第1章 土木工程材料的基本性质 教学提示：材料的基本性质是材料的共同性质，学生通过学习，要求了解材料科学的一 些基本概念,并掌握材料各项基本力学性质、物理性质、化学性质、耐久性质等材料性质 的意义，以及它们之间的相互关系和在工程实践中的意义。 教学要求：熟练掌握土木工程材料的基本力学性质。掌握土木工程材料的基本物理性 质，耐久性的基本概念。了解土木工程材料的基本组成、结构和构造，了解材料结构和构 造与材料基本性质的关系。 土木工程材料是土木工程的物质基础，材料的性质与质量很大程度上决定了工程的性 能与质量。在工程实践中，选择、使用、分析和评价材料，通常是以其性质为基本依据的。 土木工程材料的性质，可分为基本性质和特殊性质两大部分。材料的基本性质是指土木工 程中通常必须考虑的最基本的、共有的性质；材料的特殊性质则是指材料本身的不同于别 的材料的性质,是材料的具体使用特点的体现。 1.1材料的基本物理性质 1.1.1材料的体积组成 大多数土木工程材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产 生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。 孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连通两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔， 与外界不相连通的叫闭口孔。 含孔材料的体积组成如图1.1所示。从图1.1可知，含孔材料的体积包括以下三种。 (1)材料绝对密实体积。用V表示，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积。 (2)材料的孔体积。用VP表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积（记为V)和 闭口孔体积（记为VB)。 (3)材料在自然状态下的体积。用表示，是指材料的实体积与材料所含全部孔隙体 积之和。 上述几种体积存在以下的关系。 Vo-V+Vp (1.1) 其中 VP=VK+VB (1.2) 散粒状材料的体积组成如图1.2所示。其中V’表示材料堆积体积，是指在堆积状态 下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒
土木工程材料*6.状材料体积关系如下：Vo=Vo+V=V+Vp+ V(1.3)VoV图1.1含孔材料体积组成示意图1.固体物质：2.闭孔：3.开孔Vo'Vo图1.2散粒材料堆积体积组成示意图1.颗粒的固体物质；2.颗粒的闭口孔隙：3.颗粒的开口孔隙；4.颗粒间的间隙.6
第1章土木工程材料的基本性质.7.1.1.2材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量，称为材料的密度（俗称比重）。其计算式如下：p="(1.4)式中p—材料的密度(g/cm)。m—材料的质量(干燥至恒重)(g)。V一材料的绝对密实体积（cm）密度的单位在SI制中为kg/m，我国建设T程中般用g/cm，偶尔用kg/L，忽略不写时，隐含的单位为g/cm，如水的密度为1。多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实休积。在常用的土木工程材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。测定含孔材料绝对密实体私的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排波法（李氏瓶，见15.1.1）测得的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的休积也就越精确，因此，二般要求细粉的粒径至少小于0.2mm对」砂石，因其孔隙率很小，VVo，常不经磨细，直接用排水法测定H密度。对丁本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重，2.表观密度材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度（原称容重）。其计算式如下：-%(1.5)式中P%——材料的表观密度(kg/m)。-材料的质量(kg)。m-一材料在自然状态下的体积（m）。测定材料在口然状态下的体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算：若外观形状不规则，可用排液法测得，为了防正液体山孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度（见15.3.3），如果要测定砂仁真正意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干（气干）、烘干、饱和面干和湿润四种。一般为气干状态，烘干状态下的表观密度叫干表观密度。3.堆积密度散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积密度（原称松散容重）。其计算式如下：=m(1.6)Po =-17
:8.土木工程材料式中一散粒材料的堆积密度（kg/m）。P-材料的质量(kg)。m-V。——散粒材料的堆积体积(m)。材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积（人工捣实后）。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1-1所示。表1-1常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称密度(g/cm2)表观密度(kg/m2)堆积密度(kg/m2)石灰岩2.6~2.81800~2600花岗岩2.7~~3.02000~2850900~1300(松散堆积)水泥2.8~3.1-【400~1700(紧密堆积)混凝土用砂2.5~2.61450~1650-混凝土川石2.6~2.91 400~1 700普通混凝上-2 100~2500粘土2.5~2.71 600~1 800钢材7 8507.85-铝合金2.7~2.92700~2900-烧结普通砖2.5~2.71500~1800-建筑陶瓷2.5~2.71800~2500红松木1.55~1.60400~800玻璃2.45~2.552450~2.550-10~50泡沫塑料--1.1.3材料的孔隙率与空隙率1.孔隙率材料中孔隙体积占材料总体的白分率，称为材料的孔隙率（P）。其计算式如下：V.-V×100%=[1_Px100%P=(1.7)1P材料孔隙率的人小反映了材料的密实程度，孔隙率人，则密实度小。工程中对保温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。1.程上，一般通过测定材料的密度和表观密度来计算材料的孔隙率。2.空隙率散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙休积占堆积休积的百分率，称为材料的空隙率(P）。其计算式如下：.8
第1章土木工程材料的基本性质.9.V,-VPaPx100%=x100%(1.8)v.Po)空隙率的大小反映了散粒材料堆积时的致密程度，与颗粒的堆积状态密切相关，可以通过压实或振实的方法获得较小的空隙率，以满足不同工程的需要。1.1.4材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性当水与材料表面相接触时，不同的材料被水所润湿的情况各不相同，这种现象是由于材料与水和空气三相接触时的表面能不同而产生的（如图1.3所示）。T777(a)(b)(a)亲水性材料(b）僧水性材料图1.3材料的润湿角材料、水和空气三相接触的交点处，沿水表而的切线与水和固体接触面所成的夹角θ称为润湿角。当水分子间的内聚力小于材料与水分子间的分子亲合力时，6≤90°，这种材料能被水润湿，表现为亲水性。当水分子间的内聚力大于材料与水分子间的分子亲合力时，9≥90°，这种材料不能被水润湿，表现为僧水性。土木工程材料中石材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材为亲水性材料：沥背、塑料、橡胶和油漆等为增水性材料，工程上多利用材料的怡水性来制造防水材料。2.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，材料的吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达形式。1）质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水量占材料十质量的百分率。其计算式如下：mg-mg×100%Wu=(1.9)m.式中Wm-材料的质量吸水率(%)。材料在吸水饱和状态下的质量(g)。mbmg—材料在T燥状态下的质量(g)。2）体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料白然体积的百分率。其计算式如下：m-m×二×100%W=(1.10)Vapw式中W一材料的体积吸水率(%)。9