中南大学土木工程材料 课件 土木工程材料课件 第一章
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土木工程材料(第一章)PPT课件
钢材 松木 水泥
砂
7.85 1.55 2.80~3.20 2.66
—— 0.40 ~ 0.80
—— 2.65
—— —— 900 ~ 1300 1450 ~ 1650
碎石（石灰石） 2.60 ~ 2.80
2.60
1400 ~ 1700
普通混凝土 普通黏土砖
2.60 2.60
1.95 ~ 2.50 16.0 ~ 1.90
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
19
公式： V0V 0V10 % 0(10)10 % 0
密实度与孔隙率关系：
D1
10
土木工程材料基本性质
间隙率（P0/）
定义：散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百 分率。
公式：0' V0'V 0'V010% 0(1 0 0 ' )10% 0
11
土木工程材料基本性质
算例： 某石灰岩的密度为2.68 g/cm3，孔隙率为1.5%。 今将该石灰岩破碎成碎石，碎石的堆积密度为1520㎏／
土木工程材料的基本性质
1
材料的基本物理性质
土木工程材料基本性质
四个状态参数：密度、表观密度、毛体积密度、
堆积密度 三个计算参数：密实度、孔隙率、间隙率
2
土木工程材料基本性质
V V´ V0
1.固体 2.闭口孔隙 3.开口孔隙
3
密度（ρ）
《土木工程材料(第3版)》教学课件第1章 绪论 土木工程材料的基本性质
18世纪至19世纪，资本主义兴起，促进了工商业及交通运输业 的蓬勃发展，原有的土木工程材料已不能与此相适应，在其他科学技 术进步的推动下，土木工程材料进入到一个新的发展阶段，钢材、水 泥、混凝土及其他材料相继问世，为现代土木工程材料奠定了基础。
进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工 程学的形成和发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品 种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功 能的新型土木工程材料也应运而生。
五、抗渗性
材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。
材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如 P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0 MPa 压力水不 渗漏。
1.3 材料与水有关的性质
六、抗冻性
材料在含水状态下能经受多次冻融循环而不破坏、强 度不显著下降，且质量也不显著减少的性质。
P+D=1
开口孔隙率PK 材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 PK＝VK/V0 闭口孔隙率PB 材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 PB＝VB/V0
VP=VK+VB P=PK+PB
1.1 材料的基本物理性质
3.空隙率（P’）－－散粒或粉状材料在堆积状 态下，颗粒间空隙体积（VS）占材料堆积体积 （V’0）的百分率。
材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料干燥状态
下的体积的百分比。
Wv=
mb－mg× V0
1 ρw
×100％
ρw －水的密度； V0 －材料干燥状态下的体积，
cm3或m3。
1.3 材料与水有关的性质
2.吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,用含水率
表示。
Wh=
进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工 程学的形成和发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品 种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功 能的新型土木工程材料也应运而生。
五、抗渗性
材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。
材料的抗渗性用渗透系数K表示，一般用抗渗标号P表示。如 P2、P4、P10分别表示可抵抗0.2、0.4、1.0 MPa 压力水不 渗漏。
1.3 材料与水有关的性质
六、抗冻性
材料在含水状态下能经受多次冻融循环而不破坏、强 度不显著下降，且质量也不显著减少的性质。
P+D=1
开口孔隙率PK 材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 PK＝VK/V0 闭口孔隙率PB 材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 PB＝VB/V0
VP=VK+VB P=PK+PB
1.1 材料的基本物理性质
3.空隙率（P’）－－散粒或粉状材料在堆积状 态下，颗粒间空隙体积（VS）占材料堆积体积 （V’0）的百分率。
材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料干燥状态
下的体积的百分比。
Wv=
mb－mg× V0
1 ρw
×100％
ρw －水的密度； V0 －材料干燥状态下的体积，
cm3或m3。
1.3 材料与水有关的性质
2.吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质,用含水率
表示。
Wh=
《土木工程材料》课件
水泥广泛应用于建筑物的基础、墙体、地板以及各种结构的修复和加固。
5. 骨料及其性质
1 骨料的种类
骨料可以是天然石合适的骨料。
2 骨料的性能
骨料应具有适当的粒径、强度和稳定性，以提供混凝土所需的力学性能和耐久性。
3 骨料的应用
骨料广泛应用于混凝土、路面和填充材料等土木工程中，起到增强和填充的作用。
6. 钢铁及其性质
钢材的特点
钢材具有强度高、延展性好、耐腐蚀等特点，适用 于土木工程中的承载结构。
钢筋混凝土
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土组成的复合材料，结 合了钢材和混凝土的优点，在土木工程中被广泛使 用。
7. 木材作为建筑材料
路面类型
• 沥青路面 • 沥青混凝土路面 • 沥青透水路面
路面施工
路面施工包括铺设、压实和养 护等步骤，确保道路的平整度 和耐久性。
10. 土工材料及其功能
1 土工布
土工布具有过滤、分离和 保护的功能，在土木工程 中用于土壤改良、水工建 筑和环境工程等。
2 土工膜
土工膜具有隔水和隔沙的 功能，常见的材料有土工 膜和土工格栅。
2. 土木工程材料的分类
水泥和混凝土类
主要包括水泥、混凝土和砂浆，是土木工程中最常用的材料，用于建筑和基础结构。
钢铁类
主要包括钢材和钢筋混凝土，在土木工程中用于梁柱、桥梁和其他承载结构。
木材类
主要包括木材和木质纤维，用于土木工程中的建筑结构、家具和装饰。
3. 混凝土及其性质
混凝土的制作
混凝土是由水泥、沙子、石子和水等组成，通过搅 拌、浇筑和固化而成的人造材料。
混凝土的性能
混凝土具有强度高、耐久性好、隔热性能好等特点， 可以在土木工程中广泛应用。
土木工程材料课件ppt
标准名称 JC/T 479-92建筑生石灰
建材行业的 推荐 技术标准的二类
标准代号 标准
类目顺序号
标准颁发 年代号
土木工程材料
五、技术准标简介
地方标准与企业标准：凡国家、部未能颁布的产品与过程的技术 标准，可由相应的工厂、公司等单位，根据生产厂能保证的产品质 量水平所制定的技术标准，报请本地区或本行业有关主管部门审批 后，在该地区或行业中执行。
各种材料的吸水率很不相同，差异很大
如花岗岩的吸水率只有0.5％-0.7％ 混凝土的吸水率为2％-3％ 粘土砖的吸水率达8％-20％ 木材的吸水率可超过100％
土木工程材料
4、材料的耐水性
定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显
下降的性质。
软化系数：
KR
fb fg
KR =材料吸水饱和后的抗压强度 /材料干燥时的抗压强度
土木工程材料 3、材料的吸湿性和吸水性
1）吸湿性：用含水率表示
亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性： 亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。
含水率
Wh
ms mg mg
*100%
材料在吸湿状态下的重量 材料在干燥状态下的重量
影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度
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
K Qd AtH
影响因素： 孔隙率及孔隙特征
开口的连通大孔越多
抗渗性越差
闭口孔隙率大的材料
抗渗性仍可良好
抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力 （MPa）来确定，
P P 材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水压力： 2 4 P6
土木工程材料
建材行业的 推荐 技术标准的二类
标准代号 标准
类目顺序号
标准颁发 年代号
土木工程材料
五、技术准标简介
地方标准与企业标准：凡国家、部未能颁布的产品与过程的技术 标准，可由相应的工厂、公司等单位，根据生产厂能保证的产品质 量水平所制定的技术标准，报请本地区或本行业有关主管部门审批 后，在该地区或行业中执行。
各种材料的吸水率很不相同，差异很大
如花岗岩的吸水率只有0.5％-0.7％ 混凝土的吸水率为2％-3％ 粘土砖的吸水率达8％-20％ 木材的吸水率可超过100％
土木工程材料
4、材料的耐水性
定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显
下降的性质。
软化系数：
KR
fb fg
KR =材料吸水饱和后的抗压强度 /材料干燥时的抗压强度
土木工程材料 3、材料的吸湿性和吸水性
1）吸湿性：用含水率表示
亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性： 亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。
含水率
Wh
ms mg mg
*100%
材料在吸湿状态下的重量 材料在干燥状态下的重量
影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度
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
K Qd AtH
影响因素： 孔隙率及孔隙特征
开口的连通大孔越多
抗渗性越差
闭口孔隙率大的材料
抗渗性仍可良好
抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力 （MPa）来确定，
P P 材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水压力： 2 4 P6
土木工程材料
土木工程材料经典PPT课件
1.2.1.2 表观密度 （unit weight）
定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。
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。
1.2.1.3 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。
开口孔隙 封闭孔隙
VK VB
V0
´
V0
块状材 实 体
V
料
’ 0
m V‘0
1.2.2 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。
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 %
抗弯强度
1）
ff
3PL 2bh2
(中点集中荷载)
2）
ff
PL bh2
(三分点两相等集中荷载)
ff –––– 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
“ 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
第1章 土木工程材料的基本性质
(2) 砖浸水后强度下降
某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许 多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的 多孔的红砖，见下图。请分析原因。
原因分析：这些红砖没有烧透，砖
内开口孔隙率大，吸水率高。吸水
后，红砖强度下降，特别是当有水
进入砖内时，未烧透的粘土遇水分
散，强度下降更大，不能承受房屋
未烧透的的重红量，砖从而导致房屋倒塌。
保温层的目的是较少外界温度变化对住户的 影响，材料保温性能的主要描述指标为导热 系数和热容量，其中导热系数越小越好。观
A B 察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构， B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较 小，适于作保温层材料。
7.其它性质
1 耐火性
耐火材料、难熔材料、易熔材料
2 耐燃性
韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。
1.2.4 材料的硬度和耐磨性（了解性内容）
1.硬度——抵抗外物压入或刻划的能力。 可采用：莫氏硬度（石料、陶瓷等）； 布氏、洛氏硬度（金属材料）。 特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。
2.耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力。
（路面材料要求）
1.3 材料的耐久性
材料在各种环境因素作用下，在长期使用过程中 保持其性能稳定的性质。
5. 材料的抗冻性
——材料饱水状态下<，思能考经>：受孔多隙次率冻越融交替作用， 既不破坏，强度又不大显，著材降料低的的抗性冻质性。
抗冻等级：能经受冻融是否循越环差的？最大次数，
记为F50、F100、F200、F300 …
材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔 隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融 破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水 越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔 隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔 隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的
土木工程材料第一章.pptx
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，
或称表观体积，cm3 或 m3
2、 表观密度（ρ0）
表观体积:包括孔隙在内的体积。即固体体积＋孔隙体积。
如何测？
规则：量尺寸计算 不规则：排液、蜡封
一般测定表观密度时，以干燥状态为准，而对含水状 态下测得的表观密度，须注明含水情况。
➢ 土木工程材料：应用于土木工程中使用的各种材料和制品。 ➢ 材料科学与工程是属于工学门类的一级学科。
以数学、力学以及物理、化学等自然科学学科为基础，以工 程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合，多学科交叉的 新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学。
三、土木工程材料的分类 按材料的化学成分分类：
2.50
空心粘土砖
2.50
水泥
3.20
普通混凝土
—
轻集料混凝土
—
木材
1.55
钢材
7.85
泡沫塑料
—
表观密度ρ0/kg·m-3
1800~2600 2500~2900
— — 1600~1800 1000~1400 — 2100~2600 800~1900 400~800 7850 20~50
五、土木工程材料的标准化
技术标准的代号 国家标准（GB） 国际标准（ISO）
美国材料试验学会标准（ASTM）
日本工业标准（JIS） 德国工业标准（DIN） 英国标准（BS） 法国标准（NF） 建筑工程国家标准（GBJ） 国家级专业标准（ZB）
建设部行业标准（JGJ） 建筑工程行业标准（JG） 建材标准（JC） 冶金部标准（YB）
土木工程材料第章-水泥教材课件 (一)
土木工程材料第章-水泥教材课件 (一)土木工程材料第一章-水泥教材课件土木工程材料中，水泥是不可或缺的一部分，它被广泛使用在各种工程中，如建筑、道路、桥梁、隧道等。
水泥能够使各种材料形成牢固的结构，给人们带来很大的便利和安全。
一、水泥的概述1. 水泥的历史自古以来，人们就有利用石灰堆积物制作建筑物的经验。
直到19世纪初，英国人泰勒发明了水泥烧结炉，才真正开创了水泥的工业生产。
2. 水泥的分类水泥按照生产工艺、化学成分和用途等方法，可以进行多种分类，如硅酸盐水泥、半水化石膏水泥、反应矾土水泥等。
二、水泥的组成水泥是由主要成分、次要成分、自然杂质、工业杂质等四种成分组成的。
1. 主要成分水泥的主要成分是硅酸盐系的黏土和石灰石，在水泥生产过程中，它们经过破碎、混合、烧成等多道工序形成水泥熟料，然后通过磨粉机制成细度适宜的水泥。
2. 次要成分水泥的次要成分有助于水泥生产过程中的化学反应。
例如，石膏是使硅酸盐水泥硬化的必需物质，水泥减水剂可以使混凝土具有更好的流动性。
3. 自然杂质水泥中的自然杂质主要是指黏土和石灰石中所含的杂质，它们可能会影响水泥的性能和质量。
4. 工业杂质水泥中的工业杂质主要是指生产过程中的固体、液体和气体废物，它们可能会对水泥的性能和质量造成影响。
三、水泥的使用水泥作为一种建筑材料，被广泛地应用于各种工程中。
1. 水泥的特性水泥具有硬化速度快、强度大、硬度高、耐久性好等特点。
2. 水泥的应用水泥的应用范围非常广泛，包括混凝土结构、砖墙体、石材建筑、道路、桥梁、隧道等。
其中最典型的应用是混凝土结构，在混凝土结构中，水泥是最重要的材料之一，它能使混凝土具有坚固的结构、流动性、耐久性和美观性。
四、水泥的质量控制为了确保水泥的质量和安全，需要通过严格的质量控制手段来保证水泥的各项性能符合标准和规定。
这些手段包括人工检验、物理和化学测试、光谱分析等。
除此之外，还需要对原材料、生产工艺和环境等方面进行严格的监测。
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第一章 土木工程材料的基本性质
主要内容
材料的组成与结构
材料的物理性质 材料的力学性质 材料的耐久性及安全性
§1.1 材料的组成与结构
影响材料性质的因素很多，有外界 的，也有材料的内部因素，即材料的 组织结构对材料性质的影响是最基本 的因素,起着决定性的作用。材料的组 织结构，具体的讲，就是材料的组成、 结构和构造。
天然石膏晶体颗粒的堆积结构—纤维轴向平行 混凝土的宏观结构
1. 宏观构造
材料内部的孔隙特征和孔结构； 混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况； 纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。
蜂 气 窝 泡 结 堆 构 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性 积质的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10 结 3m以上，肉眼可分辨。如： 构
晶体类型
根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为： 1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等； 2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等； 3）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等； 4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。
晶-6m
(电子显微镜)
尺寸为10-10~10-8m
(高倍电镜)
以混凝土为例
水泥浆体的微观结构： 混凝土内部的宏观结构： 由晶体态水化物、非晶态水 硬化水泥浆体的细观结构： 由大小不等、形状各异 化物和微小孔隙及孔隙中的水构 孔隙、水分布于由水泥矿物 的砂、石颗粒与孔隙以及 成 水分布在水泥浆体中而构 水化物、未水化的水泥颗粒构成 的固体连续相组成 成
水
吸湿性
开口孔隙越多，材料吸水率越大； 开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。
材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。
亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。 材料的吸湿性用平衡含水率表示。
亲水性孔壁使水自动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入。
含水率、吸水率、平衡含水率
化学组成与矿物组成的关系
化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O， 但它有-、-、- 等3种矿物相。
不同的矿物相，其化学组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种 不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。
矿物组成相同，其化学组成一定相同。
3. 微观结构
微观结构—指尺寸范围在10-10~10-6m内，组成材 料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与 离子排列、连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接）
玻璃体 胶 体
晶 体
结构特点
晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间 有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶 格）。
§1.2 土木工程材料的物理性质
一、与质量有关的性质
单位体积材料的质量＝密度 材料在绝对密实状态下， 体积与质量是可变的，密度是不变的 单位体积的质量。
密度ρ
——绝对密实状态 下 材料在自然状态下，单
ρ=m/V ρ0=m/V0
ρ0’=m/V0’
位体积的质量。
散粒材料在堆积状态下， 表观密度ρ0 ——自然堆聚状态下
解答：
1）∵ V’o=10L, m’2=13.5kg; ρ0’ =（m’/V0’）= 13.5/10 = 1.35 g/cm3 ∵ m’=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度＝1。 则， Vo = 791－(1411－1036) = 416mL ∴ ρ0 =（m’/V0）= 1000/416 = 2.40 g/cm3 ∵ V=18.8mL, m=50g; ∴ ρ=(m/V)= 50/18.8=2.66 g/cm3 碎石在水中吸水的质量 2) P = [1－ρ0/ρ] ×100% =(1－2.40/2.66)=9.77% ＝开口孔隙体积 其中： P开= 36/416=8.65% P闭= 9.77%－8.65%=1.12% 3) D=1－P=90.23% P’=[1－ρ0’/ρ0] ×100% =(1－1.35/2.40)=43.8% D’=1－P’=1－43.8%=56.2%
二、 材料的结构
材料的结构
尺寸为～ 10-3m (肉眼可分辩)
尺寸为10 ~10 材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其
-6
-3m
(光学显微镜可辩) 分布。 物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等 质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。
材料结构层次：
宏观构造 细观结构 微观结构
分布的孔隙及其含量
包含的液体种类与含量
矿物组成
矿物
具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也 指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然 矿物的物相或化合物。
矿物组成
土木工程材料中的矿物种类及其含量。
例如：
硅酸盐水泥熟料中的主 要矿物相有： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙 钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体
式中： m2’—材料在吸水饱和状态下的质 量，g。
平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环 境中湿度达到平衡时的含水率。
二、与热有关的性质
材料线膨胀系数的测量 线膨胀系数的单位：/C 材料的线膨胀系数与组成和结构有关： 性 能 定 义 有机材料＞金属材料＞无机非金属材料 公 式 影响因素 热量从温度较高 的 一 面 传 导 到 温 非晶体材料＞晶体材料 热传导性与导热系数 材料的组成、 密度和
铁 2 . 细观结构 碳 钢 合 的 材料是由多物相和多晶体构成的。 金 细 细观结构的尺寸范围为10-6~10-3m，它是指材料 的 观 内部组织结构和各物相的堆积结构。 细 组 如： 观 织 钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体； 组 结 岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相 的堆积结构等； 织 构 高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。 结 照 构 片 照 天然岩石的细观结构 木材的细观结构 片
V0 V0’
×100% = 1－P’
例 题
某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干 燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是 13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后 用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并 用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将 碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另 外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛 成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请 问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？
试样 — 块体；体积测量—直接测、蜡封排液法。
问题 ？
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？
答：密度＞表观密度＞堆积密度
为什么？
答： 自然状态下的体积＝绝对密实体积＋孔隙体积； 堆积体积＝密实体积＋孔隙体积＋空隙体积。
什么是视密度(近似密度)？如何测量？
如硅酸钠玻璃是典型的玻璃 体结构，其结构中，Na、Si、 也称无定型结构。 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
期性； 没有固定的几何外形。 胶体结构—只由微细的固体粒子和分散介质（液
体）组成的结构 种类：
针状晶体的微观结构
亲水性与憎水性材料的特征：
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。
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。
问题？ 1、为什么房屋一楼潮湿？ 2、如何解决？
化学组成
化学组成——化学成分是指材料中各物相所 含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是 Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3 等。
有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；
无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。
材料内部的孔结构
根据孔径尺寸，分为：
微孔—纳米级孔
细孔—微米级孔 大孔—毫米级及以上的孔
开 口、 大孔 连 纳米孔 细孔 通 封闭孔 孔
根据孔隙特征，分为
连通孔— 相互连通，构成孔隙网络 封闭孔—不连通，独立分散
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
吸水性和吸湿性
材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料 吸水性 的亲水性或憎水性密切相关：
材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的 称为吸水性。
材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质 材料的吸水性用吸水率表示。
含水率 材料所含水的质量与干燥状态 下质量之比： w = ×100%
m m1’－m
式中：m—材料干燥状态下的质量，g; m1’—材料在含水状态下的质量，g。
吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 质量吸水量： ＝ 体积吸水量： ＝
m2’－m ×100% m m2’－m 1 ×0 ×100% V ρ水
组成
结构
性能
材料的结构—性能—组成关系
主要内容
材料的组成与结构
材料的物理性质 材料的力学性质 材料的耐久性及安全性
§1.1 材料的组成与结构
影响材料性质的因素很多，有外界 的，也有材料的内部因素，即材料的 组织结构对材料性质的影响是最基本 的因素,起着决定性的作用。材料的组 织结构，具体的讲，就是材料的组成、 结构和构造。
天然石膏晶体颗粒的堆积结构—纤维轴向平行 混凝土的宏观结构
1. 宏观构造
材料内部的孔隙特征和孔结构； 混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况； 纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。
蜂 气 窝 泡 结 堆 构 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性 积质的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10 结 3m以上，肉眼可分辨。如： 构
晶体类型
根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为： 1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等； 2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等； 3）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等； 4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。
晶-6m
(电子显微镜)
尺寸为10-10~10-8m
(高倍电镜)
以混凝土为例
水泥浆体的微观结构： 混凝土内部的宏观结构： 由晶体态水化物、非晶态水 硬化水泥浆体的细观结构： 由大小不等、形状各异 化物和微小孔隙及孔隙中的水构 孔隙、水分布于由水泥矿物 的砂、石颗粒与孔隙以及 成 水分布在水泥浆体中而构 水化物、未水化的水泥颗粒构成 的固体连续相组成 成
水
吸湿性
开口孔隙越多，材料吸水率越大； 开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。
材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。
亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。 材料的吸湿性用平衡含水率表示。
亲水性孔壁使水自动吸入； 憎水性孔壁难以使水吸入。
含水率、吸水率、平衡含水率
化学组成与矿物组成的关系
化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为CaSO40.5H2O， 但它有-、-、- 等3种矿物相。
不同的矿物相，其化学组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种 不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。
矿物组成相同，其化学组成一定相同。
3. 微观结构
微观结构—指尺寸范围在10-10~10-6m内，组成材 料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与 离子排列、连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接）
玻璃体 胶 体
晶 体
结构特点
晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间 有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶 格）。
§1.2 土木工程材料的物理性质
一、与质量有关的性质
单位体积材料的质量＝密度 材料在绝对密实状态下， 体积与质量是可变的，密度是不变的 单位体积的质量。
密度ρ
——绝对密实状态 下 材料在自然状态下，单
ρ=m/V ρ0=m/V0
ρ0’=m/V0’
位体积的质量。
散粒材料在堆积状态下， 表观密度ρ0 ——自然堆聚状态下
解答：
1）∵ V’o=10L, m’2=13.5kg; ρ0’ =（m’/V0’）= 13.5/10 = 1.35 g/cm3 ∵ m’=1000g, 吸水后质量=1036g. 设水的密度＝1。 则， Vo = 791－(1411－1036) = 416mL ∴ ρ0 =（m’/V0）= 1000/416 = 2.40 g/cm3 ∵ V=18.8mL, m=50g; ∴ ρ=(m/V)= 50/18.8=2.66 g/cm3 碎石在水中吸水的质量 2) P = [1－ρ0/ρ] ×100% =(1－2.40/2.66)=9.77% ＝开口孔隙体积 其中： P开= 36/416=8.65% P闭= 9.77%－8.65%=1.12% 3) D=1－P=90.23% P’=[1－ρ0’/ρ0] ×100% =(1－1.35/2.40)=43.8% D’=1－P’=1－43.8%=56.2%
二、 材料的结构
材料的结构
尺寸为～ 10-3m (肉眼可分辩)
尺寸为10 ~10 材料中所含各物相的类型、尺寸、形状、数量及其
-6
-3m
(光学显微镜可辩) 分布。 物相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等 质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。
材料结构层次：
宏观构造 细观结构 微观结构
分布的孔隙及其含量
包含的液体种类与含量
矿物组成
矿物
具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也 指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然 矿物的物相或化合物。
矿物组成
土木工程材料中的矿物种类及其含量。
例如：
硅酸盐水泥熟料中的主 要矿物相有： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙 钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体
式中： m2’—材料在吸水饱和状态下的质 量，g。
平衡含水率 材料在一定湿度的环境下吸湿，与环 境中湿度达到平衡时的含水率。
二、与热有关的性质
材料线膨胀系数的测量 线膨胀系数的单位：/C 材料的线膨胀系数与组成和结构有关： 性 能 定 义 有机材料＞金属材料＞无机非金属材料 公 式 影响因素 热量从温度较高 的 一 面 传 导 到 温 非晶体材料＞晶体材料 热传导性与导热系数 材料的组成、 密度和
铁 2 . 细观结构 碳 钢 合 的 材料是由多物相和多晶体构成的。 金 细 细观结构的尺寸范围为10-6~10-3m，它是指材料 的 观 内部组织结构和各物相的堆积结构。 细 组 如： 观 织 钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体； 组 结 岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相 的堆积结构等； 织 构 高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。 结 照 构 片 照 天然岩石的细观结构 木材的细观结构 片
V0 V0’
×100% = 1－P’
例 题
某工地质检员从一堆碎石料中取样，并将其洗净后干 燥，用一个10升的金属桶，称得一桶碎石的净质量是 13.50Kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后 用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一广口瓶中，并 用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25C，将 碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另 外从洗净完全干燥后的碎石样中，取一块碎石磨细、过筛 成细粉，称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.8毫升。请 问？ 1）该碎石的密度、表观密度和堆积密度？ 2）该碎石的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率？ 3）该碎石的密实度、空隙率和填充率？
试样 — 块体；体积测量—直接测、蜡封排液法。
问题 ？
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？
答：密度＞表观密度＞堆积密度
为什么？
答： 自然状态下的体积＝绝对密实体积＋孔隙体积； 堆积体积＝密实体积＋孔隙体积＋空隙体积。
什么是视密度(近似密度)？如何测量？
如硅酸钠玻璃是典型的玻璃 体结构，其结构中，Na、Si、 也称无定型结构。 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
期性； 没有固定的几何外形。 胶体结构—只由微细的固体粒子和分散介质（液
体）组成的结构 种类：
针状晶体的微观结构
亲水性与憎水性材料的特征：
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。
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。
问题？ 1、为什么房屋一楼潮湿？ 2、如何解决？
化学组成
化学组成——化学成分是指材料中各物相所 含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是 Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3 等。
有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；
无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； 有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。
材料内部的孔结构
根据孔径尺寸，分为：
微孔—纳米级孔
细孔—微米级孔 大孔—毫米级及以上的孔
开 口、 大孔 连 纳米孔 细孔 通 封闭孔 孔
根据孔隙特征，分为
连通孔— 相互连通，构成孔隙网络 封闭孔—不连通，独立分散
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
吸水性和吸湿性
材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料 吸水性 的亲水性或憎水性密切相关：
材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的 称为吸水性。
材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质 材料的吸水性用吸水率表示。
含水率 材料所含水的质量与干燥状态 下质量之比： w = ×100%
m m1’－m
式中：m—材料干燥状态下的质量，g; m1’—材料在含水状态下的质量，g。
吸水率 材料吸水饱和面干时的含水率： 质量吸水量： ＝ 体积吸水量： ＝
m2’－m ×100% m m2’－m 1 ×0 ×100% V ρ水
组成
结构
性能
材料的结构—性能—组成关系