材料基本性质.ppt

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第第22章章材料基本性质材料基本性质教学要求：

教学要求：

掌握材料的物理性质和力学性质掌握材料的物理性质和力学性质了解材料的耐久性、装饰性等等了解材料的耐久性、装饰性等等1.1.材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度、表观密度和堆积密度材料的密度、表观密度和堆积密度1.1密度密度定义：

定义：

材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。

可按下式计算：

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。

（density）一、材料的物理性质一、材料的物理性质一、材料的物理性质一、材料的物理性质测量方法测量方法有较多孔隙的材料，采用磨细后（粒径0.02mm）用李氏瓶测定其体积的方法。

某些致密材料，如卵石等，可用直接排液法，用这种方法测量的体积，由于无法排除内部封闭的孔隙，所以称这样测得的密度为近似密度（a）视密度。

1.2表观密度表观密度定义：

定义：

材料在自然状态下，单位体积的质量。

计算：

计算：

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。

（unitweight）1.3堆积密度堆积密度定义：

定义：

粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。

计算：

计算：

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。

（heapeddensity）V0VVKVB开口孔开口孔封闭孔封闭孔闭口孔隙自然状态下的块状材料开口孔隙实体实体实实体体空空隙隙开口孔隙开口孔隙封闭孔隙封闭孔隙装在容器里的粒状、粉状或块状材料V0VVKVBV02.2.材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率2.1材料的孔隙材料的孔隙

（1）孔隙率:

材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率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。

（2）密实度密实度:

材料内部固体物质的实际体积占材料材料内部固体物质的实际体积占材料总体积的百分率总体积的百分率孔隙特征主要有两方面：

（1）按孔隙尺寸大小分微孔、细孔和大孔；

（2）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V=Vk+VB定义开口孔孔隙率为定义闭口孔孔隙率为则孔隙率为散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示。

（1）空隙率空隙率:

散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率的百分率2.2材料的空隙材料的空隙

（2）填充率填充率:

颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率（a）亲水性材料（b）憎水性材料9090亲水材料9090憎水材料3.13.1材料的亲水性与憎水性材料的亲水性与憎水性润湿边角润湿边角:

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。

3.3.材料与水有关的性质材料与水有关的性质3.23.2材料的含水状态材料的含水状态四种基本含水状态：

四种基本含水状态：

干燥状态干燥状态材料孔隙中不含或含水极微；材料孔隙中不含或含水极微；气干状态气干状态材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；材料孔隙中所含水与大气湿度平衡；饱和面干状态饱和面干状态材料表面干燥，孔隙含水饱和；材料表面干燥，孔隙含水饱和；湿润状态湿润状态材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附材料孔隙含水饱和，表面为水湿润附有一层水膜。

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材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态饱和水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（a）（b）（c）（d）3.33.3材料的吸湿性和吸水性材料的吸湿性和吸水性

（1）吸湿性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。

材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化。

平衡含水率：

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。

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）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两个定义：

重量吸水率材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率；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。

工程上，建筑材料一般采用质量吸水率，如粘土砖为820。

吸水性和吸湿性会使材料绝热性降低，强度和耐久性产生不同程度的下降，体积发生变化，影响材料使用。

3.43.4耐水性耐水性定义材料长期在水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质。

用软化系数表示：

kR=fb/fg。

公式中fb表示材料在饱水状态下的抗压强度，Mpa；fg表示材料在干燥状态下的抗压强度，MpakR在01之间，不同材料的kR值相差很大，如粘土kR=0，而金属kR=1；土木工程中将kR0.85的材料称为耐水材料，用于潮湿环境中的重要结构。

3.53.5抗渗性抗渗性定义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：

ks渗透系数，cm/h；Q透水量，cm；d试件厚度，cm；A透水面积，cm；t时间，h；H静水压力水头，cm。

抗渗性用抗渗等级Pn表示，抗渗等级是以规定的试件在规定的试验条件下，所能承受的最大水压力来确定；其中的n，表示材料所能承受的最大水压力（Mpa）的10倍，例如P4、P6、P10表示材料最大能承受0.4、0.6、1.0Mpa的水压力而不渗水。

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。

3.63.6抗冻性抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破材料在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性质。

坏，也不严重降低强度的性质。

抗冻性用抗冻等级抗冻性用抗冻等级FnFn表示，抗冻等级是以规定的表示，抗冻等级是以规定的试件在规定的试验条件下，测得其强度降低不超试件在规定的试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显剥落所能经受的冻融循环次过规定值，并无明显剥落所能经受的冻融循环次数来确定；其中的数来确定；其中的nn，表示最大冻融循环次数，表示最大冻融循环次数，例如例如F25F25、F50F50等。

等。

干燥箱干燥箱混凝土抗渗仪混凝土抗渗试模（左）4.14.1热容性热容性定义定义材料在温度变化时吸收或放出热量的材料在温度变化时吸收或放出热量的能力能力不同材料的热容性可用比热进行比较。

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。

比热：

单位质量的材料升高单位温度所需热量。

44与热有关的性质与热有关的性质定义定义4.24.2导热性导热性材料两侧有温差时热量由高温侧材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力。

向低温侧传递的能力。

常用导热系数表示：

常用导热系数表示：

材料的导热性能与孔隙特征有关，增加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孤立的、不连通孔隙可降低材料导热能力。

力。

0.23的材料称为绝热材料。

的材料称为绝热材料。

4.34.3热变形性热变形性定义定义材料在温度变化时的尺寸变化材料在温度变化时的尺寸变化常用线膨胀系数表示。

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。

大、导热系数小的材料。

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。

55材料的耐久性材料的耐久性材料的耐久性包括抗冻性、抗渗性、抗化学侵蚀性、抗炭化性、大气稳定性、耐磨性等。

耐久性是一项综合性指标，建筑材料应有良好的耐久性。

从工程技术发展角度看，由按耐久性进行工程设计取代按强度进行工程设计更具科学性和实用性。

然而，要按耐久性进行工程设计，尚需对各种材料的耐久性进行更为广泛深入的研究。

提高材料耐久性是土木工程材料生产及应用的重要课题之一。

1.1.强度与等级强度与等级1.11.1材料的强度材料的强度材料的强度材料的强度定义材料在外力作用下抵抗破坏的能力。

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。

二、材料的力学性质二、材料的力学性质LLF/2F/2FFL/3FFL/3L/3（a）压力（b）拉力（c）弯曲（d）剪切材料所受外力：

材料所受外力：

各种强度的计算公式如下：

抗压、抗拉、抗剪的强度抗压、抗拉、抗剪的强度f强度，Mpa；F破坏时最大荷载，N；A受力截面面积，mm2。

抗弯强度抗弯强度1）（中点集中荷载）2）（三分点两相等集中荷载）ftm抗弯强度，Mpa；F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。

材料的抗弯强度又称为抗折强度，分两种情况：

第一种为1个集中荷载（两个支点），代表构件为水泥胶砂试件（40mm40mm160mm）的抗折强度。

第二种为2个集中荷载（两个支点），代表构件为公路水泥混凝土路面的水泥混凝土试件（150mm150mm550mm）的抗折强度。

常见土木工程材料的强度见12页。

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（强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系）。

材料所处的环境条件（温度、湿度、含水量等）强度值的测试条件（试件尺寸、加荷速度等）2.材料的比强度材料的比强度衡量材料是否轻质、高强的指标定义单位体积质量的材料强度,等于材料的强度与其表观密度之比3.3.材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性弹性与塑性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塑性变形。

材料在弹性范围内，其应力和应变之间关系符合如下公式：

应力；应变，为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比；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。

4.4.脆性和韧性脆性和韧性

（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。

具有这种破坏特征的材料，称为脆性材料脆性材料。

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。

5.5.硬度和耐磨性硬度和耐磨性硬度：

材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力硬度：

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。

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。

和维氏硬度。

耐磨性：

材料抵抗磨损的能力，用耐磨度表示。

耐磨性：

材料抵抗磨损的能力，用耐磨度表示。

P156.6.材料的徐变和应力松弛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，称为应力松弛松弛。

徐变和应力松弛是相互关联的两种现象。

n材料的其