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1、第 2 章 土木工程材料的基本性质 Chapter 2 Basic Properties of Civil Engineering Materials 教学要求： 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质，掌握土木工程材料的基本物理性质，耐久性的基本概念。了解土木工程材料的基本组成、结构和构造，了解材料结构和构造与材料基本性质的关系。 土木工程材料在各个部位起着各种不同的作用。为此，要求土木工程材料具有相应的不同性质。例如结构材料应具有所需要的力学性能和耐久性能；屋面材料应具有绝热、抗渗性能；地面材料应具有耐磨性能等。根据构筑物中的不同使用部位和功能，土木工程材料要求具有绝热、吸声、耐腐蚀等性能，而

2、对于长期暴露于大气环境中的材料，要求能经受风吹、雨淋、日晒、冰冻等而引起的冲刷、化学侵蚀、生物作用、温度变化、干湿循环及冻融循环等破坏作用，即具有良好的耐久性。可见土木工程材料在使用过程中所受作用很复杂，而且它们之间又是相互影响。因此对土木工程材料性质的要求应当是严格的和多方面的。 土木工程材料所具有的各项性质主要是由材料的组成、结构和构造等因素决定的。为了保证构筑物经久耐用，就需要掌握土木工程材料的性质，并了解它们与材料的组成、结构、构造的关系，从而合理地选用材料。 2.1 材料的物理性质 2.1 The Physical Properties of Materials 2.1.1 材料的体

3、积组成 大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。 特征指孔尺寸大小、孔与外界是否两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔，与外界不相连通的叫闭口孔。 含孔材料的体积组成如图 2-1 所示。从图 2-1 可知，含孔材料的体积包括以下三种。 1.材料绝对密实体积，用 V 表示。是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。 2.材料的孔体积，用 Vp表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积（记为 Vk）和闭口孔体积（记为 VB）。 3.材料在自然状态下的体积。用 V0表示，是指材料的实体积与材料所含全部

4、孔隙体积之和。 上述几种体积存在以下的关系。 V0V Vp （2.1） 其中 VpVkVB （2.2） 散粒状材料的体积组成如图 2-2 所示。其中 V0表示材料堆积体积，是指在堆积状态下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，Vs表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系如下： V0V0VsV VkVBVs （2.3） 图 2-1 含孔材料体积组成示意图 图 2-2 散粒材料松散体积组成示意图 1-闭孔；2- 开孔 1- 颗粒中的固体物质；2- 颗粒的开孔孔隙； 3-颗粒的闭孔孔隙；4- 颗粒间的孔隙 2.1.2 材料与质量有关的性质 1密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为材料

5、的密度（原称比重）。用公式表示为： = mV（2.4） 式中： 实际密度（ g/cm3） m材料在干燥状态下的质量（g ）； V干燥材料在绝对密实状态下的体积（cm3） 材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积，亦称实体积。土木工程料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定有孔隙的材料密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于 0.20mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积，密度测定时，体积测定可分成以下几种情况： （1 ）完全密实材料：如玻璃、钢、铁、单矿物等。 对于外形规则的材料

6、可测量几何尺寸来计算其绝对密实体积；对于外形不规则的材料可用排水（液）法测定其绝对密实体积。 （2 ）多孔材料：如砖、岩石等。 磨细烘干用李氏瓶测定绝对密实体积。 （3 ）粉状材料：如水泥、石膏粉等 用李氏瓶测定绝对密实体积（瓶中装入的液体根据被测材料的性质而定，如测定水泥时采用煤油）。 （4 ）工程上近似看成绝对密实的材料：如砂、石子等。 可用排水法测定，如图 2-3 所示。 材料近似密实体积 Vm0 m2 m1（cm3）。 V的含义是： V0V V 闭 ，因砂石孔隙率小，所以 V 闭 0 ，即 VV0 用这种方法测定的密度叫视密度，用表示。 （2.5） 2表观密度 材料在自然状态下单位体积

7、的质量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中亦称为毛体积密度）。用公式表示为： 0= 0mV（2.6 ） 式中： 0材料的表观密度（kg/cm3）； m材料的质量（kg ）； V0材料在自然状态下的体积（ m3）。 材料在自然状态下的体积是指包含材料内部开口孔隙和闭口孔隙的体积。对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的重量和体积（可用量具量测），即可算得。不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防止水分渗入材料内部而使所测结果不准。 材料表观密度的大小与其含水情况有关。当材料含水率变化时，其质量和体积均有所变化。因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，

8、并予以注明。通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。 3堆积密度 散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度。用公式表示为： ooVm/=（2.7） 式中：0散粒材料的堆积密度（kg/cm3）； m散粒材料的质量（kg ）； V0散粒材料在自然堆积状态下的体积（ m3）。 V0=V+ Vp+ Vs (2.8) 散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。散粒材料的体积可用已标定容积的容器测得。砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。 由于大多数材料或多或少含有一些孔隙，故

9、一般材料的表观密度总是小于其密度。 在土木工程中，计算材料用量、构件自重、配料、材料堆放的体积或面积时，常用到材料的密度、表观密度和堆积密度。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表 2-1 所示。 表 2-1 常用土木工程材料的密度及表观密度 材料名称 密度 （g/cm3） 表观密度 （kg/m3） 堆积密度 （kg/m3） 材料名称 密度 （g/cm3）表观密度 （kg/m3） 堆积密度 （kg/m3）钢 7.85 7850 粘土陶粒 300900 花岗岩 2.80 25002900 页岩陶粒 300900 碎石 2.70 26502750 14001700 轻骨料混凝土 76019

10、50 砂 2.60 26302700 14501700 铸铁 7.25 粘土 2.60 16002000 16001800 生石灰块 3.1 1100 硅酸盐水泥 3.10 12001250 生石灰粉 1200 普通水泥 3.15 12001250 石灰膏 1350 火山灰水泥 3.0 8501150 石膏粉 900 矿渣水泥 3.0 11001300 菱苦土 800900 卵石 2.70 15501700 水玻璃 1.351.50 烧结普通砖 2.70 16001900 灰砂砖 18001900 烧结空心砖 2.70 8001480 粉煤灰砖 18001900 红松木 1.55 400800

11、 煤渣砖 17001850 泡沫塑料 2050 硅酸盐砖 17001900 玻璃 2.55 2560 加气混凝土 400800 普通混凝土 21002600 膨胀珍珠岩 80250 粉煤灰 2.2 炉渣 850 水 1.0 900 膨胀蛭石 80200 冰 300 玻璃棉 50100 雪 石棉板 1300 钢筋混凝土 2500 石油沥青 10001100 水泥砂浆 1800 焦油沥青 1340 混合砂浆 1700 聚苯乙烯板 30 石灰砂浆 1700 大理石 26002700 保温砂浆 800 胶合板 700900 红松木 1.55 400800 泡沫塑料 20 50 粉煤灰陶粒 600900

12、 三合土 1750 4.孔隙率、空隙率与密实度、填充率 （1 ）孔隙率 材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率（P ）。用公式表示为： %100)1(1 =ooooVVVVVP（2.9） 材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造）可以不同。按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种，连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。孔隙率的大小及其孔隙特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。一般而言，孔隙率较小

13、，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。 （2 ）空隙率 散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积的百分率称为空隙率（P）。用公式表示为： %100)1(1/=oooooooVVVVVP（2.10 ） 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。 在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。 （3 ）密实度 固体物质的体积占总体积的百分率称为密实度。反映材料体积内被固体物质所充实的程度。用公式表示为： %100=ooVVD（2.11） PD 1 或 孔隙率密实度1 (4)填充率 填充率是指在某堆积体积中，被散

14、粒材料的颗粒所填充的程度。可用下式表示： %100/= ooVVD（ 2.12） PD1 或 空隙率填充率1 2.1.3 材料与水有关的性质 1亲水性和憎水性 当材料在空气中与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，即具有亲水性；有些材料则不能被水润湿，即具有憎水性。 材料具有亲水性的原因是材料与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力。当材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表现为憎水性。 材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角，如图 2-3 所示

15、。角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当90 度时（如图 2-3a），材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；90 度时（如图 2-3b），材料表面不吸附水，此种材料称为憎水性材料。当=0 度时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。 图 2-3 材料润湿示意图 亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。土木工程材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石

16、、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料等为憎水性材料。 2吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，有以下两种表示方法： （ 1）质量吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的质量占材料干质量的百分率。用下式表示： 干湿100mmW干质m（2-13 ） 式中： 式 W 质 材料的质量吸水率（% ）； m 湿 材料在吸水饱和状态下的重量（g ）； m 干 材料在干燥状态下的重量（g ）。 （ 2）体积吸水率：体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用下式表示： W体 （ 2-14） 0100wV 1m

17、m湿 干W 体 材料的体积吸水率（% ）； m 湿 材料在吸水饱和状态下的重量（g ）； m 干 材料在干燥状态下的重量（g ）。 w 水的密度，常温下取 1.0g/cm3。 土木工程用材料一般采用质量吸水率。质量吸水率与体积吸水率有下列关系： W体 W 质 0 （ 215） 材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。 材料的吸水性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料

18、的吸水率差异很大，如花岗岩的吸水率只有 0.5%0.7% ，混凝土的吸水率为 2%3% ，烧结普通砖的吸水率为 8%20% ，木材的吸水率可超过 100%。 3吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率是指材料内部所含水重量占材料干重量的百分率。用公式表示为： 干干含含100mmmW（2-16 ） 式中：W 含 材料的体积吸水率（% ）； m 含 干燥材料在自然状态下的体积（g ）； m 干 水的密度（g ），在常温下可取=1 。 材料的吸湿性随着空气湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小。材料中所含水分与周围

19、空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积很大，吸附水的能力很强所致。 材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用。 4耐水性 材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示： 干饱软ffK（2-17 ） 式中： K 软 材料的软化系数（K 软0 1 ） f 饱 材料在饱水状态下的抗压强度（MPa

20、 ） f干 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa ） 值的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。材料的软化系数在 01 之间。不同材料的值相差颇大，如粘土=0 ，而金属=1 。土木工程中将0.85 的材料，称为耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用0.85 的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜小于 0.75。 5抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系

21、数的意义是：一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为： AtHWdK（2-18 ） 式中：K 材料的渗透系数（ ml/cm2.s）； W渗透水量（ ml）； d材料的厚度（cm ）； A渗水面积（cm2）； t渗水时间（h ）； H静水压力水头（cm ）。 值愈大，表示渗透材料的水量愈多，即抗渗性愈差。 材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn ”表示，其中 n 为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的 10 倍数，如 P4、P6 、 P8、PS10 、P12 等分别表示材料

22、能承受 0.4、0.6、 0.8、 1.0、1.2MPa 的水压而不渗水。 材料的抗渗性与其孔隙特征有关。细微连通的孔隙中水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。封闭孔隙中水不易渗入，因此封闭孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔中水最易渗入，故其抗渗性最差。 抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下结构、压力管道、压力容器等结构时，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。 6抗冻性 材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而重量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性。 材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条

23、件下，测得其强度降低和重量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn ”表示，其中 n 即为最大冻融循环次数，如 F25、 F50 等。 材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用要求、气候条件等来决定。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为 F15 或 F25；用于桥梁和道路的混凝土应为 F50、 F100或 F200，而水工混凝土要求高达 F500。 材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约 9%，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融循环次数的增

24、多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对结冰膨胀所产生的冻胀应力的抵抗能力。如果孔隙未充满水，即还未达到饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大的冻胀应力。极细的孔隙虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水冰点很低，它在一般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用。毛细管孔隙中易充满水分，又能结冰，故对材料的冰冻破坏影响最大。若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。一般认为软化系数小于 0.80 的材料，其抗冻性较差。 另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频

25、繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻融破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。 抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项重要指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。 2.1.4 材料与热有关的性质 土木工程材料除了须满足必要的强度及其他性能要求外，为了降低建筑物的使用能耗，以及为生产和生活创造适宜的条件，常要求土木工程筑材料具

26、有一定的热工性质，以维持室内温度。常考虑的热工性质有材料的导热性、热容量和比热等。 1导热性 材料传导热量的能力称为导热性。材料的导热性可用导热系数表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m 的材料，当其相对两侧表面温度差为 1k 时，在 1s 时间内通过 1 面积的热量。用公式表示为： )(12TTAtQ=（2-19 ） 式中：导热系数（W/m.K ） 热阻 R=1/ Q传导的热量（J） A热传导面积（ m2） 材料的厚度（ m） t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K ） 材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，大致在 0.029 3.5，如泡沫塑料，而

27、大理石。工程中通常把的材料称为绝热材料。 导热系数与材料内部孔隙构造有密切关系。由于密闭空气的导热系数很小（），所以，材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高。材料受潮或受冻后，其导热系数大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多（分别为 0.58 和 2.20）。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。 2热容量与比热 热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示： QCm （ t1t2） （ 2-20） 式中：Q 材料的热容量（kJ ）； m材料的质量（kg ）； t1t2材料受热或冷

28、却前后的温度差（K ）； C材料的比热 kJ/（ kg/K）。 比热的物理意义是指 1g 质量的材料，在温度升高或降低 1k 时所吸收或放出的热量。 比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为 4.19，而结冰后比热则是 2.05。 材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。 材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的土木工程筑材料，有利于保持建筑物室内温度

29、的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要数据。几种典型材料的热工性质指标如表 2-2 所示，由表可见，水的比热最大。 表 2-2 几种典型材料的热工性质指标 材料 导热系数（ ） 比热（ ） 铜 370 0.38 钢 56 0.47 花岗岩 3.1 0.82 普通混凝土 1.6 0.86 烧结普通砖 0.65 0.85 松木（横纹） 0.15 1.63泡沫塑料 0.03 1.30 冰 2.20 2.05 水 0.58 4.19静止空气 0.023 1.00 2.2 材料的力学性质 2.2 Mechanical Properties of Materials 材料的

30、力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。 2.2.1 材料的强度及强度等级 1.强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时，应力达到极限值，这个极限应力值就是材料的强度，也称极限强度。 根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，如图 1-2 所示。 图 2-4 材料受外力作用示意图 材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪的计

31、算公式为： fPA（ 2-21） 式中：f 材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪）（Mpa）； P试件破坏时的最大荷载（N ）； A试件受力面积（ mm2）。 材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其二支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯极限强度按下式计算： f32FLbh（2-22 ） 式中：f 材料的抗弯极限强度（Mpa ）； P试件破坏时的最大荷载（N ）； L试件两支点间的距离（ mm）； b、h 分别为试件截面的宽度和高度（ mm）。 材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。对于同一品

32、种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。 一般表观密度大的材料，其强度也高。晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。玻璃是脆性材料，抗拉强度很低，但当制成玻璃纤维后，则成了很好的抗拉材料。 材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。一般温度高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。 材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面性状有关。相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。 由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。为了使

33、试验结果准确，且具有可比性，各个国家都制定了统一的材料试验标准。在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。材料强度是大多数材料划分等级的依据。 2.强度等级 各种材料的强度差别甚大。土木工程材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为 5 个强度等级；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为 4 个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为 12 个强度等级等等。土木工程材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。常用土木工程

34、材料的强度见表 1-3 所示。 表 2-3 常用土木工程材料的强度（MPa ） 材料 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 花岗岩 100250 58 1014 烧结普通砖 7.530 - 1.84.0 普通混凝土 7.560 14 2.08.0 松木（须纹） 3050 80120 60100 钢材 2351600 2351600 - 3.比强度 为了对不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度反映材料单位体积重量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。几种主要材料的比强度见表 2-4 所示。由表 2-4 中比强

35、度数据可知，玻璃钢和木材是轻质高强的材料，它们的比强度大于低碳钢，而低碳钢的比强度大于普通混凝土。普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土这一当代最重要的结构材料，向轻质、高强发展是一项十分重要的工作。 表 2-4 几种主要材料的比强度 材料 表观密度 （ ） 强度 （MPa ） 比强度（ / ） 低碳钢 7850 420 0.054 普通混凝土 2400 40 0.017 松木（顺纹抗拉） 500 100 0.200 松木（顺纹抗压） 500 36 0.070 玻璃钢 2000 450 0.225 烧结普通砖 1700 10 0.006 2.2.2 材料的弹性与塑

36、性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数 E称为弹性模量。材料在弹性变形范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应变之比，即： E=（2-23 ） 式中： E 材料的弹性模量（Mpa ）； 材料所受的应力（Mpa ）； 材料在应力 作用下产生的应变，无量纲。 弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。弹性模量愈大，材料愈不易变形，亦即刚度愈好。弹性模量是结构设计的重要参数。材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，不能恢复变形的性质称为塑性。这种不可恢复的变

37、形称为塑性变形，塑性变形为不可逆变形。 实际上，纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，当外力超过一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢( 如图 2-5b)就是典型的这种材料。另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失，混凝土（如图2-5c）就是这类材料的代表。弹塑性材料的变形曲线如图 2-5a 所示，图中 oA 为可恢复的弹性变形，AB为不可恢复的塑性变形。 2-5a 2-5b 2-5c 图 2-5 弹塑性材料的变形曲线 2.2.3 材料的脆性与韧性 材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而

38、无明显的塑性变形的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力很差，只适合用作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧性指标 表示。冲击韧性指标是指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的能量。其计算公式为： K= kAA（2-24） 式中： K材料的冲击韧性指标（J/mm2）； kA 试件破坏时所消耗的能量（J）； A试件受力

39、净截面积（ mm2）。 在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。 2.2.4 材料的硬度与耐磨性 1.硬度 硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。测定材料硬度的方法有多种，常用的有刻划法和压入法两种，不同材料其硬度的测定方法不同。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按刻划法矿物硬度分为十级（莫氏硬度），其硬度递增顺序为滑石 1 级、石膏 2 级、方解石 3 级、萤石 4 级、磷灰石 5 级、正长石 6级、石英 7 级、黄玉 8 级、刚玉 9 级、金钢石 10 级。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测定，例如布氏硬度。布氏

40、硬度值是以压痕单位面积上所受压力来表示。 一般材料的硬度愈大，则其耐磨性愈好。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。 2.耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示，其计算公式为： N= 1mmA2（ 2-25） 式中：N 材料的磨损率（g/cm2）； 1mm 2分别为材料磨损前、后的重量（g ）； A试件受磨面积（cm2）。 材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。在土木工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。 2.3 材料的耐久性 2.3 The Durabil

41、ity of Materials 材料的耐久性是指在环境的多种因素作用下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其性能的性质。 耐久性是材料的一项综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有着密切关系。 2.3.1 环境对材料的作用 在构筑物使用过程中，材料除内在原因使其组成、构造、性能发生变化以外，还长期受到周围环境及各种自然因素的作用而破坏。这些作用可概括为以下几方面： 1物理作用。包括环境温度、湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用。材料在经受这些作用后，将发生膨胀、收缩，产生内应力。长期的反复作用，将使材

42、料渐遭破坏。 2化学作用。包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或其他有害物质对材料的侵蚀作用，以及日光等对材料的作用，使材料产生本质的变化而破坏。 3机械作用。包括荷载的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。 4生物作用。包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、蛀蚀等破坏。 各种材料耐久性的具体内容，因其组成和结构不同而异。例如钢材易氧化而锈蚀；无机非金属材料常因氧化、风化、碳化、溶蚀、冻融、热应力、干湿交替作用等而破坏；有机材料多因腐烂、虫蛀、老化而变质等。 2.3.2 材料耐久性的测定 对材料耐久性最可靠的判断，是对其在使用条件下进行长期的观察和测定，但这需要很长时间。

43、为此，近年来采用快速检验法，这种方法是模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性作出判定。在实验室进行快速试验的项目主要有：干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。 2.3.3 提高材料耐久性的重要意义 在设计选用土木工程材料时，必须考虑材料的耐久性问题。采用耐久性良好的土木工程材料，对节约材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等，均具有十分重要的意义。 2.4 材料的组成、结构、及其构造对性能的影响 2.1 The Influence of the Composition, Struct

44、ure and Constitution of Material on its Properties 环境条件是影响材料性质的外部因素，材料的组成、结构、构造是影响材料性质的内部原因。 2.4.1 材料的组成 材料的组成是材料的化学成分。材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。 1.化学组成 化学组成指构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量。当材料与外界自然环境及各类物质相接触时，它们之间必然要按照化学变化规律发生作用。如沥青的老化、混凝土的碳化、混凝土能够保护钢筋不锈钢等都属于化学作用。建筑材料有关这方面的性质都是由材料的化学组成决定的 2.矿物组成 无机非金属材料中具有特定的晶

45、体结构、特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。矿物组成指构成材料的矿物种类和数量。材料中的天然石材、无机胶凝材料等，其矿物组成是决定材料性质的主要因素。如石灰、石膏、石灰石的主要化学成分分别为氧化钙、硫酸钙、碳酸钙，这些化学成分决定了石灰、石膏易溶于水且耐水性差，而石灰石则较稳定。硅酸盐类的水泥主要由硅酸钙、铝酸钙等熟料矿物组成，决定了水泥具有凝结硬化的性能，同时当水泥所含的熟料矿物不同或含量不同时所表现出的性质就各有差异，如提高硅酸三钙的含量，可制得高强度水泥，降低铝酸三钙和硅酸三钙含量，可制得水化热低得水泥（如大坝水泥）。 3.相组成 材料中具有相同物理、化学性质得均匀部分称为相。凡由两相

46、或两相以上物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数是多相固体，可看做复合材料。如水泥混凝土可认为是骨料颗粒（骨料相）分散在水泥浆基体（基相）中所组成的两相复合材料。两相之间的分界面称为界面，在实际建筑材料中，界面是一个很薄的薄弱区，可称为“界面相”，有许多建筑材料破坏时往往首先发生在界面，通过改变和控制原材料的品质及配合比例，可改变和控制材料的相组成，从而改善和提高材料的技术性能。如研究混凝土的配合比，就是为了改善混凝土的相组成，尽量使混凝土结构接近均匀而密实，保证其强度和耐久性。 2.4.2 材料的结构和构造 材料的结构和构造是决定材料性质的重要因素。材料的结构是指的组织状况，可分为宏

47、观结构、细观结构和微观结构。 1.宏观结构 宏观结构是指用肉眼或在 10 100 倍放大镜或显微镜下就可分辨的粗大级组织，尺寸范围在 1mm 以上。材料的宏观结构直接影响材料的密度、渗透性、强度等性质。相同组成的材料，如果质地均匀，结构致密，则强度高，反之则强度低。按照材料内部孔隙尺寸分类如下： （1 ）致密结构 密度和表观密度极其相近的材料，一般可认为是无孔隙或少孔隙的材料，如钢材、玻璃、塑料等。这类材料表观密度大，孔隙率小，强度高，导热性强。 （ 2）纤维结构 由纤维状物质构成的材料结构。如木材、岩面、矿棉、玻璃棉等。材料内部质点排列具有方向性，其平行纤维方向、垂直纤维方向的强度和导热性等

48、性质具有明显的差异性，由于含有大量空气，在干燥状态下质轻，隔热性和吸声性强。 （ 3）多孔结构 材料中含有几乎均匀分布的几微米到几毫米的独立孔或连续孔的结构称为多孔结构。如加气混凝土、石膏制品等。这类材料质量轻、保温隔热、吸声隔声性能好。 （ 4）层状结构 用机械或粘接等方法把层状结构的材料积压在一起成为整体。可以有同种材料层压，如胶合板，也可以有异种材料层压，如纸面石膏板、蜂窝夹心板、玻璃钢等。这类结构能提高材料的强度、硬度、保温及装饰等性能。 （5 ）散粒结构 指松散颗粒状结构，如砂子、卵石、碎石等。 2.细观结构（亚微观结构） 细观结构是指用光学显微镜能观察到的材料微米（m，尺寸范围在 103mm 以上）组织。主要研究组成物质的单个粒子（如晶粒、胶粒）的形貌。如分析水泥水化产物中 CSH 粒子、AFt（水化硫铝酸盐）