土木工程材料的基本性质

1 土木工程材料的基本性质

教学内容

土木工程材料的基本性质：物理性质，力学性质，与水有关性质，热工性质，耐久性以及材料组成、结构及其对材料性质的影响。土木工程材料的技术标准。

教学目的：

1.了解材料的组成、结构和构造对性质的影响；

2.掌握土木工程材料各种性质的基本概念、各种性能指标的数量关系。

3.理解各种因素对材料性质变化的影响及作用。。

教学重点：

1.材料各种性质的概念

2.材料状态参数的计算分析

3. 种因素对材料性质变化的影响及作用。。

教学难点：

1.材料三种密度的概念极其区别；

2.材料的微观结构及其对性质的影响。

教学方法：

该章内容涉及到中学物理学过的比重、弹性、吸湿等内容，需要结合材料在工程中的实际应用，重新认识和理解比重、弹性、吸湿等相关知识。其它各种性质，应有针对性的学习和掌握，举例说明各种性质不同，材料选择的原则与方法不同。对材料组成、结构是影响性质的本质只需掌握一种分析、研究的思维方法。

参考资料：

1.《土木工程材料》湖南天津等大学联合编写中国建筑工业出版社出版

2.《建筑材料》湖南同济等大学联合编写中国建筑工业出版社出版

作业布置：

1.P10 1、2、3、4、5

2.补充：1、2、3、4

教学过程设计：

1.1材料的组成、结构

1.组成

材料的组成：包括化学组成和矿物组成。它是决定材料各种性质的重要因素。

2.结构

材料的结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构。它是决定材料各种性质的最重要因素。

1）宏观结构（构造）：用肉眼或放大镜能够分辨的毫米级以上的粗大组织称为宏观结构，可分为：

（1）致密结构—如钢材、有色金属、玻璃、塑料、致密的天然石材等，其特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好。

（2）多孔结构—如加气混凝土、泡沫塑料等，其特点是强度较低，吸水性大，抗渗和抗冻性较差，绝缘性较好。

（3）微孔结构—如普通烧结砖、建筑石膏制品等，其特点与多孔结构材料特点相同。

（4）纤维结构—如木材、竹材、玻璃纤维增强塑料、石棉制品等，其特点是平行纤维方向与垂直纤维方向的各种性质具有明显差异。

（5）片状或层状结构—如胶合板、纸面石膏板、各种夹心板等，其特点是平面各向同性，同时提高了材料的强度、硬度等，综合性能好。

（6）散粒结构—如砂子、石子、膨胀珍珠岩等，其特点是颗粒之间存在大量空隙，其空隙率大小主要取决于颗粒级配、颗粒形状及大小等。

2）细观结构：用光学显微镜所观察到的微米级组织结构称为细观结构。

材料的细观结构对其力学性质、耐久性等影响很大。

3）微观结构：用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来研究材料原子、分子级的微观组织称为微观结构，分为晶体与非晶体。

1.2材料的基本状态参数

1.密度、表观密度与堆积密度

①密度（ρ）：是指材料在绝对密实状态下，单位体积的干质量。

②表观密度（ρo）：是指材料在自然状态下，单位体积的干质量。

③堆积密度（ρoˊ）：是指粒状或粉状材料在堆积状态下，单位体积的质量。

重点比较三者之间的区别。

2..材料的密实度与孔隙率

①密实度（D）：是指材料体积内被固体物质充实的程度，也就是固体体积占总体积的比例。

②孔隙率（P）：指材料体积内，孔隙体积占总体积的百分率。

D+P=1

3.材料的填充率与空隙率

①填充率（Dˊ）：是指散粒材料在堆积体积中，被其颗粒填充的程度。

②空隙率（Pˊ）：是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。

Dˊ+Pˊ=1

1.3材料与水有关的性质

①材料的亲水性与憎水性

材料在空气中与水接触时，能被水湿润者为亲水性，具有亲水性的材料称为亲水材料；否则为憎水性，具有憎水性的材料称为憎水性材料。

②材料的吸水性与吸湿性

（1）含水率（Wh）：指材料中所含水的质量占其干质量的百分率。

（2）吸水性：指材料与水接触吸收水分的性质，其大小用吸水率表示，分为体积吸水率和体积吸水率。

一般材料的孔隙率愈大，吸水性愈强；开口而连通的细小孔隙愈多，吸水性愈强；闭口孔隙，水分不易进入；开口的粗大孔隙，水分容易进入，但不能存留，故吸水性较小。

材料的吸水性会对其性质产生不利影响。如材料吸水后，使其质量增加，体积膨胀，导热性增加，强度和耐久性下降。

③材料的耐水性

耐水性是指材料长期在水作用下，保持其原有性质的能力。结构材料的耐水性主要指强度的变化，用软化系数（K R）来表示。K R的大小，说明材料吸水饱和后其强度下降的程度。K R越大，表明材料吸水饱和后其强度下降越少，其耐水性越强；反之则耐水性越差。一般认为K R≥0.85的材料，称为耐水性材料。经常位于水中或受潮严重的重要结构物，应选用K R ≥0.85的材料；受潮较轻的或次要结构物，应选用K R≥0.75的材料。

④材料的抗渗性

抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性能。用抗渗系数K表示。

⑤材料的抗冻性

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，其强度也不严重降低的性质。用抗冻等级表示。

抗冻等级是以试件在吸水饱和状态下，经冻融循环作用，质量损失和强度下降均不超过规定数值的最大冻融循环次数来表示。

1.4材料的热性质

（1）导热性

材料传递热量的性质称为材料的导热性。用导热系数λ表示。

导热系数越小，材料的隔热保温性能越好。

（2）热容量

材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。用Q表示

（3）热变形性

材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质，称为材料的热变形性。用线膨胀系数α表示。线膨胀系数α越大，表明材料的热变形量越大。

（4）耐燃性

材料在空气中遇火不着火燃烧的性能，称为材料的耐燃性。按照遇火时的反应将材料分为非燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料三类。

1.5材料的力学性质

1、强度：

是指材料在外力（荷载）作用下不破坏时能承受的最大应力。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗弯（抗折）、抗剪强度等。

2、强度等级：

根据其极限强度的大小，划分成若干不同的等级，称为材料的强度等级。脆性材料主要根据其抗压强度来划分；塑性材料和韧性材料主要根据其抗拉强度来划分。

3、比强度：

材料的强度与其表观密度的比值，称为比强度。它是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。

4、弹性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复到原形状的性质。

5、塑性：

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。6、脆性：

材料在外力作用下，直到破坏前并无明显的塑性变形而发生突然破坏的性质。

7、韧性：

材料在冲击或震动荷载的作用下，能吸收较大能量，并产生较大变形而不发生破坏的性质。

1.6材料的耐久性

1.耐久性的概念：

材料在使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不失去其原有性能的性质。

2.耐久性的影响因素

（1）物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏

（2）在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。

（3）化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。

（4）机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。

（5）生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。

3.材料耐久性的选择

材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。

例题：1、2