土木工程材料1.docx
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土木工程材料1
建材基本理论
土木工程材料的分类
土木工程材料的种类繁多，为了研究、使用和叙述上的方便，通常根据材料的组成、功能和用途分别加以分类。
（一）、按土木工程材料的使用性能分类
通常分为承重结构材料、非承重结构材料及功能材料三大类。
1．承重结构材料。
主要指梁、板、柱、基础、墙体和其他受力构件所用的土木工程材料。
最常用的有钢材、混凝土、砖、砌块、墙板、楼板、屋面板和石材等。
2．非承重结构材料。
主要包括框架结构的填充墙、内隔墙和其他围护材料等等。
3．功能材料。
主要有防水材料、防火材料、装饰材料、保温材料、吸声（隔声）材料、采光材料、防腐材料等等。
（二）、按土木工程材料的使用部位分类
按土木工程材料的使用部位通常分为结构材料、墙体材料、屋面材料、地面材料、饰面材料和基础材料等等。
（三）、按土木工程材料的化学组成分类
根据土木工程材料的化学组成，通常可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。
这三大类中又分别包含多种材料类别，见下表：
建筑材料标准组成
作为有关生产、设计应用、管理和研究等部门应共同遵循的依据，对于绝大多数常用的土木工程材料，均由专门的机构制订并颁布了相应的“技术标准”，对其质量、规格和验收方法等作了详尽而明确的规定。
在我国，技术标准分为四级：
国家标准、部颁标准、地方标准和企业标准。
国家标准是由国家标准局发布的全国性的指导技术文件，其代号为GB；
部颁标准也是全国性的指导技术文件，但它由各行业主管部门（或总局）发布，其代号按各部门名称而定。
如建材标准代号为JC，建工标准代号为JG，与建材相关的部颁标准还有交通标准（JT）、石油标准（SY）、
化工标准（HG）、水电标准（SD）、冶金标准（YJ）等等；
地方标准（DB）是地方主管部门发布的地方性指导技术文件；
企业标准则仅适用于本企业，其代号为QB；
凡没有制定国家标准、部颁标准的产品，均应制订相应的企业标准。
随着我国对外开放，常常还涉及到一些与土木工程材料关系密切的国际或外国标准，其中主要有国际标准（ISO）、美国材料试验协会标准（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）等。
熟悉有关的技术标准，并了解制定标准的科学依据，也是十分必要的。
材料的物理性质
一、材料的密度、表观密度与堆积密度。
（一）密度
材料在绝对密实状态下单位体积的重量①称为材料的密度（原称比重）。
用公式表示为：
（1-1）
式中：
——材料的密度（
）；
m——材料在干燥状态下的重量（g）；
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积（
）
材料在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本身的体积，亦称实体积。
土木工程料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。
测定有孔隙的材料密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.20mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。
材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。
（二）表观密度
材料在自然状态下单位体积的重量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中亦称为毛体积密度）。
用公式表示为：
（1-2）
式中：
——材料的表观密度（
或
）；
m——材料的重量（g或kg）；
——材料在自然状态下的体积（
或
）。
材料在自然状态下的体积是指包含材料内部开口孔隙和闭口孔隙的体积。
对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的重量和体积（可用量具量测），即可算得。
不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防止水分渗入材料内部而使所测结果不准。
材料表观密度的大小与其含水情况有关。
当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。
因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。
通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。
在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。
（三）堆积密度
散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。
用公式表示为：
（1-3）
式中：
——散粒材料的堆积密度（
）；
m——散粒材料的重量（kg）；
——散粒材料在自然堆积状态下的体积（
）
散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。
散粒材料的体积可用已标定容积的容器测得。
砂子、石子的堆积密度即用此法求得。
若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。
由于大多数材料或多或少含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度。
在土木工程中，计算材料用量、构件自重、配料、材料堆放的体积或面积时，常用到材料的密度、表观密度和堆积密度。
常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表1-1所示。
表1-1常用土木工程材料的密度及表观密度
材料名称
密度（g/cm3）
表观密度（kg/m3）
堆积密度（kg/m3）
钢
7.85
7850
花岗岩
2.80
2500～2900
碎石
2650～2750
1400～1700
砂
2630～2700
1450～1700
粘土
2.60
1600～1800
水泥
3.10
1100～1300
烧结普通砖
2.70
1600～1900
烧结空心砖（多孔砖）
2.70
800～1480
红松木
1.55
400～800
泡沫塑料
20～50
玻璃
2.55
普通混凝土
2100～2600
二、材料的孔隙率、空隙率与密实度
（一）孔隙率
材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率（
）。
用公式表示为：
（1-4）
材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。
孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造）可以不同。
按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种，连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。
按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。
孔隙率的大小及其孔隙特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。
一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。
（二）空隙率
散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积的百分率称为空隙率（
）。
用公式表示为：
（1-5）
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。
在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。
（三）密实度
固体物质的体积占总体积的百分率称为密实度。
反映材料体积内被固体物质所充实的程度。
用公式表示为
（1-6）
对于散粒材料在某容器中的密实度，可用下式表示：
（1-7）
三、材料与水有关的性质
（一）亲水性与憎水性
当材料在空气中与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，即具有亲水性；有些材料则不能被水润湿，即具有憎水性。
材料具有亲水性的原因是材料与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力。
当材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表现为憎水性。
材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。
当材料与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1-1所示。
θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。
实验证明，当θ≤90度时（如图1-1a），材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；θ＞90度时（如图1-1b），材料表面不吸附水，此种材料称为憎水性材料。
当θ=0度时，表明材料完全被水润湿。
上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。
图1-1材料润湿示意图
亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部。
憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。
憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。
土木工程材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料等为憎水性材料。
（二）吸水性与吸湿性
1．吸水性。
材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。
材料的吸水性用吸水率表示，有以下两种表示方法
（1）重量吸水率：
重量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的重量占材料干重量的百分率。
用下式表示：
（1-8）
式中：
——材料的重量吸水率（%）；
——材料在吸水饱和状态下的重量（g）；
——材料在干燥状态下的重量（g）。
（2）体积吸水率：
体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。
用下式表示：
（1-9）
式中：
——材料的体积吸水率（%）；
——干燥材料在自然状态下的体积（
）；
——水的密度（
），在常温下可取
=1
土木工程用材料一般采用重量吸水率。
重量吸水率与体积吸水率有下列关系：
（1-10）
式中：
——材料在干燥状态下的表观密度（
）。
材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。
材料吸水饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。
材料的吸水性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。
对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。
封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。
各种材料的吸水率差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，烧结普通砖的吸水率为8%～20%，木材的吸水率可超过100%
2．吸湿性。
材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。
材料的吸湿性用含水率表示。
含水率是指材料内部所含水重量占材料干重量的百分率。
用公式表示为：
（1-11）
式中：
——材料的含水率（%）；
———材料在吸湿状态下的重量（g）；
——材料在干燥状态下的重量（g）。
材料的吸湿性随着空气湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小。
材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。
当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。
具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积很大，吸附水的能力很强所致。
材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。
材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降。
材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用。
（三）耐水性
材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。
材料的耐水性用软化系数表示：
（1-12）
式中：
——材料的软化系数；
——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；
——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。
值的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。
一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。
这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。
值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。
材料的软化系数在0～1之间。
不同材料的
值相差颇大，如粘土
=0，而金属
=1。
土木工程中将
≥0.85的材料，称为耐水材料。
在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用
>0.85的材料。
用于受潮较轻或次要结构物的材料，其
值不宜小于0.75。
（四）抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。
材料的抗渗性通常用渗透系数表示。
渗透系数的意义是：
一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。
用公式表示为：
（1-13）
式中：
——材料的渗透系数（cm/h）；
Q——渗透水量（
）；
d——材料的厚度（cm）；
A——渗水面积（
）；
t——渗水时间（h）；
H——静水压力水头（cm）。
值愈大，表示渗透材料的水量愈多，即抗渗性愈差。
材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。
抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”表示，其中n为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数，如P4、P6、P8、PS10、P12等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的水压而不渗水。
材料的抗渗性与其孔隙特征有关。
细微连通的孔隙中水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。
封闭孔隙中水不易渗入，因此封闭孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。
开口大孔中水最易渗入，故其抗渗性最差。
抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。
在设计地下结构、压力管道、压力容器等结构时，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。
抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。
（五）抗冻性
材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而重量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。
抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和重量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。
材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用要求、气候条件等来决定。
例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。
材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。
水结冰时体积增大约9%，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。
随着冻融循环次数的增多，材料破坏加重。
所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对结冰膨胀所产生的冻胀应力的抵抗能力。
如果孔隙未充满水，即还未达到饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大的冻胀应力。
极细的孔隙虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水冰点很低，它在一般负温下不会结冰。
粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用。
毛细管孔隙中易充满水分，又能结冰，故对材料的冰冻破坏影响最大。
若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。
一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。
另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。
环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻融破坏愈严重。
材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。
抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项重要指标。
在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。
处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。
四、材料的热工性质
土木工程材料除了须满足必要的强度及其他性能要求外，为了降低建筑物的使用能耗，以及为生产和生活创造适宜的条件，常要求土木工程筑材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。
常考虑的热工性质有材料的导热性、热容量和比热等。
（一）导热性
材料传导热量的能力称为导热性。
材料的导热性可用导热系数表示。
导热系数的物理意义是：
厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1k时，在1s时间内通过1
面积的热量。
用公式表示为：
（1-14）
式中：
λ——材料的导热系数（
）；
Q——传导的热量（J）；
——材料厚度（m）；
A——热传导面积（
）
Z——热传导时间（s）；
——材料两侧温度差（k）。
材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。
各种材料的导热系数差别很大，大致在0.029～3.5
，如泡沫塑料
，而大理石
。
工程中通常把
的材料称为绝热材料。
导热系数与材料内部孔隙构造有密切关系。
由于密闭空气的导热系数很小（
），所以，材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高。
材料受潮或受冻后，其导热系数大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多（分别为0.58
和2.20
）。
因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。
（二）热容量与比热
热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示：
（1-15）
式中：
Q——材料的热容量（J）；
m——材料的重量（g）；
——材料受热或冷却前后的温度差（k）；
c——材料的比热（
）。
比热的物理意义是指1g重量的材料，在温度升高或降低1k时所吸收或放出的热量。
用公式表示为：
（1-16）
式中：
c、Q、m、
的意义，同前面所述。
比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。
不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为4.19
，而结冰后比热则是2.05
。
材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。
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土木工程筑材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。
同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要数据。
几种典型材料的热工性质指标如表1-2所示，由表可见，水的比热最大。
表1-2几种典型材料的热工性质指标
材料
导热系数（
）
比热（
）
铜
370
0.38
钢
56
0.47
花岗岩
3.1
0.82
普通混凝土
1.6
0.86
烧结普通砖
0.65
0.85
松木（横纹）
0.15
1.63
泡沫塑料
0.03
1.30
冰
2.20
2.05
水
0.58
4.19
静止空气
0.023
1.00
第二节材料的力学性质
材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。
一、材料的强度及强度等级
（一）强度
材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。
当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。
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、抗弯强度及抗剪强度等，如图1-2所示
图1-2材料受外力作用示意图
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。
材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。
材料的抗压、抗拉和抗剪的计算公式为：
（1-17）
式中：
f——材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪）（
）；
P——试件破坏时的最大荷载（N）；
A——试件受力面积（
）。
材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其二支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯极限强度按下式计算：
（1-18）
式中：
——材料的抗弯极限强度（
）；
P——试件破坏时的最大荷载（N）；
L——试件两支点间的距离（mm）；
b、h——分别为试件截面的宽度和高度（mm）。
材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。
材料的孔隙率愈大，则强度愈低。
对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系，如图1-3所示。
图1-3材料强度与孔隙率的关系
一般表观密度大的材料，其强度也高。
晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。
玻璃是脆性材料，抗拉强度很低，但当制成玻璃纤维后，则成了很好的抗拉材料。
材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。
一般温度高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。
材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面性状有关。
相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。
由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。
为了使试验结果准确，且具有可比性，各个国家都制定了统一的材料试验标准。
在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。
材料强度是大多数材料划分等级的依据
（二）强度等级
各种材料的强度差别甚大。
土木工程材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为4个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级等等。
土木工程材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。
常用土木工程材料的强度见表1-3所示
表1-3常用土木工程材料的强度（MPa）
材料
抗压强度
抗拉强度
抗弯强度
花岗岩
100～250
5～8
10～14
烧结普通砖
7.5～30
-
1.8～4.0
普通混凝土
7.5～60
1～4
2.0～8.0
松木（须纹）
30～50
80～120
60～100
钢材
235～1600
235～1600
-
（三）比强度
为了对不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。
比强度反映材料单位体积重量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。
比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。
优质的结构材料，必须具有较高的比强度。
几种主要材料的比强度见表1-4所示。
由表1-4中比强度数据可知，玻璃钢和木材是轻质高强的材料，它们的比强度大于低碳钢，而低碳钢的比强度大于普通混凝土。
普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土——这一当代最重要的结构材料，向轻质、高强发展是一项十分重要的工作。
表1-4几种主要材料的比强度
材料
表观密度
（
）
强度
（MPa）
比强度（
/
）
低碳钢
7850
420
0.054
普通混凝土
2400
40
0.017
松木（顺纹抗拉）
500
100
0.200
松木（顺纹抗压）
500
36
0.070
玻璃钢
2000
450
0.225
烧结普通砖
1700
10
0.006
二、材料的弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形即可消失并能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。
材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。
弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为弹性模量。
材料在弹性变形范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应变之比，即：
（1-19）
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。
弹性模量愈大，材料愈不易变形，亦即刚度愈好。
弹性模量是结构设计的重要参数。
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，不能恢复变形的性质称为塑性。
这种不可恢复的变形称为塑性变形，塑性变形为不可逆变形。
实际上，纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，当外力超过一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。
另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生
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