页数：39页文件大小：724.5 KB来源： 土木工程材料ppt课件
本课件讲解材料的组成、宏观与微观结构，以及密度、表观密度、体积密度、堆积密度等基本物性参数，进一步说明密实度、孔隙率、填充率与空隙率的计算关系，并系统展开材料与水、热有关的性质及强度、弹性塑性、脆性韧性、硬度耐磨性等力学性质与耐久性的评价方法。
本页为图示内容，具体说明见对应图片。
本章内容2.1材料的组成与结构2.2材料的物理性质2.3材料的力学性质2.4材料的耐久性
2.1.1材料的组成1.2.许多无机非金属材料是由各种矿物组成的
2.2.1材料的基本物性参数1.材料的孔隙构造材料内部的孔隙构造包括孔隙尺寸的大小以及开口孔和闭口孔等内容
与外界相通的孔叫开口孔
与外界不连通、外界介质进不去的孔叫闭口孔
材料的孔隙构造见图2.1
图2.1材料内部的孔隙构造示意图G—固体物质(体积V)
B—闭口孔隙（体积VB）
K—开口孔隙（体积VK）
P—颗粒间空隙（体积Vp）
（1计算公式如下：式中：ρ—材料的密度，g/cm³m—材料的质量，gv—材料的绝对密实体积，cm³将岩石粉碎磨细，干燥后用李氏瓶测定体积，材料磨得越细越好，测得的体积越接近真实体积
2.材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度
（2计算公式如下：式中：ρ’—材料的表观密度，g/cm³m—材料的质量，gv’—只包括材料自身及闭口孔在内的体积，cm³对于砂石材料，由于其内部孔隙率很小，直接用排水法测定其密度，由于此方法忽略了材料内部的孔隙体积，故又将此方法测得的密度称为表观密度，也叫视密度或视比重
（3）体积密度ρ计算公式如下：式中：ρ0—材料的体积密度，g/cm³m—材料的质量，gv0—材料在自然状态下的体积，即：包括材料自身及闭口孔和开口孔隙的总体积，cm³对于具有规则几何外形的材料，可以直接量取其外形尺寸，利用公式计算即可
对于外观形状不规则的材料，应事先用石蜡将材料表面密封后，采用排液法测定
（4计算公式如下：式中：ρ’0—材料的堆积密度，g/cm³m—材料的质量，gv’0—散粒状材料的堆积体积，即：包括材料自身及闭口孔和开口孔以及颗粒之间空隙的总体积，cm³将干燥的散粒材料试样装入规定尺寸的容器来测定的
1.材料的密实度与孔隙率（1计算公式如下：密实度反映材料的密实程度，含有孔隙的材料，密实度均小于1
（2计算公式如下：孔隙率与密实度的关系：P+D=1孔隙率从另一侧面反映了材料的致密程度
孔隙率越大，则密实度越小
孔隙率的大小与孔隙构造对材料的许多性能有影响
2.材料的填充率与空隙率（1计算公式如下：
（2计算公式如下：空隙率与填充率的关系：P’+D’=1空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的致密程度
在允许的条件下减小空隙率，可以改善混凝土骨料的级配，有利于节约胶凝材料
1.材料的亲水性与憎水性根据材料与水接触时，能否被水润湿的情况分为亲水性与憎水性
材料被水润湿的情况可用润湿边角来区分
如图2.2所示
（a）亲水性材料(b)憎水性材料图2.2材料润湿边角
当材料与水接触时，在材料、水和空气的三相交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所形成的夹角θ称为润湿边角
θ越小，说明浸润性越好
当θ≤90°时，材料易于被水润湿，为亲水性材料，此时材料分子与水分子之间的亲和力大于水分子之间的内聚力
相反，当θ≥90°时，材料不易被水润湿，为憎水性材料，此时材料分子与水分子之间的亲和力小于水分子之间的内聚力
大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料，而沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料
2.材料的吸水性与吸湿性（1吸水性用吸水率来表示，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法
质量吸水率:是指材料吸水饱和时，吸入水的质量占材料干燥质量的百分率
计算公式如下：式中：Wm——材料的质量吸水率，%
m2——材料在吸水饱和状态下的质量，g
m1——材料在干燥状态下的质量，g
:是指材料吸水饱和时，吸入水的体积占材料在自然状态下体积的百分率
计算公式如下：式中：Wv—材料的质量吸水率，%
m2—材料在吸水饱和状态下的质量，g
m1—材料在干燥状态下的质量，g
v0—材料在自然状态下的体积，cm³
（2吸湿性用含水率来表示
计算公式如下：式中：Wh——材料的含水率，%
m3——材料含水时的质量，g
m1——材料在干燥状态下的质量，g
3.水对于材料性能的破坏可以体现在不同方面
耐水性用软化系数来表示
计算公式如下：式中：Kf—材料的软化系数
f1—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa
f0—材料在干燥状态下的抗压强度, MPa
软化系数越大，则耐水性越强
通常认为软化系数大于0.85的材料是耐水的材料
4.抗渗性用渗透系数来表示
计算公式如下：式中：K—渗透系数
Q—透水量，ml
d—材料试件的厚度，cm
A—试件的透水面积，cm2
t—透水时间，s
H—静水压力水头，cm
渗透系数越小，说明材料的抗渗性越好
对于混凝土和砂浆，其抗渗性常用抗渗等级来表示
5.材料发生冻融破坏的原因是由于当温度达到冰点时，材料内部的水分结冰引起体积膨胀，对孔壁造成较强的冻胀压力，致使孔壁破裂，当发生多次冻融循环后，会使得这种破坏作用加剧，表现为由表及里的开裂，起皮，甚至脱落，降低材料使用寿命
材料的抗冻性用抗冻等级Fn表示
n表示材料试件经n次冻融循环试验后，强度降低和质量损失分别不超过规定的数值
n的数值越大，说明抗冻性愈好
1.材料的导热性材料传导热量的能力称为导热性
导热性用导热系数来表示，公式如下：式中：λ—材料的导热系数(W/(mK))
Q—传导的热量(J)
d—材料的厚度(m)
A—材料传热的面积(m2)
z—传热时间(s)
T2-T1—材料两侧的温度差(K)
材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好
工程上把λ≤0.175W/(mK)的材料称为绝热材料
2.热容量大小用比热容（或称热容系数或比热）C表示，用下式计算：式中：C—材料的比热容，J/(gK)
Q—材料吸收或放出的热量(J)
m—材料的质量(g)
T2-T1—材料受热或冷却前后的温差(K)
比热容与材料质量的积，称为材料的热容量值，即材料温度上升1K须吸收的热量或温度降低1K所放出的热量
3.即材料的热胀冷缩性能
这一性能常用长度方向的线膨胀系数来表示，其计算公式如下：式中：α—线膨胀系数(1/K)
ΔL—材料的变形量(mm)
t2―t1—材料在升、降温前后的温度差(K)
L—材料原来的长度(mm)
材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素
5.根据耐火度不同，可将材料分为三大类
（1）耐火材料：耐火度不低于1580℃，如各类耐火砖
（2）难熔材料：耐火度为1350℃～1580℃，如耐火混凝土
（3）易熔材料：耐火度低于1350℃，如普通粘土砖、玻璃等
耐火材料用于高温环境的工程或安装热工设备的工程
6.根据耐燃性不同，可分为三类
（1）不燃材料：是指遇火和高温时不起火、不燃烧、不碳化的材料
如：天然石材、陶瓷制品、混凝土和玻璃等无机非金属材料和金属材料等
（2）难燃材料：是指遇火和高温时难起火、难燃烧、难碳化，只有在火源持续存在时才能持续燃烧，火源撤出燃烧即停止的材料，如：沥青混凝土、经过防火处理的木材等
（3）易燃材料：是指遇火和高温时易于起火、燃烧，火源撤出后燃烧仍能持续进行的材料，如：沥青、木材等
2.3.1材料的强度与比强度1.材料在外力作用下，其内部会产生应力，随着外力增加，应力不断加大，直至材料质点之间结合力不足以抵抗外力的作用时，材料即被破坏
材料破坏时的最大应力称为极限强度
根据外力作用的方式不同，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、和抗剪强度
各种强度如图2.3所示（a）抗压（b）抗拉（c）抗剪（d）抗弯图2.3材料受力示意图
材料的强度通过静力实验来测定
材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度用如下公式来计算：式中：f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度，MPaP——材料承受的最大荷载，ＮA——材料的受力面积，mm2
当在矩形截面梁中点处作用一集中荷载时，用如下公式来计算：当在梁两支点的三等分点上作用两个等值集中荷载时，用如下公式来计算：式中：f——材料的抗弯(折)强度，MPaP——材料承受的最大荷载，ＮL——两支点之间的距离，mmb——材料受力截面的宽度，mmh——材料受力截面的高度，mm
表2-3 各种材料的比强度：下表列出相关数据。
| 项目 | PVC | 铸铁 | 钢 | 纤维缠绕玻璃钢 |
|---|---|---|---|---|
| 体积密度（g/cm³） | 1.4 | 7.8 | 7.84 | 1.8~2.1 |
| 抗拉强度（MPa） | 50~60 | 187 | 380 | 160~320 |
| 比强度 | 36.8 | 25.5 | 48.5 | 100~168 |
注：原课件表格数值按行排列，本表按「材料—数值」对应关系还原；比强度为抗拉强度与体积密度之比，数值越大表示材料轻质高强性能越好。
1.弹性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来的形状和尺寸的性质，称为弹性
这种可以恢复的变形称为弹性变形，弹性变形属于可逆变形
弹性变形的大小与外力的大小成正比，其应力与应变的比值称为弹性模量
弹性模量反映了材料抵抗变形的能力，弹性模量数值越大，在外力作用下材料所产生的变形越小，说明材料的刚度也越大
2.塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，仍保持变形后形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为塑性
这种不可恢复的变形称为塑性变形，由于塑性变形永久地保留下来，故又称为永久变形
不同材料在外力作用下，表现出不同变形特点，但是，完全的弹性材料或塑性材料是不存在的，多数材料在受力时，既有弹性变形，又有塑性变形
1.具有此性质的材料称为脆性材料
如：天然石材、陶瓷制品、玻璃、混凝土、砖等
脆性材料往往具有较高的抗压强度，而其抗拉强度则较低，抗冲击和抗振动的能力也较差，所以，工程上常用它来做为受压构件使用，但不宜用于承受冲击和振动荷载的作用
2.韧性材料在冲击和振动荷载作用下，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
具有此性质的材料称为韧性材料
如：建筑钢材、木材和塑料制品等
韧性材料在破坏前会产生明显的变形，这种变形是由于外力做功所致，即外力做的功转化为材料的变形能被材料所吸收，而不致引起突然破坏
用于承受动力荷载的结构，如桥梁、公路和铁路以及工厂的吊车梁等工程所用材料，应具有良好的韧性
表2-4 不同矿物的莫氏硬度等级：下表列出相关数据。
| 标准矿物 | 硬度等级 | 标准矿物 | 硬度等级 |
|---|---|---|---|
| 滑石 | 1 | 正长石 | 6 |
| 石膏 | 2 | 石英 | 7 |
| 方解石 | 3 | 黄玉 | 8 |
| 萤石 | 4 | 刚玉 | 9 |
| 磷灰石 | 5 | 金刚石 | 10 |
注：莫氏硬度分10级，硬度等级越高，材料抵抗刻划、压入的能力越强，耐磨性也越好。
2.常用磨损率来表示，其计算公式如下：式中：M—材料的磨损率（g/cm2）
m1—材料磨损前的质量（g）
m2—材料磨损后的质量（g）
A—材料受磨损的面积（cm2）
材料的硬度越高，耐磨性也越好
用于路面、地面等经常受磨损部位的材料，应选用耐磨性好的材料
环境对材料的破坏作用，可分为物理作用、化学作用、机械作用和生物作用
(1)物理作用：主要有温度变化、冻融循环、干湿交替等作用，这些作用将使材料发生体积胀缩或导致内部裂缝的扩展，久而久之，会使材料逐渐破坏
(2)化学作用：包括紫外线的照射、化学物质对材料的溶解、溶出、氧化等作用，这些作用会使材料逐渐变质而破坏
(3)机械作用：包括交变荷载、持续荷载作用以及撞击引起材料疲劳、冲击、磨损、空（气）蚀、磨耗等
(4)生物作用：包括昆虫、菌类对材料的侵害作用
如：木材常因腐朽而破坏
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