土木工程材料第1章第1节——材料的基本物理性质

二、弹性与塑性
1、弹性——材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完 全恢复到原始形状的性质。
2、塑性——材料在外力作用下，当应力超过一定限值时产生 显著变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变 形后的形状和尺寸的性质。（又称永久变形） 混凝土、钢筋------均为弹塑性材料
三、脆性与韧性 1、脆性 l 定义——材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然
在自然界和现实工程中，绝对密实状态的材料是不存在的，有 些材料（如钢材、玻璃等）可视为接近绝对密实，而绝大多数材料 内部都含有一定量的孔隙。
材料的表观密度除取决于材料的组成外，还与材料的孔隙率和 孔隙的含水程度有关。材料孔隙率越大，其表观密度越小；
当孔隙中含有水分时，其质量和体积均有所变化； 通常情况下的材料表观密度是指材料在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； 在实际工程中，常依据材料的表观密度值，推算材料用量、计 算构件自重、确定运输负载和材料堆放空间等。
3、吸湿性—— 材料在空气中吸收水分的性质
指标—含水率
吸水性和吸湿性的区别
名称
表征状态
表征指标
影响因素
吸水性
材料浸水状态下
材料的亲水性或憎水性、材料的孔隙率大小、孔隙特 吸水率
征等
吸湿性 材料在潮湿空气中 含水率 材料的组成和构造、空气湿度和环境温度等
通常情况下，无论是吸水或吸湿，往往会给材料及工程带来一系列不良影响 ，使材料的许多性能发生改变，如自重增大、体积膨胀、抗冻性变差、保温性 能下降、强度和耐久性降低等。
材料的堆积密度取决于材料的表观密度以及测定时材料装运 方式和疏密程度；
材料在松散堆积状态下测得的堆积密度值小于紧密堆积状态下 测得的堆积密度值。
B
C源自文库
例题1 某材料干燥试样重450g，浸入水中吸水饱和后，排出水的体积 190cm3；取出后用湿布抹干再浸入水中，排出水的体积为230cm3；试样磨 细后烘干再浸入水中，排出水的体积为170cm3。试求该材料的密度ρ，表观 密度ρ0，开口孔隙率PK，闭口孔隙率PB。
第一章.土木工程材料的基本性质
本章知识点 【知识点】材料密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、开口 孔隙率、闭口孔隙率、空隙率等物理性质的概念及表征，亲水 性、憎水性、吸湿性、吸水性、耐水性、抗渗性、抗冻性等材 料与水有关性质的概念与区别，材料强度、比强度、弹性、塑 性、脆性、韧性等力学性质的概念与计算，材料耐久性的环境 作用及评定。 【重点】材料基本性质的概念含义、公式表达，各性质之间 的区别与联系，材料性质与其组成、结构、构造以及环境因素 的关系，材料强度的计算与测定。 【难点】材料基本性质的影响因素及其作用机理。
当闭口孔隙率增大时，材料的保温隔热性能和耐久性增强。
开孔结构的浮石复合材料
闭孔结构珍珠岩
二、材料与水有关的性质
1、亲水性与憎水性
润湿角≤90°——亲水性材料 ＞90°——憎水性材料
水分子之间的内聚力小(大)于水分子与材料分子之间的吸引力
2、吸水性—— 材料在水中吸收水分的性质 指标—重量吸水率、体积吸水率
')
式中 C——比热容[J/(g·K)]； Q——材料吸收或放出的热量（J）；
T T—' —材料受热或冷却前后的温度差（K）。
讨论：孔隙率及孔隙特征对材料性能的影响
1、一般来说，孔隙尺寸增大，材料强度降低，导热系数增大； 2、孔隙率增大，材料表观密度减小；强度降低；导热系数和热容
减小；吸水率增大；透气、透水性变大。抗冻性是否降低，要 视孔隙大小和形态特征而定。 3、孔隙特征 粗孔与细孔→ 毛细孔使材料吸水率增大、 耐久性降低；
破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有 这种性质的材料称为脆性材料。
抗压强度比抗拉强度高八倍以上；
l 脆性材料特征 适合作受压构件,不适合作受拉构件；
不适合承受冲击、振动荷载；
2、韧性
l 定义——材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较 大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。
一般来说粗孔不易吸满水，微细孔隙吸水率非常大。 开孔与闭孔 →开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性更 不利。或增加闭口孔隙，可提高材料保温性、耐久性。
1-2 材料的基本力学性质
一、强度与比强度
1、强度 根据材料所受外力的作用方式，材料的强度可分为抗 压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度（抗折强度），分别 表示材料抵抗压力、拉力、剪力或弯曲破坏的能力。
一、材料的组成与结构 1、组成---化学组成、矿物组成和相组成
宏观结构
定义
2、结构 细观结构 晶体结构 特性
定义
微观结构 玻璃体结构 特性
定义
胶体结构
特性
二、材料的性质---物理性质、化学性质和力学性质
粉煤灰玻璃体
水泥凝胶体
1-1 材料的基本物理性质
一、基本 性质
1.密度(比重)ρ—材料在绝对密实状态
侧传导的能力，用导热系数表示。导热系数的物理意义为单位厚度 的材料，两侧温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的导热量。
材料导热示意图
导热系数： Qd TAt
式中 ——导热系数[W/(m·K)]；
Q ——传导的热量(J)； A ——热传导面积(m2)； d ——材料厚度(m)； t ——热传导的时间(s)； T ——材料两侧的温差(K)。
几种常用材料的强度
材料
抗压强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 抗弯强度（MPa）
钢材
240～1800
240～1800
—
花岗岩
100～250
5～8
10～140
普通混凝土
10～100
1～4
2.0～8.0
松木（顺纹）
30～50
80～120
60～100
普通黏土砖
7.5～30
—
1.8～4.0
为便于材料的生产和使用，根据材料的强度值，按照相关标准将其划
强度类别
外力作用方式 计算式
参数含义
抗压强度 f c 抗拉强度 ft
抗剪强度 f v
抗弯强度 ftm
fc
P A
ft
P A
fv
P A
f tm
3PL 2bh 2
P —破坏荷载（N） A —受荷面积（mm2） L —跨度（mm） b —断面宽度（mm） h —断面高度（mm）
强度的大小取决于材料的组成、结构、含水量、试件状况（ 形状、尺寸）以及试验条件（温度、湿度、加荷速度）等因素。 不同种类的材料强度差别甚大，同类材料的强度也有较大差异。
l 韧性材料特征 韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，破坏前有明显预兆；
抗拉强度与抗压强度接近。
抗震结构、承受动荷载的结构需要考虑材料的韧性 静荷载——作用时不产生加速度的荷载。如结构自重； 动荷载——作用时产生加速度的荷载。如冲击、振动荷载；
常将防止室内热量向室外散失称为保温；把防止外部热量进 入室内称为隔热。工程上把导热系数小于0.23W/(m·K)的材料称为 保温隔热材料。
在热工学中，将导热系数的倒数称为材料的导热阻。导热系数和导 热阻均是评定材料导热能力的重要指标，材料的导热系数越小或导热阻 越大，其保温隔热及其节能效果越好。
空气的导热系数很小[0.026W/(m·K)]，只有保温隔热材料定义值的 1/10，因此，干燥静止的空气是一种特殊而重要的保温隔热材料。在实 际工程中，大量的保温隔热材料研制、生产以及保温隔热工程的建设， 正是基于对此现象的充分利用。
下单位体积质量；
2.表观密度(容重)ρ0 —材料在自然状态
下单位体积质量；
3.堆积密度(松散容重)ρ0′ —散粒材料
在自然堆积状态下单位体积质量；
4.孔隙率P — 材料内部孔隙体积占表观体积
的百分率；
5.空隙率P′ — 材料之间空隙体积占堆积体
积的百分率 ；
A
材料密度的大小主要取决于材料的物质组成与结构。物质组成 与结构不同的材料，其密度相差很大；
闭口孔隙率PB
＝
V闭 V0
×100%＝（190-170）/230
×100%＝8.7%
密实度和孔隙率是从不同角度反映了材料的致密程度。 材料密实度和孔隙率的大小主要取决于材料的组成、结构 及制造工艺。材料的许多工程性质，如材料的强度、吸水性、 抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的孔隙率或密实 度有关。这些性质不仅取决于孔隙率的大小，还与孔隙的类型 、形状、大小、分布等构造特征密切相关。
钢材
58.0
0.48 黏土空心砖 0.64
花岗石
3.49
0.92
松木 0.17～0.35
普通混凝土
1.74
0.88 泡沫塑料
0.03
水泥砂浆
0.93
0.84
冰
2.20
白灰砂浆
0.81
0.84
水
0.60
普通黏土砖
0.81
0.84
空气
0.025
比热容 [J/(g·K)]
0.92 2.51 1.30 2.05 4.19 1.00
材料的导热系数与材料的种类、表观密度、孔隙率、孔隙构 造、温度、含水状况等有着密切关系。一般来讲，金属材料、无 机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、 非晶体材料的导热系数。
材料的表观密度越小，其导热系数越小。当孔隙率相同时， 由微小而封闭孔隙组成的材料比由粗大而连通的孔隙组成的材料 具有更低的导热系数。由于水和冰的导热系数远大于空气的导热 系数，因此，当材料受潮或受冻时会使导热系数急剧增大。除金 属外，大多数材料的导热系数随温度升高而增大。
分为若干个强度等级。如烧结普通砖按抗压强度值分为MU30、MU25 、MU20、MU15、MU10五个强度等级。
2、 比强度 由于不同材料的强度、表观密度均存在较大差异，为了便
于比较不同表观密度材料的强度，常用比强度指标来评价材料 强度与表观密度的综合性状。比强度是按单位体积质量计算的 材料强度，其值等于材料的抗压强度与其表观密度之比，它是 衡量材料轻质高强性能的重要指标。
几种常用材料的比强度
材料
低碳钢 普通混凝土 普通黏土砖 松木（顺纹抗拉）
表观密度 （kg/m3）
7850 2400 1700 500
抗压强度 （MPa）
420 40 10 100
比强度
0.054 0.017 0.006 0.200
混凝土路面砖抗折强度试验
混凝土路面砖抗压强度试验
钢筋抗拉强度试验
聚
氨
混
酯
凝
保
土
温
保
板
温
砌
块
2. 热容量 热容量是指材料在温度发生变化时吸收或放出热量的能力，
其大小用比热容来表示。比热容是指单位质量的材料，温度升 高或降低单位温度所吸收或放出的热量。
材料的比热容与其物质种类、状态等有密切关系。材料的热 容量值对保持建筑物内部温度稳定有重要意义。
C
Q m(T T
密实度较大的花岗岩
孔隙率较大的泡沫砖
工程上常按孔隙的连通性，将孔隙分为开口孔隙（简称开孔） 和闭口孔隙（简称闭孔）。 开孔是指那些彼此连通，并与外界也 相通的孔隙，如常见的毛细孔。当开口孔隙率增大时，材料的吸 水性、吸湿性、透水性和吸声性增强，材料的抗冻性和抗渗性则 因此变差。闭孔是指那些彼此不连通，而且与外界隔绝的孔隙。
指标——渗透系数、抗渗等级 材料的抗渗性主要与材料内部的孔隙率（尤其是开口孔隙率） 和材料的憎水性或亲水性等因素有关。材料的抗渗能力直接或间接 影响材料的耐久性、抗冻性和耐腐蚀性。 6、材料的含水状态——干燥、气干、饱和面干及湿润状态
三、与热有关的性质
1、 导热性 导热性是指当材料的两侧存在温度差时，热量由高温侧向低温
解：
实体体积 V实＝170cm3 V实＋V闭＝190cm3
表观体积 V0＝V实＋V闭＋V开＝230cm3
密度ρ＝ m＝450/170＝2.65 g/cm3；
V实
表观密度ρ0＝ m＝450/230＝1.956 g/cm3＝1956 kg/m3
V0
开口孔隙率PK
＝
V开 V0
×100%＝（230-190）/230×100%＝17.4%
不同材料的导热系数差别很大，如： 钢材的导热系数为58.0W/(m·K)；
普通混凝土的导热系数为 1.74 W/(m·K)； 泡沫塑料的导热系数为 0.03 W/(m·K)。
相差近2000倍
表 几种典型材料的导热系数和比热容
材料
导热系数 比热容 [W/(m·K)] [J/(g·K)]
材料
导热系数 [W/(m·K)]
4、耐水性—— 材料抵抗水的破坏作用的能力 指标——软化系数 材料吸水饱和后，其强度均有所降低。因此，材料的软化系
数一般在0～1之间，软化系数值越小，说明材料吸水饱和强度降 低得越多，材料的耐水性越差。钢、玻璃及沥青等材料的软化系 数基本等于1，而黏土的软化系数基本等于0。通常将软化系数大 于0.8的材料称为耐水材料。选用材料时，对经常位于水中或处于潮 湿环境中的重要建筑物，所选用材料的软化系数不得小于0.85； 5、抗渗性—— 材料抵抗压力水渗透的性质