河北科技大學土木工程系1.2材料的基本狀態參數1.2.1材料的密度、表觀密度、堆積密度（與質量有關的性質）材料的體積構成體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態，因而表現出不同的體積。1）材料的密度1.絕對密度指材料在絕對密實狀態下單位體積的質量，按下式計算：

式中：ρ——絕對密度，g/cm3

；

m——材料的質量，g；

V——材料的絕對密實體積，cm3

。密度測定：李氏瓶法2.表觀密度（容重）材料在自然狀態下單位體積的質量。式中：——體積密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的質量，g或kg；

——材料的自然體積，cm3

或m3。含孔隙表觀密度的測定

表觀體積是指包括內部封閉孔隙在內的體積。其封閉孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質量或體積。因此，材料的表觀密度與其內部構成狀態及含水狀態有關，測定表觀密度一般以干燥狀態為準。工程中砂石材料，直接用排水法測定其表觀體積砂的表觀密度測定實驗砂表觀密度ρs的測定（kg/m3）式中：m0——砂試樣的烘干質量，g；m0＝300g；

m1——砂試樣、水及容量瓶總質量，g;m2——水及容量瓶總質量，g。測定瓶+砂+水的質量m1測定瓶+水的質量m23.堆積密度堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態下單位體積的質量。按下式計算：

式中：ρ0——材料的堆積密度,g/cm3

或kg/m3；

m——材料的質量，g或kg；

——材料的堆積體積，cm3

或m3。砂堆積密度的測定將容量筒內材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積（一）材料的密度幾種密度的比較比較項目密度表觀密度堆積密度材料狀態絕對密實自然狀態堆積狀態材料體積VV0計算公式應用判斷材料性質用量計算、體積計算材料的孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料總體積的百分率。孔隙率P按下式計算：式中：V——材料的絕對密實體積，cm3

或m3；

V0——材料的表觀體積，cm3

或m3；

ρ0——材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。

1.2.2材料的孔隙和空隙材料的密實度

密實度是指材料體積內固體物質填充的程度。密實度的計算式如下：

式中：ρ——密度；

ρ0——材料的表觀密度。

對于絕對密實材料，因ρ0=ρ

，故密實度D=1或100%。對于大多數土木工程材料，因ρ0

＜ρ

，故密實度D

＜1或D

＜100%。孔隙對材料性能的影響孔隙率與密實度從兩個不同側面來反映材料的致密程度，即D+P=1。

建筑材料的許多工程性質如強度、吸水性、抗滲性、抗凍性、導熱性、吸聲性等都與材料的致密程度有關。這些性質除取決于孔隙率的多少外，還與孔隙的特征密切相關。孔隙特征主要指孔隙的種類（開口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實際上絕對的閉口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常溫、常壓下水能否進入孔中來區分開口與閉口。因此，開口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開口孔體積Vk）與材料體積之比。閉口孔隙率（PB）便是總孔率P與開口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征對材料的工程性質有不同的影響，因此常采用改變材料的孔隙率及孔隙特征的方法來改善材料的性能，例如對水泥混凝土加強養護提高密實度或加入引氣劑，引入一定數量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗滲及抗凍性能。空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆積體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率按下式計算：

式中：ρ0——材料的表觀密度；

——材料的堆積密度。空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒互相填充的致密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配與計算砂率的依據。

孔隙率與空隙率的區別比較項目孔隙率空隙率適用場合個體材料內部堆積材料之間作用可判斷材料性質可進行材料用量計算計算公式1.3材料的力學性質1.材料的強度和比強度材料的強度是材料在外力作用下不破壞時能承受的最大應力。根據外力作用方式的不同，材料強度有抗壓、抗拉抗剪、抗彎（抗折）、抗扭強度等。抗壓抗拉抗剪抗彎材料的力學性質抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度的計算：式中：f——材料強度，MPa；

Fmax——材料破壞時的最大荷載，N；

A——試件受力面積，mm2。抗彎強度的計算：中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：式中：fw——材料的抗彎強度，MPa；Fmax——材料受彎破壞時的最大荷載，N；A——試件受力面積，mm2；L、b、h——兩支點的間距，試件橫截面的寬及高，mm。-2.比強度

——指材料強度與其表觀密度之比。意義：反映材料輕質高強的指標。值越大，材料越輕質高強2.彈性和塑性（1）彈性材料在外力作用下產生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。

（2）塑性材料在外力作用下產生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。指標：彈性模量意義：E表示材料剛度的指標，E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強。3.脆性和韌性

材料在外力作用下，突然發生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發揮這類材料的特性。材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大能量，產生一定的變形而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時單位面積所消耗的功表示。計算公式如下：式中ak-----材料的沖擊韌性，J/mm2

Ak-----試件破壞時所消耗的功，J；

A-------材料受力截面積。（mm2）建筑鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。1.3、材料的力學性質4.硬度和耐磨性（1）硬度材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它較硬物質刻劃或壓入其表面的能力。通常用刻劃法和壓入法測定材料的硬度。刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為10個莫氏硬度等級。鋼材，木材，混凝土采用鋼球壓入法測定其布氏硬度（HB）。（2)耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用耐磨率表示，計算公式如下：式中：

M——材料的耐磨率，（g/cm2）；

m0——材料磨損前的質量，（g）；

m1——材料磨損后的質量，（g）；

A——材料試件的受磨面積（cm2）。1.3、材料的力學性質1.4材料與水有關的性質1.材料的親水性與憎水性與水接觸時，材料表面能被水潤濕的性質稱為親水性；材料表面不能被水潤濕的性質稱為憎水性。

具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。親水性材料與水分子之間的分子作用力，大于水分子相互之間的內聚力；憎水性材料與水分子之間的作用力，小于水分子相互之間的內聚力。（ａ）親水性材料（ｂ）憎水性材料`2、材料的含水狀態（四種）干燥狀態氣干狀態飽和面干狀態濕潤狀態（見圖1.9）材料與水有關的性質1.材料的吸濕性

材料的吸濕性是指親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。用含水率Ｗh表示，其計算公式為：式中：ms——材料吸濕狀態下的質量（g或kg）

mg——材料在干燥狀態下的質量（g或kg）。當空氣中濕度在較長時間內穩定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態，此時材料的含水率保持不變，其含水率稱為平衡含水率。材料與水有關的性質2.材料的吸水性材料在水中吸收水分的性質，稱為材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率來表示。（1）質量吸水率質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態下的質量百分比，并以Wm表示。質量吸水率Wm的計算公式為：式中：mb——材料吸水飽和狀態下的質量（g或kg）；

mg——材料在干燥狀態下的質量（g或kg）。（2）體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料干燥狀態自然體積的百分率，并以WV表示。體積吸水率WV的計算公式為：式中: mb——材料吸水飽和狀態下的質量（g或kg）；

mg——材料在干燥狀態下的質量（g或kg）。

V0——材料在自然狀態下的體積，（cm3

或m3）；

ρw——水的密度,（g/cm3

或kg/m3），常溫下取

ρ

w=1.0g/cm3。材料與水有關的性質材料與水有關的性質（3）影響材料吸水性的因素

材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。材料與水有關的性質吸水率與含水率的區別比較項目吸水率含水率適用場合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質量比或體積比吸收水分的質量比吸收水量達到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率4.材料的耐水性材料的耐水性是指材料長期在水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質。材料耐水性的指標用軟化系數KR表示：式中：KR——材料的軟化系數；

fb——材料吸水飽和狀態下的抗壓強度（MPa）；

fg——材料在干燥狀態下的抗壓強度（MPa）。材料與水有關的性質材料與水有關的性質軟化系數反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。軟化系數的波動范圍在0至1之間。工程中通常將KR＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數也不得小于0.75。材料與水有關的性質5.抗滲性抗滲性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。用滲透系數或抗滲等級表示。（1）滲透系數材料的滲透系數K可通過下式計算:式中：K——滲透系數,（cm/h）;

Q——滲水量，（cm3

）；A——滲水面積,（cm2

）；

H——材料兩側的水壓差，（cm）；

d——試件厚度（cm）；t——滲水時間（h）。

材料的滲透系數越小，說明材料的抗滲性越強。材料與水有關的性質（2）抗滲等級材料的抗滲等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗滲等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透。（3）影響材料抗滲性的因素材料親水性和憎水性通常憎水性材料其抗滲性優于親水性材料；材料的密實度密實度高的材料其抗滲性也較高；材料的孔隙特征具有開口孔隙的材料其抗滲性較差。材料與水有關的性質6.抗凍性抗凍性是指材料在含水狀態下，能經受反復凍融循環作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨脹所產生的凍脹壓力造成材料的內應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。抗凍性以試件在凍融后的質量損失和強度損失不超過一定限度時所能經受的凍融循環次數來表示，或稱為抗凍等級。材料的抗凍等級可分為F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環。材料與水有關的性質影響抗凍性的因素1.材料的密實度（孔隙率），密實度越高則其抗凍性越好。2.材料的孔隙特征開口孔隙越多則其抗凍性越差。3.材料的強度強度越高則其抗凍性越好。4.材料的耐水性耐水性越好則其抗凍性也越好。5.材料的吸水量大小吸水量越大則其抗凍性越差。1.熱容性材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為材料的熱容性。用熱容量系數或比熱表示。比熱的計算式如下所示：式中：C——材料的比熱，J/（g·K）；

Q——材料吸收或放出的熱量(熱容量)；

m——材料質量，g；（t1

－t2）——材料受熱或冷卻前后的溫差，K。1.5材料的熱性質1.5材料的熱性質2.導熱性當材料兩面存在溫度差時，熱量提高建筑材料傳遞的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數λ表示：式中：λ——導熱系數，W/（m·K）；

Q——傳導的熱量，J；

d——材料厚度，m；

A——熱傳導面積，m2；

Z——熱傳導時間，h；

（t1－t2）——材料兩面溫度差，K。物理意義：單位厚度（1m）的材料、兩面溫度差為1K時、在單位時間（1s）內通過單位面積（1m2

）的熱量。材料的熱性質4.材料的熱變形性材料的溫度變形是指溫度變化時材料的尺寸變化。用線膨脹系數α表示。

α=ΔL/L

（t2－t1）式中：ΔL——線變形量，mm或cm；

（t2－t1）——材料前后的溫度差，K；

α——線膨脹系數，1/K；

L——材料原來的長度，mm或m。材料的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。1.6材料的耐久性材料的耐久性是泛指用于構筑物的材料在環境的各種因素影響下，能長久地保持其使用性能的性質。材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經常要受到環境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。材料的耐久性物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。化學作用包括大氣、環境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對材料的侵蝕作用。機械作用包括使用荷載的持續作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。生物作用包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。練習1、無機非金屬材料一般均屬于脆性材料，最適宜承受__________力。答案靜壓力2、比強度是衡量材料__________的指標。答案輕質高強3、材料的強度的確定視材料的種類不同而不同，對于脆性材料常以_________作為該材料的強度；對于韌性材料而言則以__________作為該材料的強度。答案極限應力值屈服應力值4、材料在進行強度試驗時，大試件較小試件的試驗結果值；加荷速度快者較加荷速度慢者的試驗結果值。答案小大5、彈性材料具有()的特點。A.無塑性變形B.不變形C.塑性變形小D.恒定的彈性模量6、下列性質屬于力學性質的是()。A.強度B.硬度C.彈性D.脆性E.比強度答案A答案ABCDE8、對于開口微孔材料,當其孔隙率增大時，材料的密度______，吸水性____,

抗凍性_________

,導熱性______

,強度______。9、當材料的體積密度與密度相同時，說明該材料__________。

7、評價材料抵抗水的破壞能力的指標是（

）。

A