本科土木工程材料的基本性质.pptx

物理性质、材料的力学性质、材料的耐久性等。材料的基本组成、结构和构造决定了材料的性质。材料的基本组成、结构和构造决定了材料的性质。学习要求：通过本章的学习，学习要求：通过本章的学习，掌握材料物理掌握材料物理性质的基本概念、表示方法及与工程的关系；掌性质的基本概念、表示方法及与工程的关系；掌握材料力学性质的基本概念及与工程的关系；掌握材料力学性质的基本概念及与工程的关系；掌握材料的耐久性所包含的内容，了解其影响因素；握材料的耐久性所包含的内容，了解其影响因素；了解材料的组成、结构及对材料性质的影响。了解材料的组成、结构及对材料性质的影响。目目 录录基本要求基本要求 1.1 1.1 材料的基本物理性质材料的基本物理性质 1.2 1.2材料的力学性质材料的力学性质 1.3 1.3 材料的耐久性材料的耐久性 1.4 1.4 材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质工程案例分析工程案例分析基本要求基本要求u内容内容 主要介绍主要介绍主要介绍主要介绍材料的基本物理性质材料的基本物理性质材料的基本物理性质材料的基本物理性质。主要介绍主要介绍主要介绍主要介绍材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质。主要介绍主要介绍主要介绍主要介绍材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性。主要介绍主要介绍主要介绍主要介绍材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质。主要介绍主要介绍主要介绍主要介绍工程案例分析。工程案例分析。工程案例分析。工程案例分析。u重点重点重点重点材料的基本物理性质。材料的基本物理性质。材料的基本物理性质。材料的基本物理性质。材料的力学性质。材料的力学性质。材料的力学性质。材料的力学性质。材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性。材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质。基本要求基本要求u重点重点材料的基本物理性质材料的基本物理性质材料的基本物理性质材料的基本物理性质。材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质材料的力学性质。u难点难点材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质材料的组成、结构、构造与性质。工程案例分析。工程案例分析。工程案例分析。工程案例分析。u注意事项注意事项联系工程实际进行学习联系工程实际进行学习 结合课堂讲授的内容，加强对结合课堂讲授的内容，加强对工程案例分析工程案例分析工程案例分析工程案例分析的实的实践。践。1.1材料的基本物理性质材料的基本物理性质1.1.1材料的体积组成材料的体积组成大多数材料的内部含有孔隙，孔隙的多少大多数材料的内部含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。质的起点。孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连通两个内容。孔隙与外界相连通的叫通两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔开口孔，与，与外界不相连通的叫外界不相连通的叫闭口孔闭口孔。含孔材料的体积组成如图含孔材料的体积组成如图1-1所示。从图所示。从图1-1可知，含孔材料的体积包括以下三种：可知，含孔材料的体积包括以下三种：（1）材料绝对密实体积。用表示，是指不）材料绝对密实体积。用表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。图图1-1 1-1 含孔材料体积组成示意图含孔材料体积组成示意图1.1.固体物质；固体物质；2.2.闭孔；闭孔；3.3.开孔开孔（3）材料在自然状态下的体积。用表示，）材料在自然状态下的体积。用表示，是指材料的实体与材料所含全部孔隙体积之和。是指材料的实体与材料所含全部孔隙体积之和。上述几种体积存在以下的关系：上述几种体积存在以下的关系：（1-1）（2）材料的孔体积。用表示，指材料所含孔隙的）材料的孔体积。用表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积（记为体积，分为开口孔体积（记为）和闭口孔体积）和闭口孔体积（记为（记为）。）。（1-2）其中其中 散粒状材料的体积组成如图散粒状材料的体积组成如图1-2所示。其中所示。其中表示材料堆积体积，是指在堆积状态下的材料颗表示材料堆积体积，是指在堆积状态下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，表示颗粒表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系如与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系如下：下：（1-3）图图1-2 1-2 散粒材料堆积体积组成示意图散粒材料堆积体积组成示意图1.1.颗粒的固体物质；颗粒的固体物质；2.2.颗粒的闭口孔隙颗粒的闭口孔隙3.3.颗粒的开口孔隙；颗粒的开口孔隙；4.4.颗粒间的间隙颗粒间的间隙1.1.2材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度密度密度是指物质单位体积的质量，单位为密度是指物质单位体积的质量，单位为g/cm3或或kg/m3。由于材料所处的体积状况不同，。由于材料所处的体积状况不同，故有真实密度、表观密度和堆积密度之分。故有真实密度、表观密度和堆积密度之分。真实密度是指材料在规定条件（真实密度是指材料在规定条件（1055烘烘干至恒重，温度干至恒重，温度20）绝对密实状态下（绝对密）绝对密实状态下（绝对密度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体积所具有的质量，按下式计算：积所具有的质量，按下式计算：（1-4）式中：式中：真实密度（真实密度（g/cm3）；）；材料在干燥状态下的质量（材料在干燥状态下的质量（g）；）；材料在绝对密实状态下的体积（材料在绝对密实状态下的体积（cm3）。）。材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。通常认为钢材、玻璃等少数按近于在内的体积。通常认为钢材、玻璃等少数按近于真实密度的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。真实密度的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉（粒径小于（粒径小于0.20mm），经干燥后，用密度瓶（李），经干燥后，用密度瓶（李氏密度瓶）测定其实体体积。用李氏瓶测得的体氏密度瓶）测定其实体体积。用李氏瓶测得的体积可视为材料绝对密实状态下的体积。材料磨得积可视为材料绝对密实状态下的体积。材料磨得愈细，测定的密度值愈精确。愈细，测定的密度值愈精确。2.表观密度表观密度表观密度是指材料在自然状态下单位体积表观密度是指材料在自然状态下单位体积（含材料的实体矿物及不吸水的闭口孔隙，但不（含材料的实体矿物及不吸水的闭口孔隙，但不包括能吸水的开口空隙在内的体积）所具有的质包括能吸水的开口空隙在内的体积）所具有的质量，按下式计算：量，按下式计算：（1-5）式中：式中：表观密度（表观密度（g/cm3或或kg/cm3）；）；材料在干燥状态下的质量（材料在干燥状态下的质量（g）；）；材料在自然状态下的体积（材料在自然状态下的体积（cm3）。）。3.堆积密度堆积密度堆积密度（旧称松散容重）是指散状材料堆积密度（旧称松散容重）是指散状材料或粉状材料、粒状材料或纤维材料在堆积状态下，或粉状材料、粒状材料或纤维材料在堆积状态下，单位体积（包含了颗粒的孔隙及颗粒之间的空隙）单位体积（包含了颗粒的孔隙及颗粒之间的空隙）所具有的质量，按下式计算：所具有的质量，按下式计算：（1-6）式中：式中：堆积密度（堆积密度（g/m3）；）；材料的堆积质量（材料的堆积质量（g）；）；材料的堆积体积（材料的堆积体积（cm3）。）。材料的堆积体积包含了颗粒内部的孔隙和材料的堆积体积包含了颗粒内部的孔隙和颗粒之间的空隙。测定材料的堆积密度时，按规颗粒之间的空隙。测定材料的堆积密度时，按规定的方法将散粒材料装入一定容积的容器中，材定的方法将散粒材料装入一定容积的容器中，材料质量是指填充在容器内的材料质量，材料的堆料质量是指填充在容器内的材料质量，材料的堆积体积则为容器的容积。积体积则为容器的容积。在土木工程中，计算材料用量、构件自重、在土木工程中，计算材料用量、构件自重、配料计算及确定堆放空间时经常要到材料的密度、配料计算及确定堆放空间时经常要到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。常用土木工程材料表观密度和堆积密度等数据。常用土木工程材料的有关数据见表的有关数据见表1-1。表表1-1常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度 密度密度表观密度表观密度堆积密度堆积密度材料材料 （g/cm3）（kg/m3）（kg/m3）石灰岩石灰岩2.482.7618002600花岗岩花岗岩2.703.0025002900碎石（石灰岩）碎石（石灰岩）2.602300270014001700砂砂2.502.60-14501650粘土粘土2.60-普通粘土砖普通粘土砖2.502.7016001900粘土空心砖粘土空心砖2.5010001400水泥水泥2.803.10-12001300普通混凝土普通混凝土3.1021002600轻骨料混凝土轻骨料混凝土-8001900木材木材1.551.60400800钢材钢材7.857850泡沫塑料泡沫塑料-2050玻璃玻璃2.452.55245025501.1.3材料的密实度与孔隙率及填充率与空隙材料的密实度与孔隙率及填充率与空隙率率1密实度密实度密实度是指材料体积内被固体物质所充实密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映了材料的致密度，以表示：密实度反映了材料的致密度，以表示：（17）式中：式中：材料的绝对密实体积，（材料的绝对密实体积，（cm3或或m）；）；材料在自然状态下的体积，（材料在自然状态下的体积，（cm3或或m）；）；材料的密度（材料的密度（g/cm3）；）；表观密度（表观密度（g/cm3）。）。2.孔隙率孔隙率孔隙率是指材料孔隙体积（包括不吸水的孔隙率是指材料孔隙体积（包括不吸水的闭口孔隙，能吸水的开口空隙）与总体积之比，闭口孔隙，能吸水的开口空隙）与总体积之比，以表示，可用下式计算：以表示，可用下式计算：（18）孔隙率与密实度的关系为：孔隙率与密实度的关系为：（19）孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材料内部的孔隙又可分为连通的孔隙和封闭的孔隙，料内部的孔隙又可分为连通的孔隙和封闭的孔隙，连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔隙彼此不连通且与外界隔绝。孔隙按其尺寸大小隙彼此不连通且与外界隔绝。孔隙按其尺寸大小又可分为粗孔和细孔。孔隙率的大小及孔隙本身又可分为粗孔和细孔。孔隙率的大小及孔隙本身的特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、的特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。一般抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。一般而言，孔隙率小，且连通孔较少的材料，其吸水而言，孔隙率小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。3.开口孔隙率（开口孔隙率（）、闭口孔隙率（）、闭口孔隙率（）（1-10）式中：式中：材料在真空条件下吸水饱和面干状态材料在真空条件下吸水饱和面干状态 时的质量（湿重）（时的质量（湿重）（g）；）；材料在干燥状态下的质量（干重）（材料在干燥状态下的质量（干重）（g）；）；水的密度（水的密度（g/cm3）。）。4.填充率与空隙率填充率与空隙率（1）填充率）填充率 填充率是指散粒材料在堆积体积中被颗粒填充填充率是指散粒材料在堆积体积中被颗粒填充的程度，以的程度，以表示。表示。（1-11）（2）空隙率）空隙率 空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒间的空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒间的空隙所占的比例，以空隙所占的比例，以表示。表示。（1-12）1.1.4材料与水有关的性质材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性亲水性与憎水性当水与材料表面相接触时，不同的材料被当水与材料表面相接触时，不同的材料被水所润湿的情况各不相同，这种现象是由于材料水所润湿的情况各不相同，这种现象是由于材料与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的（如图（如图1-3所示）。所示）。(a)(a)亲水性材料亲水性材料 (b)(b)憎水性材料憎水性材料图图1-3 1-3 材料的润湿角材料的润湿角 材料、水和空气三相接触的交点处，沿水表材料、水和空气三相接触的交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角称为润湿面的切线与水和固体接触面所成的夹角称为润湿角。当水分子间的内聚力小于材料与水分子间的角。当水分子间的内聚力小于材料与水分子间的分子亲合力时，分子亲合力时，90，这种材料能被水润湿，这种材料能被水润湿，表现为亲水性。当水分子间的内聚力大于材料与表现为亲水性。当水分子间的内聚力大于材料与水分子间的分子亲合力时，水分子间的分子亲合力时，90，这种材料不，这种材料不能被水润湿，表现为憎水性。土木工程材料中石能被水润湿，表现为憎水性。土木工程材料中石材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材为亲水性材料；沥青、塑料、橡胶和油漆等为材为亲水性材料；沥青、塑料、橡胶和油漆等为憎水性材料，工程上多利用材料的憎水性来制造憎水性材料，工程上多利用材料的憎水性来制造防水材料。防水材料。2.吸湿性吸湿性材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。材质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。材料所含水的质量占材料干燥质量的百分率，称为料所含水的质量占材料干燥质量的百分率，称为材料的含水率，可按下式计算：材料的含水率，可按下式计算：（1-13）式中：式中：材料的含水率（材料的含水率（%）；）；材料含水时的质量（材料含水时的质量（g）；）；材料干燥至恒重时的质量（材料干燥至恒重时的质量（g）。）。材料的含水率大小，除与材料本身的材料的含水率大小，除与材料本身的特性有关外，还与周围环境的温度、湿度有特性有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。气温越低、相对湿度越大，材料的含水关。气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。率也就越大。材料随着空气湿度的变化，既能在空材料随着空气湿度的变化，既能在空气中吸收水分，又可向外界扩散水分，最终气中吸收水分，又可向外界扩散水分，最终将使材料中的水分与周围空气的湿度达到平将使材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡，这时材料的含水率，称为平衡含水率。衡，这时材料的含水率，称为平衡含水率。平衡含水率并不是固定不变的，它随环境中平衡含水率并不是固定不变的，它随环境中的温度和湿度的变化而改变。的温度和湿度的变化而改变。3.吸水性吸水性材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。吸水性的大小，以吸水率表示。吸水率有质性。吸水性的大小，以吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体积吸水率。量吸水率和体积吸水率。（1）质量吸水率：材料所吸收水分的质量）质量吸水率：材料所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率，按下式计算：占材料干燥质量的百分率，按下式计算：（1-14）式中：式中：材料的质量吸水率（材料的质量吸水率（%）；）；材料饱水后的质量（材料饱水后的质量（g）；）；材料烘干到恒重的质量（材料烘干到恒重的质量（g）。）。（2）体积吸水率：材料吸收水分的体积占干）体积吸水率：材料吸收水分的体积占干燥自然体积的百分数，是材料体积内被水充实的燥自然体积的百分数，是材料体积内被水充实的程度。按下式计算：程度。按下式计算：（1-15）式中：式中：材料的体积吸水率（材料的体积吸水率（%）；）；材料在饱水时，水的体积（材料在饱水时，水的体积（cm3）；）；干燥材料在自然状态下的体积（干燥材料在自然状态下的体积（cm3）；）；材料在干燥状态下的表观密度（材料在干燥状态下的表观密度（g/cm3）；）；水的密度（水的密度（g/cm3）。）。4.耐水性耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算：用软化系数表示。可按下式计算：（1-17）式中：式中：材料的软化系数；材料的软化系数；材料在饱水状态下的抗压强度（材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；）；材料在干燥状态下的抗压强度（材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。）。软化系数的大小表明材料浸水后强度降低软化系数的大小表明材料浸水后强度降低的程度，一般波动在的程度，一般波动在01之间。软化系数越小，说之间。软化系数越小，说明材料饱水后的强度降低越多，其耐水性越差。明材料饱水后的强度降低越多，其耐水性越差。对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于料，其软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要；受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于结构物的材料，其软化系数不宜小于0.70。软化。软化系数大于系数大于0.80的材料，通常可以认为是耐水的材的材料，通常可以认为是耐水的材料。料。材料的耐水性主要取决于其组成成分在水材料的耐水性主要取决于其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。软化中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。软化系数一般随溶解度增大，开口孔隙增多而变小。系数一般随溶解度增大，开口孔隙增多而变小。5.抗渗性抗渗性（1）渗透系数）渗透系数材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性），可用渗透系数表示。水性），可用渗透系数表示。达西定律表明，在一定时间内，透过材料试件的达西定律表明，在一定时间内，透过材料试件的水量与试件的断面积及水头差（液压）成正比，与试件水量与试件的断面积及水头差（液压）成正比，与试件的厚度成反比，即：的厚度成反比，即：（1-18）式中：式中：材料的渗透系数材料的渗透系数(cm/h)；渗水时间渗水时间 内的渗水总量（内的渗水总量（cm3）；）；透水时间（透水时间（h）；）；材料垂直于渗水方向的渗水面积（材料垂直于渗水方向的渗水面积（cm2）；）；材料两侧的水头高度（材料两侧的水头高度（cm）；）；材料试件的厚度（材料试件的厚度（cm）。）。（2）抗渗等级）抗渗等级 对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级（）表示。）表示。（1-19）式中式中:抗渗等级；抗渗等级；试件开始渗水时的水压力（试件开始渗水时的水压力（MPa）。）。抗渗等级是以规定的试件在标准试验方法抗渗等级是以规定的试件在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级以符下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级以符号号“”及材料承受的水压力值（以及材料承受的水压力值（以0.1MPa为单位）为单位）来表示，如混凝土和砂浆抗渗性的好坏用抗渗等来表示，如混凝土和砂浆抗渗性的好坏用抗渗等级表示，如级表示，如P6、P8分别表示试件能够承受分别表示试件能够承受0.6MPa、0.8MPa的水压而不渗透。材料的抗渗的水压而不渗透。材料的抗渗等级越高，其抗渗性能越好。等级越高，其抗渗性能越好。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。孔隙率很小而且是封闭孔隙隙特征有密切关系。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。对于地下建筑及水工的材料具有较高的抗渗性。对于地下建筑及水工构筑物，因常受到压力水的作用，故要求材料具构筑物，因常受到压力水的作用，故要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。材料抵抗其它液体渗透的性质，也高的抗渗性。材料抵抗其它液体渗透的性质，也属于抗渗性。属于抗渗性。6.抗冻性抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。通常采用的性质称为抗冻性。通常采用-15的温度（水在的温度（水在微小的毛细管中低于微小的毛细管中低于-15才能冻结）冻结后，再才能冻结）冻结后，再在在20的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。材料抗冻性的大小用抗冻等级符号材料抗冻性的大小用抗冻等级符号“”表示。表示。抗冻等级表示将材料吸水饱和后，按规定的方法抗冻等级表示将材料吸水饱和后，按规定的方法进行冻融循环试验，其质量损失不超过进行冻融循环试验，其质量损失不超过5%，强度，强度下降不超过下降不超过25%，所能经受的最大冻融循环次数，所能经受的最大冻融循环次数来确定。例如混凝土抗冻等级来确定。例如混凝土抗冻等级F20、F50、F100等。等。材料经多次冻融交替作用后，表面将出现剥材料经多次冻融交替作用后，表面将出现剥落、裂纹，产生质量损失，强度也将会降低。这落、裂纹，产生质量损失，强度也将会降低。这是因为材料内部孔隙中的水分结冰时体积膨胀，是因为材料内部孔隙中的水分结冰时体积膨胀，对孔壁产生很大的压力，冰融化时压力骤然消失对孔壁产生很大的压力，冰融化时压力骤然消失所致。无论的冻结还是融化过程都会使材料冻融所致。无论的冻结还是融化过程都会使材料冻融交界层间产生明显的压力差，并作用于孔壁引起交界层间产生明显的压力差，并作用于孔壁引起材料的破坏。材料的破坏。抗冻性良好的材料，对于抵抗温度变化、抗冻性良好的材料，对于抵抗温度变化、干湿交替等破坏作用的性能也较强。所以，抗冻干湿交替等破坏作用的性能也较强。所以，抗冻性常作为考查材料耐久性的一个指标。处于温暖性常作为考查材料耐久性的一个指标。处于温暖地区的土建结构物，虽无冰冻作用，为抵抗大气地区的土建结构物，虽无冰冻作用，为抵抗大气的作用，确保土建结构物的耐久性，有时对材料的作用，确保土建结构物的耐久性，有时对材料也提出一定的抗冻性要求。也提出一定的抗冻性要求。1.1.5材料的热工性质材料的热工性质1.导热性导热性 材料传导热量的能力称为导热性。材料导热能力的大材料传导热量的能力称为导热性。材料导热能力的大小可用导热系数（小可用导热系数（）表示。导热系数在数值上等于厚）表示。导热系数在数值上等于厚度为度为1m的材料，当其相对表面的温度差为的材料，当其相对表面的温度差为1K时，其单位时，其单位面积（面积（1m2）单位时间（）单位时间（1s）所通过的热量，可用下式）所通过的热量，可用下式表示：表示：（1-20）式中：式中：导热系数导热系数W/(mK)；传导的热量（传导的热量（J）；）；热传导面积（热传导面积（m2）；）；材料厚度（材料厚度（m）；）；热传导时间（热传导时间（s）；）；材料两侧温差（材料两侧温差（K）。）。材料的导热系数越小，绝热性能越好。各种材料的导热系数越小，绝热性能越好。各种土木工程材料的导热系数差别很大，大致在土木工程材料的导热系数差别很大，大致在0.0353.5W/(mK)之间，如泡沫塑料之间，如泡沫塑料=0.035W/(mK)，而大理石，而大理石=0.35W/(mK)。导。导热系数与材料孔隙构造有密切关系。由于密闭空热系数与材料孔隙构造有密切关系。由于密闭空气的导热系数很小气的导热系数很小=0.023W/(mK)，所以，材，所以，材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如孔隙粗料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如孔隙粗大或贯通，由于对流作用的影响，材料的导热系大或贯通，由于对流作用的影响，材料的导热系数反而增高。材料受潮或受冻后，其导热系数会数反而增高。材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。这是由于水和冰的导热系数比空气的大大提高。这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数高很多，分别为导热系数高很多，分别为0.58W/(mK)和和2.20W/(mK)。因此，绝热材料应经常处于干燥状。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。态，以利于发挥材料的绝热效能。2.热容量与比热容热容量与比热容材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容量。热容量的大小用比热容（也称热容量系数，为热容量。热容量的大小用比热容（也称热容量系数，简称比热）表示。比热容表示简称比热）表示。比热容表示1g材料温度升高材料温度升高1K时所吸时所吸收的热量，或降低收的热量，或降低1K时放出的热量。材料吸收或放出的时放出的热量。材料吸收或放出的热量可由下式计算：热量可由下式计算：（1-21）（1-22）式中：式中：材料吸收或放出的热量（材料吸收或放出的热量（J）；）；材料的比热容材料的比热容J/(gK)；材料的质量（材料的质量（g）；）；材料受热或冷却前后的温差（材料受热或冷却前后的温差（K）。）。比热是反映材料的吸热或放热能力大小的比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同材料的比热不同，即使是同一种材物理量。不同材料的比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为的比热为4.186J/(gK)，而结冰后比热则是，而结冰后比热则是2.093J/(gK)。材料的比热对保持土建结构物内部温度稳材料的比热对保持土建结构物内部温度稳定有很大意义。比热大的材料，能在热流变动或定有很大意义。比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。常用土木工程材料的热工性质指标见表常用土木工程材料的热工性质指标见表1-2。表表1-2常用土木工程材料的热工性质指标常用土木工程材料的热工性质指标材料名称材料名称钢材钢材混凝土混凝土松木松木烧结普通砖烧结普通砖花岗岩花岗岩密闭空气密闭空气水水 比热比热 J/(gK)0.480.882.510.840.921.004.19导热系数导热系数W/(mK)581.280.170.350.813.490.0250.60 在建筑热工中常把在建筑热工中常把1/称为材料的热阻，称为材料的热阻，用用R表示，单位为表示，单位为(mK)/W。导热系数（。导热系数（）和热）和热阻（阻（R）都是评定土木工程材料保温隔热性能的重）都是评定土木工程材料保温隔热性能的重要指标。人们习惯把防止室内热量的散失称为保要指标。人们习惯把防止室内热量的散失称为保温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温隔温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温隔热统称为绝热。热统称为绝热。材料的导热系数愈小，热阻值就愈大，则材料的导热系数愈小，热阻值就愈大，则材料的导热性能愈差，其保温隔热的性能就愈好，材料的导热性能愈差，其保温隔热的性能就愈好，常将常将0.175W/(mK)的材料称为绝热材料。的材料称为绝热材料。3.材料的保温隔热性能材料的保温隔热性能 4.耐火性耐火性指材料在长期高温作用下，保持其结构和指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性能，用耐火度工作性能的基本稳定而不损坏的性能，用耐火度表示。工程上用于高温环境的材料和热工设备等表示。工程上用于高温环境的材料和热工设备等都要使用耐火材料。都要使用耐火材料。根据材料耐火度的不同，可分为三大类。根据材料耐火度的不同，可分为三大类。（1）耐火材料）耐火材料耐火度不低于耐火度不低于1580的材料，如各类耐火砖的材料，如各类耐火砖等。等。（2）难熔材料）难熔材料耐火度为耐火度为13501580的材料，如难熔的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。粘土砖、耐火混凝土等。（3）易熔材料）易熔材料耐火度低于耐火度低于1350材料，如普通粘土砖、玻材料，如普通粘土砖、玻璃等。璃等。5.耐燃性耐燃性指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。结构耐火等级的重要因素。根据材料耐燃性的不同，可分为三大类。根据材料耐燃性的不同，可分为三大类。（1）不燃材料）不燃材料遇火或高温作用时，不起火、不燃烧、不遇火或高温作用时，不起火、不燃烧、不碳化的材料，如混凝土、天然石材、砖、玻璃和碳化的材料，如混凝土、天然石材、砖、玻璃和金属等。需要注意的是玻璃、钢铁和铝等材料，金属等。需要注意的是玻璃、钢铁和铝等材料，虽然不燃烧，但在火烧或高温下会发生较大的变虽然不燃烧，但在火烧或高温下会发生较大的变形或熔融，因而是不耐火的。形或熔融，因而是不耐火的。（2）难燃材料）难燃材料遇火或高温作用时，难起火、难燃烧、难遇火或高温作用时，难起火、难燃烧、难碳化，只有在火源持续存在时才能继续燃烧，火碳化，只有在火源持续存在时才能继续燃烧，火源消除燃烧即停止的材料，如沥青混凝土和经防源消除燃烧即停止的材料，如沥青混凝土和经防火处理的木材等。火处理的木材等。（3）易燃材料）易燃材料指遇火或高温作用时，容易引燃起火或微燃，指遇火或高温作用时，容易引燃起火或微燃，火源消除后仍能继续燃烧的材料，如木材、沥青火源消除后仍能继续燃烧的材料，如木材、沥青等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。6.温度变形性温度变形性材料的温度变形性是指温度升高（降低）时材料材料的温度变形性是指温度升高（降低）时材料体积变化。绝大多数土木工程材料在温度升高时体积膨体积变化。绝大多数土木工程材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩。材料的单向线膨胀或线收缩量计算为线膨胀或线收缩。材料的单向线膨胀或线收缩量计算公式如下。公式如下。（1-23）式中：式中：线膨胀或线收缩量（线膨胀或线收缩量（mm）；）；材料升温或降温前后的温度差（材料升温或降温前后的温度差（K）；）；材料在常温下的平均线膨胀系数（材料在常温下的平均线膨胀系数（1/K）；）；材料原来的长度（材料原来的长度（mm）。）。线膨胀系数越大，表明材料的温度变形线膨胀系数越大，表明材料的温度变形性越大。土木工程中，对材料的温度变形往性越大。土木工程中，对材料的温度变形往往只考虑某一单向尺寸的变化，因此，研究往只考虑某一单向尺寸的变化，因此，研究材料的线膨胀系数具有重要意义，材料的线材料的线膨胀系数具有重要意义，材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。合适的材料来满足工程对温度变形的要求。在大面积或大体积混凝土工程中，为防止材在大面积或大体积混凝土工程中，为防止材料温度变形引起裂缝，常设置伸缩缝。料温度变形引起裂缝，常设置伸缩缝。1.2材料的力学性质材料的力学性质1.2.1材料受力状态材料受力状态材料在受外力作用时，由于作用力的方向和作用材料在受外力作用时，由于作用力的方向和作用线（点）的不同，表现为不同的受力状态。典型的受力线（点）的不同，表现为不同的受力状态。典型的受力情况如图情况如图1-4所示。所示。(a)(a)压力压力 (b)(b)拉力拉力 (c)(c)弯曲弯曲(折折)(d)(d)弯曲弯曲(折折)(e)(e)剪切剪切图图1-4 1-4 材料的受力状态材料的受力状态1.2.2材料的强度材料的强度材料的力学性质主要是指材料在外力（荷材料的力学性质主要是指材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏和变形的能力。载）作用下抵抗破坏和变形的能力。材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以单位面积上所能承受的荷载大小料的强度，并以单位面积上所能承受的荷载大小来衡量。来衡量。材料的强度本质上是材料内部质点间结合材料的强度本质上是材料内部质点间结合力的表现。当材料受外力作用时，其内部便产生力的表现。当材料受外力作用时，其内部便产生应力相抗衡，应力随外力的增大而增大。当应力应力相抗衡，应力随外力的增大而增大。当应力（外力）超过材料内部质点间结合力所能承受的（外力）超过材料内部质点间结合力所能承受的极限时，便导致内部质点的断裂或错位，使材料极限时，便导致内部质点的断裂或错位，使材料破坏。此时的应力为极限应力，通常用来表示材破坏。此时的应力为极限应力，通常用来表示材料强度的大小。料强度的大小。根据材料的受力状态，材料的强度可分为根据材料的受力状态，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度和抗剪强度。抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度和抗剪强度。1.材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度的计算式如下：的计算式如下：（1-24）式中：式中：材料的抗压、抗拉、抗剪强度（材料的抗压、抗拉、抗剪强度（Mpa）；）；材料承受的最大荷载（材料承受的最大荷载（N）；）；材料的受力面积（材料的受力面积（mm2）。）。2.材料的抗弯（折）强度与加荷方式有关，单材料的抗弯（折）强度与加荷方式有关，单点集中加荷点集中加荷如图如图1-4（c）所示）所示的计算公式如下：的计算公式如下：（1-25）式中：式中：材料的抗弯（折）强度（材料的抗弯（折）强度（MPa）；）；弯曲破坏时的最大荷载（弯曲破坏时的最大荷载（N）；）；两支点间的距离（两支点间的距离（mm）；）；试件横截面的宽度和高度（试件横截面的宽度和高度（mm）。）。材料的强度与其组成和构造有关。不同种材料的强度与其组成和构造有关。不同种类的材料抵抗外力的能力不同；同类材料当其内部类的材料抵抗外力的能力不同；同类材料当其内部构造不同时，其强度也不同。密实度越高的材料，构造不同时，其强度也不同。密实度越高的材料，强度越高。同类材料抵抗不同外力作用的能力也不强度越高。同类材料抵抗不同外力作用的能力也不相同，尤其是内部构造非匀质的材料，其不同外力相同，尤其是内部构造非匀质的材料，其不同外力作用下的强度差别很大。如混凝土、砂浆、砖、石作用下的强度差别很大。如混凝土、砂浆、砖、石和铸铁等，其抗压强度较高，而抗拉、弯（折）强和铸铁等，其抗压强度较高，而抗拉、弯（折）强度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。材料在土建结构物上所承的外力，主要有材料在土建结构物上所承的外力，主要有拉力、压力、弯曲及剪力等。材料抵抗这些外力破拉力、压力、弯曲及剪力等。材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强度。这些强度一般通过静力试验来测定，因而总称度。这些强度一般通过静力试验来测定，因而总称为静力强度。表为静力强度。表1-3列出了常见材料的强度值。列出了常见材料的强度值。表表1-3常见材料的强度值常见材料的强度值材料名称材料名称抗压强度抗压强度（MPa）抗拉强度抗拉强度（MPa）抗弯强度抗弯强度（MPa）抗剪强度抗剪强度（MPa）钢材钢材215160021516002151600200350普通混凝土普通混凝土10100182.53.5烧结普通砖烧结普通砖7.5301.84.01.84.0花岗岩花岗岩1002505810141319松木（顺纹）松木（顺纹）305080120601006.36.9材料的静力强度，实际上只是在特定条件材料的静力强度，实际上只是在特定条件下测定的强度值。为了使试验结果比较准确而且具