第2章 土木工程材料的基本性质1
材料的基本性质—材料的热工性质(土木工程材料)
物理意义：材料比热是指1Kg重的材料，在温度每改变1K时，所吸收或放出的热量。
2热容量和比热
2-2定义：常见物质的比热大小
水是热容量最大的材料
C水=4.19J/（Kg·K）
C空气=1.0J/（Kg·K）
C砂石=0.29J/（Kg·K）
C铁=0.46J/（Kg·K）
2-3应用：夏天炎热时，为什么海边比较凉快？
学习情境：材料的基本性质
材料的热工性质
材料的热工性质
1.导热性
4.耐火性
材料的热 工性质
2.热容量 和比热
3.热阻
1.导热性
1-1导热性：指当材料两面存在温度差时，材料传递热量的 性 质，称为导热性。导热性用导热系数λ表示：
图1图-61材-8料材传热料示传意热图示意图
Qd At（T1 T2）
式中：λ——导热系数，W/（m·K）； Q——传导的热量，J； d——材料厚度，m； A——热传导面积，m2； t——热传导时间，h；
耐火砖
4.耐火性
难燃材料：指材料在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、 难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料。
02 例 如：经过防火处理的木材。
03 易燃材料：易燃材料是易燃气体（氧气）、易燃液体（油）和易燃固体 （木材、煤）的统称。
答：因为水的比热容比较大 也就是改变单位温差所需能量比较大 所以大 海可以吸收很多热能， 所以靠海的地区温度就能降低一点。
3.热阻
3-1热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能 力，热阻的定义及计算式为：
Ｒ＝ｄ/λ
式中：R——材料层热阻，（m2·K）/W； ｄ—— 材料层厚度，m； λ—— 材料的导热系数，W/（m·K）瓦/（米·度）。
《土木工程材料》知识点_2
《土木工程材料》知识点－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－《土木工程材料》知识点《土木工程材料》重要知识点关注各章习题:选择题、判断题、就是非题一、材料基本性质(1)基本概念1、密度:材料在绝对密实状态下单位体积下的质量;2、体积密度:材料在自然状态下单位体积(包括材料实体及开口孔隙、闭口孔隙)的质量,俗称容重;3、表观密度:单位体积(含材料实体及闭口孔隙体积)材料的干质量,也称视密度;4、堆积密度:散粒状材料单位体积(含物质颗粒固体及其闭口孔隙、开口孔隙体积以及颗粒间孔隙体积)物质颗粒的质量;5、孔隙率:材料中的孔隙体积占自然状态下总体积的百分率6、空隙率:散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积(开口孔隙与间隙之与)占堆积体积的百分率;7、强度:指材料抵抗外力破坏的能力(材料在外力作用下不被破坏时能承受的最大应力)8、比强度:指材料强度与表观密度之比,材料比强度越大,越轻质高强;9、弹性:指材料在外力作用下产生变形,当外力取消后,能够完全恢复原来形状的性质;10、塑性:指在外力作用下材料产生变形,外力取消后,仍保持变形后的形状与尺寸,这种不能恢复的变形称为塑性变形;11、韧性:指在冲击或震动荷载作用下,材料能够吸收较大的能量,同时也能产生一定的变形而不破坏的性质;12、脆性:指材料在外力作用下,无明显塑性变形而突然破坏的性质;13、硬度:指材料表面抵抗其她物体压入或刻划的能力;14、耐磨性:材料表面抵抗磨损的能力;15、亲水性:当湿润角≤90°时,水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的相互吸引力,这种性质称为材料的亲水性;16、憎水性:当湿润角＞90°时,水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的吸引力,这种性质称为材料的憎水性;17、润湿边角:当水与材料接触时,在材料、水与空气三相交点处,沿水表面的切线与水与固体接触面所成的夹角称为湿润边角;18、吸水性:指材料在水中吸收水分的性质;19、吸湿性:指材料在潮湿空气中吸收水分的性质,以含水率表示;亲水性材料憎水性材料20、耐水性:指材料长期在水的作用下不破坏,而且强度也不显著降低的性质;21、抗渗性:指材料抵抗压力水渗透的性质;22、抗冻性:指材料在吸水饱与状态下,能经受多次冻结与融化作用(冻融循环)而不破坏、强度又不显著降低的性质;23、导热性:当材料两侧存在温度差时,热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧,材料的这种传导热量的能力称为导热性;24、热容量:材料在温度变化时吸收与放出热量的能力。
土木工程材料的基本性质
金属材料
有 机 材 料 复 合 材 料
植物质材料 沥青材料 高分子材料 无机非金属材 料和有机材料 的复合
建筑结构材 料
砖混结构 ：石材，砖，水泥混凝土， 钢筋 钢木结构：建筑钢材，木材
砖及砌块：普通砖、空心砖，硅酸盐 及砌块 墙板：混凝土墙板、石膏板、 复合墙板 防水材料：沥青及其制品 绝热材料：石棉、矿棉，玻璃棉、膨 胀珍珠岩石 吸声材料；木丝板、毛毡，泡沫塑料 采光材料：窗用玻璃 装饰材料：涂料、塑料装饰材料、铝 材
建 筑 材 料
墙体材料
建筑功能材 料
第一篇
绪论
二、土木工程材料分类
2、按功能及用途分类 建筑结构材料：承重、传力 建筑功能材料：非承重、非传力 防水材料、装饰材料、保温材料、遮 挡及分隔等墙体材料
第一篇
绪论
三、建筑结构材料的主要种类
1、水泥混凝土及其组成材料 水泥、砂、石、掺合料、外加剂、水。 2、承重墙体材料及其组成材料、地基用材料 水硬性及气硬性胶凝材料、建筑砂浆、砖 （主要为烧结砖及部分蒸养砖和免烧砖）。 3、钢材 板材、管材、型钢、钢筋及钢绞线、高 强螺拴及锚具。
五、土木工程材料的基本性质
（二）、力学性质
3、脆性和韧性 脆性：材料受力达到一定程度后，无明显塑性变形， 便突然破坏的性质。 如：混凝土、玻璃、陶瓷等。 特点：抗压强度高，抗冲击、抗拉、抗振、抗折（弯） 强度低。 韧性：材料在振动或冲击作用下，能吸收较大能量， 并产生较大变形而不突然破坏的性质。 如：低碳钢、合金钢、木材、某些高分子材料等。 特点：抗拉、抗折（弯）强度高。 Wk 冲击韧性指标： k A
1、强度 强度与应力的关系 强度是材料在应力作用下抵抗外力破 坏的能力，它表征材料的力学本性， 是材料本身的性质（抗拉、抗压、抗 剪、抗弯）。 应力是施加于材料上的单位面积的作 用力，是表征外力对材料的作用，与 材料本性无关（压应力、拉应力、剪 应力、弯应力）。
材料的基本性质
第一章 土木工程材料的基本性质第一节 土木工程材料的分类一、按材料的化学成分分类按材料的化学成分分类，可分为有机材料、无机材料和复合材料三大类。
二、按功能分类按功能分类，可分为结构材料和功能材料两大类。
结构材料——主要用作承重的材料，如梁、板、柱所用材料。
功能材料——主要利用材料的某些特殊功能，如用于防水、装饰、保温等的材料。
第二节 材料的物理性质一、密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度，公式表示如下：Vm =ρ式中：ρ——材料的密度，g/cm 3；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，cm 3。
所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的体积。
二、表现密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为表观密度，公式表示如下：0V m =ρ式中：ρ0——材料的表观密度，kg/cm 3；m ——材料的质量，kg ；V 0——材料在自然状态下的体积，m 3。
所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。
三、堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量，称为堆积密度，公式表示如下：土木工程材料 有机材料——木材、石油沥青、塑料等 无机材料金属材料——钢、铁、铝等非金属材料——石材、砖、玻璃、水泥、混凝土等复合材料——聚合物混凝土（1.1.1）（1.1.2）00V m '='ρ式中：ρ0’——散粒材料的堆积密度，kg/cm 3；m ——散粒材料的质量，kg ；V 0’——散粒材料的自然堆积体积，m 3。
散粒材料的自然堆积体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积。
四、孔隙率孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率。
%1000⨯=V V n V式中：n ——材料的孔隙率；V V ——材料的内部孔隙体积，cm 3； V 0——材料的总体积，cm 3。
五、吸水性*吸水性是指材料在水中吸水的性质。
《土木工程概论》第2章 土木工程材料1
二、土木工程材料的性质
2、材料的基本力学性质 （4）材料的耐久性与环境协调性
土木工程材料的发展方向要求除具有良好的使用性能外，还须具有良好的环境 协调性能，即具有好的耐久性、低的环境负荷值和高的可循环再生率，强调环保绿 色建材。
四、砂、石子
石子
粒径大于5mm的岩石颗粒，分碎石和卵石。在混凝土组成材料中，石子 为粗骨料，常用作路桥工程、铁路工程的路基道碴等。
四、砂、石子
砂
砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。 根据粗细程度不停又有粗砂、中砂、细砂之分。土木工程常用的是中、粗砂。
四、砂、石子
砂
天然砂：由自然条件作用形成（主要为岩石风化），
四、砂、石子
砂
课后思考题 沙漠里的砂能否用于土木工程？
第二章 土木工程材料
《土木工程概论》
课前复习
1、土木工程有哪些性质，分别是什么意思？
课前复习
2、古代土木工程的时间范围，以及分为哪几个时期？
（新石器时代）—17世纪中叶 萌芽时期——形成时期——发达时期：
课前复习
3、以下哪项工程是近代土木工程典型代表？
A.埃及金字塔 B.圆明园 C.京杭大运河 D.三峡大坝
课前复习
4、现代土木工程有哪些特征？
工程功能化 城市立体化 交通高速化 工程设施大型化
学习 目标
1、掌握土木工程材料的分类和不同时期材料的应用情况。 2、能分辨和理解材料随时代变化发展的应用情况不断变化，对土 木工程常用材料有更多的认识，对以后详细学习材料计量计价打 基础。
土木工程材料的基本性质
• ５. 孔隙率 • 孔隙率是指固体材料的体积内孔隙体积所占的比例,可按下式计算:
• 材料的密实度与孔隙率之和等于１,即D＋P＝１.材料的密实度和孔隙 率是从两个不同侧面反映材料密实程度的指标.
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2.1 材料的物理性质
• 闭口孔隙率是指材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之 比的百分率.即闭口孔隙率＝孔隙率－开口孔隙率.
• １. 亲水性与憎水性 • 材料与水接触时,根据其是否能被水润湿,可将材料分为亲水性材料与
憎水性材料.在材料、空气和水的交点处,沿水滴表面的切线与水和材 料接触面所成的夹角称为润湿边角.润湿边角越小,材料越易被水润湿. • 材料能被水润湿的性质称为亲水性(润湿边角θ≤９０°),具有这种性质 的材料为亲水性材料[图２-３(a)].大多数材料都属于亲水材料,如无机 胶凝材料、烧结普通砖、混凝土、木材、砂、石等,不但表面能够吸 附水分,而且还能将水分吸入内部的毛细孔中.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.1 材料的物理性质
• 两种密度的计算均可采用表观密度计算公式,但需区分开两者体积的 含义.视密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义.
• 当材料含有水分时,其质量和体积都会发生变化.一般测定表观密度时, 以干燥状态为准,如果在含水状态下测定表观密度,须注明其含水情况.
• 土木工程材料中绝大部分材料都是存在一定孔隙的,如石材、砖、混 凝土等,为测定有孔隙材料的绝对密实体积,常将其磨细干燥后用李氏 瓶(图２-１)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.一般将要求磨细的细粉粒径至少小于０.２０mm.
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土木工程材料的基本性质
2.2 材料的力学性质
• ２.２.２ 弹性与塑性
• 材料在外力作用下产生变形,外力取消后能够完全恢复原来形状的性 质称为弹性,这种能够完全恢复的变形称为弹性变形;反之,当外力取消 后仍保持变形后的形状和大小,并且不产生裂缝及破坏的性质称为塑 性,这种不能恢复的变形称为塑性变形.
与其自然状态下的体积之比,可按下式计算:
• ５. 孔隙率 • 孔隙率是指固体材料的体积内孔隙体积所占的比例,可按下式计算:
• 材料的密实度与孔隙率之和等于１,即D＋P＝１.材料的密实度和孔隙 率是从两个不同侧面反映材料密实程度的指标.
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2.1 材料的物理性质
• 闭口孔隙率是指材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之 比的百分率.即闭口孔隙率＝孔隙率－开口孔隙率.
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2.1 材料的物理性质
• ２. 热容量 • 材料具有受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质.材料的热容量是指
材料温度变化１K所吸收或放出的热量,其大小可用比热容C 表示,可 按下式计算:
• 导热系数、比热容可以综合表示材料的热工性能,对于土木工程物的 保温、隔热,实现土木工程节能具有重要意义.几种常用土木工程材料 的导热系数和比热容见表２-２.
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2.2 材料的力学性质
• 材料的抗弯强度与材料的受力情况有关.试验时是将矩形截面的条形 试件放在两支点上,中间作用一集中力[图２-４(c)],对材料进行试验(如 水泥、砖的强度试验),其抗弯强度用下式计算:
• 强度是材料(尤其是结构材料)的一项重要的技术性能,一些材料如砖、 石材、水泥、砂浆、混凝土、钢材等都是按其强度大小划分为若干个 等级的(称为强度等级).土木工程中常用材料的强度见表２-３.
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、52.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。
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大理石的致密表面
加气混凝土砌块的多孔结构 陶粒的堆聚结构
竹的纤维结构
胶合板的层状构造
2.1
材料的组成与结构状态
2 材料的物理状态与参数 （1）材料的体积
密实体积 V ：材料在绝对致密状态下的体积，或材料 内不包含孔隙时的体积 。 表观体积 V0 ：整体材料（包括内部孔隙）的外观体积。 堆积体积 V ：颗粒材料堆积状态下的总体外观体积。
耐磨性－材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。
M1 M 2 G A
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）。 返回
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）原子晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；
2）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等； 3）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等； 4）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等。
（2）材料的细观组成与结构
微观结构—通常是指尺寸范围在微米与毫米之间，可以
1 材料的组成与结构
材料是由原子、分子或分子团以不同结合形式构成的
物质。不同类型的材料具有不同的特性，同类型的材料由 于原子或分子间的结合方式和缺陷状态的不同，性质也有 显著的差异。通常将材料后的结构划分成以下三个层次。 宏观结构
细观结构
微观结构
尺寸为～ 10-3m (肉眼可分辩)
尺寸为10-6 ~10-3m
（2）材料的密度
名称 密度 定义 表达式
M V
0
M
单位 g/cm3
备注
材料在绝对密实状态下, 单位体积的质量。
材料在自然状态下，单 位体积的质量。 材料在堆积状态下，单 位体积的质量。
表观密度
V
㎏/m3 ㎏/m3
o
堆积密度
M V'
（3）材料的孔隙率
密实度
密实度是指材料体积内，被固体物质所充实的程度。
(光学显微镜可辩)
宏观结构
尺寸为＜10-6m
(电子显微镜)
细观结构
微观结构
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： 由晶体态水化物、非晶态水 混凝土内部的宏观结构： 化物和微小孔隙及孔隙中的水构 硬化水泥浆体的细观结构： 由大小不等、形状各异 成 孔隙、水分布于由水泥矿物 的砂、石颗粒与孔隙以及 水化物、未水化的水泥颗粒构成 水分布在水泥浆体中而构 的固体连续相组成 成
向同性。
非结晶体材料 非结晶体材料是质点粒 子的排列和分布处于随机无 序状态的细观结构材料。非
结晶体，又称无定体或玻
璃体，无固定的几何外形， 具有各向同性。土木工程中 常见的非结晶体材料有水泥、 玻璃、陶瓷等材料。
粉煤灰非结晶体
胶体结构材料 物质以极微小的质点 （粒径为1μm～100 μm） 分散在介质中所形成的结构
（1）材料的微观组成与结构
微观结构—通常是指指尺寸范围在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。例如土木工程材料的微观结构常 见的晶体结构。 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）。
D
V 100%＝ 0 100% V0
孔隙率
材料内部孔隙的体积占材料总
体积的百分率，以P 表示。
图1-1 材料孔隙率示意图
V0 V 0 P 100%＝(1- ) 100% V0
（4）材料的空隙率
填充率
填充率是指堆积材料在其堆积体
积中，被其颗粒填充的程度 。
V0 0 D ' 100% 100% V0 0
利用光学显微镜可以观察到的质点所构成的结构。材料的许 多性质与细观结构有关。材料的习惯结构差别情况十分复杂， 从细观层次研究分析材料的性质有重要意义。 根据细观结构，材料可以划分为：结晶体材料、非结晶 体材料和胶体结构材料。
结晶体材料
结晶体材料是结晶体质点间以不同结合力相互连接构成
的细观结构材料。由单一结晶体构成的结晶体材料成为单晶 体，单晶体具有规则的排列方式和明显的界面特征，表现出 明显的各向异性。大部分结晶体材料的晶体质点以无序形式 排列，形成多晶体材料，多晶体通常表现出宏观状态下的各
单位：MPa
P f A
材料的抗弯强度
3PL f 2bh 2
材料的比强度 比强度是按单位体积质量计算的材料强度，或材料的
强度与其表观密度之比（ f / 0 ），它是评价材料是否轻质
高强的指标。
几种材料的强度比较
材 料 低碳钢 松 木 混凝土 表观密度(kg/m3) 7860 500 2400 强度f (MPa) 415 34.3 60 比强度（f/ρo） 0.053 0.059 0.025
脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载 的能力很差。 韧性－在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而不 破坏的性质称为韧性。如钢材、木材、纤维等。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较 好的韧性。
4 材料的硬度与耐磨性
硬度－指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体刻划、 压入其表面的能力。 测定方法：刻划法、回弹法、压入法。
第二章
土木工程材料的基本性质
定义
材料的性质通常是指其对环境作用的抵抗能力 或在环境条件作用下的表现。土木工程材料的基本
性质是指处于不同使用条件或使用环境的土木工程
中，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。掌握 相关材料的基本性质以及决定这些性质的因素与规 律，是科学合理使用材料的前提。
§2.1
材料的组成与结构状态
2 材料的弹性与塑性
• 材料在外力作用下产生变形，外
力撤掉后变形能完全恢复的性质， 称为弹性。
σ
E
• 材料在外力作用下产生变形，若 除去外力后仍保持变形后的形状
ε
和尺寸，这种不可恢复的变形称
为塑性变形。
3 材料的脆性与韧性
脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然
破坏而又无明显的塑性变形的性质。
图1-2 材料空隙率示意图
空隙率
空隙率是指堆积材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙 体积占材料堆积体积的百分率
。
V0 V0 0 P' 100% (1 ) 100% 1 D V0 0
§2.2
材料的力学性质
1 材料的强度与比强度
强度－－指材料抵抗破坏的能力。 材料的抗压、抗拉、抗剪强度。
称为胶体。由于胶体的质点
很微小，其总的表面积很大， 因而表面能很大，有很强的 吸附力，所以胶体具有较强 的粘结力。 水泥凝胶体
返回
（3）材料的宏观组成与结构
材料的宏观结构是指断面用裸眼或放大镜可以直接 观察到的组织构造，通常其尺度在毫米级以上。主要有
以下几种结构：致密结构、多孔结构、纤维结构、层状