土木工程材料 教 材： 土木工程材料 编 者： 湖南大学、天津大学、 同济大学、东南大学合编 主讲人： 徐会文 吉林大学建设工程学院

第一章 土木工程材料的基本性质 本章的主要内容： 1、材料的组成、结构和构造； 2、材料的基本物理性质； 3、材料的基本力学性质； 第一章 土木工程材料的基本性质 本章的主要内容： 1、材料的组成、结构和构造； 2、材料的基本物理性质； 3、材料的基本力学性质； 4、材料的耐久性。

第一节 材料科学的基本理论 一、材料的组成 1、化学组成 第一节 材料科学的基本理论 一、材料的组成 材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成三个方面。 1、化学组成 化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。当材料与环境及各类物质相接触时，它们之间必然要按化学规律发生相互作用。例如钢材及其他金属材料的锈蚀和腐蚀等，都是由其化学组成所决定的。

2.矿物组成 材料的矿物组成主要是指无机材料，如天然石材、水泥和无机胶凝材料等而言的。材料的矿物组成是在其化学组成确定的条件下，决定材料性质的主要因素。 材料科学中常将具有特定的晶体结构、具有特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。 矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量，包括矿物种类和数量之间的关系。

3、相组成 材料中相与上述概念从其本质是一致的。材料中将结构相近、性质相同的均匀部分称为相。 土木工程材料多数属于多相固体材料，这种由两相或两相以上的物质组成的材料，成为复合材料。

二、材料的结构和构造 ㈠材料的结构 所谓材料的结构是指材料各组成部分的搭配和排列形式。 材料的结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构。

材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。土木工程材料的宏观结构，按其孔隙特征可分为： 1、宏观结构 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。土木工程材料的宏观结构，按其孔隙特征可分为： ①致密结构：例如金属材料、致密石材、玻璃、塑料、橡胶等。 ②多孔结构：如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。 ③微孔材料：如石膏制品、低温烧结粘土制品。

按其组织结构特征分为： ①堆聚结构：例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。 ②纤维结构：例如木材、玻璃钢、岩棉、GRC制品等。 ③层状结构：例如胶合板、蜂窝板、纸面石膏板、各种新型节能复合墙板等。 ④散粒结构：例如混凝土中的粗细骨料、粉煤灰、细纱、膨胀珍珠岩等。

2、细观结构 细观结构（也称亚微观结构）是指可用光学显微镜观察到的结构。土木工程材料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行分类研究。 　　材料细观结构层次上的各种组织结构、性质和特点各异，其特征、数量和分布对土木工程材料的性能有重要影响。

3、微观结构 微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜或X射线来进行分析研究。 按微观结构材料可分为晶体、玻璃体、胶体。

⑴晶体的类型 ①原子晶体：如石英、金刚石等矿物。 ②离子晶体：如CaCl2_、NaCl等。 ③分子晶体：如有机化合物、高分子化合物。 　　⑴晶体的类型 　 ①原子晶体：如石英、金刚石等矿物。 ②离子晶体：如CaCl2_、NaCl等。 ③分子晶体：如有机化合物、高分子化合物。 ④金属晶体：如钢铁材料。

土木工程材料中占有重要地位的硅酸盐，其最基本的结构单元为硅氧四面体。 图中符号说明： 浅色的球为氧原子；深色的为硅原子。其中的硅可被三价的铝、铁等原子所置换。 图1-1 硅氧四面体结构示意图

当硅氧四面体在一维方向上，以链状结构相连时，形成纤维状矿物，如石棉；当硅氧四面体在二维方向上相互连成片状结构，再由片状结构相叠合成层状结构矿物，如粘土、云母、滑石等；当硅氧四面体在三维空间形成立体空间网架结构时，可形成立体岛状结构矿物，如石英。

⑵玻璃体 玻璃体亦称为无定形体或非晶体。其结合键为共价键及离子键；玻璃体的结构特征为质点在空间上呈非周期性排列。 　　玻璃体类物质是化学不稳定的结构，容易与其他物质起化学反应，故玻璃体类物质的化学活性较高。

图1-2 晶体与非晶体的原子排列示意图

以胶粒（粒径小于0.1μm的固体颗粒）作为分散相，分散在连续相介质（如水、气、溶剂）中，形成的分散体系称为胶体。 ⑶胶体 以胶粒（粒径小于0.1μm的固体颗粒）作为分散相，分散在连续相介质（如水、气、溶剂）中，形成的分散体系称为胶体。 在胶体结构中，分为溶胶结构和凝胶结构两种形式且可以互相转化。 与晶体及玻璃体结构相比，胶体结构的强度较低，变形较大。

三、材料的构造 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间相互搭配情况。构造与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配与组合关系。 材料的构造强调了材料的整体上的完整性，它对材料的力学强度及其它性能的影响要比结构更大，更具有实际的意义。

第二节 材料的基本物理性质 一、材料的密度、表观密度与堆积密度 1、密度 密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算： ρ=m/V 式中 ρ：密度，g/cm3； m：材料的质量，g； V：材料在绝对密实状态下的体积，cm3 ； 绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。

　　2、表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算： ρ0=m/V0 式中ρ0 ：表观密度，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。 材料的表观体积是指在包含内部孔隙的体积。通常表观密度是指气干状态下的表观密度；而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。

　　3、堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算： 式中： ρ0′：堆积密度，kg/m3； m：材料的质量，kg； V0′：材料的堆积体积，m3。 材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。

二、材料的密实度与孔隙率 1、密实度 密实度是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下式计算： D=V/V0×100% 2、孔隙率 孔隙率是指材料的体积内，孔隙体积所占的比例，按下式计算： P=（V0-V）/V0=1-V/V0 =（1-ρ0/ρ）×100%　 即 D+P=1　

三、材料的填充率与空隙率 1、填充率 填充率是指在某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度。按下式计算： 填充率 D′=V/V0′×100% 或 D′=ρ0′/ρ0×100% 2、空隙率 空隙率是指在某堆积体积中，散粒材料颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算： 空隙率 P′=（V0′-V）/ V0′=1-V0/ V0′ 或 P′ =（1-ρ0′/ρ0）×100% 即 D′+P′=1 　　空隙率可作为控制混凝土骨料的级配及计算砂率的依据。

四、材料与水相关的性质 1、材料的亲水性与憎水性 土木工程中的建筑物、构筑物常与大气中的水汽相接触。水分与不同的材料表面接触时，根据材料的表面能的高低，其作用的结果是不同的。 图1-3 材料的表面特性与润湿角 ⑴ 亲水材料 ⑵ 憎水材料

　　在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角（θ）称为润湿角。 当润湿角θ为零，则表示该材料完全被水所浸润。 当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料表面分子之间的相互吸引力，这种材料为亲水材料。 当θ＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料表面分子之间的吸引力，材料表面不会被水浸润，此种材料称为憎水材料。

2、材料的吸水性与吸湿性 ⑴含水率 材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比，称为材料的含水率。 W=（m1-m）/m×100% 式中： W---材料的含水率，%； m---材料在干燥状态下的质量，g； m1---材料在含水状态下的质量，g。 ⑵吸水性 材料与水接触吸收水分的性质，称为材料的吸水性。当材料吸水饱和时的含水率称为材料的吸水率。

　　⑶吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿作用一般是可逆的，材料吸湿能力会随空气中湿度的变化而变化，既可吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。 3、材料的耐水性 材料抵抗水的破坏作用的能力的大小称为材料的耐水性。通常将水对材料的力学性质及结构性质的劣化作用称为耐水性，亦可称狭义耐水性。

材料的耐水性可用软化系数来表示： 软化系数的范围在0～1之间，长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物，应选择软化系数在0.85以上的材料来建造。

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性可用渗透系数来表示： 4.材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性可用渗透系数来表示： 式中 K---渗透系数，cm/h； Q---透水量，cm3； d---试件厚度，cm； A---透水面积，cm2； t----试件，h； H---静水压力水头，cm。 渗透系数越小，材料的抗渗性也越好。

第三节 材料的基本力学性质 一、材料的理论强度 材料的理论强度是指材料在理想状态下所应具有的强度。材料的理论强度取决于质点间作用力。 材料的理论抗拉强度，可用下式表示： 式中 ft---材料的理论抗拉强度； E----材料的弹性模量； γ----单位表面能； d----原子间的距离。

材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力称为强度。 二、材料的强度 　　材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力称为强度。 图1-4 材料受力示意图

根据外力作用方式的不同，材料的强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，其强度的计算公式如下 式中 f-----材料的强度，N/mm2或MPa； Fmax----材料破坏时的最大荷载，N； A------受力截面的面积，mm2。

材料的抗弯强度与加荷方式有关，单点集中加荷和三分点加荷的计算公式如下 式中 f-----材料的抗弯强度，N/mm2或MPa； Fmax---破坏时的最大荷载，N； L-----两支点的间距，mm； b，h----试件横截面的宽与高，mm。

图1-5 材料的强度与孔隙率的关系

不同结构和各个方向的性质不同，材料的强度差异很大，如砖、石材、混凝土和铸铁等材料的抗压强度较高，而抗拉强度及抗弯强度较低。木材的顺纹抗拉强度高于抗压强度。钢材的抗拉、抗压强度都很高。

三、弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即消失，完全恢复到原来形状的性质称为弹性。这种变形称为弹性变形。 材料在外力作用下，当应力超过一定限值时产生显著变形，且不产生裂缝或断裂，外力撤消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。 某些材料则可能在外力的作用下同时产生弹性与塑性变形。　　

当外力达到一定限度后，材料突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 四、材料的脆性与韧性 当外力达到一定限度后，材料突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 脆性材料的特点是材料在外力作用下，达到破坏荷载时的变形很小。脆性材料不利于抵抗振动和冲击荷载，会使结构发生突然性破坏，是工程中应避免的。

　 在冲击、振动荷载作用下，因材料能够吸收较大的能量，而不发生破坏的性质，称为韧性，亦称冲击韧性。 材料的韧性常用冲击试验来检验。建筑钢材（软钢）、木材等属于韧性材料。在桥梁、吊车梁及有抗震要求的土木工程结构中，应考虑材料的韧性。

第四节 材料的耐久性 材料的耐久性是材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、不变质的能力。 材料耐久性的意义： 第四节 材料的耐久性 材料的耐久性是材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、不变质的能力。 材料耐久性的意义： ⑴具有良好耐久性的土木工程材料修筑的工程结构，会具有较长的使用寿命。

⑵土木工程所处的环境复杂多变，其材料所受到的破坏因素亦千变万化。由于各种破坏的复杂性和多样性，使得耐久性是材料的一项综合性质。

⑶由于各种原因，土木工程结构常常会因耐久性不足而过早破坏。因此，耐久性是土木工程材料的一项重要技术性质。 ⑷深入了解并掌握土木工厂能够材料耐久性的本质，从材料、设计、施工、使用各方面共同努力，才能保证工程材料和结构的耐久性，延长工程结构的使用寿命。