第1章 土木工程材料的基本性质

第一章 土木工程材料的基本性质第一节 土木工程材料的分类一、按材料的化学成分分类按材料的化学成分分类，可分为有机材料、无机材料和复合材料三大类。

二、按功能分类按功能分类，可分为结构材料和功能材料两大类。

结构材料——主要用作承重的材料，如梁、板、柱所用材料。

功能材料——主要利用材料的某些特殊功能，如用于防水、装饰、保温等的材料。

第二节 材料的物理性质一、密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度，公式表示如下：Vm =ρ 式中：ρ——材料的密度，g/cm 3；m ——材料在干燥状态下的质量，g ；V ——材料在绝对密实状态下的体积，cm 3。

所谓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的体积。

二、表现密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为表观密度，公式表示如下：0V m =ρ 式中：ρ0——材料的表观密度，kg/cm 3；m ——材料的质量，kg ；V 0——材料在自然状态下的体积，m 3。

所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。

三、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，公式表示如下：土木工程材料 有机材料——木材、石油沥青、塑料等 无机材料 金属材料——钢、铁、铝等非金属材料——石材、砖、玻璃、水泥、混凝土等复合材料——聚合物混凝土（1.1.1）（1.1.2）V m'='ρ 式中：ρ0’——散粒材料的堆积密度，kg/cm 3；m ——散粒材料的质量，kg ；V 0’——散粒材料的自然堆积体积，m 3。

散粒材料的自然堆积体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积。

四、孔隙率孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率。

%1000⨯=V V n V式中：n ——材料的孔隙率；V V ——材料的内部孔隙体积，cm 3； V 0——材料的总体积，cm 3。

五、吸水性*吸水性是指材料在水中吸水的性质。

第一章土木工程材料的基本性质本章导学学习目的：土木工程材料有无机材料、有机材料及复合材料，它具有结构或功能的作用。

而土木工程包括建筑工程、道路工程、桥梁工程、地下工程、岩土工程等，土木工程材料为这些工程服务，通过学习其基本性质，了解土木工程基本性质与工程特性的关系。

教学要求：通过工程实例说明土木工程材料的分类；通过各种土木工程特点的分析，说明土木工程材料的物理、力学性质及耐久性；重点讲解土木工程材料的密度、与水有关的性质、强度、弹性、粘性与塑性。

1.1土木工程材料的分类土木工程材料是指在土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。

它是一切土木工程的物质基础。

由于组成、结构和构造不同，土木工程材料品种繁多、性能各不相同、在土木工程中的功能各异，而且价格相差悬殊，在土木工程中的用量很大，因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程结构物安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。

由于土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和论述方便，常从不同角度对它进行分类。

最通常的是按材料的化学成分及其使用功能分类。

1.1.1按化学成分分类根据材料的化学成分，可分为有机材料、无机材料以及复合材料三大类，如表1－1所示。

1.1.2按使用功能分类根据材料在土木工程中的部位或使用性能，大体上可分为二大类，即土木工程结构材料（如钢筋混凝土、预应力混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土、墙体材料、路面基层及底基层材料等）和土木工程功能材料（如吸声材料、耐火材料、排水材料等）。

1．土木工程结构材料土木工程结构材料主要指构成土木工程受力构件和结构所用的材料。

如梁、板、柱、基础、框架、墙体、拱圈、沥青混凝土路面、无机结合料稳定基层及底基层和其它受力构件、结构等所用的材料都属于这一类。

对这类材料主要技术性能的要求是强度和耐久性。

目前所用的土木工程结构材料主要有砖、石、水泥、水泥混凝土、钢材、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土、沥青和沥青混凝土。

在相当长的时期内，钢材、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土仍是我国土木工程中主要结构材料；沥青、沥青混凝土、水泥混凝土、无机结合料稳定基层及底基层则是我国交通土建工程中主要路面材料。

第1章土木工程材料的基本性质第1章土木工程材料的基本性质•1.1 材料的物理性质(physical properties) –1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度•(1)密度(density)–近似密度（视密度）(apparent density)•(2)表观密度(apparent density)•(3)堆积密度（散粒体）(bulk density)(for particles) –压实密度（compacted density）1 密实材料，如金属材料、花岗岩等材料的内部密实而没有孔隙VM ρ 密度：材料的密度－（1）密度2材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等孔表观密度：VVMVM+==ρ%VV100⨯=孔孔隙率%VV100⨯=密实度3 内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙空孔堆积密度：V V V M V M ++='='00ρ%V V 1000⨯'=空空隙率%V V 10000⨯'=填充率end第1章土木工程材料的基本性质–1.1.2 材料的密实度与孔隙率»(1)密实度(density)»(2)孔隙率(porosity)第1章土木工程材料的基本性质–1.1.3 材料的填充率与空隙率（散粒体）•(1)填充率(filling ratio)•(2)空隙率(voids ratio, void content, void volume) »表1.1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度第1章土木工程材料的基本性质• 1.1.4 材料与水有关的性质– (1) 材料的亲水性与憎水性•亲水性（被水润湿θ 90°）(hydrophilic nature)•憎水性（润湿角θ>90°）(hydrophobic nature) –(2) 材料的吸水性与吸湿性•吸水性(water absorptivity)»吸水率(water absorption)•吸湿性(hydroscopic nature)»含水率(moisture content)–(3) 材料的耐水性(抗水性)(water resistance)»软化系数(softening coefficient)第1章土木工程材料的基本性质–1.1.5 材料的抗冻性与抗渗性•(1)抗冻性(frost resistance)»水结冰时体积约增大9％，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。

土木工程材料_基本要点第一章土木工程材料的基本性质密度：材料在绝对密实状态下（不包括材料孔隙在内的体积），单位体积的质量表观密度：材料在自然状态下（包括材料内部孔隙的体积），单位体积的质量堆积密度：材料为散粒或粉状，在堆积状态下，单位体积的质量大小关系：密实度：材料体积内，被固体物质充实的程度孔隙率：材料体积内，孔隙体积所占的比例填充率：散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度空隙率：散粒材料体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。

亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质吸水性：材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质，用吸水率表示吸湿性：材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力，用含水率表示耐水性：材料抵抗水破坏作用的性质，用软化性质表示软化系数的范围在0---1 之间。

用于水中、潮湿环境中的材料，必须选用软化系数不少于0.85的材料；用于受潮较轻的或者是次要结构，则不宜小于0.70—0.85 通常软化系数大于0.85 的材料称为耐水性材料。

抗冻性：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，同时也不严重降低强度的性质，用“抗冻等级”表示抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质，用渗透系数表示脆性：在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时无明显的塑性变形韧性：在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不破坏的性质材料的组成是指化学组成和矿物组成材料的结构：宏观结构；细观结构；微观结构材料的孔隙率增大时，材料的密度、表观密度、强度、吸水率、抗冻性、导热性、耐久性？第二章天然石材天然岩石根据生成条件，按地质分类分为岩浆岩、沉积岩、变质岩砌筑用石材分为毛石料石两类选择天然石材的原则：适用性；经济性；安全性适用性：考虑石材的技术性能是否满足使用要求经济性：考虑利用地方资源，尽可能做到就地取材安全性：对人体健康有影响的花岗岩：是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由石英、长石及少量暗色矿物和云母组成。

第1章 土木工程材料的基本性质1. 何谓材料的密度、表观密度、堆积密度？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？答：密度是材料在绝对密实状态下，单位体积的质量；表观密度表示材料在自然状态下单位体积的质量；堆积密度是指散粒材料或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。

材料含水后的影响为：对密度没有影响，因测定密度时材料必须是绝对干燥的；内部封闭孔隙不会吸水，含水对密度没有影响。

因开口孔隙吸水，使表观密度增大。

含水对堆积密度的影响则复杂，因含水后材料堆积状态下的质量和体积都会发生变化，一般来说是使堆积密度增大。

2. 材料的孔隙率和孔隙特征对材料的哪些性能有影响？有何影响？答：材料的孔隙率和孔隙特征会影响材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性及吸声性等特性。

一般来说，孔隙率增大，材料的强度降低、容积密度降低、绝热性能提高、抗渗性降低、抗冻性降低、耐腐蚀性降低、耐久性降低、吸水性提高。

材料内部的孔隙各式各样，十分复杂，孔隙特征主要有大小、形状、分布、连通与否等。

孔隙特征对材料的物理、力学性质均有显著影响。

若是开口孔隙和连通孔隙增加，会使材料的吸水性、吸湿性和吸声性显著增强，而使材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等耐久性能显著下降。

若是封闭的细小气孔增加，则对材料的吸水、吸湿、吸声无明显的影响；但对绝热、抗渗性、抗冻性等性能则有影响。

在一定的范围内，增加细小封闭气孔，特别是球形气孔，会使材料的绝热性能和抗渗性、抗冻性等耐久性提高。

在孔隙率一定的情况下，含大孔、开口孔隙及连通孔隙多的材料，其绝热性较含细小、封闭气孔的材料稍差。

3. 有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900 g ，其绝干质量为2550g 。

砖的尺寸为240mm ×115mm ×53mm ，经干燥并磨成细粉后取50 g ，用排水法测得绝对密实体积为18.62cm 3。

试计算该砖的吸水率，密度，孔隙率。

答：质量吸水率：%7.13%100255025502900=⨯-=m W 表观密度 30/74.13.55.110.242550cm g =⨯⨯=ρ 则体积吸水率： Wm ＝13.7％×1.74＝23.8% 密度：3/69.262.1850cm g v m ===ρ 孔隙率：%32.35%10069.274.11%10010=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ρρP4. 何谓材料的强度？影响材料强度的因素有哪些？答：材料的强度是指材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力。