amp;nbsp;amp;nbsp;土木工程材料的基本性质.pptx

第第1章章 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质 中北大中北大学学土木工程系土木工程系本章主要内容本章主要内容第第1节节 材料的组成、结构和构造材料的组成、结构和构造第第2节节 材料的基本物理性质材料的基本物理性质第第3节节 材料的基本力学性质材料的基本力学性质第第4节节 材料的耐久性材料的耐久性中北大中北大学学土木工程系土木工程系谢谢大家！谢谢大家！中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第1节节 材料的组成、结构和构造材料的组成、结构和构造1、材料的组成材料的组成（composition）（1）化学组成）化学组成(chemical)（2）矿物组成）矿物组成(mineral)（3）相组成）相组成(phase)2、材料的结构材料的结构（structure）（1）宏观结构）宏观结构macro-structure （2）细观结构（亚微观结构）细观结构（亚微观结构）submicro-structure （3）微观结构）微观结构micro-structure 3、材料的构造材料的构造（constitution）思考题思考题 返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的组成化学组成化学组成化学组成化学组成矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成相组成相组成相组成相组成中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的组成化学组成化学组成化学组成化学组成矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成相组成相组成相组成相组成指构成材料的化学元素及指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。化合物的种类和数量。如如水泥化学组成：水泥化学组成：中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的组成化学组成化学组成化学组成化学组成矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成相组成相组成相组成相组成将无机非金属材料中具有特定将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。性能的组成结构称为矿物。矿物组成指构成材料的矿物的矿物组成指构成材料的矿物的种类和数量。种类和数量。如水泥的矿物组如水泥的矿物组成：成：3CaO.SiO2 3760%2CaO.SiO2 1537%3CaO.AL2O3 3715%4CaO.AL2O3.Fe2O3 1018%中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的组成化学组成化学组成化学组成化学组成矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成相组成相组成相组成相组成材料中结构相近、性质相同材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为自然界中的物质可分为气相、气相、液相、固相液相、固相三种形态。三种形态。土木工程材料大多是多相固土木工程材料大多是多相固体材料，这种由两相或两相体材料，这种由两相或两相以上的物质组成的材料，称以上的物质组成的材料，称为为复合材料复合材料。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系1、宏观结构（、宏观结构（10-3mm）材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。的粗大组织。按其孔隙特征分为：按其孔隙特征分为：按其孔隙特征分为：按其孔隙特征分为：（1 1）致密结构致密结构：指具有无可吸水、透气的孔隙的结构。：指具有无可吸水、透气的孔隙的结构。如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。（2 2）多孔结构多孔结构：指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、：指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。（3 3）微孔结构微孔结构：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、低温烧结粘土制品。低温烧结粘土制品。材料的结构材料的结构中北大中北大学学土木工程系土木工程系 按其组织构造特征分为：按其组织构造特征分为：按其组织构造特征分为：按其组织构造特征分为：（1 1）堆聚结构堆聚结构：指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶：指由集料与具有胶凝性或粘结性物质胶结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。（2 2）纤维结构纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。例如木材、玻璃钢、岩棉、构。例如木材、玻璃钢、岩棉、GRCGRC制品等。制品等。（3 3）层状结构层状结构：指由天然形成或人工粘结等方法而将材：指由天然形成或人工粘结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。例如胶合板、蜂窝煤、纸料叠合而成的双层或多层结构。例如胶合板、蜂窝煤、纸面石膏板、各种新型节能复合墙板等。面石膏板、各种新型节能复合墙板等。（4 4）散粒结构散粒结构：指由松散粒状物质所形成的结构。例如：指由松散粒状物质所形成的结构。例如混凝土集料、粉煤灰、细砂、膨胀珍珠岩等。混凝土集料、粉煤灰、细砂、膨胀珍珠岩等。中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的结构材料的结构2 2、细观结构、细观结构、细观结构、细观结构(10(10-3-3 10 10-6-6mm mm 尺度尺度尺度尺度)材料的细观结构是指可用光学显微镜观察到的结材料的细观结构是指可用光学显微镜观察到的结构。构。金属材料的金相组织金属材料的金相组织 木材的木纤维木材的木纤维 混凝土内的微裂缝等混凝土内的微裂缝等中北大中北大学学土木工程系土木工程系3、微观结构（、微观结构（10-6 10-10mm原子、分子原子、分子尺度）尺度）微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜或微镜或X X射线来进行分析研究。射线来进行分析研究。按微观结构，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。按微观结构，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。（1 1）晶体晶体(crystal)(crystal)质点在空间上按特定规则，呈质点在空间上按特定规则，呈周期性排列周期性排列时所形成时所形成的结构。的结构。原子晶体原子晶体(atomic crystal)(atomic crystal)中性原子以共价键结合而成的晶体，如石英。中性原子以共价键结合而成的晶体，如石英。离子晶体离子晶体(ionic crystal)(ionic crystal)正负离子以离子键结合而成的晶体，如正负离子以离子键结合而成的晶体，如CaCl2.CaCl2.材料的结构材料的结构中北大中北大学学土木工程系土木工程系 分子晶体分子晶体(molecular crystal)(molecular crystal)以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体，如有机化合物。体，如有机化合物。金属晶体金属晶体(metal crystal)(metal crystal)以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。离子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁材料。（2 2）玻璃体玻璃体(glass)(glass)玻璃体亦称为玻璃体亦称为无定形体或非晶体无定形体或非晶体，其结合键为，其结合键为共价键及离子键。共价键及离子键。玻璃体的结构特征为质点在空间上呈玻璃体的结构特征为质点在空间上呈非周期性非周期性排列排列。玻璃体是化学不稳定的结构，容易与其他物质玻璃体是化学不稳定的结构，容易与其他物质起化学反应，故起化学反应，故玻璃体类物质的化学活性较高玻璃体类物质的化学活性较高。中北大中北大学学土木工程系土木工程系（3 3）胶体胶体(gel)(gel)溶胶结构溶胶结构 凝胶结构凝胶结构 溶胶溶胶-凝胶结构凝胶结构返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。相互搭配情况。相互搭配情况。相互搭配情况。与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的搭搭搭搭配与组合关系配与组合关系配与组合关系配与组合关系。例如：例如：例如：例如：木材的木纤维管胞木材的木纤维管胞木材的木纤维管胞木材的木纤维管胞按不同形态和方式搭配和组按不同形态和方式搭配和组按不同形态和方式搭配和组按不同形态和方式搭配和组合合合合，形成不同种类的木材，决定了各种木材具，形成不同种类的木材，决定了各种木材具，形成不同种类的木材，决定了各种木材具，形成不同种类的木材，决定了各种木材具有不同的物理力学性质；有不同的物理力学性质；有不同的物理力学性质；有不同的物理力学性质；具有特定构造的节能墙板，因其是由不同性质具有特定构造的节能墙板，因其是由不同性质具有特定构造的节能墙板，因其是由不同性质具有特定构造的节能墙板，因其是由不同性质的材料经的材料经的材料经的材料经一定组合搭配一定组合搭配一定组合搭配一定组合搭配而成的复合材料，故具而成的复合材料，故具而成的复合材料，故具而成的复合材料，故具有良好的隔热保温、隔声、防火抗震、坚固耐有良好的隔热保温、隔声、防火抗震、坚固耐有良好的隔热保温、隔声、防火抗震、坚固耐有良好的隔热保温、隔声、防火抗震、坚固耐久等功能和性质。久等功能和性质。久等功能和性质。久等功能和性质。材料的构造材料的构造返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系思考题思考题材料的组成、结构、构造和材料性能之间的关系。材料的组成、结构、构造和材料性能之间的关系。（1）材料组成与性能的关系）材料组成与性能的关系材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第2节节 材料的基本物理性质材料的基本物理性质1、材料的密度、表观密度与堆积密度、材料的密度、表观密度与堆积密度(1)密度密度(density)(2)表观密度表观密度(apparent density)(3)堆积密度堆积密度（散粒体）（散粒体）(bulk density)(for particles)密度、表观密度和堆积密度的关系密度、表观密度和堆积密度的关系2、材料的密实度与孔隙率、材料的密实度与孔隙率 (1)密实度密实度(Solidity)(2)孔隙率孔隙率(porosity)3、材料的填充率与空隙率（散粒体）、材料的填充率与空隙率（散粒体）(1)填充率填充率(filling ratio)(2)空隙率空隙率(voids ratio,void content,void volume)中北大中北大学学土木工程系土木工程系4、材料密度、表观密度与堆积密度的测定、材料密度、表观密度与堆积密度的测定中北大中北大学学土木工程系土木工程系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（1）密度）密度中北大中北大学学土木工程系土木工程系密度的测定密度的测定中北大中北大学学土木工程系土木工程系（2）表观密度）表观密度2材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等中北大中北大学学土木工程系土木工程系取材料样品取材料样品烘烘 干干烘箱烘箱1050C1100C冷却到室温冷却到室温干燥器干燥器称量质量称量质量 m天平天平一、测定材料的干质量m:表观密度的测定表观密度的测定中北大中北大学学土木工程系土木工程系二、测定材料的自然体积二、测定材料的自然体积二、测定材料的自然体积二、测定材料的自然体积V V V Vo o o o-分两种情况：（1 1）对于）对于形状规则的材料形状规则的材料，如砖、石块等：，如砖、石块等：用用量积法量积法（游标卡尺）可定材料的自然体积；（游标卡尺）可定材料的自然体积；a)a)对于六面体，测定长、宽、高；对于六面体，测定长、宽、高；b)b)对于圆柱体，测定其直径和高；对于圆柱体，测定其直径和高；（2 2）对于）对于形状不规则的材料形状不规则的材料，如卵石、碎石等，如卵石、碎石等，采用采用静水称量法或蜡封法静水称量法或蜡封法确定其自然体积；确定其自然体积；中北大中北大学学土木工程系土木工程系排液法测定不规则材料自然体积排液法测定不规则材料自然体积V V石石：中北大中北大学学土木工程系土木工程系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（3）堆积密度）堆积密度中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第2节节 材料的基本物理性质材料的基本物理性质4、材料与水有关的性质、材料与水有关的性质(1)材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性亲水性（润湿边角亲水性（润湿边角90）(hydrophobic nature)(2)材料的吸水性与吸湿性材料的吸水性与吸湿性吸水性吸水性(water absorptivity)吸水率吸水率(water absorption)吸湿性吸湿性(hydroscopic nature)含水率含水率(moisture content)创新思维创新思维(3)材料的耐水性材料的耐水性(抗水性抗水性)(water resistance)软化系数软化系数(softening coefficient)中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第2节节 材料的基本物理性质材料的基本物理性质5、材料的抗冻性与抗渗性、材料的抗冻性与抗渗性(1)抗冻性抗冻性(frost resistance)水结冰时体积约增大水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。使孔壁开裂。冻融循环冻融循环(circles of freezing and thawing)抗冻等级抗冻等级(grade)D15(Dong)F15(Freeze)(2)抗渗性抗渗性(impermeability)渗透系数渗透系数(coefficient of permeability)抗渗等级抗渗等级S(Shen)P(Permeate)中北大中北大学学土木工程系土木工程系思考题思考题1、材料的密度、表观密度和堆积密度三者的区别。、材料的密度、表观密度和堆积密度三者的区别。2、材料的密实度与填充率的区别，材料的孔隙率、材料的密实度与填充率的区别，材料的孔隙率与空隙率的区别。与空隙率的区别。3、P16 1.2、1.41.5 返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的密度材料的密度是指材料在是指材料在绝对密实状态绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：下，单位体积的质量。按下式计算：式中式中 密度，密度，g/cm3;m材料的质量，材料的质量，g；V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。注：（注：（1）绝对密实状态下的体积是指）绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙不包括孔隙在内的体积。在内的体积。（2）近似密度（）近似密度（）：指在密度测定时，直接以块状材料为）：指在密度测定时，直接以块状材料为试样，以试样，以排液置换法排液置换法测量其体积，近似作为其绝对密实状态的体积，测量其体积，近似作为其绝对密实状态的体积，并按上述公式计算，所求得的密度。并按上述公式计算，所求得的密度。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的表观密度材料的表观密度 是指材料在是指材料在自然状态自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：下，单位体积的质量。按下式计算：式中式中 表观密度，表观密度，g/cm3或或kg/m3；m材料的质量，材料的质量，g或或kg；V0材料在自然状态下的体积，或称表观体积，材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或或m3。注：（注：（1）材料的表观体积是指）材料的表观体积是指包含内部孔隙包含内部孔隙的体积。的体积。（2）一般情况下，表观密度是指气干状态下的表观）一般情况下，表观密度是指气干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度干表观密度。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的堆积密度材料的堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算：按下式计算：式中式中 堆积密度，堆积密度，kg/m3；m材料的质量，材料的质量，kg；V0材料的堆积体积，材料的堆积体积，m3。材料的堆积体积是包含颗粒之间空隙的体积。材料的堆积体积是包含颗粒之间空隙的体积。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系问题：问题：l对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密对于某一种材料来说，其密度、表观密度和堆积密度之间的相互关系怎样？度之间的相互关系怎样？答：密度表观密度堆积密度答：密度表观密度堆积密度l为什么？为什么？答：答：自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体自然状态下的体积绝对密实体积孔隙体积；积；堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。堆积体积密实体积孔隙体积空隙体积。常用的土木工程材料的有关数据见常用的土木工程材料的有关数据见表表1-1.返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系密实度密实度是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：式计算：或或 返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系孔隙率孔隙率孔隙率是指材料的体积内，孔隙体积所占的比例。孔隙率是指材料的体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：按下式计算：即即 D+P=1 或或 密实度密实度+孔隙率孔隙率=1孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系填充率填充率是指在某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充是指在某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度。按下式计算：的程度。按下式计算：或或 返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系空隙率空隙率空隙率是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体空隙率是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算：积所占的比例。按下式计算：即即 D+P=1 或或 填充率填充率+空隙率空隙率=1空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的程度。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的程度。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系图图1-3 1-3 材料湿润边角材料湿润边角（a a）亲水性材料）亲水性材料 （b b）憎水性材料）憎水性材料 湿润边角（湿润边角（）：在材料、水和空气的交点处，沿水滴表：在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。面的切线与水和固体接触面所成的夹角。愈小，浸润性愈小，浸润性愈好。如果愈好。如果 为零，则表示该材料完全被水所浸润。为零，则表示该材料完全被水所浸润。亲水性材料：亲水性材料：当当90900 0时，水分子之间的内聚力小于水时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，此种材料称为亲分子与材料表面分子之间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材料，如图水性材料，如图1-31-3（a a）所示。）所示。憎水性材料：憎水性材料：当当 90900 0时，水分子之间的内聚力大于水时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料表面分子之间的吸引力，材料表面不会被水浸分子与材料表面分子之间的吸引力，材料表面不会被水浸润，此种材料称为憎水性材料，如图润，此种材料称为憎水性材料，如图1-31-3（b b）所示。）所示。材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性中北大中北大学学土木工程系土木工程系亲水性与憎水性材料的特征亲水性与憎水性材料的特征：材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系吸水性和吸水率吸水性和吸水率材料与水接触吸收水分的性质，称为吸水性。吸材料与水接触吸收水分的性质，称为吸水性。吸水饱和水饱和(Saturation)时的含水率，称为吸水率。时的含水率，称为吸水率。按下式计算：按下式计算：式中式中 W材料的吸水率，材料的吸水率，%；m材料在干燥状态下的质量，材料在干燥状态下的质量，g；m1材料吸水饱和状态下的质量，材料吸水饱和状态下的质量，g。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系吸湿性和含水率吸湿性和含水率材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比，称为材料的含水率。可按下式计算：比，称为材料的含水率。可按下式计算：式中式中 W材料的含水率，材料的含水率，%；m材料在干燥状态下的质量，材料在干燥状态下的质量，g；m1材料在含水状态下的质量，材料在含水状态下的质量，g。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系1、为什么房屋一楼潮湿？、为什么房屋一楼潮湿？2、如何解决？、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法阻塞毛细通道，技术措施？对材料中的毛细管壁进行憎水处理。返回创新思维：创新思维：中北大中北大学学土木工程系土木工程系耐水性耐水性材料抵抗水的破坏作用的能力称为材料的耐水材料抵抗水的破坏作用的能力称为材料的耐水性。材料的耐水性可用软化系数来表示：性。材料的耐水性可用软化系数来表示：一般材料遇水后，强度都会有不同程度的降低。即一般材料遇水后，强度都会有不同程度的降低。即使致密的岩石也不能避免这种影响。例如，花岗岩长期使致密的岩石也不能避免这种影响。例如，花岗岩长期在水中浸泡，强度将降低在水中浸泡，强度将降低3%以上。普通粘土砖、木材以上。普通粘土砖、木材等与水接触后，所受影响更大。等与水接触后，所受影响更大。软化系数的范围在软化系数的范围在0 01 1之间，软化系数的大小，之间，软化系数的大小，是是选择耐水材料的重要依据。选择耐水材料的重要依据。长期受水浸泡或处于潮湿环长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物，应选择软化系数在境中的重要建筑物，应选择软化系数在0.850.85以上的材料以上的材料来建造。来建造。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的抗冻性材料的抗冻性oC-20-1001020304050601.材料的内部一般都充满着孔隙，2.如果浸入水中，孔隙中便会吸水3.气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀4.气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化5.经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。6.材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系抗渗性抗渗性K K材料的渗透系数材料的渗透系数(cm/h)(cm/h)。Q Q时间时间t t内的渗水总量内的渗水总量(cm(cm3 3)。d d材料试件的厚度材料试件的厚度(cm)(cm)。A A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(cm(cm2 2)。t t渗水时间渗水时间(h)(h)。H H材料两侧的水头高度材料两侧的水头高度(cm)(cm)。渗透系数越小，抗渗性也越好。渗透系数越小，抗渗性也越好。土木工程中，常用抗渗等级来评价其抗渗性，抗渗等级是以规定的土木工程中，常用抗渗等级来评价其抗渗性，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。试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定。材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第3节节 材料的基本力学性质材料的基本力学性质1、材料的理论强度材料的理论强度2、材料的强度材料的强度3、弹性与塑性弹性与塑性4、脆性与韧性脆性与韧性返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的理论强度材料的理论强度材料的理论强度是指材料在理想状态下应具有的强度。材料的理论强度是指材料在理想状态下应具有的强度。材料的理论强度取决于其材料的理论强度取决于其质点间的作用力质点间的作用力。材料在理想状态下，受力破坏的原因是由拉力造成的材料在理想状态下，受力破坏的原因是由拉力造成的结结合键的断裂合键的断裂，或者因剪力造成的，或者因剪力造成的质点间的滑移质点间的滑移。材料的理论抗拉强度，可用下式表示：材料的理论抗拉强度，可用下式表示：式中式中 材料的理论抗拉强度；材料的理论抗拉强度；E材料的弹性模量；材料的弹性模量；单位表面能；单位表面能；d原子间的距离。原子间的距离。实际材料与理想材料的差别在于实际材料中存在许多实际材料与理想材料的差别在于实际材料中存在许多缺陷，故缺陷，故材料的理论强度远远大于其实际强度。材料的理论强度远远大于其实际强度。而消除工而消除工程材料内部的缺陷，则会大大提高材料的强度。程材料内部的缺陷，则会大大提高材料的强度。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的强度材料的强度(strength)材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力称材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力称为强度。为强度。当材料受外力作用时，其内部将产生应当材料受外力作用时，其内部将产生应力，外力逐渐增大，内部应力也相应地加大。直力，外力逐渐增大，内部应力也相应地加大。直到材料结构不再能够承受时，材料即破坏。此时到材料结构不再能够承受时，材料即破坏。此时材料所承受的极限应力值，就是材料的强度。材料所承受的极限应力值，就是材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度可分为抗压根据外力作用方式的不同，材料强度可分为抗压强度（强度（图图1-4a）、抗拉强度（图）、抗拉强度（图1-4b）、抗弯）、抗弯强度（图强度（图1-4c、d）及抗剪强度（图）及抗剪强度（图1-4e）等。）等。中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度(compressive,tensile and shearing strength)的计算公式如下的计算公式如下式中式中 f材料的抗压、抗拉、抗剪强度材料的抗压、抗拉、抗剪强度(MPa)。Fmax材料承受的最大荷载材料承受的最大荷载()。A材料的受力面积材料的受力面积(mm2)。材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度中北大中北大学学土木工程系土木工程系材料的抗弯强度材料的抗弯强度(bending strength)与加荷方式与加荷方式有关，单点集中加荷和三分点加荷的计算公式如下：有关，单点集中加荷和三分点加荷的计算公式如下：（单点集中加荷）（单点集中加荷）（三分点加荷）（三分点加荷）式中式中f材料的抗弯材料的抗弯(折折)强度强度(MPa)。Fmax材料承受的最大荷载材料承受的最大荷载()。b材料受力截面的宽度材料受力截面的宽度(mm)。h材料受力截面的高度材料受力截面的高度(mm)。L两支点的间距（两支点的间距（mm）。）。材料的抗弯强度材料的抗弯强度中北大中北大学学土木工程系土木工程系相同种类的材料，随着其孔隙率及构造特征的相同种类的材料，随着其孔隙率及构造特征的不同，各种强度也有显著差异。不同，各种强度也有显著差异。一般地说孔隙率越大的材料，强度越低，其一般地说孔隙率越大的材料，强度越低，其强度与孔隙率有近似直线的关系，如强度与孔隙率有近似直线的关系，如图图1-5所示。所示。不同种类的材料，强度差异很大，应根据材料不同种类的材料，强度差异很大，应根据材料的强度特点选用。如：的强度特点选用。如：砖、石材、混凝土和铸铁砖、石材、混凝土和铸铁等材料的抗压强度等材料的抗压强度较高，而抗拉强度及抗弯强度较低，多用于较高，而抗拉强度及抗弯强度较低，多用于结构的结构的承压部位承压部位，如墙、柱、基础等；，如墙、柱、基础等；木材木材的顺纹抗拉强度高于抗压强度。的顺纹抗拉强度高于抗压强度。钢材钢材的抗拉、抗压强度都很高，适用于承受的抗拉、抗压强度都很高，适用于承受各种外力各种外力的结构。的结构。材料的强度与孔隙率的关系：材料的强度与孔隙率的关系：返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系弹性弹性(elasticity)与塑性与塑性(plasticity)（1）弹性和弹性变形：）弹性和弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即消失，完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种消失，完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可完全恢复可完全恢复的变形的变形称为弹性变形。称为弹性变形。（2）塑性和塑性变形：）塑性和塑性变形：材料在外力作用下，当应力超过一定限值时产生显著材料在外力作用下，当应力超过一定限值时产生显著变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变形变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为塑性。这种后的形状和尺寸的性质称为塑性。这种不能恢复的变形不能恢复的变形称为称为塑性变形。塑性变形。完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的。完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的。建筑钢材：建筑钢材：低应力作用下主要发生弹性变形；应力接近低应力作用下主要发生弹性变形；应力接近或高于其屈服强度时产生塑性变形。或高于其屈服强度时产生塑性变形。混凝土：混凝土：受力时弹性变形和塑性变形同时发生。受力时弹性变形和塑性变形同时发生。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系脆性与韧性脆性与韧性（1）脆性）脆性（brittleness）：当外力达到一定限度后，材料当外力达到一定限度后，材料突然破坏突然破坏，且破坏时，且破坏时无明显的塑性变形无明显的塑性变形，材料的这种性质称，材料的这种性质称为脆性。为脆性。其特点是材料在外力作用下，达到破坏荷载时的变形很小。其特点是材料在外力作用下，达到破坏荷载时的变形很小。脆性材料不利于抵抗振动和冲击荷载，会使结构发生突然性脆性材料不利于抵抗振动和冲击荷载，会使结构发生突然性破坏，是工程中应避免的。破坏，是工程中应避免的。陶瓷、玻璃、石材、砖瓦、混凝土、铸铁陶瓷、玻璃、石材、砖瓦、混凝土、铸铁等都属于脆性较大等都属于脆性较大的材料。的材料。（2）韧性）韧性（toughness）：在冲击、振动荷载作用下，材在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，不发生破坏的性质，称为韧性。料能够吸收较大的能量，不发生破坏的性质，称为韧性。材料的韧性常用材料的韧性常用冲击试验冲击试验来检验。来检验。建筑钢材、木材建筑钢材、木材等属于韧性材料。等属于韧性材料。桥梁、吊车梁、有抗震要求的结构应考虑材料韧性。桥梁、吊车梁、有抗震要求的结构应考虑材料韧性。返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系第第4节节 材料的耐久性材料的耐久性(durability)材料的耐久性：是材料在使用中，抵抗其自身和材料的耐久性：是材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、不变质的能力。不变质的能力。作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下作用于材料的自然因素和有害介质可概括为以下几个方面：几个方面：(1)物理作用物理作用，如干湿、冷热、冻融变化等；，如干湿、冷热、冻融变化等；(2)化学作用化学作用，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。，如酸、盐、碱等溶液的侵蚀。(3)生物作用生物作用，如虫蛀、腐朽。，如虫蛀、腐朽。土木工程中材料的耐久性与破坏因素的关系见土木工程中材料的耐久性与破坏因素的关系见表表1-3。中北大中北大学学土木工程系土木工程系思考题P17 1.6返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系(a)压力 (b)拉力 (c)弯曲(折)(d)弯曲(折)(e)剪切图图1.4 材料的受力状态返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系返回中北大中北大学学土木工程系土木工程系常用土木工程材料的密度、表观密度及堆积密度常用土木工程材料的密度、表观密度及堆积密度 表表1-1材料密度(g/cm3)表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)石灰岩2.6018002600花岗岩2.825002900碎石（石灰岩）2.601 4001700砂2.601 4501650普通粘土砖2.5016001800空心粘土砖2.5010001400水泥3.2012001300普通混凝土21002600轻集料混凝土8001900木材1.55400800钢材7.857850泡沫塑料2050返回