讲稿
第1章 土木工程材料的基本性质
第1章 
土木工程材料的基本性质
§1.1材料的组成、结构及构造
§1.1.1材料的组成
一、化学组成
化学组成是指材料的化学成分。如石灰的化学成分是CaO。金属材料则常以化学元素的含量来表示。如碳素钢以碳元素含量来划分等。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关。如耐火性、力学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等。
二、物相组成
物相是具有相同物理、化学性质，一定化学成分和结构特征的物质。对于无机非金属材料，通常用矿物成分表示；对于金属材料，通常用金相组织来表示。
§1.1.2材料的结构和构造
一、宏观结构
材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况，其尺度范围在10-3m级以上。按宏观结构的特征，材料有致密、多孔、粒状、层状等结构，宏观结构不同的材料具有不同的特性。例如，玻璃与泡沫玻璃的组成相同，但宏观结构不同，前者为致密结构，后者为多孔结构，其性质截然不同，玻璃用作采光材料，泡沫玻璃用作绝热材料。
材料宏观结构和构造的分类及特征见表1-1
二、介观结构
材料的介观结构（又称亚微观结构）是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在10-3m~10-9m。材料的介观结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。
显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-3m~10-7m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺寸等。
材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。其尺度范围在10-7m~10-9m。材料的纳米结构是20世纪80年代末期引起人们广泛关注的一个尺度。其基本结构单元有团簇、纳米微粒、人造原子等。由于纳米微粒和纳米固体有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理和化学性能，因而得到了迅速发展，在土木工程中也得到了应用，例如，磁性液体、纳米涂料等。通常胶体中的颗粒直径为1~100nm，其结构是典型的纳米结构。
三、微观结构
材料的微观结构是指原子或分子层次的结构。材料按微观结构可分为晶体和玻璃体。
（一）、晶体结构
晶体是质点（原子、分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，具有一定的几何形状和物理性质。晶体质点间键能的大小以及结合键的特性决定晶体材料的特性。
（二）、玻璃体
玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。玻璃体结构的材料没有固定的熔点和几何形状，且各向同性。由于内部质点未达到能量最低位置，大量化学能储存在材料结构中，因此，其化学稳定性差，易与其它物质发生化学反应。如某些活性混合材料的活性特点，正是这种玻璃体结构材料的表现。
§1.2材料的物理性质
一、密度、表观密度和毛体积密度
（一）密度
1、概念：密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算式：
(1-1)
式中 ρ— 密度 ，g/cm3。
m— 干燥材料的质量, g。
v—材料在绝对密实状态下的体积, cm3。
2、测定：为测定有孔材料的绝对密实体积，常把材料磨细，干燥后用李氏瓶测定其体积，材料磨得越细，测得的数值越接近材料的真实体积。
材料的密度与40C纯水密度之比称为相对密度。
（二）表观密度
1、概念：表观密度是材料在包含闭口孔隙条件下单位体积的质量。按下式计算：
(1-2)
式中 
——表观密度，㎏/m3。
m—材料的质量，㎏。
— 材料在包含闭口孔隙条件下的体积，m3。
2、测定：通常，材料在包含闭口孔隙条件下的体积是采用排液置换法或水中称重法测量。对于某些密实材料（如天然砂、石等），表观密度与密度十分接近，因此，也称为视密度，又称近似密度。
材料的表观密度一般指材料在干燥状态下单位体积（含闭口孔隙）的质量，称为干表观密度。当材料含水时所得表观密度，称为湿表观密度。由于材料含水状态的不同，如绝干（烘干至恒重）、风干（气干）、饱和面干、含水等，可分别称为干表观密度、气干表观密度、饱和面干表观密度、湿表观密度等。
（三）毛体积密度（容重）
1、概念： 毛体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：
(1-3)
式中 ρ0—毛体积密度，㎏/m3。
m—材料的质量，㎏。
v0— 材料在自然状态下体积，m3。
材料在自然状态下的体积是指包括内部孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）在内的体积。
2、测定：对于规则形状材料的体积，可用量具测得，对于不规则形状材料的体积，可采用排液法或封蜡排液法或用体积仪测得。
（四）堆积密度
1、概念：堆积密度是指散粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：
（1-4）
式中 ρ’0—堆积密度，㎏/m3。
m—材料的质量，㎏。
v’0— 材料堆积体积，m3。
材料的堆积体积包括固体体积、孔隙体积和空隙体积。因此，堆积密度与材料堆积的紧密程度有关。根据材料堆积的紧密程度，堆积密度有松堆密度和紧堆密度。松堆密度是指自然堆积状态下单位体积的质量。紧堆密度是指振实或捣实的紧密堆积状态下单位体积的质量。
2、测定
3、注意：散粒材料的颗粒内部或多或少存在孔隙，颗粒与颗粒间又存在间隙，所以对散粒材料而言，有密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度四个物理量，应加以区别。
二、密实度与孔隙率
（一）、密实度
材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度，称为材料的密实度D，按下式计算：
(1-5)
密实度D反映材料的密实程度，D越大，材料越密实，含有孔隙的材料，密实度均小于1。
（二）孔隙率
孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率，分为总孔隙率（简称孔隙率）、开口孔隙率和闭口孔隙率。
1、孔隙率
材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率（P）。按下式计算：
(1-6)
2、开口孔隙率
材料内部开口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的开口孔隙率。
由于水可进入开口孔隙，工程中常将材料在吸水饱和状态下所吸水的体积，视为开口孔隙的体积（Vk），开口孔隙率（Pk）按下式计算：
(1-7)
3、闭口孔隙率
材料内部闭口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的闭口孔隙率。闭口孔隙率（Pb）按下式计算：
(1-8)
三、填充率、空隙率和间隙率
（一）填充率
散粒材料在堆积状态下颗粒填充的体积占堆积体积的百分率，称为材料的填充率。材料的填充率D’按下式计算：
(1-9)
(二) 空隙率
散粒材料在堆积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，称为材料的空隙率。材料的空隙率（P’）按下式计算：
(1-10)
空隙率的大小反映了散粒状材料的颗粒之间互相填充的致密程度和骨料开口孔隙的多少。
(三) 间隙率
散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率，称为材料的间隙率。材料的间隙率（P0’）按下式计算：
(1-11)
间隙率的大小反映了散粒状材料的颗粒之间互相填充的致密程度。
§1.3材料与水有关的性质
§1.3.1材料的亲水性与憎水性
当材料与水接触时，如果水可以在材料表面铺展开，即材料表面可以被水所润湿，则称材料具有亲水性；这种材料称为亲水性材料。若水不能在材料的表面铺展开，即材料表面不能被水所润湿，则称材料具有憎水性。此种材料称为憎水性材料。
材料的亲水（或憎水）程度可用润湿角来θ表示。见图1-6所示，在材料、水与空气的三相交点上作用有三个表面张力，这三个力达到平衡时，可得下式：
式中 σsv—材料与空气的表面张力 ，N/m；
σlv—水与空气的表面张力（即水的表面张力），N/m；
σsl—材料与水的表面张力，N/m；
润湿角 θ≤900时，材料表现为亲水性；润湿角 θ>900时，材料表现为憎水性。润湿角越小，亲水性越强，憎水性越弱。大多数建筑材料属于亲水性材料，如混凝土、钢材、砖石等；大部分有机材料属于憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料有机硅等。
§1.3.2材料的吸水性与吸湿性
一、吸水性
1、概念：材料在水中吸收水分的能力称为材料的吸水性。常用吸水率表示，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。
材料的质量吸水率是材料吸收的水分与材料在干燥状态下的质量之比，按下式计算：
(1-9)
式中 W—材料的质量吸水率，%。
m2—材料在干燥状态下的质量，g。
m1—材料在浸水饱和状态下的质量，g。
材料的体积吸水率是材料吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比，按下式计算：
式中 W0—材料的体积吸水率，%。
V0—材料在自然状态下的体积。
因此，材料的质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：
W0 = W·ρ0
式中 ρ0 —材料的毛体积密度，g/cm3。
二、吸湿性
1、概念：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。当材料吸收的水分与释放的水分达到平衡时的含水率称为平衡含水率，材料的吸湿性用含水率表示，含水率是材料所含水的质量与材料在干燥状态的质量之比，按下式计算：
(1-10)
式中 Wh—材料的含水率，%。
m2—材料干燥状态下的质量 ，g。
m 0—材料含湿状态下的质量，g。
材料吸水或吸湿后，可削弱材料内部质点间的结合力或吸引力，引起强度下降，同时也使材料的容重和导热性增加，几何尺寸略有增加，而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧，由此可见，含水使材料的绝大多数性质下降或变差。
§1.3.3、耐水性
1、概念 ：材料长期在水的作用下保持原有性质（不发生破坏，强度也不显著降低）的能力称为材料的耐水性。
对于结构材料，耐水性主要指强度变化,，对于装饰材料则主要指颜色的变化、是否起泡、起层等，因此，不同材料的耐水性表示方法也不同。结构材料的耐水性用软化系数来表示，定义式如下：
(1-11)
式中 Kp——材料的软化系数。
fw—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa。
fd —材料在绝干状态下的抗压强度 ，MPa。
一般来说，材料吸水后，材料内部的结合力会有削弱，造成强度不同程度的降低。不同材料的耐水性差别很大，钢的软化系数为1，粘土的软化系数为0，土木工程材料的软化系数在0~1之间波动。对于经常受到潮湿或水作用的结构，软化系数是选材的一项重要指标。用于长期处于水中或潮湿环境的重要结构的材料，软化系数应大于0.85；用于受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数应大于0.75。
§1.3.4、抗渗性
抗渗性是指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质。抗渗性可用渗透系数表示，计算式如下：
(1-12)
式中 K—渗透系数，cm/h
d—试件厚度，cm；
Q—渗水量，cm3 ；
A—渗水面积，cm2
t—渗水时间，h；
H—水头（水压力），cm。
渗透系数K越小，材料的抗渗性越好。
材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表“示，如P 2、、P 4、、P6、、P8等，分别表示可抵抗0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水压力而不渗透。
材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。
地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有很好的抗渗性。
材料的抗渗性与材料的耐久性（抗冻性、耐腐蚀性等）有着非常密切的关系，一般而言，材料的抗渗性越高，水及各种腐蚀性液体或气体越不容易进入材料内部，则材料的耐久性越高。
§1.3.5、抗冻性
1、概念 ：抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。
2、测定和表示：材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是材料在吸水饱和状态下，经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，所能经受的组最大冻融循环次数，用“Fn”表示，如F25 、 F50、、F 100、、 F150等分别表示在经受25、50、100、150次的冻融循环后，材料仍可满足使用要求。
抗冻等级要根据结构物的种类、使用条件及气候条件来决定，轻混凝土、砖、面砖等墙体材料一般要求抗冻等级为F15、F25、F35。用在桥梁和道路的混凝土抗冻等级应为F50、F100、F200，而水工混凝土的抗冻等级要求高达F500。
抗冻性良好的材料，抵抗大气温度变化、干湿交替等凤化作用的能力也较强。所以，抗冻性是土木工程材料耐久性的一项重要指标。对于受大气和水的风化作用的结构物，材料的耐久性往往决定于它的抗冻性。
§1.4 材料的热工性质 §1.5材料的声学和光学性质 （略讲）
§1.6材料的力学性质
§1.6.1强度
1、概念 ：材料抵抗外力破坏的能力称为强度。根据外力施加方式的不同，材料的强度可分为：静力强度和动力强度。静力强度是在外力逐渐增加的条件下所测得的强度，通常用于承受静荷载作用的结构计算。动力强度是在单位时间内外力增量很大的条件下所测得的强度，在承受动荷载的结构或构件设计中，应考虑材料的动力强度，如抗疲劳强度、抗冲击强度等。
根据外力引起内应力的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度等（见图1-11）。
材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度可按下式计算：
(1-18)
式中 f—材料的极限强度，MPa。
Fmax—材料破坏时的最大荷载，N。
A—试件受力截面面积。
材料的抗弯强度与试验方法有关，一般是采用简支的梁形试件进行试验，当采用集中荷载时，抗弯强度的按下式计算：
(1-19)
当采用在两支点间的三分点作用对称荷载时，抗弯强度的按下式计算：
(1-20)
式中 fm —材料的抗弯极限强度，MPa。
Fmax — 弯曲破坏时的最大荷载，N。
L—两支点的间距，mm。
b、h—分别为受弯试件截面的宽和高，mm。
2、影响因素：材料的强度主要取决于材料的组成和结构，不同种类的材料，强度差别甚大；同类材料，受力形式或受力方向不同，强度也不相同。例如，砖、砂浆、混凝土等的抗压强度较高，而抗拉和抗弯强度较低。木材和玻璃纤维增强塑料的顺纤维抗拉强度高于抗压强度。钢材的抗拉强度和抗压强度都很高。因此，应根据材料的特点选择和使用土木工程材料。
3、强度等级：为便于生产和使用，结构材料均按强度值划分等级。例如，普通水泥按抗压强度和抗折强度分为32.5、42.5、52..5、62.5等四个强度等级；普通混凝土按抗压强度分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等10个强度等级；钢筋按机械性能（屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等）划分等级。结构材料按强度划分等级，对于掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计、精心组织施工和控制工程质量都是十分重要的。
材料的强度是在一定条件下测试得到的，试验条件对测试所得的数据影响很大，如取样方法，试件的形状、尺寸、表面状况，加荷速度、环境的温度和湿度等，均不同程度地影响测试结果。所以，对于各种土木工程材料，必须严格遵照有关标准规定的试验方法进行检验。
§1.6.2变形性能
一、弹性变形与塑性变形
1、弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，能够完全恢复原来形状的性能称为弹性。这种能完全恢复的变形称为弹性变形。
2、塑性变形：材料在外力作用下产生显著变形，但不断裂破坏，外力取消后，仍保持变形后的形状的性质称为塑性。这种不可恢复的残余变形称为塑性变形。
在土木工程材料中，几乎没有完全的弹性材料或塑性材料。
二、徐变
材料在恒定外力作用下，随时间缓慢增长的不可恢复的变形称为徐变变形，简称徐变。它属于
塑性变形 。
材料的徐变与应力成正比，即作用的外力越大，则徐变越大。徐变过大将使材料趋于破坏。当应力不大时，材料在受力初期的徐变速度较快 ，后期逐步减慢，直至趋于稳定。晶体材料(如某些岩石)的徐变很小，而非晶体材料及合成高分子材料（如木材、塑料等）的徐变较大。
§1.6.3 脆性与韧性
1、脆性：是材料在外力作用下，在破坏前无明显的塑性变形而突然破坏的性质。脆性材料的特点是塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大（5~50倍），无机非金属材料多属于脆性材料。
2、韧性：是指材料在外力的作用下，能够吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不致破坏的性能。而材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大能量，产生一定的变形而不致破坏的性质称为冲击韧性。材料的冲击韧性一般用带缺口的试件，在一次冲击作用下冲断破坏后，断口处单位面积所吸收的功来表示。
式中 αk —材料的冲击韧性 ，J/mm2
Ak —试件破坏所消耗的功，J
A— 试件冲击破坏面的净截面积， mm2
韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度与抗压强度接近，木材、建筑钢材、橡胶等属于韧性材料。
在土木工程中，对于承受冲击荷载和有抗震设计要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等，在选材时需要考虑材料的韧性。
§1.6.4硬度和耐磨性
一、硬度
硬度是材料抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力，它与材料的强度等性能有一定的关系。不同种类的材料的硬度测量方法不同，通常有刻划法、回弹法和压入法。
二、耐磨性
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率或磨耗率表示，按下式如下：
(1-21)
式中 N—材料的磨损率或磨耗率，g/cm2。
m1 —试件磨损前的质量，g。
m2—试件磨损后的质量 ，g。
A— 试件受磨面积，cm2。
材料的耐磨性与材料组成结构以及强度和硬度有关。在土木工程中，对于道路路面、桥面、工业地面等受磨损的部位，选择材料时，应适当考虑硬度和耐磨性。
§1.7材料的耐久性
材料在使用过程中，抵抗各种内在或外部破坏因素的作用，保持其原有性能，不变质、不破坏的性质称为耐久性。材料的耐久性是一项综合性质。各种材料耐久性的具体内容，因材料的组成结构、用途和破坏作用的不同而异。
土木工程材料在使用过程中，除材料内在原因使其组成结构或性能发生变化以外，还受到使用环境中各种因素的破坏作用。这些因素的作用可概括为物理作用、机械作用、化学作用和生物作用。
一、物理作用 包括光、热、电、温度变化、干湿变化、冻融循环等作用，可使材料的结构发生变化。如内部产生微裂纹或孔隙率增加。
二、机械作用 包括各种持续荷载的作用，各种交变荷载引起的疲劳、冲击、磨耗和磨损等。
三、化学作用 包括各种酸、碱、盐及其水溶液、各种腐蚀性气体的作用，对材料具有化学腐蚀或氧化作用。
四、生物作用 包括菌类、昆虫等的侵害作用，可使材料产生腐朽、虫蛀等而破坏。
实际工程中，材料受到的破坏作用往往是多种因素同时作用，例如，金属材料常因化学和电化学作用引起腐蚀和破坏；无机非金属材料常因溶解、冻融、风蚀、摩擦等因素的作用而引起破坏；有机材料常因生物作用、溶解、化学腐蚀、光、热等作用而引起破坏。对材料耐久性最可靠的判断是在使用条件下，进行长期观测，但是，需要很长的时间。通常，人们是根据使用条件与要求，在实验室进行快速试验，对材料的耐久性进行判断。
提高材料的耐久性，对保证工程长期处于正常使用的状态，减少维护费用，延长使用年限，节约材料，具有十分重要的意义。各国土木工程界已达成共识，按耐久性进行工程设计比按强度进行工程设计更科学和实用，并进行了广泛的研究。
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