第1章土木工程材料的基本性質(zhì)

本章知識(shí)點(diǎn)

【知識(shí)點(diǎn)】材料密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率、空隙率、密實(shí)度、填充率等物理性質(zhì)的概念及表征，親水性、憎水性、吸濕性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性、抗凍性等材料與水有關(guān)性質(zhì)的概念與區(qū)別，材料強(qiáng)度、比強(qiáng)度、彈性、塑性、脆性、韌性、硬度、耐磨性等力學(xué)性質(zhì)的概念與計(jì)算，材料耐久性的環(huán)境作用及評(píng)定。【重點(diǎn)】材料基本性質(zhì)的概念含義、公式表達(dá)，各性質(zhì)之間的區(qū)別與聯(lián)系，材料性質(zhì)與其組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及環(huán)境因素的關(guān)系，材料強(qiáng)度的計(jì)算與測(cè)定。【難點(diǎn)】材料基本性質(zhì)的影響因素及其作用機(jī)理。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

1.密度、表觀密度與堆積密度

（l）密度

密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計(jì)算：1.1材料的物理性質(zhì)式中——密度（g/cm3）；

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；

V——絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（絕對(duì)體積或?qū)嶓w積）（cm3）。材料密度的大小主要取決于材料的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)。物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)不同的材料，其密度相差很大。（1-1）常用土木工程材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率材料密度（g/cm3）表觀密度（kg/m3）堆積密度（kg/m3）孔隙率（%）石灰石2.601800～2600——花崗巖2.60～2.902500～2800—0.5～3.0碎石（石灰石）2.60—1400～1700—砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通黏土磚2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心磚2.51000～1400——水泥3.1—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20輕骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75鋼材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0圖1-1材料組成示意圖1—孔隙；2—固體物質(zhì)

在自然界和現(xiàn)實(shí)工程中，絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)的材料是不存在的，有些材料（如鋼材、玻璃等）可視為接近絕對(duì)密實(shí)，而絕大多數(shù)材料內(nèi)部都含有一定量的孔隙。

1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（2）表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計(jì)算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)式中——材料的表觀密度（kg/m3）；

m——材料的質(zhì)量（kg）；

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積（簡(jiǎn)稱自然體積或表觀體積，包括材料的實(shí)體積和所含孔隙體積）（m3）。材料的表觀密度除取決于材料的組成外，還與材料的孔隙率和孔隙的含水程度有關(guān)。材料孔隙率越大，其表觀密度越小。當(dāng)孔隙中含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積均有所變化。（1-2）通常情況下的材料表觀密度是指材料在氣干狀態(tài)下的表觀密度，在烘干狀態(tài)下的表觀密度稱為干表觀密度。在實(shí)際工程中，常依據(jù)材料的表觀密度值，推算材料用量、計(jì)算構(gòu)件自重、確定運(yùn)輸負(fù)載和材料堆放空間等。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（3）堆積密度

堆積密度是指散粒狀或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量。按下式計(jì)算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)式中——材料的堆積密度（kg/m3）；

m——材料的質(zhì)量（kg）；——散粒或粉狀材料的自然堆積體積（包括顆粒體積和顆粒之間的空隙體積，圖1-2）（m3）。堆積密度取決于材料的表觀密度及測(cè)定時(shí)材料裝運(yùn)方式和疏密程度。工程中常據(jù)松散堆積密度確定顆粒狀材料堆放空間。（1-3）圖1-2

散粒材料堆積體積示意圖1—固體物質(zhì)；2—空隙；3—孔隙材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測(cè)定時(shí)材料裝運(yùn)方式和疏密程度。材料在松散堆積狀態(tài)下測(cè)得的堆積密度值小于緊密堆積狀態(tài)下測(cè)得的堆積密度值。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

密度、表觀密度、堆積密度的區(qū)別

三個(gè)密度概念均表征了材料質(zhì)量與其體積的關(guān)系，但三者所表征材料的狀態(tài)、體積所包含的內(nèi)容、定義式和所研究的對(duì)象則分別不同，見下表：名稱材料狀態(tài)體積包含內(nèi)容定義式研究對(duì)象密度絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)實(shí)體體積理想材料表觀密度自然狀態(tài)實(shí)體體積孔隙體積固體材料堆積密度堆積狀態(tài)實(shí)體體積孔隙體積空隙體積粉、粒、纖維材料1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

2．密實(shí)度與孔隙率

（l）密實(shí)度（D）

密實(shí)度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度，即材料中固體物質(zhì)的體積占材料總體積的百分率。按下式計(jì)算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)（2）孔隙率（P）

孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率。可用下式計(jì)算：（1-4）（1-5）密實(shí)度和孔隙率是從不同角度反映了材料的致密程度。材料密實(shí)度和孔隙率的大小主要取決于材料的組成、結(jié)構(gòu)及制造工藝。材料的許多工程性質(zhì)，如材料的強(qiáng)度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性、吸聲性等都與材料的孔隙率或密實(shí)度有關(guān)。這些性質(zhì)不僅取決于孔隙率的大小，還與孔隙的類型、形狀、大小、分布等構(gòu)造特征密切相關(guān)。孔隙率較大的泡沫磚密實(shí)度較大的花崗巖1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)工程上常按孔隙的連通性，將孔隙分為開口孔隙（簡(jiǎn)稱開孔）和閉口孔隙（簡(jiǎn)稱閉孔）。開孔是指那些彼此連通，并與外界也相通的孔隙，如常見的毛細(xì)孔。當(dāng)開口孔隙率增大時(shí)，材料的吸水性、吸濕性、透水性和吸聲性增強(qiáng)，材料的抗凍性和抗?jié)B性則因此變差。閉孔是指那些彼此不連通，而且與外界隔絕的孔隙。當(dāng)閉口孔隙率增大時(shí)，材料的保溫隔熱性能和耐久性增強(qiáng)。開孔結(jié)構(gòu)的浮石復(fù)合材料閉孔結(jié)構(gòu)珍珠巖1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)3.填充率與空隙率

（l）填充率()

填充率是指顆粒或粉狀材料在堆積體積內(nèi)，被顆粒材料表觀體積所填充的程度。按下式計(jì)算：1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（2）空隙率()

空隙率是指顆粒或粉狀材料在堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積所占總體積的百分率。可用下式計(jì)算：(1-6)(1-7)填充率和空隙率從不同角度同樣反映了顆粒或粉狀材料堆積的緊密程度。空隙率在配制混凝土?xí)r可作為控制混凝土骨料配料以及計(jì)算混凝土含砂率的依據(jù)。1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

密實(shí)度、孔隙率和填充率、空隙率的聯(lián)系與區(qū)別名稱聯(lián)系區(qū)別密實(shí)度分別從實(shí)體積和孔隙多少角度反映了固體材料的致密程度D+P=1表征對(duì)象為固體材料孔隙率填充率分別從固體物和空隙多少角度反映了顆粒或粉狀材料的堆積緊密程度+=1表征對(duì)象為顆粒、粉狀等散粒材料空隙率1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

總之，材料的密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率及空隙率等概念，都是認(rèn)識(shí)與掌握材料性能以及選擇應(yīng)用材料的重要指標(biāo)。常用土木工程材料的基本物性能參數(shù)見表1-1。材料密度（g/cm3）

表觀密度（kg/m3）

堆積密度（kg/m3）

孔隙率（%）

石灰石2.601800～2600——花崗石2.60～2.902500～2800—0.5～3.0砂2.60—1450～1650—黏土2.60—1600～1800—普通粘土磚2.50～2.801600～1800—20～40黏土空心磚2.501000～1400——水泥3.10—1200～1300—普通混凝土—2000～2800—5～20輕骨料混凝土—800～1900——木材1.55400～800—55～75鋼材7.857850—0泡沫塑料—20～50——玻璃2.552550—0常用土木工程材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率表1-1

1.1.1

與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

1.親水性與憎水性材料的親水或憎水程度用潤(rùn)濕角θ來表示。潤(rùn)濕角是在材料、水和空氣三相的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與水和固體的接觸面之間的夾角，如圖1-3所示。圖1-3

材料的潤(rùn)濕示意圖當(dāng)潤(rùn)濕角θ=0時(shí)，表明該材料完全被水所潤(rùn)濕;潤(rùn)濕角θ≤90°的材料稱為親水性材料，如磚、混凝土、砂漿等；潤(rùn)濕角θ＞90°的材料稱為憎水性材料，如瀝青、石蠟、塑料等。

2.

吸水性與吸濕性

（1）吸水性

吸水性是指材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力，用吸水率來表示。材料主要是通過其中連通的開口孔隙吸收水分，吸水率的大小不僅取決于材料的親水性或憎水性，而且還與材料的孔隙率大小、孔隙特征等因素有關(guān)。如果材料屬于親水性材料，孔隙率大，且為細(xì)小的開口孔隙，那么材料的吸水性就較強(qiáng)。吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法：

①質(zhì)量吸水率是指材料吸水飽和時(shí)，所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。按下式計(jì)算：1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)式中WV

——材料的體積吸水率（%）；

VW——材料吸水飽和時(shí)吸入水的體積（cm3

）

；式中Wm

——材料的質(zhì)量吸水率（%）；

mb

——材料吸水飽和時(shí)的質(zhì)量（g）；

mg

——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。②體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，其內(nèi)部吸入水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。按下式計(jì)算：（1-8）（1-9）——材料在干燥狀態(tài)下的自然體積（cm3）；——水的密度（g/cm3），常溫下取g/cm3。當(dāng)材料的吸水率不大時(shí)，常用質(zhì)量吸水率來評(píng)價(jià)材料的吸水性。各種土木工程材料的吸水率差異很大，如花崗石的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率為2%～3%，燒結(jié)磚的吸水率為8%～20%，軟木材的吸水率可超過100%。對(duì)一些輕質(zhì)多孔材料（如加氣混凝土、軟質(zhì)木材等），吸入水分的質(zhì)量往往超過材料干燥時(shí)的質(zhì)量，其質(zhì)量吸水率可能會(huì)超過100%，此時(shí)用體積吸水率更能反映材料吸水能力的強(qiáng)弱，體積吸水率不可能超過100%。質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為：

(1-10)1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

（2）吸濕性

吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，用含水率來表示。吸濕作用具有可逆性，材料既可吸收潮濕空氣中的水分，又可向較為干燥的空氣中釋放水分。材料的吸濕性除了取決于自身的組成和構(gòu)造以外，還與所處的空氣濕度和環(huán)境溫度有關(guān)，并隨溫濕度的變化而改變，當(dāng)空氣濕度較大且溫度較低時(shí)，材料的含水率較大，反之則小。材料與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率稱為平衡含水率。含水率按下式計(jì)算：

（1-11）

式中

Wh——材料的含水率（%）；

ms——材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

mg——材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。材料的吸水性和吸濕性分別從不同的環(huán)境角度，反映了材料吸收水分的性能，二者的區(qū)別見下表：名稱表征狀態(tài)表征指標(biāo)影響因素吸水性材料浸水狀態(tài)下吸水率材料的親水性或憎水性、材料的孔隙率大小、孔隙特征等吸濕性材料在潮濕空氣中含水率材料的組成和構(gòu)造、空氣濕度和環(huán)境溫度等1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

通常情況下，無論是吸水或吸濕，往往會(huì)給材料及工程帶來一系列不良影響，使材料的許多性能發(fā)生改變，如自重增大、體積膨脹、抗凍性變差、保溫性能下降、強(qiáng)度和耐久性降低等。

3.耐水性

耐水性是指材料長(zhǎng)期在飽和水作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性主要取決于其化學(xué)成分在水中的溶解度及材料內(nèi)部開口孔隙率的大小。不同的材料類別，其耐水性有不同的表示方法：對(duì)于工程結(jié)構(gòu)材料，耐水性主要指材料的強(qiáng)度變化；對(duì)裝飾工程材料，耐水性則主要反映在顏色變化、起泡、起層等方面。結(jié)構(gòu)材料的耐水性用軟化系數(shù)來表示，按下式計(jì)算：

（1-12）式中KR——材料的軟化系數(shù)；

fw

——材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）；1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

fd——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。材料吸水飽和后，其強(qiáng)度均有所降低。因此，材料的軟化系數(shù)一般在0～1之間，軟化系數(shù)值越小，說明材料吸水飽和強(qiáng)度降低得越多，材料的耐水性越差。鋼、玻璃及瀝青等材料的軟化系數(shù)基本等于1，而黏土的軟化系數(shù)基本等于0。通常將軟化系數(shù)大于0.8的材料稱為耐水材料。耐水板材耐水砌塊1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

在選用材料時(shí)，對(duì)經(jīng)常位于水中或處于潮濕環(huán)境中的重要建筑物，所選用材料的軟化系數(shù)不得小于0.85；對(duì)受潮程度較輕或次要結(jié)構(gòu)所用的材料，其軟化系數(shù)允許稍有降低但不宜小于0.75。

【例題1-1】有一承重砌塊在干燥狀態(tài)下的抗壓破壞荷載為245KN，當(dāng)吸水飽和后測(cè)得該砌塊的抗壓破壞荷載為180KN，問該砌塊能否用于長(zhǎng)期處在水中的砌體結(jié)構(gòu)？【解】該砌塊的軟化系數(shù)為：

由于該砌塊的軟化系數(shù)小于0.80，屬于不耐水材料，所以該砌塊不能用于長(zhǎng)期處在水中的砌體結(jié)構(gòu)。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

4.抗?jié)B性

抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)，有滲透系數(shù)和抗?jié)B等級(jí)兩種表示方法。

（l）滲透系數(shù)

滲透系數(shù)的含義是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積的水量。用公式表示為：1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)式中

KS——滲透系數(shù)（cm/h）；

Q——透過材料試件的水量（cm3）；

d——試件厚度（cm）；(1-13)A——滲水面積（cm2）；t——滲水時(shí)間（h）；H——靜水壓力水頭（cm）。滲透系數(shù)越大，表明材料的抗?jié)B性越差。

（2）抗?jié)B等級(jí)

抗?jié)B等級(jí)是以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件，在透水前所能承受的最大水壓力來表示，如P2、P4、P6、P8等，分別表示材料可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水壓力而不透水。材料的抗?jié)B性主要與材料內(nèi)部的孔隙率（尤其是開口孔隙率）和材料的憎水性或親水性等因素有關(guān)。材料的抗?jié)B能力直接或間接影響材料的耐久性、抗凍性和耐腐蝕性。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

5.抗凍性

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用（凍融循環(huán)）不破壞，同時(shí)也不顯著降低其強(qiáng)度的性質(zhì)，用抗凍等級(jí)來表示。抗凍等級(jí)標(biāo)定方法是將材料吸水飽和后，按規(guī)定方法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，以其質(zhì)量損失不超過5%，強(qiáng)度降低不超過25%

，所能經(jīng)受的最多凍融循環(huán)次數(shù)來確定。用符號(hào)“F”和最大凍融循環(huán)次數(shù)表示，如F15、F25、F50、F100等。材料的抗凍等級(jí)越高，其抗凍性越好。

凍融試驗(yàn)箱1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)材料抗凍性取決于材料的自身強(qiáng)度、孔隙率、孔隙特征、吸水量、凍結(jié)條件（如凍結(jié)溫度、速度、凍融循環(huán)作用的頻繁程度）等多種因素與條件。纖維混凝土凍融破壞斷面1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)砌塊表面凍融破壞混凝土凍融破壞微觀圖

在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程種類、結(jié)構(gòu)部位、使用狀態(tài)、氣候條件等綜合因素，合理選擇材料的抗凍等級(jí)。輕混凝土、磚、面磚等墻體材料一般要求抗凍等級(jí)為F15、F25、F35；用在橋梁和道路的混凝土抗凍等級(jí)為F50、F100、F200；水工混凝土的抗凍等級(jí)為F500。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

材料在凍融循環(huán)作用下的破壞原因：

（1）由于材料內(nèi)部孔隙中的水在受凍結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹（約9%）對(duì)材料孔壁造成巨大的冰晶壓力，當(dāng)由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，材料內(nèi)部即產(chǎn)生微裂，引起強(qiáng)度下降。

（2）在凍結(jié)和融化過程中，材料內(nèi)外的溫差引起的溫度應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生或加速微裂的擴(kuò)展，從而最終使材料破壞。顯然，這種破壞作用隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而加強(qiáng)。1.1.2

與水有關(guān)的性質(zhì)

1.1.3

與熱有關(guān)的性質(zhì)

1.導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性是指當(dāng)材料的兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量由高溫側(cè)向低溫側(cè)傳導(dǎo)的能力，用導(dǎo)熱系數(shù)表示。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義為單位厚度的材料，兩側(cè)溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。材料導(dǎo)熱示意見圖1-4，用公式表示為1-14。圖1-4（1-14）式中——導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；

Q——傳導(dǎo)的熱量(J)；

A——熱傳導(dǎo)面積(m2)；

d——材料厚度(m)；

t——熱傳導(dǎo)的時(shí)間(s)；——材料兩側(cè)的溫差(K)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)與材料的種類、表觀密度、孔隙率、孔隙構(gòu)造、溫度、含水狀況等有著密切關(guān)系。

一般來講，金屬材料、無機(jī)材料、晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別大于非金屬材料、有機(jī)材料、非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

材料的表觀密度越小，其導(dǎo)熱系數(shù)越小。當(dāng)孔隙率相同時(shí)，由微小而封閉孔隙組成的材料比由粗大而連通的孔隙組成的材料具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)。由于水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，當(dāng)材料受潮或受凍時(shí)會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大。除金屬外，大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，如：

鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為58.0W/(m·K)；普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.74W/(m·K)；泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/(m·K)。幾種典型材料的導(dǎo)熱系數(shù)見表1-2。相差近2000倍

1.1.3與熱有關(guān)的性質(zhì)

表1-2

幾種典型材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]比熱容[J/(g·K)]材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]比熱容[J/(g·K)]鋼材58.00.48黏土空心磚0.640.92花崗石3.490.92松木0.17～0.352.51普通混凝土1.740.88泡沫塑料0.031.30水泥砂漿0.930.84冰