第一章 土木工程材料基本性质
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土木工程材料第一章 土木工程材料的基本性质 N
计算：D'V V1 010% 0 1 010％ 0
空隙率和填充率分别从不同侧面反映散粒材料颗 粒相互填充的疏密程度。 P' +D'=1
三、 材料与水有关的性质
(一) 亲水性与憎水性
固体材料在空气中与水接触时，按其是否易被 水润湿分为亲水性材料和憎水性材料两类。两类 材料与水接触时，界面上有着不同的状态。
根据作用荷载的不同，材料强度可分为抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）和抗剪 强度等。
１．材料强度试验
材料强度的测定常用破坏性试验方法来进行。 即将材料制成试件，置于试验机上，按规定的速 度均匀地加荷，直到试件破坏，由试件破坏时的 荷载值，按相应计算公式，可求得材料强度。
抗压、抗拉及抗剪强度的计算
（三）相组成
材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称 为相(结构相似，性质相同)。
凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为 复合材料。
建筑材料大多数是多相固体，可以看作复合 材料,如混凝土。
二、 材料的结构
材料的结构是指材料的微观组织情况， 可分为:
微观结构(显微) 细观结构(亚微观) 宏观结构(构造) 三个层次。
试件的表面状况（二）------试件端部的约束情况
试件端部的约束情况不同，压板与试件承压 面之间的摩擦力，测定的强度也不同。出现正摩 擦时，强度偏高，负摩擦时，强度偏低。脆性材 料立方体试件在有（正摩擦）无摩擦时的破坏特 征。
试件的形状
试件的形状会对材料的强度结果产生影响。以脆 性 材料的单轴抗压强度为例，采用棱柱体或圆柱体试 件测得的强度要比采用立方体试件测得的强度小。
1 m
V1
根据散粒材料堆放的紧密程 度，堆积密度可分为疏松堆积密 度、振实堆积密度和紧密堆积密 度三种。
空隙率和填充率分别从不同侧面反映散粒材料颗 粒相互填充的疏密程度。 P' +D'=1
三、 材料与水有关的性质
(一) 亲水性与憎水性
固体材料在空气中与水接触时，按其是否易被 水润湿分为亲水性材料和憎水性材料两类。两类 材料与水接触时，界面上有着不同的状态。
根据作用荷载的不同，材料强度可分为抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）和抗剪 强度等。
１．材料强度试验
材料强度的测定常用破坏性试验方法来进行。 即将材料制成试件，置于试验机上，按规定的速 度均匀地加荷，直到试件破坏，由试件破坏时的 荷载值，按相应计算公式，可求得材料强度。
抗压、抗拉及抗剪强度的计算
（三）相组成
材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称 为相(结构相似，性质相同)。
凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为 复合材料。
建筑材料大多数是多相固体，可以看作复合 材料,如混凝土。
二、 材料的结构
材料的结构是指材料的微观组织情况， 可分为:
微观结构(显微) 细观结构(亚微观) 宏观结构(构造) 三个层次。
试件的表面状况（二）------试件端部的约束情况
试件端部的约束情况不同，压板与试件承压 面之间的摩擦力，测定的强度也不同。出现正摩 擦时，强度偏高，负摩擦时，强度偏低。脆性材 料立方体试件在有（正摩擦）无摩擦时的破坏特 征。
试件的形状
试件的形状会对材料的强度结果产生影响。以脆 性 材料的单轴抗压强度为例，采用棱柱体或圆柱体试 件测得的强度要比采用立方体试件测得的强度小。
1 m
V1
根据散粒材料堆放的紧密程 度，堆积密度可分为疏松堆积密 度、振实堆积密度和紧密堆积密 度三种。
土木工程材料基本性质
式中：
W m1 m 100% m
m1—材料吸湿状态下旳质量（ｇ或kg） m—材料在干燥状态下旳质量（ｇ或kg）。
（3）含水对材料性质旳影响 材料吸水后，强度下降 材料体积密度和导热性增长 几何尺寸略有增长 材料保温性、吸声性下降、并使材料受到旳冻害、
腐蚀加剧
材料旳含水率受所处环境中空气湿度旳影响。当空气 中湿度在较长时间内稳定时，材料旳吸湿和干燥过程处于 平衡状态，此时材料旳含水率保持不变，其含水率叫作材 料旳平衡含水率。
V0'
0
ρ0—材料旳表观密度;ρ0，—材料旳堆积密度
（2）填充率
定义：是指在某堆积体积中，被散粒材料旳颗粒所填 充旳程度。
计算式：
D'
V
100%
' 0
100%
V0'
0
填充率和空隙率旳关系：
P' D' 1
三、材料与水有关旳性质
1.材料旳亲水性与憎水性 材料与水接触时，能被水润湿，为亲水性材料。 材料与水接触时，不能被水润湿，为憎水性材料。 表达措施：润湿角
思索：硬度、耐磨性与强度旳关系。
第四节 材料旳耐久性
一.耐久性
材料旳耐久性是泛指材料在使用条件下，受多种内在 或外来自然原因及有害介质旳作用，能长久地保持其使 用性能旳性质。
二.影响耐久性旳主要原因
1.内部原因：构成、构造
2.外部原因：
材料在建筑物之中，除要受到多种外力旳作用之外， 还经常要受到环境中许多自然原因旳破坏作用。这些破 坏作用涉及物理、化学、机械及生物旳作用。
比强度越大，材料轻质高强性能越好。
几种材料旳比强度： 低碳钢—0.045 一般混凝土—0.017 松木（顺纹抗拉）—0.2 粘土砖—0.006
第1章土木工程材料的基本性质
•1.1.1 与质量有关的性质
• 常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
材料
密度 （g/cm3）
表观密度 （kg/m3）
堆积密度 （kg/m3）
石灰石
2.60
1800～2600
—
花岗石
2.60～2.90
2500～2800
—
砂
2.60
—
1450～1650
黏土
2.60
—
1600～1800
普通粘土砖
积所具有的质量。按下式计算：
•（1-3）
•式中 ——材料的堆积密度（kg/m3）；
•
m——材料的质量（kg）；
•
——散粒或粉状材料的自然堆积体积（包括颗粒体积和
颗粒之间的空隙体积，图1-2）（m3）。
• 堆积密度取决于材料的表观密度及测定时材料装运方式和
疏密程度。工程中常据松散堆积密度确定颗粒状材料堆放空间。
第1章土木工程材料的基 本性质
2020年6月6日星期六
•1.1 材料的物理性质
1.1.1 与质量有关的性质
1. 密度、表观密度与堆积密度
（l）密度
密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。
按下式计算：
•（1-1）
•式中 ——密度（g/cm3）； • m ——材料在干燥状态下的质量（g）； • V ——绝对密实状态下的体积（绝对体积或实体积）（cm3） 。 • 材料密度的大小主要取决于材料的物质组成与结构。物质组 成
造工艺。材料的许多工程性质，如材料的强度、吸水性、抗渗性、 抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的孔隙率或密实度有关。这些 性质不仅取决于孔隙率的大小，还与孔隙的类型、形状、大小、分 布等构造特征密切相关。
第一章土木工程材料基本性质
非晶态结构
也称无定型结构。
如硅酸钠玻璃是典型的玻璃 体结构，其结构中，Na、Si、 和O离子无序堆积。 而石英玻璃是晶体，其结构
结构特点：
中Si、和O离子有序堆积。
➢ 质点排列无序，且无周
胶期体性结；构—只由微细的固体粒子和分散介质（液 体➢）没组有固成定的的结几构何外形。 种针类➢➢➢状当当：玻晶固固璃体体体体的粒粒结子子微构含含观量量结较较构少多，，并并分形散成在连介续胶质相体中则的则构构成微成凝观溶胶结胶结构结构构。；
第一章
土木工程材料基本性质
Introduction to Civil Engineering Materials
第一章土木工程材料基本性质
三问：What ? How ? Which ?
❖ 土木工程要求材料具备什么性能（What）? ❖ 土木工程材料如何满足工程要求（How）? ❖ 本章学习哪些内容（Which）?
Optical Properties
物理化学性质 Physicochemical Properties
力学性质
Mechanical Properties
耐久与安全性质 Durability and innoxious
第一章土木工程材料基本性质
1、质量与体积
密度
单位体积材料的质量＝密度
体积与质量材是料可在变绝的对，密密实度状是态不下变，的
❖ 纯➢组铁不成强同；度的不矿高物且相较，柔其软化，学而组钢成较可强能韧相，同生铁较硬脆， 其主
❖ ❖
材要聚在➢料原氯组矿可因乙成物组以是烯上组成通它树,成前与过们脂相者性的[改同的-C能含，变大H的C其2分材-量C化关子料H百学系链C的分l组上-]之组n成含与几成一C聚的l定来¯乙微离相改烯小子同善醇差，[材别-而C；料后H2者的-C含H性OO能HH-。¯]n离，
第一章 土木工程材料的基本性质
空气声： 选择密实、沉重的材料
固体声： 采用不连续的结构处理
第1章 土木工程材料的基本性质
1.2 材料的基本力学性质 一、 强度和比强度
强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力
极限强度：材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力 根据外力作用方式的不同，材料有抗压强度、抗拉强
度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
耐久性
第1章 土木工程材料的基本性质
1.1 材料的物理性质 一、 与质量状态有关的物理性质
1. 密度：材料在绝对密实状态下，单位体积的
质量。
m V
––– 密度，g/cm3；
m ––– 材料在干燥状态下的质量，g； V––– 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
测量方法 有较多孔隙的材料，
比强度：按单位体积的质量计算的材料强度， 等于材料强度与其容积密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
常用土木工程材料的强度（单位：MPa） 材料名称 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 120~250 5~8 10~14 花岗岩 7.5~30 1.8~4.0 普通粘土砖 7.5~60 1.0~4.0 普通混凝土 30~50 80~120 60~100 松木(顺纹) 235~600 235~600 建筑钢材
膨胀珍珠岩
矿棉
矿棉板
膨胀珍珠岩板
第1章 土木工程材料的基本性质
2.热阻R
热阻: 材料层厚度与导热系数的比值，表明热量通过材料 层时所受到阻力。 影响因素： 孔隙结构，含水状况，材料的组成，温度等
第1章 土木工程材料的基本性质
3.热容量——用比热c表示
热容量: 材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。
Q 比热： c m (T1 T2 )
土木工程材料
第一章土木工程材料的基本性质1、什么是材料的密度、表观密度、毛体积密度和堆积密度？答：密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量(p=m/v)；表观密度是材料在包含闭口空隙条件下单位体积的质量(p’=m/v’)；毛体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量(p=m/v);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(p0=m/v0)2、某石灰岩的密度为2.68g/cm3,孔隙率为1.5%，将该石灰岩破碎成碎石，岁时的堆积密度为1520Kg/m3。
求碎石的毛体积密度和间隙率答:毛体积密：P=(1-p0/p);p0=(1-P)·p间隙率：P0=(1-p0’/p0)【p0’为堆积密度；p0为毛体积密度；p为密度】4、、什么是亲水性材料和憎水性材料？答：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湿润，则称材料具有亲水性，这种材料被成为亲水材料；若水不能在材料表面铺展开，即材料表面不能被水所湿润，则称材料具有憎水性，此种材料成为憎水材料。
5、隔热保温材料为什么要防止受潮？答：材料中含有水或冰时，因为水和冰的导热系数是空气的25倍和100倍，导热系数会急剧增加。
6、什么叫材料的耐久性和安全性？答：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；材料的安全性是指材料在生产和使用的过程中是否对人类或环境造成危害的性能。
通常，人们是根据使用条件与要求在实验室进行快速实验，对材料的耐久性进行判断。
7、当建筑材料的孔隙率增大时，下表中的性质将如何变化？第二章无机胶凝材料1、胶凝材料按硬化条件如何分类？答：水硬化；非水硬化2、什么叫生石灰的熟化？生石灰熟化后为什么要“陈伏”？答：生石灰（CaO）与水反应生成氢氧化钙的过程，称为生石灰的熟化或消化；为了消除过火石灰的再次熟化产生膨胀而引起隆起和开裂（陈伏2周）3、试述建筑石膏（半水石膏）的特性、差别和用途答：特性：凝结硬化快；尺寸稳定，装饰性好；孔隙率高；防火性好；耐久性和抗冻性差；用途:室内粉刷；建筑石膏制品4、从硬化过程和硬化产物分析石灰和石膏性能的差别答：硬化过程：石灰的硬化包括干燥结和喝碳化：石膏：浆体变稠，二水石膏凝聚成晶体，逐渐长大、共生和交错生长；硬化产物：石灰：氢氧化钙晶体、碳酸钙；石膏：结晶结构网5、试述水玻璃的特性和用途答：特性：较高的粘结力、强度高、耐酸性好、耐碱性、抗渗性、耐水性差；用途：涂料、注浆材料、配置速凝防水剂、制备碱－矿渣水泥6、碳酸盐水泥的主要矿物成分有哪些？它们的水化特征如何？它们对水泥的性质有何影响？主要矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙；水化特征及对水泥性质的影响：7、常用的硅酸盐系列水泥有哪些主要技术要求？这些要求有何工程意义？答：细度、凝结时间、体积安定性、强度及强度等级、水化热、碱含量；其性能直接影响工程质量8、试说明水泥体积安定性不良的原因。
第一章 土木工程材料的基本性质 2014.02.18
42
材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构 （墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应 选用导热系数较小而热容量较大的材料，有利于保持建 筑物室内温度的稳定性。
43
非稳态导热系数测定仪 （可测得比热）
44
墙体稳态传热系数测定系统
45
第二节
材料的力学性质
一、材料的强度及强度等级 （一）强度 强度定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。 材料破坏时，应力达到极限值，这个极限应力值就是材 料的强度，也称为极限强度。 根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗 拉强度、抗弯（抗折）强度及抗剪强度等。材料的这些 强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。
2
3
学生用李氏瓶测试粉体的密度
李氏瓶
4
（二）表观密度
表观密度定义：材料在自然状态下单位体积的质量
m 0 V0
0 ——材料的表观密度，kg/m3； 式中：
m ——材料的质量，kg；
V0 ——材料在自然状态下的体积，m3。
材料在自然状态下的体积：是指包含材料内部闭口孔隙和开口孔 隙的体积。
P D 1
15
三、材料的空隙率与填充率
（一）空隙率
粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积 的百分率称为空隙率。
' ' V V P' 0 ' 0 100% (1 0 ) 100% V0 0
式中：V0`－散粒材料在自然状态下的体积，m3； V0－材料在自然状态下的体积，m3； ρ0`－散粒材料的堆积密度，kg/m3； ρ－材料的密度，kg/m3。
fw KR fd
式中： K R ——材料的软化系数； f w ——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；
材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构 （墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应 选用导热系数较小而热容量较大的材料，有利于保持建 筑物室内温度的稳定性。
43
非稳态导热系数测定仪 （可测得比热）
44
墙体稳态传热系数测定系统
45
第二节
材料的力学性质
一、材料的强度及强度等级 （一）强度 强度定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。 材料破坏时，应力达到极限值，这个极限应力值就是材 料的强度，也称为极限强度。 根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗 拉强度、抗弯（抗折）强度及抗剪强度等。材料的这些 强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。
2
3
学生用李氏瓶测试粉体的密度
李氏瓶
4
（二）表观密度
表观密度定义：材料在自然状态下单位体积的质量
m 0 V0
0 ——材料的表观密度，kg/m3； 式中：
m ——材料的质量，kg；
V0 ——材料在自然状态下的体积，m3。
材料在自然状态下的体积：是指包含材料内部闭口孔隙和开口孔 隙的体积。
P D 1
15
三、材料的空隙率与填充率
（一）空隙率
粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积 的百分率称为空隙率。
' ' V V P' 0 ' 0 100% (1 0 ) 100% V0 0
式中：V0`－散粒材料在自然状态下的体积，m3； V0－材料在自然状态下的体积，m3； ρ0`－散粒材料的堆积密度，kg/m3； ρ－材料的密度，kg/m3。
fw KR fd
式中： K R ——材料的软化系数； f w ——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；
第1章 土木工程材料的基本性质
在这里同学们要注意抗渗等级、渗透系数大小与材 料抗渗性能之间的关系。
第三节 材料的基本力学性质
一、材料的强度：
（一）强度的概念:
材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力 称为强度。
在这里要注意强度与应力的区别 （二）材料强度的分类： 根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压 强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等.
V—材料的固相体积，也 就是材料在绝对密实状 态下的体积。 V0—材料在自然状态下的 体积。 V0= V+VK+VB V0’-材料在堆积状态下的 体积。 V0’ = V+VK+VB+VJ = VO+VJ
几种密度的特点：
相同点：指单位体积质量。（质量/体积）
区别：测试方法不同，获得体积大小不同
体积的测试方法：
绝对密实体积 ---李氏比重瓶法(粉末)
表观体积（实体＋闭口＋开口） ----规则试件：计算法； 不规则试件：涂蜡排水法 堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)---容 积升法
二、材料的密实度与孔隙率
材料的密实度与孔隙率主要是针对块状材料而言的。
（一）、密实度 1、概念： 指材料体积内被固体物 质填充（或充实）的程度。
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。
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。
三、耐久性为综合性质:(常见指标)
(抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐 热性、耐磨性等) 不同环境中，应考虑相应的性质。
作业
P18,1.2 P18,1.4
润湿角θ
亲水性材料：润湿角θ≤90°
水分子间内聚力＜水分子与材料分子间吸引力
憎水性材料：润湿角θ＞90°
第三节 材料的基本力学性质
一、材料的强度：
（一）强度的概念:
材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力 称为强度。
在这里要注意强度与应力的区别 （二）材料强度的分类： 根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压 强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等.
V—材料的固相体积，也 就是材料在绝对密实状 态下的体积。 V0—材料在自然状态下的 体积。 V0= V+VK+VB V0’-材料在堆积状态下的 体积。 V0’ = V+VK+VB+VJ = VO+VJ
几种密度的特点：
相同点：指单位体积质量。（质量/体积）
区别：测试方法不同，获得体积大小不同
体积的测试方法：
绝对密实体积 ---李氏比重瓶法(粉末)
表观体积（实体＋闭口＋开口） ----规则试件：计算法； 不规则试件：涂蜡排水法 堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)---容 积升法
二、材料的密实度与孔隙率
材料的密实度与孔隙率主要是针对块状材料而言的。
（一）、密实度 1、概念： 指材料体积内被固体物 质填充（或充实）的程度。
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。
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。
三、耐久性为综合性质:(常见指标)
(抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐 热性、耐磨性等) 不同环境中，应考虑相应的性质。
作业
P18,1.2 P18,1.4
润湿角θ
亲水性材料：润湿角θ≤90°
水分子间内聚力＜水分子与材料分子间吸引力
憎水性材料：润湿角θ＞90°
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孔隙数量用孔隙率表征。
(1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率
p V0 V 100 % (1 0 ) 100 %
V0
(2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料
总体积的百分率
D V 100 % 0 100 % 1 p
V0
孔隙特征主要有三方面：
与干燥状态下的抗压强度之比 软化系数 0.8 的材料称为耐水材料
1.3.5 抗渗性
定义 材料抵抗 压力水渗透的性质
常用渗透系数或抗渗标号表示：
渗透系数：
k Qd AtH
k –––– 渗透系数，cm/h； A –––– 透水面积，cm²；
Q –––– 透水量，cm³； t –––– 时间，h；
定义闭口孔孔隙率为 pB 则孔隙率为 p pK pB
VB V0
自然状态下的块状材料 开口孔隙
闭口孔隙
开口孔 封闭孔
实体
VK
V VB 0
V
m
V
0
V
m VP
m 0 V VK VB
1.1.2 材料的空隙
散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的
计算：
0
m V0
0––– 表现密度，g/cm3或 kg/m3；
m ––– 材料的质量，g，或 kg；
V0 ––– 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。
1.1.1.3 堆积密度 （heaped density ） 定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下， 单位体积的质量。
计算：
0
m V‘0
1.2.5 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。
徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。
1.3 材料与水有关的性质
1.3.1 材料的亲水性与憎水性
“ 标号 ”。
材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于
材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
1.2.2 材料的弹性与塑性
有一层水膜。 材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态
饱和水
(a)
(b)
(c)
(d) 表面水
材料的含水状态
(a) 干燥状态 (b) 气干状态
(c) 饱和面干状态 (d) 湿润状态
1.3.3 材料的吸湿性和吸水性
(1) 吸湿性 –––– 亲水材料在潮湿空气中吸收水分
的性质。
用含水率表示
Wh
ms mg mg
百分率
p'
V
' 0
V0
V
' 0
100%
(1
0 0
) 100%
(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率
D'
V0
V
' 0
100%
0 0
100% 1 p'
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度与比强度
一、材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
定义 材料在温度变化时的尺寸变化 常用线膨胀系数表示。 有保温隔热要求的工程尽量选用热容量 大、导热系数小的材料。
1.5 材料的耐久性
土木工程材料在使用过程中经受各种破 坏因素 ( 物理的、化学的、环境的、生物 的……等等 ) 的作用，而能保持其使用性能 的性质称为土木工程材料的耐久性。
环境影响因素往往是复杂多变的，它们单独 或交互作用于材料形成破坏。由于各种破坏 因素的复杂性和多样性，使得耐久性是一个 综合性概念。
润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线，切线与材料和水接触面 的夹角。
(a) 亲水性材料
90
亲水材料
90
憎水材料
(b) 憎水性材料源自1.3.2 材料的含水状态
四种基本含水状态： 干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微； 气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡； 饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和； 湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附
定义 材料在温度变化时吸收或放出热量的 能力
不同材料的热容性可用比热进行比较。 比热：单位质量的材料升高单位温度所需热量。
1.4.2 导热性
定义 材料两侧有温差时热量由高温侧 向低温侧传递的能力。
常用导热系数表示。 材料的导热性能与孔隙特征有关，增加 孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能 力。
1.4.3 热变形性
常用抗冻标号（记为F）表示： 以规定的吸水饱和试件在标准试验条件下，经
一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值， 也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻 标号。 材料的抗冻性与材料吸水程度、材料强度及孔隙特 征有关。含水率大、强度低、开口孔多抗冻性差。
1.4 材料的热性质
1.4.1. 热容性
抗弯强度
1）
f弯
3PL 2bh2
(中点集中荷载)
2）
f弯
PL bh2
(三分点两相等集中荷载)
f弯 –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
b –––– 试件横截面积宽度，mm；
h –––– 试件横截面积高度，mm。
许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级，俗称
0––– 堆积密度，kg/m3；
m ––– 材料的质量， kg；
V0 ––– 松散材料的堆积体积， m3。
装在容 空 隙
器里的 粒状、 粉状或
开口孔隙 封闭孔隙
VK VB
V0
´
V0
块状材 实 体
V
料
’ 0
m V‘0
1.1.2 材料的孔隙和空隙
1.2.2.1 材料的孔隙 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响： 一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。
100%
Wh–––– 含水率； ％
ms –––– 材料含水状态下的质量，g；
mg–––– 材料干燥状态下的质量，g。
材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。
平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所 对应的湿度相平衡时的含水率。
材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。
（2）吸水性——材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示，有重量吸水率和体积吸水率
（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；
（2）按孔隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔；
（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口 孔）。
把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB， 则孔隙体积
Vｐ= Vk+ VB
定义开口孔孔隙率为
pK
VK V0
Ε ——弹性模量；
弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需 要的应力，反映了材料抵抗变形的能力。是结构设计中 的主要参数之一。
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发 生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。
1.2.3
脆性和韧性
（1）脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变形 而突然破坏的性质。
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F
(a) 压力
(b) 拉力
F
L F/2 F/2
L/3 L/3 L/3 L
(c) 弯曲
F
(d) 剪切
各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度
f P F
f –––– 强度， Mpa； P–––– 破坏时最大荷载，N； F –––– 受力截面面积，mm2。
具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。
从应力应变图中看材料的脆性
（2）韧性 材料在冲击或震动荷载作用下， 能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
1.2.4 硬度和耐磨性
硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 常用刻划法和压入法测定。 刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示
d –––– 试件厚度，cm； H –––– 静水压力水头，cm。
抗渗标号（记为P）： 材料按规定制作的试件在标准试验条件下所 能承受的最大水压力（MPa）。
材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材 料的抗渗性越好。
1.3.6 抗冻性
定义 材料在含水状态下能经受多次冻融循环 作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。
两个定义： 重量吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分重
量占材料干燥时重量的百分率；
体积吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分体
积占材料干燥时体积的百分率； 材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干 燥状态时的表观密度。
1.3.4 耐水性
定义 材料长期在水作用下不破坏、强度也不
明显下降的性质 用软化系数表示： 软化系数——材料吸水饱和状态下的抗压强度
弹性与塑性
材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复 变形，而残留一部分不能消失的变形，该 残留部份称为塑性变形。
(1)孔隙率: 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率
p V0 V 100 % (1 0 ) 100 %
V0
(2)密实度: 材料内部固体物质的实际体积占材料
总体积的百分率
D V 100 % 0 100 % 1 p
V0
孔隙特征主要有三方面：
与干燥状态下的抗压强度之比 软化系数 0.8 的材料称为耐水材料
1.3.5 抗渗性
定义 材料抵抗 压力水渗透的性质
常用渗透系数或抗渗标号表示：
渗透系数：
k Qd AtH
k –––– 渗透系数，cm/h； A –––– 透水面积，cm²；
Q –––– 透水量，cm³； t –––– 时间，h；
定义闭口孔孔隙率为 pB 则孔隙率为 p pK pB
VB V0
自然状态下的块状材料 开口孔隙
闭口孔隙
开口孔 封闭孔
实体
VK
V VB 0
V
m
V
0
V
m VP
m 0 V VK VB
1.1.2 材料的空隙
散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。 (1) 空隙率: 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的
计算：
0
m V0
0––– 表现密度，g/cm3或 kg/m3；
m ––– 材料的质量，g，或 kg；
V0 ––– 材料在自然状态下的体积，cm3 或 m3。
1.1.1.3 堆积密度 （heaped density ） 定义：粉状或粒状材料，在堆积状态下， 单位体积的质量。
计算：
0
m V‘0
1.2.5 材料的徐变和应力松弛
当材料在恒定外力的作用下，其变形随时间而 缓慢增加的过程，称为徐变。
当材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变， 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程， 称为应力松弛。
徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。
1.3 材料与水有关的性质
1.3.1 材料的亲水性与憎水性
“ 标号 ”。
材料强度受以下三个因素的影响： 材料内部结构和构造 强度值的测试条件(试件尺寸、加荷速度等) 材料所处的环境条件(温度、湿度、含水量等)
二、材料的比强度 定义 单位体积重量的材料强度,等于
材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质、高强的指标
1.2.2 材料的弹性与塑性
有一层水膜。 材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态
饱和水
(a)
(b)
(c)
(d) 表面水
材料的含水状态
(a) 干燥状态 (b) 气干状态
(c) 饱和面干状态 (d) 湿润状态
1.3.3 材料的吸湿性和吸水性
(1) 吸湿性 –––– 亲水材料在潮湿空气中吸收水分
的性质。
用含水率表示
Wh
ms mg mg
百分率
p'
V
' 0
V0
V
' 0
100%
(1
0 0
) 100%
(2)填充率:颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率
D'
V0
V
' 0
100%
0 0
100% 1 p'
1.2 材料的力学性质
1.2.1 强度与比强度
一、材料的强度 定义 材料在外力作用下不破坏时能承受
的最大应力
定义 材料在温度变化时的尺寸变化 常用线膨胀系数表示。 有保温隔热要求的工程尽量选用热容量 大、导热系数小的材料。
1.5 材料的耐久性
土木工程材料在使用过程中经受各种破 坏因素 ( 物理的、化学的、环境的、生物 的……等等 ) 的作用，而能保持其使用性能 的性质称为土木工程材料的耐久性。
环境影响因素往往是复杂多变的，它们单独 或交互作用于材料形成破坏。由于各种破坏 因素的复杂性和多样性，使得耐久性是一个 综合性概念。
润湿边角: 在材料、水和空气的三相交叉点处沿水 滴表面作切线，切线与材料和水接触面 的夹角。
(a) 亲水性材料
90
亲水材料
90
憎水材料
(b) 憎水性材料源自1.3.2 材料的含水状态
四种基本含水状态： 干燥状态——材料孔隙中不含或含水极微； 气干状态——材料孔隙中所含水与大气湿度平衡； 饱和面干状态——材料表面干燥，孔隙含水饱和； 湿润状态——材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附
定义 材料在温度变化时吸收或放出热量的 能力
不同材料的热容性可用比热进行比较。 比热：单位质量的材料升高单位温度所需热量。
1.4.2 导热性
定义 材料两侧有温差时热量由高温侧 向低温侧传递的能力。
常用导热系数表示。 材料的导热性能与孔隙特征有关，增加 孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能 力。
1.4.3 热变形性
常用抗冻标号（记为F）表示： 以规定的吸水饱和试件在标准试验条件下，经
一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值， 也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻 标号。 材料的抗冻性与材料吸水程度、材料强度及孔隙特 征有关。含水率大、强度低、开口孔多抗冻性差。
1.4 材料的热性质
1.4.1. 热容性
抗弯强度
1）
f弯
3PL 2bh2
(中点集中荷载)
2）
f弯
PL bh2
(三分点两相等集中荷载)
f弯 –––– 抗弯强度，Mpa； P–––– 弯曲破坏时最大荷载，N；
L –––– 两支点的间距，mm；
b –––– 试件横截面积宽度，mm；
h –––– 试件横截面积高度，mm。
许多土木工程材料常以其强度 大小划分为若干等级，俗称
0––– 堆积密度，kg/m3；
m ––– 材料的质量， kg；
V0 ––– 松散材料的堆积体积， m3。
装在容 空 隙
器里的 粒状、 粉状或
开口孔隙 封闭孔隙
VK VB
V0
´
V0
块状材 实 体
V
料
’ 0
m V‘0
1.1.2 材料的孔隙和空隙
1.2.2.1 材料的孔隙 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响： 一是孔隙的多少（孔隙数量），二是孔隙特征。
100%
Wh–––– 含水率； ％
ms –––– 材料含水状态下的质量，g；
mg–––– 材料干燥状态下的质量，g。
材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。
平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所 对应的湿度相平衡时的含水率。
材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性。
（2）吸水性——材料在水中吸水的性质。 用吸水率表示，有重量吸水率和体积吸水率
（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；
（2）按孔隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔 和互相贯通的连通孔；
（3）按孔隙是否与外界连通分为与外界连 通的开口孔和不与外界连通的封闭孔（闭口 孔）。
把开口孔体积记为Vk，闭口孔体积记为VB， 则孔隙体积
Vｐ= Vk+ VB
定义开口孔孔隙率为
pK
VK V0
Ε ——弹性模量；
弹性模量是材料刚度的度量，物理意义为单位应变所需 要的应力，反映了材料抵抗变形的能力。是结构设计中 的主要参数之一。
弹塑性材料：材料受力时，弹性变形和塑性变形同时发 生，外力去除后，弹性变形恢复，塑性变形保留。
1.2.3
脆性和韧性
（1）脆性 材料在外力作用下，无明显塑性变形 而突然破坏的性质。
根据外力作用方式的不同，材料有抗压强 度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
材料所受外力：
F F
(a) 压力
(b) 拉力
F
L F/2 F/2
L/3 L/3 L/3 L
(c) 弯曲
F
(d) 剪切
各种强度的计算公式如下： 抗压、抗拉、抗剪的强度
f P F
f –––– 强度， Mpa； P–––– 破坏时最大荷载，N； F –––– 受力截面面积，mm2。
具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料。
从应力应变图中看材料的脆性
（2）韧性 材料在冲击或震动荷载作用下， 能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破 坏的性质称为韧性或冲击韧性。
一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的 能量作为指标。
1.2.4 硬度和耐磨性
硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力 常用刻划法和压入法测定。 刻划法称莫氏硬度；压入法称布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 耐磨性：材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示
d –––– 试件厚度，cm； H –––– 静水压力水头，cm。
抗渗标号（记为P）： 材料按规定制作的试件在标准试验条件下所 能承受的最大水压力（MPa）。
材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材 料的抗渗性越好。
1.3.6 抗冻性
定义 材料在含水状态下能经受多次冻融循环 作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。
两个定义： 重量吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分重
量占材料干燥时重量的百分率；
体积吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分体
积占材料干燥时体积的百分率； 材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干 燥状态时的表观密度。
1.3.4 耐水性
定义 材料长期在水作用下不破坏、强度也不
明显下降的性质 用软化系数表示： 软化系数——材料吸水饱和状态下的抗压强度
弹性与塑性
材料在承受外力时，如撤除外力的作 用后，材料的几何形状能恢复原状，材料 的这种性能称为弹性。如果只能部分恢复 变形，而残留一部分不能消失的变形，该 残留部份称为塑性变形。