第一章土木工程材料的基本性质1.1材料的组成与结构1.1.1材料的组成材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材料物理、力学性质的重要因素。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。2）矿物组成将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。例如水泥熟料的矿物组成为：3Ca0.Si0237~60%、2Ca0.Si0215~37%、3Ca0.AL2037~15%、4Ca0.AL203.Fe20310~18%，若其中硅酸三钙（3Ca0.Si02）含量高，则水泥硬化速度较快，强度较高。3）相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、和固相。建筑材料大多数是多相固体。1.1.2材料的结构1）宏观结构建筑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。其尺寸在10-3m级以上。按其孔隙特征可分为：致密结构、多孔结构、微孔结构。按存在状态或构造特征分为：堆聚结构、纤维结构、层状结构、散粒结构。2）细观结构细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。如对天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织：对钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体。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射线来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在10-6~10-10m。在微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度与堆积密度1）密度（俗称比重）P=W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：式中
第一章 土木工程材料的基本性质 1.1 材料的组成与结构 1.1.1 材料的组成 材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材料物理、力学性质的重要因素。 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。 2）矿物组成 将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性 能的组成结构称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。例如水泥 熟料的矿物组成为：3CaO.SiO2 37~60%、2CaO.SiO2 15~37%、3CaO.AL2O3 7~15%、 4CaO.AL2O3.Fe2O3 10~18%，若其中硅酸三钙（3CaO.SiO2）含量高，则水泥硬化 速度较快，强度较高。 3）相组成 材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中 的物质可分为气相、液相、和固相。建筑材料大多数是多相固体。 1.1.2 材料的结构 1）宏观结构 建筑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。其尺寸在 10-3m 级以上。按其孔隙特征可分为：致密结构、多孔结构、微孔 结构。按存在状态或构造特征分为：堆聚结构、纤维结构、层状结构、散粒结构。 2）细观结构 细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜所能观察到的 材料结构。其尺寸范围在 10-3~10-6m。如对天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、 非晶体组织；对钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体。 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 来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在 10-6~10-10m。在微观 结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。 1.2 材料的基本物理性质 1.2.1 材料的密度、表观密度与堆积密度 1）密度（俗称比重） 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： 式中
p—一密度，kg/m3；m—一材料的质量，kg;V一一材料在绝对密实状态下的体积，m3。在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其密实体积。在测量某些致密材料（如卵石等）的密度时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，材料中部分与外部不连通的封闭孔隙无法排除，这时所求得的密度称为近似密度（pa）2）表观密度（俗称容重）Po=%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：式中p0——表观密度，kg/m3；m一一材料的质量，kg；VO一一材料在自然状态下的体积，或称表观体积m3。表观密度一般是指材料在气干状态（长期在空气中干燥）下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。3）堆积密度（俗称松散容重）D=鲁·100%密实度D=长·100%po= 7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p0——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量kg;v0一一材料的堆积体积m3。1.2.2材料的密实度与孔隙率1）密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，按下式计算：或2）孔隙率孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。用下式表示：
ρ ——密度，kg/m3； m ——材料的质量，kg； V——材料在绝对密实状态下的体积，m3。 在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用 李氏瓶测定其密实体积。 在测量某些致密材料（如卵石等）的密度时，直接以块状材料 为试样，以排液置换法测量其体积，材料中部分与外部不连通的封闭孔隙无法排 除，这时所求得的密度称为近似密度（ρa） 2）表观密度（俗称容重） 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： 式中 ρ0——表观密度，kg/m3； m——材料的质量，kg； V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积 m3。 表观密度一般是指材料在气干状态（长期在空气中干燥）下的 表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。 3）堆积密度（俗称松散容重） 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 ρ’0——堆积密度，kg/m3； m——材料的质量 kg； V’0——材料的堆积体积 m3。 1.2.2 材料的密实度与孔隙率 1）密实度 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，按下式计算： 或 2）孔隙率 孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。用下式表示：
原k%[1-po隙率100%p即D+P=1或密实度+孔隙率=1材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。孔隙按尺寸大小又分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗孔隙。孔隙的大小及其分布对材料的性能影响较大。1.2.3材料的填充率与空隙率1）填充率填充率是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗填充的程度，按下式计算：或2）空隙率空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例，用下式表示：空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互(a)(b)相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。图1-1材料润湿边角（a）亲水材料（b）憎水材料1.2.4材料的亲水性和增水性润湿是水被材料表面吸附的过程。当水与材料在空气中接触时，将出现1-1（a）或（b）的情况，在材料、水和空气的交界处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角（润湿边角）愈小，浸润性愈好。1.如果润湿边角为零，则表示该材料完全被水所浸润：
即 D+P=1 或 密实度+孔隙率=1 材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。孔隙按尺 寸大小又分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗孔隙。孔隙的大小及其分布对材料的 性能影响较大。 1.2.3 材料的填充率与空隙率 1）填充率 填充率是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗填充的程度，按 下式计算： 或 2）空隙率 空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所 占的比例，用下式表示： 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互 相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与 计算含砂率的依据。 1.2.4 材料的亲水性和憎水性 润湿是水被材料表面吸附的过程。 当水与材料在空气中接触时，将出现 1-1（a）或（b）的情况， 在材料、水和空气的交界处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角（润 湿边角）愈小，浸润性愈好。 1. 如果润湿边角 θ 为零，则表示该材料完全被水所浸润；
2.当润湿边角0≤90°时，如图1-2（a）所示，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材料；3.当>90°时。如图1-2（b）所示，水分子之间的内聚力大于水分了与材料分子间的吸引力，则材料表面不会被浸润，此种材料称为增水性材料。这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。1.2.5材料的吸水性与吸湿性1）吸水性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。m,-mg.100%W=mg质量吸水率计算公式如下：式中Wm一一材料的质量吸水率（%）；mb一一材料在吸水饱和状态下和质量（kg）：mg——材料在干燥状态下的质量(kg)。m,-mg.100%W=VoPw体积吸水率计算公式如下：式中Wv一一材料的体积吸水率（%)：VO一一干燥材料在自然状态下的体积（m3）：pw一一水的密度（kg/m3），在常温下取pw=1000kg/m3。质量吸水率与体积吸水率存在下列关系：Wv=Wm·p0/1000材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大，闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大。2）吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在于燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。m,-m.100%W=mg
2. 当润湿边角 θ≤90°时，如图 1-2（a）所示，水分子之间的内聚 力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材 料； 3. 当＞90°时。如图 1-2（b）所示，水分子之间的内聚力大于水分 了与材料分子间的吸引力，则材料表面不会被浸润，此种材料称为 憎水性材料。 这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情况，相应地 称为亲液性材料或憎液性材料。 1.2.5 材料的吸水性与吸湿性 1）吸水性 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。 质量吸水率计算公式如下： 式中 Wm——材料的质量吸水率(%)； mb——材料在吸水饱和状态下和质量(kg)； mg——材料在干燥状态下的质量(kg)。 体积吸水率计算公式如下： 式中 Wv——材料的体积吸水率(%)； V0——干燥材料在自然状态下的体积(m3)； ρw——水的密度（kg/m3），在常温下取 ρw=1000kg/m3。 质量吸水率与体积吸水率存在下列关系： Wv=Wm·ρ0/1000 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通 孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大，闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水 分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水 率很不相同，差异很大。 2）吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干 燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示
式中Wh一一材料的含水率（%）；ms一一材料在吸湿状态下的质量（kg）；mg一一材料在干燥状态下的质量（kg）。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热材料，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大，吸附水的能力强所致。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身质量增大，绝热性降低，强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响使用。不过利用材料的吸湿可起降湿作用，常用于保持环境的干燥。1.2.6材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐KR=Jg水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：式中KR—一材料的软化系数；fb一一材料在饱水状态下的抗压强度(MPa)；fg一一材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。KR值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈大，即耐水性愈差。材料的软化系数KR在0~1之间。不同材料的KR值相差较大，如粘土KR=0，而金属KR=1，工程中将KR>0.85的材料，称为耐水的材料。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KR>0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。1.2.7材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示：K,=QdAtH式中Ks一一材料的渗透（cm/h）：Q一渗透水量（cm3）；d一一渗透的厚度（cm)；A一一渗水面积（cm2)；t一一渗水时间(h);H一一静水压力水头(cm)。KS值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。如P4、P6、P8等分别表示
式中 Wh——材料的含水率（%）； ms——材料在吸湿状态下的质量（kg）； mg——材料在干燥状态下的质量（kg）。 材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含 水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热材料，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大，吸附水的能力强所 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 其自身质量增大，绝热性降低，强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿 和还湿还会引起其体积变形，影响使用。不过利用材料的吸湿可起降湿作用，常 用于保持环境的干燥。 1.2.6 材料的耐水性 材料长期在水作用下不破坏，强度也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，如下式： 式中 KR——材料的软化系数； fb——材料在饱水状态下的抗压强度(MPa)； fg——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。 KR 值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈大，即耐水性愈差。 材料的软化系数 KR 在 0~1 之间。不同材料的 KR 值相差较大，如粘土 KR =0，而 金属 KR =1，工程中将 KR＞0.85 的材料，称为耐水的材料。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 KR＞0.85 的建筑材料。对用于受潮 较轻或次要结构物的材料，其 KR 值不宜小于 0.75。 1.2.7 材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料 的抗渗性通常用渗透系数表示： 式中 Ks——材料的渗透(cm/h)； Q——渗透水量(cm3)； d——渗透的厚度(cm)； A——渗水面积(cm2)； t——渗水时间(h)； H——静水压力水头(cm)。 KS 值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。 材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。如 P4、P6、P8 等分别表示