土木工程材料基本性質第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二緒論（★）第一章土木工程材料基本性質（★★）第二章建筑金屬材料（★★★）第三章無機膠凝材料（★★）第四章混凝土與砂漿（★★★）第五章砌體材料（★）第六章瀝青和瀝青混合材料（★）第七章合成高分子材料（★）第八章木材(自學）第九章建筑功能材料（★）主要教學內容第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二緒論一、土木工程材料的范疇和分類二、土木工程與材料的關系技術準標簡介三、土木工程材料學習方法與要求學習目標是了解土木工程材料的分類，明確土木工程材料在工程中的重要地位，重點是了解土木工程材料的分類、了解各類技術標準。第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二一、土木工程材料的范疇和分類廣義土木工程材料：構成建筑、構筑物的材料；輔助材料；消防水電通訊等器材狹義土木工程材料：直接構成土木工程實體的材料；本書介紹狹義土木工程材料按化學成分分：無機材料有機材料 復合材料第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二二、土木工程與材料的關系技術準標簡介土木工程材料的技術標準與規范

國家標準（GB）：指對全國范圍的經濟、技術及生產發展有重大意義的標準。它是由國家標準主管部門委托有關部門起草，或有關部委提出批報，經國家技術監督局會同各有關部委審批，并由國家技術監督局發布。GB標準為強制性國家標準，任何技術（產品）不得低于此標準

GB175-1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥

國家標準的代號

標準編號

標準頒布年代號

標準的技術（產品）名稱

推薦性國家標準，以“GB/T”為標準代號第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二行業標準：全國性的某行業范圍的技術標準。由國家中央部委標準機構指定有關研究院所、大專院校、工廠等單位提出或聯合提出，報中央部委主管部門審批后發布，并報國家技術監督局備案。

JC/T479-92建筑生石灰

建材行業的標準代號

技術標準的二類類目順序號

推薦標準

標準頒發年代號

標準名稱第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二地方標準與企業標準：凡國家、部未能頒布的產品與過程的技術標準，可由相應的工廠、公司等單位，根據生產廠能保證的產品質量水平所制定的技術標準，報請本地區或本行業有關主管部門審批后，在該地區或行業中執行。國際標準：①團體標準和公司標準。指國際上有影響的團體和公司的標準。如美國材料與實驗協會標準（ASTM）等。

②區域性標準。如德國工業標準(DIN)等。

③國際標準化組織標準，代號ISO。第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二三、土木工程材料學習方法與要求①按主線有重地點面結合學習學習時以材料組成、結構、性能與應用為主線。重點是掌握性能與應用。對材料生產只作一般性了解。內容較多，不可能面面俱到有重點地學習，

②知識、能力和素質的有機統一學習本課程不僅僅是掌握有關的基本專業知識更重要的是培養分析、解決問題的能力，培養創新精神，提高綜合素質。工程實例是為引導大家理論聯系實際。

第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§1.1材料的物理性質

熟練掌握土木工程材料的基本物理性質本節主要討論以下5個問題一、材料的結構特征參數：密度、表觀密度、堆積密度二、密實度、孔隙率、空隙率、填充率三、材料與水有關的性質四、材料的熱工性質五、材料的耐熱性與耐燃性第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二1、密度：①定義：材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量（比重）②測定：除鋼材、玻璃等少數材料外，絕大多數材料都有孔隙，一般進行磨細，干燥后用李氏瓶測其體積（磚、石材）；另外，用排液置換法測量卵石等致密材料近似密度。③特點：不變值一、材料的結構特征參數：第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二一、材料的結構特征參數：1、密度：①定義：材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量（比重）材料在絕對密實狀態下的體積，cm3

②測定：除鋼材、玻璃等少數材料外，絕大多數材料都有孔隙，一般進行磨細，干燥后用李氏瓶測其體積（磚、石材）；另外，用排液置換法測量卵石等致密材料近似密度。③特點：不變值第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2、表觀密度（俗稱容重）①定義：材料在自然狀態下單位體積的質量（重量）②測定：與材料含水情況有關，故測表觀密度時，應注明含水情況，通常是指在氣干狀態（長期在空氣中狀態）下的表觀密度，在烘干狀態下的表觀密度稱為干表觀密度。③特點：變化值第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二3.體積密度①定義：指材料在自然狀態下單位體積（包括材料實體積及開口孔隙、閉口孔隙）的質量。俗稱容重，按下式計算：式中—材料的體積密度kg/m3或g/cm3；—材料的質量，按有關標準規定，該質量是指自然狀態下的氣干質量。—材料在自然狀態下的體積，包括材料實體積及內部孔隙（開口孔隙和閉口孔隙）。②測定：一般是在通風良好的室內放置7天后測得的質量；③特點：一般用于塊體材料。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二如下圖所示。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

4、堆積密度（松散容重）①定義：散粒材料在堆積狀態下，單位體積的質量。②測定：包含了顆粒之間的空隙③特點：變化值，在容器內或規則性堆積第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

常用材料的密度、表觀密度，堆積密度材料名稱密度g/cm3

表觀密度g/cm3

堆積密度g/cm3

鋼材7.85————松木1.550.40~0.80——水泥2.80~3.20——900~1300砂2.662.651450~1650碎石（石灰石）2.60~2.802.601400~1700普通混凝土2.601.95~2.50——普通黏土磚2.601.60~1.90——第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二二、密實度孔隙率空隙率填充率

1、密實度：材料體積內被固體物質充實的程度（物質占比例）

2、孔隙率：孔隙的多少（孔隙所占比例）第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二開口孔隙率先與閉口孔隙對應在于開口孔和閉口孔的孔隙率稱為開口孔隙和閉口孔隙率式中—開口孔的體積。第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二3、空隙率：散粒材料在某堆積體積中，顆粒之間的空隙體積所占的比率P′反映了散粒材料的顆粒互相填充的密實程度4、填充率：散粒材料在某堆積體積中被顆粒填充的程度

空隙率考慮的是材料顆料間的空隙，這對填充和粘結散粒材料時，研究散粒狀材料的空隙結構和計算膠結材料的需要量十分重要

第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二三、材料與水有關的性質1、親水性、憎水性（疏水性）2、材料的含水狀態3、材料的吸水性與吸濕性4、材料的耐水性5、材料的抗滲性6、材料的抗凍性第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二1、材料的親水性與憎水性1、親水性與憎水性：當材料與水接觸時，有些材料能被水潤濕，有些材料則不能被水潤濕，前者稱材料具有親水性，后者稱具有憎水性。

潤濕邊角：材料被水濕潤的情況可用潤濕邊角θ表示。當材料與水接觸時，在材料、水以及空氣三相的交點處，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕邊角第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二親水性材料：當θ≤90°時，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現出親水性，這種材料稱親水性材料。例如：磚、木、混凝土等。憎水性材料：當θ＞90°時，材料表面不吸附水，此稱憎水性材料。例如：瀝青、石蠟等。當θ=0°時，表明材料完全被水潤濕，稱為鋪展。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二材料的含水狀態（親水性材料）基本含水狀態(a)干燥狀態-材料的孔隙中不含水或含水極微(b)氣干狀態-材料的孔隙中所含水與大氣濕度相平衡(c)飽和面干-材料表面干燥，而孔隙中充滿水達到飽和(d)濕潤狀態-材料不僅孔隙中含水飽和,而且表面上為水濕潤附有一層水膜第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2、材料的吸水性和吸濕性1）吸水性：材料在水中吸水的性質。用吸水率表示吸水性：質量吸水率、體積吸水率A.質量吸水率：材料吸水飽和時，吸收的水分質量占材料干燥時質量的百分率：B.體積吸水率：材料吸水飽和時，吸收的水分體積占材料干燥時體積的百分率：質量吸水率與體積吸水率關系：材料在吸水飽和的重量

材料在干燥狀態下的重量

干燥材料體積，cm3

第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2）吸濕性：用含水率表示親水材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。還濕性：親水材料在干燥空氣中放出所含水分的性質。含水率影響材料含水率的因素：環境的溫度和濕度平衡含水率：材料中所含水分與環境溫度所對應的濕度相平衡時的含水率。在某一短時平衡，變值。材料在吸濕狀態下的重量

材料在干燥狀態下的重量

第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。對于細微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。各種材料的吸水率很不相同，差異很大如花崗巖的吸水率只有0.5％-0.7％混凝土的吸水率為2％-3％粘土磚的吸水率達8％-20％木材的吸水率可超過100％材料的吸水性與什么有關？第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二3、材料的耐水性定義：材料長期在飽和水作用下不被破壞，強度也無明顯下降的性質。軟化系數：KR

在0-1之間耐水材料：KR

＞0.85

鋼材、玻璃、瀝青KR=1；黏土KR=0要求：長期處于水中或潮濕環境中的重要結構KR

＞0.85用于受潮較輕或次要結構：KR≥0.75KR=材料吸水飽和后的抗壓強度/材料干燥時的抗壓強度第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二4、抗滲性定義：材料抵抗壓力水滲透的性質影響因素：孔隙率及孔隙特征開口的連通大孔越多抗滲性越差閉口孔隙率大的材料抗滲性仍可良好抗滲等級:以規定的時間在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力（MPa）來確定，材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水壓力：滲透系數：一定厚度d的材料，在一定水壓力H作用下，在單位時間t內透過單位面積的水量Q。抗滲性是決定材料耐久性的主要指標第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二5、抗凍性定義：材料在吸水飽和狀態下能經受多次凍融循環作用而不破環，強度不明顯降低的性質。抗凍標號（Fn）：混凝土F50含義：混凝土標準試件經28d標準養護后，浸水4d吸水飽和,在-15Co--20Co條件下凍6h,在10-20oC水中融6h，一凍一融為一次凍融，經50次的凍融循環后，質量損失不大于5%，強度損失不超過25%也無明顯損壞和剝落，則該混凝土達到F50。凍融破壞：材料吸水后，在負溫度下，水在毛細管內結冰，體積膨脹約9％，冰的動脹壓力造成材料的內應力，使材料遭到局部破壞，隨著冰凍、融化的循環作用，對材料的破壞加劇，這種破壞即為凍融破壞。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二討論：材料與水有關的性質主要和哪些因素有關？1、材料中所吸水分是通過開口孔隙吸入的，故開口孔隙率愈大，則材料的吸水量愈多。材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關。2、材料的吸濕性隨空氣的濕度和環境溫度的變化而改變，當空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率就大，反之則小。3、材料的抗滲性與材料內部的孔隙率特別是開口孔隙率有關，開口孔隙率越大，大孔含量越多，則抗滲性越差。材料的抗滲性還與材料的憎水性和親水性有關，憎水性材料的抗滲性優于親水性材料。4、材料的抗凍性取決于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。5、從外界條件來看，材料受凍融破壞的程度，與凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度等因素有關。環境溫度愈低、降溫愈快、凍融愈頻繁，則材料受凍破壞愈嚴重。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產生剝落，逐漸向內部深入發展。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二四、材料的熱工性質

1、熱容性2、導熱性3、熱變形性4、耐燃性材料的導熱系數和熱容量是設計建筑物圍護結構（墻體、屋蓋）進行熱工計算時的重要參數，設計時應選用導熱系數較小而熱容量較大的建筑材料，以使建筑物保持室內溫度的穩定性。同時，導熱系數也是工業窯爐熱工計算和確定冷藏庫絕熱層厚度時的重要數據。

材料的熱容：指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力。導熱性：指當材料兩側有溫度差時熱量由高溫側向低溫側傳遞的能力，用導熱系數來表示。熱變形性:指材料在溫度變化時的尺寸變化耐燃性：指材料對火焰和高溫度的抵抗能力。第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

1、熱容量和比熱熱容量是指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質。用熱容量來比較材料熱容性差別材料的比熱，kJ／(kg·K)。材料受熱或冷卻前后的溫度差，K材料的熱容量，kJ材料的質量，kg

材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。用公式表示為第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2、導熱性導熱系數的物理意義是：厚度為1m的材料，當溫度每改變1K時，在lh時間內通過1m2面積的熱量。用公式表示為：當材料兩側存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側、通過材料傳遞到溫度低的一側，材料的這種傳導熱量的能力，稱為導熱性。材料的導熱性可用導熱系數來表示

材料的導熱系數愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料的導熱系數差別很大，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料。λ—材料的導熱系數，W/（m·K）a

—材料的厚度，mZ-傳熱時間，hA

—材料傳熱的面積，m2；第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二材料名稱導熱系數W/(m·K)比熱J/(g·K)鋼550.46銅3700.38花崗巖3.490.92普通混凝土280.88水泥砂漿0.930.84普通粘土磚0.810.84粘土空心磚0.640.92松木0.17～0.352.51泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.604.19靜止空氣0.025

常用土木工程材料的熱工性質指標第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二3、熱變形性用線膨脹系數表示熱變形性：熱變形性:指材料在溫度變化時的尺寸變化4、耐燃性：材料對火焰和高溫度的抵抗能力稱為材料的耐燃性，是影響建筑物防火、建筑結構耐火等級的一項因素。可把建筑材料分為三類：

①非燃燒材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如鋼鐵、磚、石等。②難燃材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用時難起火、難微燃、難碳化，當火源移走后，已有的燃燒或微燃立即停止的材料，如經過防火處理的木材和刨花板等。③可燃材料：在空氣中受到火燒或高溫高熱作用時立即起火或微燃，且火源移走后仍繼續燃燒的材料，如木材、竹材等。第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§1.2材料的力學性質

本節共討論以下四個問題一、材料的強度強度等級比強度理論強度二、材料的彈性與塑性三、材料的脆性與韌性四、材料的硬度和耐磨性材料的力學性質指材料在外力作用下所引起變化的性質。這些變化包括材料的變形和破壞。材料的變形指在外力的作用下，通過形狀的改變來吸收能量。

第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二一、材料的強度強度等級比強度理論強度1、強度：在外力作用下，材料抵抗破壞的能力材料在外力作用下破環時能承受的最大應力。(ａ)抗壓(ｂ)抗拉(ｃ)抗彎(ｄ)抗剪抗彎強度抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度：第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二影響材料強度的因素自身因素材料的組成和結構材料的孔隙率含水率試件尺寸大小受力形式和受力方向試件表面平整度等第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二材料抗壓抗拉抗彎花崗巖100~2505~810~14燒結普通磚7.5~30——1.6~4.0普通混凝土7.5~601~9——松木（順紋）30~5080~12060~100建筑鋼材240~1500240~1500——常用材料的強度（Mpa）第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2、強度等級：材料按其強度的大小分為若干不同的等級（標號）劃分等級的作用：（1）掌握材料性質，合理選用材料 （2）正確進行設計（3）控制工程質量等混凝土：C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二3、材料的比強度：單位體積重量的材料強度，即材料的強度與其表觀密度之比。優質的結構材料，應具有較高的比強度（mpacm3/g）

衡量材料是否輕質高強的指標高強度鋼絲：1100/7.85=140普通混凝土:40/2.4=17輕骨料混凝土:40/1.8=22玻璃增強塑料：450/2=225燒結普通磚:15/1.7=9第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二4、理論強度：從材料內部結構的理論上來分析材料所能承受的最大應力實際強度：通過試驗實際測定的例：材料的理論抗拉強度公式：式中ft—理論抗拉強度paE—彈性模量N/m2r—固體表面能d—原子間距離，平均2×10-10m材料的理論強度>實際強度碳素鋼：400mpa鋼:理論強度3000mpa

高強度鋼絲：1800mpa第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二二、材料的彈性和塑性（使用時受力性質）

1、彈性：這種完全恢復的變形稱為彈性變形（瞬時變形）2、塑性：這種不能恢復的變形稱為塑性變形（永久變形）（a）彈性變形曲線（b）塑性變形曲線

實際上，單純的彈性材料是沒有的，大多數材料在受力不大的情況下表現為彈性，受力超過一定限度后則表現為塑性，所以可稱之為彈塑性材料。

第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二三、材料的脆性與韌性（破壞時的性質）1、脆性：材料受力達到一定程度，突然發生破壞，且破壞時無明顯塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。脆性特點：受力達到破壞荷載值時變形值很小，不利于受震動沖擊，抗拉強度<<抗壓強度2、韌性（沖擊韌性）：在沖擊、震動荷載作用下，材料能吸收較大能量，同時也能產生一定的變形而不致破壞的性質。例如：鑄鐵、硅、石材、陶瓷、玻璃。例：吊車梁、橋梁、路面等結構具有很好的沖擊韌性第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二四、材料的硬度和耐磨性

1硬度:是指材料表面抵抗較硬物壓入或刻劃的能力。反映了材料的耐磨性和加工的難易程度。測量方法：壓入法，刻劃法。壓入法：常用測定金屬材料等的硬度，根據壓痕的面積和深度測定材料硬度。稱為R氏硬度。刻劃法：用硬度不同的材料對被測材料的表面進行刻劃，通過它們對材料的劃痕來確定材料的硬度。稱為莫氏硬度。刻劃法：常用來測定天然礦物的硬度。按照材料的硬度分為10個等級：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2耐磨性：材料抵抗磨損的能力。磨損：材料與其他物質由于表面摩擦作用使質量和體積減小的現象。耐磨性用磨損率來表示：式中M—磨損率，g/cm2M0—磨前質量，gM1—磨后質量，gA—試樣受磨面積，cm2第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§1.3材料的耐久性

本節討論以下問題：一、耐久性定義；二、影響材料耐久性、結構耐久性的因素；三、研究材料耐久性的重要意義耐久性是一種復雜的、綜合的性質,包括材料的抗凍性、耐熱性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學作用和生物作用。要根據材料所處的結構部位和使用環境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據各種材料的耐久性特點，合理地選用。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二一、耐久性：指材料在長期使用條件下，受各種內在或外在因素作用，能長期不被破壞不失去原有性能，仍能正常使用的特性。二、影響材料耐久性、結構耐久性的因素破壞因素的種類：物理作用、機械作用、化學作用、生物作用等。第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二內因第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二外因第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

§1.4材料的組成、結構、構造

及其對性能的影響一、材料的組成及其姨材料心質的影響1.化學組成化學組成是指構成材料的化學元素和化合物的種類與數量。當材料處于某一環境中，材料與環境中的某一物質間必然要按化學變化的規律發生作用，如木材的易用燃、腐朽，混凝土受酸堿鹽的侵蝕、鋼材的銹蝕等者屬化學作。2.礦物組成這里的礦物是指無機非金屬材料具有特定的晶體結構，特定的物理力學性能的組織結構，礦物組成是指構成材料的礦物的種類與數量，是決定材料性質的重要因素。第五十一頁，共五十八頁，編