1、,第一章 土木工程材料的基本性质,材料的基本性质：指材料处于不同的使用条件和环境时，通常必须考虑的最基本的共有的性质。主要包括：,基本物理性质、,基本力学性质、,耐久性等。,本章教学目标,熟悉：主要技术性质的物理意义、影响因素及对其它性质的影响。,掌握：材料各种基本性质的概念、指标的计算。,了解：材料的各性质在工程实践中的意义。,本章内容,第一节 材料的基本物理性质,第二节 材料的力学性质,第三节 材料的耐久性,第一节 材料的基本物理性质,（一）材料的密度、表观密度与堆积密度,一、材料与质量有关的基本物理性质,1.密度,表达式：,密度，g/cm3 ; m材料在干燥状态的质量，g ；V材料的绝对
2、密实体积，cm3。V=材料实体体积,少数密实材料可根据外形尺寸求得体积，再求得密度。 多数有孔隙的材料，应把材料 ， 后用李氏比重瓶 测定其体积（排开液体法），液体应不与材料反应.,磨成细粉,干燥,测量：,密度试验,2.表观密度,表达式：,表观密度，kg/m3 ; m材料的质量，kg ； V0材料在自然状态下的体积(表观体积)，m3,测量：,V0=材料实体体积+内部孔隙体积,3.堆积密度,表达式：,测量：,将散粒材料装入一定的容器中，则堆积体积为容器的体积，材料的质量为填充在此容器内的材料质量。,V/0=材料实体体积+内部孔隙体积+材料间空隙体积,材料的堆积密度，kg/m3； m材料的质量，k
3、g； V/0材料的自然堆积体积，m3。,（二）密实度与孔隙率,密实度,图1-1 材料孔隙率示意图,密实度是指材料体 积内，被固体物质 所充实的程度。,（二）密实度与孔隙率,孔隙率,图1-1 材料孔隙率示意图,孔隙率是指材料体 积内，孔隙体积占 总体积的百分率。,孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。,（三）填充率与空隙率,填充率,图1-2 材料空隙率示意图,填充率是指散粒材料堆积 体积中，散粒颗粒填充的 程度，也即散粒材料在自 然堆积状态下，其中的颗 粒体积占整个堆积体积的 百分率。,（三）填充率与空隙率,空隙率,图1-2 材料空隙率示意图,空隙率是指散粒材料
4、在 其堆积体积中，颗粒之 间的空隙体积占材料堆 积体积的百分率 。,空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。,（一）材料的亲水性与憎水性,(a) 亲水性材料,(b) 憎水性材料,二、材料与水有关的性质,材料的亲水性与憎水性可用 来说明。,润湿角,（二）吸水性,定义：材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，其大小用 表示。,吸水率,影响吸水性的因素,影响吸水性的因素：,材料的孔隙率。,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙特征。如孔径大小（粗大孔隙水分不易保留）、开口与否等（闭口孔水分不能渗入）。,孔隙率越大，吸水性越强；,只
5、有孔隙连通且孔径微小的材料，其吸水率才较大。,（三）吸湿性,定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用 表示。,含水率,材料吸湿性作用一般是可逆的，保温材料吸收水分后，导热系数将增大，保温性能降低。,影响吸湿性的因素,影响吸湿性的因素：,材料的孔隙率；,材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；,孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；,周围空气的温度和湿度 。,（四）材料的耐水性,定义：指材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性，,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。,其衡量指标是,软化系数。,工程对材料软化系数的要求,对经常处于水中
6、或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85； 受潮较轻的材料，其K软0.75； K软0.85的材料，称为耐水性材料。,处于干燥环境的材料可以不考虑软化系数。,衡量指标： 渗透系数。对于防潮、防水材料，如沥青、油毡、瓦等材料，常用渗透系数表示其抗渗性。,(五)材料的抗渗性,定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。,抗渗等级,对于混凝土和砂浆，常用抗渗等级表示抗渗性，如P6、P8、P10等P=10H1 H第三个试件开始渗水时的水压力（MPa）,影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征,地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。,抗
7、渗等级,（六）材料的抗冻性,定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。,衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级（Fn）表示，Fn表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%。如F50、F100、F200。,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水； 水冰，体积膨胀9，结冰压力高达100MPa， 结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂； 反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；,严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。,材料的抗冻性与材料的强度、孔特征和吸水饱和程度有关。,材料抗冻性影响因素,三、材料的热工性质导热性,
8、导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用 导热系数（）表示。,式中 导热系数（W/m.K）Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） d材料的厚度（m） t热传导时间（s） (T1-T2)材料两侧温差（K）,导热系数的物理意义： 表示单位厚度的材料，当两侧温差为1K时，在单位 时间内通过单位面积的热量。,含水情况。材料吸水或受冻后 增大。,影响材料导热系数的因素有：,，导热性，绝热保温。工程中通常把0.23/(m.k)的材料称为绝热材料。,材料的组成与结构。金属材料无机非金属材料有机材料。,孔隙率及孔隙特征。孔隙率大且为闭口孔的小。,第二节 材料的力学性质,第二节 材料的力学性质,一、材料的
9、强度,强度指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。,材料的抗弯（折）强度,材料的抗压、抗拉、抗剪强度。,强度单位：Mpa=N/mm2,1.单点集中荷载,2.三分点加荷,2.不同材料，强度差异较大。如砖、石材、砂浆、混凝土等脆性材料，抗压强度高，抗拉及抗弯强度低，主要用于结构的承压部位。钢材的抗拉、抗压强度都很高，适用各种外力的结构。,强度的影响因素,1.同种材料，孔隙率，强度。,比强度,二、材料的比强度 比强度：材料的强度与其表观密度的比值,它是评价材料是否轻质高强的指标，比强度越大，材料越轻质而高强。,强度高高强,质量轻轻质,三、弹性与塑性,（一）弹性与弹性变形 材料在外力作用下产生变形，当取消外
10、力后，材料能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可完全恢复的变形称为弹性变形或瞬时变形。,弹性范围内，应力与应变成正比，两者之比称为弹性模量(E) ， E越大，材料越不易变形。,（二）.塑性与塑性变形,材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸，并不产生裂缝的性质称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。,有的材料在低应力表现为弹性变形，高应力为塑性变形（如钢材），有的材料受力后，弹性变形与塑性变形同时产生（如混凝土)。,四、材料的脆性与韧性,脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。,2.韧性在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量，同时也
11、能产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性。如钢材。,1.脆性材料在外力作用下，无明显的塑性变形 而突然破坏的性质。,有冲击、震动荷载的厂房、铁路、桥梁等所用的材料须有较好的韧性。,五、硬度和耐磨性,测定方法：刻划法、回弹法、压入法。,1.硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体 刻划、压入其表面的能力。,陶瓷,混凝土,金属材料,五、硬度和耐磨性,2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。,m1试件磨损前的质量（g）； m2试件磨损后的质量（g）； A试件受磨面积（cm2）。,第三节 材料的耐久性,第三节 材料的耐久性,一、耐久性概念 材料在使用过程中，能抵抗自身和环境的长期破坏作用，保持其
12、原有的性能不变的性质。,1.物理作用 主要有,二 材料的三大自然破坏因素,干湿变化、温度变化和冻融变化等。,这些变化使材料的体积产生膨胀或收缩，导致内部裂缝。材料逐渐破坏。,2.化学作用 酸、碱、盐溶液及有害气体的侵蚀，使材料组成发生质变，引起破坏。,3.生物作用 材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而破坏，如木材等有机质材料。,有时几种破坏因素共同作用，但又以某一种因素为主。如： 砖、石、砼等矿物材料物理和化学作用 建筑金属材料化学作用 木材等有机质材料生物作用,三.耐久性指标 耐久性是材料的一项综合性质，材料所处的环境不同，其耐久性评价的主要指标也不同。,寒冷环境抗冻性 压力水作用抗渗性 高温环境
13、耐热性， 化学介质环境抗化学侵蚀 机械力磨损耐磨性,习题 1.当材料的孔隙率增大时，下表内的其他性质如何变化？,不变,2. 含水率为5%的砂220kg，干燥后的重量 为多少？,解：,解得：m干=209.5kg,3.某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174Mpa、178Mpa和165Mpa ，该石材能否用于水下工程？（材料的四种含水状态）,解：软化系数 KR=165/178=0.930.85 所以能用于水下工程,4. 某岩石的密度为2.75g/cm3，孔隙率为1.5%，今将岩石破碎为碎石，测得碎石的堆积密度1560kg/m3，求此岩石的表观密度和碎石的空隙率,解得表观密度：,代入数据：,空隙率：,代入数据：,解：孔隙率：,材料的四种含水状态： 干燥状态：不含水分(绝干)状态。 气干状态：孔隙内的含水湿度与大气湿度相平衡。 饱和面干状态：表面干燥而内部孔隙含水达到饱和。 湿润状态：内部孔隙充满水，且表面还附有一层水。,第三题,
