材料，其軟化系數(shù)允許稍有降低但不宜小于0.75。

【例題1-1】有一承重砌塊在干燥狀態(tài)下的抗壓破壞荷載為245KN，當吸水飽和后測得該砌塊的抗壓破壞荷載為180KN，問該砌塊能否用于長期處在水中的砌體結(jié)構(gòu)？【解】該砌塊的軟化系數(shù)為：

由于該砌塊的軟化系數(shù)小于0.80，屬于不耐水材料，所以該砌塊不能用于長期處在水中的砌體結(jié)構(gòu)。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

4.抗?jié)B性

抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)，有滲透系數(shù)和抗?jié)B等級兩種表示方法。

（l）滲透系數(shù)

滲透系數(shù)的含義是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時間內(nèi)透過單位面積的水量。用公式表示為：1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)式中

KS——滲透系數(shù)（cm/h）；

Q——透過材料試件的水量（cm3）；

d——試件厚度（cm）；(1-13)A——滲水面積（cm2）；t——滲水時間（h）；H——靜水壓力水頭（cm）。滲透系數(shù)越大，表明材料的抗?jié)B性越差。

（2）抗?jié)B等級

抗?jié)B等級是以規(guī)定的標準試件，在透水前所能承受的最大水壓力來表示，如P2、P4、P6、P8等，分別表示材料可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水壓力而不透水。材料的抗?jié)B性主要與材料內(nèi)部的孔隙率（尤其是開口孔隙率）和材料的憎水性或親水性等因素有關(guān)。材料的抗?jié)B能力直接或間接影響材料的耐久性、抗凍性和耐腐蝕性。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

5.抗凍性

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用（凍融循環(huán)）不破壞，同時也不顯著降低其強度的性質(zhì)，用抗凍等級來表示?？箖龅燃墭硕ǚ椒ㄊ菍⒉牧衔柡秃?，按規(guī)定方法進行凍融循環(huán)試驗，以其質(zhì)量損失不超過5%，強度降低不超過25%

，所能經(jīng)受的最多凍融循環(huán)次數(shù)來確定。用符號“F”和最大凍融循環(huán)次數(shù)表示，如F15、F25、F50、F100等。材料的抗凍等級越高，其抗凍性越好。

凍融試驗箱1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)材料抗凍性取決于材料的自身強度、孔隙率、孔隙特征、吸水量、凍結(jié)條件（如凍結(jié)溫度、速度、凍融循環(huán)作用的頻繁程度）等多種因素與條件。纖維混凝土凍融破壞斷面1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)砌塊表面凍融破壞混凝土凍融破壞微觀圖

在實際工程中，應根據(jù)工程種類、結(jié)構(gòu)部位、使用狀態(tài)、氣候條件等綜合因素，合理選擇材料的抗凍等級。輕混凝土、磚、面磚等墻體材料一般要求抗凍等級為F15、F25、F35；用在橋梁和道路的混凝土抗凍等級為F50、F100、F200；水工混凝土的抗凍等級為F500。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

材料在凍融循環(huán)作用下的破壞原因：

（1）由于材料內(nèi)部孔隙中的水在受凍結(jié)冰時產(chǎn)生的體積膨脹（約9%）對材料孔壁造成巨大的冰晶壓力，當由此產(chǎn)生的拉應力超過材料的抗拉強度極限時，材料內(nèi)部即產(chǎn)生微裂，引起強度下降。

（2）在凍結(jié)和融化過程中，材料內(nèi)外的溫差引起的溫度應力會導致內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生或加速微裂的擴展，從而最終使材料破壞。顯然，這種破壞作用隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而加強。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

1.1.3

與熱有關(guān)的性質(zhì)

1.導熱性

導熱性是指當材料的兩側(cè)存在溫度差時，熱量由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳導的能力，用導熱系數(shù)表示。導熱系數(shù)的物理意義為單位厚度的材料，兩側(cè)溫差為1K時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的導熱量。材料導熱示意見圖1-4，用公式表示為1-14。圖1-4（1-14）式中——導熱系數(shù)[W/(m·K)]；

Q——傳導的熱量(J)；

A——熱傳導面積(m2)；

d——材料厚度(m)；

t——熱傳導的時間(s)；——材料兩側(cè)的溫差(K)。材料的導熱系數(shù)與材料的種類、表觀密度、孔隙率、孔隙構(gòu)造、溫度、含水狀況等有著密切關(guān)系。

一般來講，金屬材料、無機材料、晶體材料的導熱系數(shù)分別大于非金屬材料、有機材料、非晶體材料的導熱系數(shù)。

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

材料的表觀密度越小，其導熱系數(shù)越小。當孔隙率相同時，由微小而封閉孔隙組成的材料比由粗大而連通的孔隙組成的材料具有更低的導熱系數(shù)。由于水和冰的導熱系數(shù)遠大于空氣的導熱系數(shù)，因此，當材料受潮或受凍時會使導熱系數(shù)急劇增大。除金屬外，大多數(shù)材料的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。不同材料的導熱系數(shù)差別很大，如：

鋼材的導熱系數(shù)為58.0W/(m·K)；普通混凝土的導熱系數(shù)為1.74W/(m·K)；泡沫塑料的導熱系數(shù)為0.03W/(m·K)。幾種典型材料的導熱系數(shù)見表1-2。相差近2000倍

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

表1-2

幾種典型材料的導熱系數(shù)和比熱容材料導熱系數(shù)[W/(m·K)]比熱容[J/(g·K)]材料導熱系數(shù)[W/(m·K)]比熱容[J/(g·K)]鋼材58.00.48黏土空心磚0.640.92花崗石3.490.92松木0.17～0.352.51普通混凝土1.740.88泡沫塑料0.031.30水泥砂漿0.930.84冰2.202.05白灰砂漿0.810.84水0.604.19普通黏土磚0.810.84空氣0.0251.00

常將防止室內(nèi)熱量向室外散失稱為保溫；把防止外部熱量進入室內(nèi)稱為隔熱。工程上把導熱系數(shù)小于0.25W/(m·K)的材料稱為保溫隔熱材料。

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

在熱工學中，將導熱系數(shù)的倒數(shù)稱為材料的導熱阻。導熱系數(shù)和導熱阻均是評定材料導熱能力的重要指標，材料的導熱系數(shù)越小或?qū)嶙柙酱?，其保溫隔熱及其?jié)能效果越好?？諝獾膶嵯禂?shù)很小[0.026W/(m·K)]，只有保溫隔熱材料定義值的1/10，因此，干燥靜止的空氣是一種特殊而重要的保溫隔熱材料。在實際工程中，大量的保溫隔熱材料研制、生產(chǎn)以及保溫隔熱工程的建設，正是基于對此現(xiàn)象的充分利用。聚氨酯保溫板砼保溫砌塊

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

2.熱容量

熱容量是指材料在溫度發(fā)生變化時吸收或放出熱量的能力，其大小用比熱容來表示，用公式表示為1-15。比熱容是指單位質(zhì)量的材料，溫度升高或降低單位溫度所吸收或放出的熱量。材料的比熱容與其物質(zhì)種類、狀態(tài)等有密切關(guān)系，幾種典型材料的比熱容見表1-2。材料的熱容量值對保持建筑物內(nèi)部溫度穩(wěn)定有重要意義。

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

式中C——比熱容[J/(g·K)]；

Q——材料吸收或放出的熱量（J）；——材料受熱或冷卻前后的溫度差（K）。（1-15）

3.熱變形性

熱變形性是指材料的幾何尺寸隨溫度升降而發(fā)生變形的能力。除個別情況（如水結(jié)冰）外，一般材料均符合熱脹冷縮規(guī)律。材料的熱變形性常用線膨脹系數(shù)表示，其物理意義是單位長度的材料，在升降單位溫度時的長度尺寸變化量，用公式表示為：

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

式中——線膨脹系數(shù)（1/k）；

L

——材料在溫度變化前的長度（mm）；

——材料的線膨脹量（mm）；

——材料在升溫（或降溫）前后的溫度差（k）。（1-16）在土木工程中，大多情況下都希望材料具有熱的不變形性或較小的熱變形，以保持材料及工程的尺寸穩(wěn)定。溫度伸縮縫即是基于消除或降低材料熱變形性的特殊工程構(gòu)造。因溫度變形引起的破壞

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

為防止溫度變形設置的伸縮縫

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

1.2

材料的力學性質(zhì)

1.2.1

強度與比強度

1.強度材料在理想狀態(tài)下的強度（即理論強度）取決于組成材料各質(zhì)點間的結(jié)合力即化學鍵力，材料受力破壞的原因則是材料內(nèi)部質(zhì)點化學鍵的斷裂或位移，無缺陷理想化固體材料的理論強度值很高。由于實際材料內(nèi)部均存在大量缺陷（如晶格缺陷、孔隙、微裂紋等），當材料受力時，會在缺陷處形成應力集中現(xiàn)象，使得材料的實際強度與理論強度有非常大的差異（實際強度約為理論強度的1/1000~1/100）。工程中通常所說的強度即材料的實際強度。強度是指材料抵抗外力破壞的能力，以材料在外力作用下失去承載能力時的極限應力來表示，亦稱極限強度，常通過靜力試驗來測定。

根據(jù)材料所受外力的作用方式，材料的強度可分為抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度（抗折強度），分別表示材料抵抗壓力、拉力、剪力或彎曲破壞的能力。強度類別外力作用方式計算式參數(shù)含義

抗壓強度抗拉強度抗剪強度抗彎強度P

—破壞荷載（N）A

—受荷面積（mm2）L

—跨度（mm）b—斷面寬度（mm）h—斷面高度（mm）

材料強度的分類與計算式表1-31.2.1

強度與比強度

強度的大小取決于材料的組成、結(jié)構(gòu)、含水量、試件狀況（形狀、尺寸）以及試驗條件（溫度、濕度、加荷速度）等因素。不同種類的材料強度差別甚大，同類材料的強度也有較大差異。

為便于材料的生產(chǎn)和使用，根據(jù)材料的強度值，按照相關(guān)標準將其劃分為若干個強度等級。如燒結(jié)普通磚按抗壓強度值分為MU30、MU25、MU20、MU15、MU10五個強度等級。材料抗壓強度（MPa）抗拉強度（MPa）抗彎強度（MPa）鋼材240～1800240～1800—花崗巖100～2505～810～140普通混凝土10～1001～42.0～8.0松木（順紋）30～5080～12060～100普通黏土磚7.5～30—1.8～4.0幾種常用材料的強度表1-41.2.1

強度與比強度

2.比強度由于不同材料的強度、表觀密度均存在較大差異，為了便于比較不同表觀密度材料的強度，常用比強度指標來評價材料強度與表觀密度的綜合性狀。比強度是按單位體積質(zhì)量計算的材料強度，其值等于材料的抗壓強度與其表觀密度之比，它是衡量材料輕質(zhì)高強性能的重要指標。材料表觀密度（kg/m3）

抗壓強度（MPa）比強度低碳鋼78504200.054普通混凝土2400400.017鋪通黏土磚1700100.006松木（順紋抗拉）5001000.200幾種常見材料的比強度表1-51.2.1

強度與比強度

1.2.2

彈性與塑性材料在極限應力作用下會被破壞而失去使用功能，在非極限應力作用下則會發(fā)生某種變形。彈性與塑性反映了材料在非極限應力作用下兩種不同特征的變形。

彈性是指材料在應力作用下產(chǎn)生變形，外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質(zhì)。這種當外力取消后瞬間即可完全消失的變形稱為彈性變形。明顯具有彈性變形特征的材料稱為彈性材料。在彈性范圍內(nèi)，應力和應變成正比，比例常數(shù)稱為彈性模量，它是衡量材料抗變形能力的重要指標。彈性模量越大，材料越不易變形，即剛度越好。

塑性是指材料在應力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀與尺寸，且不產(chǎn)生裂紋的性質(zhì)。這種不隨外力撤銷而消失的變形稱為塑性變形或永久變形。明顯具有塑性變形特征的材料稱為塑性材料。純彈性與純塑性的材料都是不存在的。

不同的材料在力作用下表現(xiàn)出不同的變形特征。如低碳鋼在受力不大時，僅產(chǎn)生彈性變形，隨著外力增大至超過彈性極限之后，則出現(xiàn)塑性變形。混凝土在受力一開始，彈性變形和塑性變形便同時發(fā)生，除去外力后，彈性變形可以恢復而塑性變形則不能恢復，這種變形稱為彈塑性變形，其應力應變?nèi)鐖D1-5所示，具有彈塑性變形特征的材料稱為彈塑性材料。圖1-5

彈塑性材料變形曲線ab—可恢復的彈性變形；bo—不可恢復的塑性變形1.2.2

彈性與塑性

1.2.3

脆性與韌性

脆性是指材料在外力作用下直到破壞前無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)。具有脆性破壞特征的材料稱為脆性材料。脆性材料的特點是抗壓強度遠大于其抗拉強度，受力作用時塑性變形小，且破壞時無任何征兆，具有突發(fā)性。土木工程材料中的大部分無機非金屬材料均為脆性材料。

韌性是指材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形而不致破壞的性能，又稱為沖擊韌性，具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料。韌性材料的特點是塑性變形大，抗拉強度接近或高于抗壓強度，破壞前有明顯征兆。

1.2.4

硬度與耐磨性

硬度是指材料抵抗較硬物體壓人或刻劃的能力。鋼材、木材等韌性材料用鋼球或鋼錐壓人的方法來測定硬度（布氏硬度）。

天然礦物等脆性材料可用刻劃法測定其硬度（莫氏硬度），按硬度遞增順序分為10級，即滑石1級、石膏2級、方解石3級、螢石4級、磷灰石5級、正長石6級、石英7級、黃玉8級、剛玉9級、金剛石10級。材料的硬度與強度存在一定關(guān)系，一般情況下，硬度大的材料，其強度較大、耐磨性好，但不易加工?；貜椃y定混凝土強度的原理就是利用硬度與強度之間的特定關(guān)系，由硬度間接評價其強度。

耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力，用磨損前后單位表面的質(zhì)量損失來表示。按下式計算：1.2.4

硬度與耐磨性式中N——材料的磨損率（g/cm2）；m1、m2——材料磨損前、后的質(zhì)量（g）；

A——試件受磨面積（cm2）。顯然，質(zhì)量損失越多，材料的耐磨性越差。材料的耐磨性與其組成、結(jié)構(gòu)、強度、硬度等因素有關(guān)。對于地面、路面和樓梯踏步等較易磨損的部位，應選用具有