土木建筑01土木工程材料.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1.1第1章 土木工程材料的基本性质 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 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1.2 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 思考题思考题本章内容本章内容第第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1.3材料的基本物理性质材料的基本物理性质一、材料的体积组成一、材料的体积组成 大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。的起点。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开口孔，与外界不相连通的叫闭口孔。叫开口孔，与外界不相连通的叫闭口孔。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。所示。图图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.固体物质；固体物质；2.闭孔；闭孔；3.开孔开孔第第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1.4材料的基本物理性质材料的基本物理性质从图从图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。用材料绝对密实体积。用V表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。的体积。(2)材料的孔体积。用材料的孔体积。用VP表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积(记记为为VK)和闭口孔体积和闭口孔体积(记为记为VB)。(3)材料在自然状态下的体积。用材料在自然状态下的体积。用V0表示，是指材料的实体积与材料所含全表示，是指材料的实体积与材料所含全部孔隙体积之和。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：V0=V+VP (1.1)其中其中 VP=VK+VB (1.2)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1.5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V0表示材料堆积体积，是指在堆表示材料堆积体积，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，积状态下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，Vj表示颗粒与颗粒之表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系如下：间的间隙体积。散粒状材料体积关系如下：V0=V0+Vj=V+VP+Vj (1.3)图图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.颗粒的固体物质；颗粒的固体物质；2.颗粒的闭口孔隙；颗粒的闭口孔隙；3.颗粒的开口孔隙；颗粒的开口孔隙；4.颗粒间的间隙颗粒间的间隙材料的基本物理性质材料的基本物理性质第第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1.6二、材料的密度、表观密度和堆积密度二、材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为材料的密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为材料的密度(俗称比重俗称比重)。其计算式。其计算式如下：如下：(1.4)式中式中 材料的密度材料的密度(g/cm3)。m 材料的质量材料的质量(干燥至恒重干燥至恒重)(g)。V 材料的绝对密实体积材料的绝对密实体积(cm3)。密度的单位在密度的单位在SI制中为制中为kg/m3，我国建设工程中一般用，我国建设工程中一般用g/cm3，偶尔用，偶尔用kg/L，忽略，忽略不写时，隐含的单位为不写时，隐含的单位为g/cm3，如水的密度为，如水的密度为1。多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积。在常用的土木工程材料中，除多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积。在常用的土木工程材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。测定含孔材料绝对钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法密实体积的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法(李氏瓶，见李氏瓶，见15.1.1)测得测得的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的体的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的体积也就越精确，因此，一般要求细粉的粒径至少小于积也就越精确，因此，一般要求细粉的粒径至少小于0.2mm。对于砂石，因其孔隙率很小，对于砂石，因其孔隙率很小，V V0，常不经磨细，直接用排水法测定其密度。对于，常不经磨细，直接用排水法测定其密度。对于本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重。本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重。材料的基本物理性质材料的基本物理性质第第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1.7材料的基本物理性质材料的基本物理性质2.2.表观密度表观密度 材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度(原称容重原称容重)。其。其计算式如下：计算式如下：(1.5)(1.5)式中式中 材料的表观密度材料的表观密度(kg/m(kg/m3 3)。m 材料的质量材料的质量(kg)(kg)。V0 材料在自然状态下的体积材料在自然状态下的体积(m(m3 3)。测定材料在自然状态下的体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直测定材料在自然状态下的体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算；若外观形状不规则，可用排液法测得，为接度量外形尺寸，按几何公式计算；若外观形状不规则，可用排液法测得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度(见见15.3.3)15.3.3)，如果要测定砂石真正，如果要测定砂石真正意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干(气干气干)、烘干、饱和、烘干、饱和面干和湿润四种。一般为气干状态，烘干状态下的表观密度叫干表观密度。面干和湿润四种。一般为气干状态，烘干状态下的表观密度叫干表观密度。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1.8材料的基本物理性质材料的基本物理性质3.堆积密度堆积密度 散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积密度密度(原称松散容重原称松散容重)。其计算式如下：。其计算式如下：(1.6)式中式中 散粒材料的堆积密度散粒材料的堆积密度(kg/m3)。m 材料的质量材料的质量(kg)。散粒材料的堆积体积散粒材料的堆积体积(m3)。材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积(人工捣实后人工捣实后)。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。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1.9材料的基本物理性质材料的基本物理性质表表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称材料名称材料名称材料名称密度密度密度密度(g/cm(g/cm(g/cm(g/cm3 3 3 3)表观密度表观密度表观密度表观密度(kg/m(kg/m(kg/m(kg/m3 3 3 3)堆积密度堆积密度堆积密度堆积密度(kg/m(kg/m(kg/m(kg/m3 3 3 3)石灰岩石灰岩石灰岩石灰岩2.62.62.62.62.82.82.82.81 8001 8001 8001 8002 6002 6002 6002 600花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩2.72.72.72.73.03.03.03.02 0002 0002 0002 0002 8502 8502 8502 850水泥水泥水泥水泥2.82.82.82.83.13.13.13.19009009009001 300(1 300(1 300(1 300(松散堆积松散堆积松散堆积松散堆积)1 4001 4001 4001 4001 700(1 700(1 700(1 700(紧密堆积紧密堆积紧密堆积紧密堆积)混凝土用砂混凝土用砂混凝土用砂混凝土用砂2.52.52.52.52.62.62.62.61 4501 4501 4501 4501 6501 6501 6501 650混凝土用石混凝土用石混凝土用石混凝土用石2.62.62.62.62.92.92.92.91 4001 4001 4001 4001 7001 7001 7001 700普通混凝土普通混凝土普通混凝土普通混凝土2 1002 1002 1002 1002 5002 5002 5002 500粘土粘土粘土粘土2.52.52.52.52.72.72.72.71 6001 6001 6001 6001 8001 8001 8001 800钢材钢材钢材钢材7.857.857.857.857 8507 8507 8507 850铝合金铝合金铝合金铝合金2.72.72.72.72.92.92.92.92 7002 7002 7002 7002 9002 9002 9002 900烧结普通砖烧结普通砖烧结普通砖烧结普通砖2.52.52.52.52.72.72.72.71 5001 5001 5001 5001 8001 8001 8001 800建筑陶瓷建筑陶瓷建筑陶瓷建筑陶瓷2.52.52.52.52.72.72.72.71 8001 8001 8001 8002 5002 5002 5002 500红松木红松木红松木红松木1.551.551.551.551.601.601.601.60400400400400800800800800玻璃玻璃玻璃玻璃2.452.452.452.452.552.552.552.552 4502 4502 4502 4502 5502 5502 5502 550泡沫塑料泡沫塑料泡沫塑料泡沫塑料1010101050505050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1.10材料的基本物理性质材料的基本物理性质三、材料的密度、表观密度和堆积密度三、材料的密度、表观密度和堆积密度1.孔隙率孔隙率 材料中孔隙体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率材料中孔隙体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率()。其计算式如下：。其计算式如下：(1.7)材料孔隙率的大小反映了材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。工程中对保材料孔隙率的大小反映了材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。工程中对保温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。工程上，一般通过测定材料的密度和表观密度来计算材料的孔隙率。工程上，一般通过测定材料的密度和表观密度来计算材料的孔隙率。2.空隙率空隙率散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的空隙散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的空隙率率()。其计算式如下：。其计算式如下：(1.8)空隙率的大小反映了散粒材料堆积时的致密程度，与颗粒的堆积状态密切相关，可空隙率的大小反映了散粒材料堆积时的致密程度，与颗粒的堆积状态密切相关，可以通过压实或振实的方法获得较小的空隙率，以满足不同工程的需要。以通过压实或振实的方法获得较小的空隙率，以满足不同工程的需要。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1.11材料的基本物理性质材料的基本物理性质四、材料与水有关的性质四、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，不同的材料被水所润湿的情况各不相同，这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与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的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(如图如图1.3所所示示)。(a)亲水性材料亲水性材料 (b)憎水性材料憎水性材料 图图1.3 材料的润湿角材料的润湿角第第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1.12 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分子称为润湿角。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，亲合力时，90，这种材料能被水润湿，表现为亲水性。当水分子间的内，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水分子间的分子亲合力时，聚力大于材料与水分子间的分子亲合力时，90，这种材料不能被水润湿，这种材料不能被水润湿，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为亲水性材料；沥青、塑料、橡胶和油漆等为憎水性材料，工和部分木材为亲水性材料；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防水材料。程上多利用材料的憎水性来制造防水材料。材料的基本物理性质材料的基本物理性质2.吸水性吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料的吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达形式。材料的吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达形式。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1.13材料的基本物理性质材料的基本物理性质1)质量吸水率质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水量占材料干质量的百分率。其计算式如下：指材料吸水饱和时，所吸收水量占材料干质量的百分率。其计算式如下：(1.9)式中式中 m材料的质量吸水率材料的质量吸水率(%)。mb材料在吸水饱和状态下的质量材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mg材料在干燥状态下的质量材料在干燥状态下的质量(g)。2)体积吸水率体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料自然体积的百分率。其计算式如下：指材料吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料自然体积的百分率。其计算式如下：(1.10)式中式中 v材料的体积吸水率材料的体积吸水率(%)。mb材料在吸水饱和状态下的质量材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mg材料在干燥状态下的质量材料在干燥状态下的质量(g)。V0 材料的自然体积材料的自然体积(cm3)。水的密度，常温下取水的密度，常温下取1.0g/cm3。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1.14材料的吸水率一般用质量吸水率表示。体积吸水率与质量吸水率之间存在以下关系：材料的吸水率一般用质量吸水率表示。体积吸水率与质量吸水率之间存在以下关系：(1.11)材料吸水率的大小主要取决于它的孔隙率和孔隙特征。水分通过材料的开口孔隙吸材料吸水率的大小主要取决于它的孔隙率和孔隙特征。水分通过材料的开口孔隙吸入，通过连通孔隙渗入其内部，通过润湿作用和毛细管作用等因素将水分存留住。入，通过连通孔隙渗入其内部，通过润湿作用和毛细管作用等因素将水分存留住。因此，具有较多细微连通孔隙的材料，其吸水率较大；而具有粗大孔隙的材料，因此，具有较多细微连通孔隙的材料，其吸水率较大；而具有粗大孔隙的材料，虽水分容易渗入，但也仅能润湿孔壁表面，不易在孔内存留，其吸水率并不高；致密虽水分容易渗入，但也仅能润湿孔壁表面，不易在孔内存留，其吸水率并不高；致密材料和仅有闭口孔隙的材料是不吸水的。材料和仅有闭口孔隙的材料是不吸水的。3.吸湿性吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，材料材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，材料的吸湿性是可逆的。当较干燥材料处于较潮湿空气中时，会从空气中吸收水分；当较的吸湿性是可逆的。当较干燥材料处于较潮湿空气中时，会从空气中吸收水分；当较潮湿材料处于较干燥空气中时，材料就会向空气中放出水分。潮湿材料处于较干燥空气中时，材料就会向空气中放出水分。材料的吸湿性受所处环境的影响，随环境的温度、湿度的变化而变化。当空气的湿材料的吸湿性受所处环境的影响，随环境的温度、湿度的变化而变化。当空气的湿度保持稳定时，材料中的湿度会与空气的湿度达到平衡，也即材料的吸湿与干燥达到度保持稳定时，材料中的湿度会与空气的湿度达到平衡，也即材料的吸湿与干燥达到平衡，这时的含水率称为平衡含水率。平衡，这时的含水率称为平衡含水率。材料的基本物理性质材料的基本物理性质第第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1.15含水率计算式如下：含水率计算式如下：（1.12）式中式中 h材料的含水率材料的含水率(%)。ms材料吸湿后的质量材料吸湿后的质量(g)。mg材料在干燥状态下的质量材料在干燥状态下的质量(g)。4.耐水性耐水性 材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称耐水性。材料的耐水性材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称耐水性。材料的耐水性用软化系数来衡量，其计算式如下：用软化系数来衡量，其计算式如下：（1.13）式中式中 R材料的软化系数。材料的软化系数。材料在吸水饱和状态下的抗压强度材料在吸水饱和状态下的抗压强度(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)。材料吸水后，水分会吸附到材料内物质微粒的表面，减弱微粒间的结合力，从而致使材料吸水后，水分会吸附到材料内物质微粒的表面，减弱微粒间的结合力，从而致使其强度下降，这是吸水材料性质变化的重要特征之一，软化系数反映了这一变化的程其强度下降，这是吸水材料性质变化的重要特征之一，软化系数反映了这一变化的程度。度。材料的基本物理性质材料的基本物理性质第第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1.16材料的基本物理性质材料的基本物理性质 软化系数软化系数R的范围在的范围在1之间，它是选择使用材料的重要参数。工程中通常将之间，它是选择使用材料的重要参数。工程中通常将R0.85的材料看作是耐水材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要结构；用于受的材料看作是耐水材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要结构；用于受潮较轻或次要结构时，材料的潮较轻或次要结构时，材料的R值也不得低于值也不得低于0.75。5.抗渗性抗渗性 材料抵抗压力水渗透的能力称为抗渗性。材料中含有孔隙、孔洞或其他缺陷，当材料抵抗压力水渗透的能力称为抗渗性。材料中含有孔隙、孔洞或其他缺陷，当材料两侧受水压差的作用时，水可能会从高压一侧向低压一侧渗透。水的渗透会对材料两侧受水压差的作用时，水可能会从高压一侧向低压一侧渗透。水的渗透会对材料的性质和使用带来不利的影响；尤其当材料处于压力水中时，材料的抗渗性是材料的性质和使用带来不利的影响；尤其当材料处于压力水中时，材料的抗渗性是决定其工程使用寿命的重要因素。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。决定其工程使用寿命的重要因素。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级来表示。渗透系数计算式如下：渗透系数计算式如下：(1.14)式中式中 Ks材料的渗透系数材料的渗透系数(cm/h)。Q时间时间 内的渗水总量内的渗水总量(cm3)。d材料试件的厚度材料试件的厚度(cm)。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(cm2)。t渗水时间渗水时间(h)。H材料两侧的水头高度材料两侧的水头高度(cm)。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1.17材料的基本物理性质材料的基本物理性质 渗透系数渗透系数s的物理意义是一定时间内，在一定水压力作用下，单位厚度的材料，的物理意义是一定时间内，在一定水压力作用下，单位厚度的材料，单位渗水面积上的渗水量。材料的单位渗水面积上的渗水量。材料的s越小，说明材料的抗渗性越好。越小，说明材料的抗渗性越好。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级用标准方法进行渗水性试验，测得材材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级用标准方法进行渗水性试验，测得材料能承受的最大水压力，并依此划分成不同的等级，常用料能承受的最大水压力，并依此划分成不同的等级，常用“Pn”表示，其中表示，其中n表示材表示材料所能承受的最大水压力料所能承受的最大水压力MPa数的数的10倍值，如倍值，如P6表示材料最大能承受表示材料最大能承受0.6MPa的水压的水压力而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。力而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越好。材料的抗渗性与其孔隙多少和孔隙特征关系密切，开口并连通的孔隙是材料渗水的材料的抗渗性与其孔隙多少和孔隙特征关系密切，开口并连通的孔隙是材料渗水的主要渠道。材料越密实、闭口孔越多、孔径越小，水越难渗透；孔隙率越大、孔径越主要渠道。材料越密实、闭口孔越多、孔径越小，水越难渗透；孔隙率越大、孔径越大、开口并连通的孔隙越多的材料，其抗渗性越差。此外，材料的亲水性、裂缝缺陷大、开口并连通的孔隙越多的材料，其抗渗性越差。此外，材料的亲水性、裂缝缺陷等也是影响抗渗性的重要因素。工程上常采用降低孔隙率提高密实度、提高闭口孔隙等也是影响抗渗性的重要因素。工程上常采用降低孔隙率提高密实度、提高闭口孔隙比例、减少裂缝或进行憎水处理等方法来提高材料的抗渗性。比例、减少裂缝或进行憎水处理等方法来提高材料的抗渗性。6.抗冻性抗冻性 材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性质称为材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性质称为抗冻性。当温度下降到负温时，材料内的水分会由表及里地冻结，内部水分不能外溢，抗冻性。当温度下降到负温时，材料内的水分会由表及里地冻结，内部水分不能外溢，水结冰后体积膨胀约水结冰后体积膨胀约9%，产生强大的冻胀压力，使材料内毛细管壁胀裂，造成材料，产生强大的冻胀压力，使材料内毛细管壁胀裂，造成材料局部破坏，随着温度交替变化，冻结与融化循环反复，冰冻的破坏作用逐渐加剧，最局部破坏，随着温度交替变化，冻结与融化循环反复，冰冻的破坏作用逐渐加剧，最终导致材料破坏。终导致材料破坏。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1.18材料的基本物理性质材料的基本物理性质 材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是用标准方法进行冻融循环试验，测得材材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是用标准方法进行冻融循环试验，测得材料强度降低不超过规定值，且无明显损坏和剥落时所能承受的冻融循环次数来确定，料强度降低不超过规定值，且无明显损坏和剥落时所能承受的冻融循环次数来确定，常用常用“Fn”表示，其中表示，其中n表示材料能承受的最大冻融循环次数，如表示材料能承受的最大冻融循环次数，如F100表示材料在一表示材料在一定试验条件下能承受定试验条件下能承受100次冻融循环。次冻融循环。材料的抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和冷冻速度等因素有关。材料材料的抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和冷冻速度等因素有关。材料的强度越高，其抵抗冰冻破坏的能力也越强，抗冻性越好；材料的孔隙率及孔隙特征的强度越高，其抵抗冰冻破坏的能力也越强，抗冻性越好；材料的孔隙率及孔隙特征对抗冻性影响较大，其影响与抗渗性相似。对抗冻性影响较大，其影响与抗渗性相似。五、材料的热工性质五、材料的热工性质 1.热容量与比热容热容量与比热容 热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力；比热容也叫比热，指单位质热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力；比热容也叫比热，指单位质量的材料在温度每变化时所吸收或放出的热量，用量的材料在温度每变化时所吸收或放出的热量，用“”表示。表示。（1.15）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1.19材料的基本物理性质材料的基本物理性质 (1.16)式中式中 Q材料的热容量材料的热容量(kJ)。C材料的比热容，材料的比热容，kJ/(kgK)。m材料的质量材料的质量(kg)。t1t2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)。比热容与材料质量的积称为材料的热容量值，即材料温度上升比热容与材料质量的积称为材料的热容量值，即材料温度上升1K须吸收的热量或须吸收的热量或温度降低温度降低1K所放出的热量。材料的热容量值对于保持室内温度稳定作用很大，热容所放出的热量。材料的热容量值对于保持室内温度稳定作用很大，热容量值大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动；屋面材料量值大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动；屋面材料也宜选用热容量值大的材料。也宜选用热容量值大的材料。2.导热性导热性指材料传导热量的能力。导热性可用导热系数来表示，其物理意义是厚度为指材料传导热量的能力。导热性可用导热系数来表示，其物理意义是厚度为1m的材的材料，当其相对表面的温度差为料，当其相对表面的温度差为1K时，时，1s时间内通过时间内通过1m2面积的热量。面积的热量。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1.20材料的基本物理性质材料的基本物理性质导热系数的计算式如下：导热系数的计算式如下：(1.17)式中式中 材料的导热系数材料的导热系数(W/(mK)。Q传导的热量传导的热量(J)。a材料的厚度材料的厚度(m)。A材料传热的面积材料传热的面积(m2)。T传热时间传热时间(s)。t1t2材料两侧的温度差材料两侧的温度差(K)。材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。工程上把材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。工程上把 0.23 W/(mK)的材料称为绝热材料。常用材料的热工性质指标见表的材料称为绝热材料。常用材料的热工性质指标见表1-2。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1.21材料的基本物理性质材料的基本物理性质表表1-2 常用材料的热工性质指标常用材料的热工性质指标材料名称导热系数，W/(mK)比热容，kJ/(kgK)线膨胀系数10-6/K铜3700.3818.6钢550.461012石灰岩2.663.230.7490.8466.756.77花岗岩2.913.450.7160.925.607.34大理岩2.450.8756.5010.12普通混凝土1.80.885.815烧结普通砖0.40.757松木0.170.352.51玻璃2.73.260.83810泡沫塑料0.031.30水0.604.187密闭空气0.0231 材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。因为，密闭空气的导热系数仅为材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。因为，密闭空气的导热系数仅为0.023 W/(mK)，所以，当材料中含有较多闭口孔隙时，其导热系数较小，材料的隔热绝热性较，所以，当材料中含有较多闭口孔隙时，其导热系数较小，材料的隔热绝热性较好；但当材料内部含有较多粗大、连通的孔隙时，则空气会产生对流作用，使其传热性大好；但当材料内部含有较多粗大、连通的孔隙时，则空气会产生对流作用，使其传热性大大提高。水的导热系数远大于空气，当材料吸水或吸湿后，其导热系数增加，导热性提高，大提高。水的导热系数远大于空气，当材料吸水或吸湿后，其导热系数增加，导热性提高，隔热绝热性降低。隔热绝热性降低。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1.22材料的基本物理性质材料的基本物理性质3.耐火性耐火性 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，用耐火度表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。根据材料耐火度的不同，可示。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。根据材料耐火度的不同，可分为三大类。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1 580的材料，如各类耐火砖等。的材料，如各类耐火砖等。2)难熔材料难熔材料 耐火度为耐火度为1 3501 580的材料，如难熔粘土砖、耐火混凝土等。的材料，如难熔粘土砖、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1 350材料，如普通粘土砖、玻璃等。材料，如普通粘土砖、玻璃等。4.耐燃性耐燃性 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、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、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。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。1)不燃材料不燃材料 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、玻璃和金遇火或高温作用时，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、难碳化，只有在火源持续存在时才能继续燃烧，火源遇火或高温作用时，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。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。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1.23材料的基本物理性质材料的基本物理性质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，火源消除后仍能继续燃烧的材料，如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、沥青等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。木材、沥青等。用可燃材料制作的构件，一般应作防燃处理。5.温度变形温度变形 指材料在温度变化时产生的体积变化，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降指材料在温度变化时产生的体积变化，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。温度变形在单向尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩，一般用线膨胀系数时体积收缩。温度变形在单向尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩，一般用线膨胀系数来衡量，线膨胀系数用来衡量，线膨胀系数用“”表示，其计算式如下：表示，其计算式如下：(1.18)式中式中 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。材料的线膨胀或线收缩量材料的线膨胀或线收缩量(mm)。温度差温度差(K)。材料原长材料原长(mm)。材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解决温度变形问题。决温度变形问题。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1.24材料的力学性质材料的力学性质一、材料受力状态一、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线材料在受外力作用时，由于作用力的方向和作用线(点点)的不同，表现为不同的受的不同，表现为不同的受力状态，典型的受力情况如图力状态，典型的受力情况如图1.4所示。所示。(a)压力压力 (b)拉力拉力 (c)弯曲弯曲(折折)(d)弯曲弯曲(折折)(e)剪切剪切图图1.4 材料的受力状态材料的受力状态第第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1.25材料的力学性质材料的力学性质二、材料的强度二、材料的强度1.强度强度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来衡量。大小来衡量。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，其内部便产生应力相抗衡，应力随外力的增大而增大。当应力产生应力相抗衡，应力随外力的增大而增大。当应力(外力外力)超过材料内部质点间的结合力超过材料内部质点间的结合力所能承受的极限时，便导致内部质点的断裂或错位，使材料破坏。此时的应力为极限应力，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。通常用来表示材料强度的大小。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(折折)强度和抗剪强度和抗剪强度。强度。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算式如下：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算式如下：（1.19）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)。F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)。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1.26抗弯抗弯(折折)强度在图强度在图1.4(c)受力状态时的计算式如下：受力状态时的计算式如下：(1.20)式中式中 f材料的抗弯材料的抗弯(折折)强度强度(MPa)。F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)。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；同类材料当其内部构造不同时，其强度也不同。致密度越高的材料，强度越高。同类材料抵抗当其内部构造不同时，其强度也不同。致密度越高的材料，强度越高。同类材料抵抗不同外力作用的能力也不相同；尤其是内部构造非匀质的材料，其不同外力作用下的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(折折)强度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。强度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。为了掌握材料性能、便于分类管理、合理选用材料、正确进行设计、控制工程质量，为了掌握材料性能、便于分类管理、合理选用材料、正确进行设计、控制工程质量，常将材料按其强度的大小，划分成不同的等级，称为强度等级，它是衡量材料力学性常将材料按其强度的大小，划分成不同的等级，称为强度等级，它是衡量材料力学性质的主要技术指标。脆性材料如混凝土、砂浆、砖和石等，主要用于承受压力，其强质的主要技术指标。脆性材料如混凝土、砂浆、砖和石等，主要用于承受压力，其强度等级用抗压强度来划分；韧性材料如建筑钢材，主要用于承受拉力，其强度等级就度等级用抗压强度来划分；韧性材料如建筑钢材，主要用于承受拉力，其强度等级就用抗拉时的屈服强