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土木材料基本性质
《土木工程材料》中“土木材料的基本性质”的知识导图
编辑于2020-10-02 09:49:59
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土木材料基本性质
材料的组成
化学组成
定义
指材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。
作用
根据化学组成可大致地判断材料的化学稳定性，如氧化、燃烧、受酸、碱、盐类的侵蚀等。
矿物组成
矿物：金属元素与非金属元素按一定化学组成构成具有一定的分子结构和性质的物质。
有些材料由单一矿物组成， 如石灰、 石膏等；有些材料由多种矿物组成，这样的材料其性质主要取决于每种矿物的性质及含量。（如硅酸盐水泥中含有硅酸三钙这种矿物，若提高其含量，则水泥硬化速度和强度都将提高。）
相组成
定义
材料中具有相同的物理、化学性质的两匀部分称为相。
自然界中的物质可分为气相、液相、 固相。土木工程材料大多数是多相固体，可看作复合材料， 例如混凝土。
它不仅影响着材料的化学性质，而且是决定材料物理力学性质的重要因素。
材料的结构和构造
材料的结构
宏观结构 (用肉眼或放大镜就可分辨结构层次，10^-3 m级以上)
致密结构
具有致密结构的材料可以看作无孔隙的材料。如钢材、玻璃、塑料、致密天然石材等。
性质
强度和硬度高、吸水性小、抗冻性和抗渗性好。
多孔材料
多孔材料内部有分布较均匀的孔隙，孔隙率高。例如，加气混凝土、泡沫塑料等。
性质
质量轻、保温隔热、吸声隔声性能好。
纤维结构
材料内部质点排列具有方向性。如木材、玻璃纤维等。
性质
其平行纤维方向、垂直纤维方向的强度和导热性等性质具有明显的方向性。 （即各向异性）
层状结构
指通过天然形成或人工粘结等方法将材料叠合而成层状的材料结构。(如胶合板、纸面石膏板、蜂窝夹芯板、各种节能复合墙等。)
性质
能提高材料的强度、硬度、保温及装饰等性能。
细观(亚微观)结构 (光学显微镜观测到的微米组织，10^-3~10^-6m)
如分析金属材料的金相组织，观测木材的木纤维、导管，以及观察混凝土内的微裂缝等。
材料内部各种组织的性质各不相同，这些组织的特征、数量、分布及界面之间的结合情况等，都对材料性质有重要影响。
微观结构 (电子显微镜和X射线衍射分析等手段来研究材料的原子、分子级的结构，其尺寸范围10^-6~10-^10 m)
材料的许多物理性质，如硬度、熔点、塑性等都是由其微观结构决定的。
晶体
定义
相同质点在空间中做周期性重复排列的固体称为晶体。
分类(质点及质点间的作用力不同)
原子晶体
离子晶体
分子晶体
金属晶体
特点
具有特定的几何外形，各向异性，固定的熔点和化学稳定性等。
玻璃体
定义
玻璃体是种不具有明显晶体结构的结构状态，又称为无定形状或非晶体，如玻璃。
结构特征
构成玻璃体的质点在空间上呈非周期性排列。(原因：玻璃体的结合健为共价键和离子键)
特点
无一定的几何外形，无熔点而只有软化现象，各向同性，化学性质不稳定。 （如粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等均属玻璃体，在一定条件下，具有较大的化学潜能，大量用作硅酸盐水泥的掺合料，改善其性能。）
胶体
定义
以结构粒径为10^-7~-10^-9m的固体颗粒作为分散相，分放在连续相介质中形成分路体系的物质称为胶体。
特点
胶体的总表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以具有较强的粘结力。
胶凝
定义
胶体由脱水作用或质点的凝聚而形成凝胶。
特点
凝胶具有固体的性质，在生长期应力下，又具有黏性液体流动的性质。（如水泥水化物中的凝胶体。）
材料的构造
定义
指特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。
构造这一概念与结构相比，更强调了相同材科的指配组合关系。 （例如节能墙板就是具有不同性质的材料经特定组合搭配而成的一种复合材料， 具有良好的保温隔热、吸声隔声、防火抗震等性能。）
物理性质
密度
ρ——密度(g/cm3)
m——材料在干燥状态的质量(g)
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积(cm^3)
材料绝对密实体积
定义
材料绝对密实体积是指不包括材料内部空隙的固体物质的体积， 见图2-1。
测定方法
李氏瓶法
土木工程材料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙，测定有孔隙的材料的密度时，需将材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测得其真实体积。（砖、石等块状材料的密度即用此法测得。）
材料磨得越细，测得的密度值越精确。
排水法
而某些致密材料(如卵石、碎石等)的密度，以干燥的颗粒状材料，直接用排水法测定其体积。
由于材料中部分与外部不连通的封闭的孔隙无法排除，这时所求得的密度为近似密度。
表观密度
ρo——表观密度(g/cm^3)
m——材料在干燥状态下的体积(kg)
Vo——材料在自然状态下的体积(m^3)
材料在自然状态下的体积
测定方法
材料形状规则，直接测量尺寸； 不规则，采用排液置换，但材料表面应涂蜡，以防止水分渗人材料内部。
材料表观密度与材料含水情况有关。故测表观密度时，应注明含水情况，通常指标在气干状态(长期在空气中状态)下的表观密度。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。
堆积密度
ρo’——散装材料的堆积密度(g/cm^3)
m——散粒材料的质量(kg)
Vo’——散粒材料在自然堆积状态下的体积(cm^3)
散粒材料在自然堆积状态下的体积
测定方法
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。)
若捣实体积，计算所得则称紧密堆积密度。常用材料的密度、表观密度和堆积密度见表2-1。
孔隙率 (直接反映材料的密实程度)
定义
孔隙率是指材料内部孔隙体积占总体积的百分率。
计算：
材料的孔隙可分为(按孔隙的特征)
连通孔
封闭孔
材料中所吸水分是通过开口孔隙吸人的，故开口孔隙率越大，则材料的吸水量越多。
孔隙率以及孔隙特征与材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。通常孔隙率较小，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。
空隙率 (反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度)
定义
空隙率是指散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积占总体积的百分率。
计算
在配制混凝土时，空隙率可作为控制混凝土集料级配及计算砂率时的依据。
密实度 (反映材料体积内被固体物质所交的程度)
定义
密实度是指固体物质的体积占总体积的百分率。
计算
孔隙率十密实度=1，见下式：P(孔隙率)+D(密实度)=1
填充率 (反应某堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度)
定义
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。
计算
空隙率十填充率=1，见下式：P'(空隙率)+D'(填充率)=1
材料与水有关的性质
材料的亲水性与憎水性
亲水性 (当材料与水接触时，能被水润湿)
分类(按含水状态)
干燥状态：材料的孔隙中不含水或含水极微
气干状态：材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡
饱和面干状态：材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和
含水湿润状态：材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜
憎水性 (当材料与水接触时，不能被水润湿)
润湿边角
定义
如图2-2所示，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、水以及空气三相的交点处，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。
当0°<0≤90°时，材料表面吸附水，材料易被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；例如:砖、木、混凝土等。
当90°<θ≤180°时，材料表面不吸附水，这种材料称为憎水材料；例如:沥青、石蜡等。
当θ= 0°时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。
材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。亲水材料表面常要求进行憎水处理用以防水，憎水性材料常用于防水。
吸水性
定义
亲水性材料与水接触吸收水分的性质称为吸水性。
吸水率 (土木工程材料一般采用质量吸水率)
质量吸水率：
材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率。
Wm——材料的质量吸水率(%)
mb——材料在吸水饱和状态下的质量(g)
mg——材料在干燥状态下的质量(g)
体积吸水率：
材料吸水饱和时，吸收的水分的体积占干燥材料体积的百分率。
mb——材料的体积吸水率(%)
mg——干燥材料在自然状态下的体积(cm^3)
ρw——水的密度，常温下取1.0g/(cm^3)
质量吸水率与体积吸水率有下列关系：
影响因素
材料的孔隙率
材料的孔隙特征
对于细微连通孔隙，孔隙率越大，则吸水率越大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进人，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。
工程实例:某施工队原使用普通烧结黏土砖，后改为加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样的方式往墙上浇水，发现原使用的普通烧结黏土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块虽表面看来浇水不少，为何实际吸水不多呢?原因分析:加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。因此，吸水缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。
吸湿性
定义
材料在空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性用含水率表示。
含水率
材料含水的质量占材料在干燥状态下的质量的百分率。
Wh——材料的含水率(%)
ms——材料在含水状态下的质量(g)
mg——材料在干燥状态下的质量(g)
材料吸湿和吸水都会引起其形状和尺寸的改变，更会影响材料的强度、保温、隔热等性能。
耐水性
定义
材料长期在水作用下不被破坏，强度等原有功能基本不变的能力，称为耐水性，用软化系数表示。
软化系数
KR——材料的软化系数，其值取0~1
fb——材料在饱和状态下的抗压强度(MPa)
fg——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)
可溶性物质石膏长期处于水环境内，其KR=0。一般材料吸水后，强度会有所降低。强度降低越多，软化系数越小，说明材料的耐水性就越差。
要求用于长期处于水中或潮湿环境中的重要结构的材料，KR > 0.85；选用受潮较轻或次要结构的材料，要求KR≥0.75。
材料的热性质 (以使建筑物保持室内温度的稳定性)
导热性
定义
材料传导热量的性质称为导热性，常用导热系数表示
导热系数
λ——导热系数(W/(m*K))
Q——总传热量(J)
a——试件的厚度(m)
A——热传导面积(m^2)
t——热传导时间(h)
T2-T1——材料两面温差(K)
材料的导热系数越小，表示其绝热性能越好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把λ<0.23 W/(m. K)的材料称为绝热材料。
热容量
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。
Q——材料的热容量(J)
c——材料的比热容[J/(g*k)]
m——材料的质量(g)
T2-T1——材料两面温差(K)
比热容c表示lg材料温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量，比热与材料质量m的乘积为材料的热容量。
热容量值大的材料，本身能吸人或储存较多的热量，对于保持室内温度有良好的作用，并减少能耗。因此选择有热保温要求的维护结构时，应尽可能选用导热系数小、比热容大即热容量值大的材料，以使室内温度稳定。
耐燃性
建筑物是由建筑构件组成的，如基础、柱、梁、板等，而建筑构件的燃烧性能取决于所使用建筑材料的燃烧性能。
不燃烧体
金属、砖、石混凝上等不燃性材料制成的构成，称为不燃烧体。这种构件在空气中遇明火或高温作用下不起火、不微燃、不炭化。如砖墙、钢屋架、钢筋混凝土梁等构件都属于非燃烧体，常被用作承重构件。
难燃烧材料
用难燃性材料制成的构件或用可燃材料制成而用不燃性材料作保护层制成的构件。其在空气中遇明火或高温作用下难起火、难微燃，难碳化，且当火源移开后燃烧和微燃立即停止。
燃烧材料
用可燃性材料制成的构件。这种构件在空气中遇明火或在高温作用下会立即起火或发生微燃，而当火源移开后，仍继续保持燃烧或微燃。如木梁、纤维板吊顶等构件都属燃烧材料。
土木工程材料的耐久性
定义
材料在长期使用过程中，抵抗各种自然因素及有害介质，保持其原有性能而不变质和不被破坏的能力称为材料的耐久性。
侵蚀作用分类
物理作用
分类
干湿变化
温度变化
冻融变化等
这些变化可引起材料的收缩和膨胀，长期或反复作用会使材料逐渐破坏。 （如水泥混凝土的热胀冷缩。）
化学作用
分类
包括酸，破、盐等物质的水溶波及气体对材料产生的侵蚀作用
使材料产生质的变化而破坏。（例如钢筋的锈蚀、沥青与沥青混合料的老化等。）
生物作用
生物作用是昆虫、菌类等对材料所产生的蛀蚀、腐蚀等破坏作用。 （如木材及植物纤维材料的腐烂等。）
抗渗性 （决定材料耐久性的重要因素 检验防水材料质量的重要指标）
概述
材料在压力水作用下，抵抗渗透的性质称为抗渗性。
材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性。例如，储油罐要求材料具有良好的不渗油性。
影响因素
材料的抗渗性主要取决于材料的孔隙率及孔隙特征。
密实的材料，具有闭口孔或极微细孔的材料，实际上是不会发生透水现象的； 具有较大孔隙率，且为较大孔径、开口连通孔的亲水性材料往往抗渗性较差。
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抗渗性。
渗透系数： (对于防潮、防水材料 (如沥青、油毡、沥青 混凝土等)
抗渗性通常用渗透系数表示，即一定厚度的材料，在单位水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。
K——材料的渗透系数(cm/h)
Q——渗透水量(cm^3)
d——试件的厚度(cm)
A——渗水面积(cm^2)
t——渗水时间(t)
H——净水压力水头(cm)
渗透系数越小，则表示材料的抗渗性能越好。
抗渗等级P=10H-1 (砂浆、混凝土等)
P——抗渗等级
H——试件开始渗水时的水压力(MPa)
抗渗等级越高，则表示材料的抗渗性能越好。
影响因素
材料孔隙率
材料的孔隙特征
孔隙率很低而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性能。
对于地下建筑及水工构筑物，因常受到压力水的作用，所以对材料的抗渗性有较高的要求。对于防水材料，则要求有更高的抗渗性。
抗冻性
定义
材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而质量损失不大，强度也无明显降低的性质称为材料的抗冻性。
产生破坏作用(冻融破坏)的原因
冰冻的破坏作用是由于材料中含水，水在结冰时体积膨胀约9%，从而对孔隙产生压力(动胀压力)而使孔壁开裂(材料的内应力，使材料遭到局部破坏)。冻融循环的次数越多，对材料的破坏作用越严重。
对处于冬季外界温度低于—10°C的寒冷地区，建筑物的外墙及露天工程中使用的材料必须进行抗冻性检测。
抗侵蚀性
金属材料
金属类的材料在使用环境中主要是遭受氧化腐蚀，尤其是在一定湿度的情况下，水会使金属类的氧化锈蚀作用更为显著，而且这种侵蚀作用常伴有电化学腐蚀、使腐蚀作用加剧。
防止金属材料侵蚀的措施
在金属表面进行处理，加设镀层或涂敷涂料。
无机非金属材料
无机非金属材料在环境中受到的侵蚀作用主要是溶解、溶出、碳化及酸碱盐类的化学作用。如水泥及混凝土构筑物受到流动的软水作用，其内部成分会被溶解和溶出，使结构结构变得疏松，当遇到酸、碱或盐类时，还可能发生化学反应使结构遭受破坏。
为了提高抗侵蚀能力，应针对侵蚀环境的条件选取适当的材料，在侵蚀作用剧烈条件下，也应采用保护层的做法。
耐老化性
概述
高分子材料在光、热及大气的作用下，其组成及结构发生变化，致使其性质变化，失去弹性、变硬变脆或降低机械性能变软变黏，失去原有功能的现象叫老化。
高分子材料的老化使高分子材料在工程中的利用受到了限制。
防止高分子老化的措施
改变聚合物的结构、加人防老化剂的化学方法
表面涂防护层的物理方法。
耐风化性等
力学性质
强度
定义
强度是指外力作用下材料抵抗破坏时所能承受的最大应力。
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受到的外力时，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强度。材料受外力作用示意图见图2-4。
抗压、抗拉、抗剪强度：
f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度(MPa)
P——材料破坏时的最大荷载(N)
A——材料受力截面积(mm^2)
抗弯强度
测定方法
1.将条形试件放在两支点上，中点作用集中荷载，对矩形截面试件，则抗弯强度按下式计算：
2.在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载，则抗弯强度按下式计算：
f——材料的抗弯极限强度(MPa)
P——材料破坏时的最大荷载(N)
L——试件两支点间的距离(mm)
b、h——试件截面的宽度和高度(mm)
比强度
单位体积质量的材料强度，数值上等于材料的强度与自身表观密度之比。
反映材料轻质高强的力学参数
材料的强度与组成、结构和构造有关。不同组成的材料具有不同的抵抗外力的特点。相同组成的材料也因结构及构造的不同，而强度有较大的差异。例如，石材、混凝土等非匀质材料的抗压强度较高，而抗拉及抗折强度却很低。常用材料的强度见表2-2。
弹性与塑性
弹性
材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，变形能完全消失的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。
塑性
材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状，并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。
脆性与韧性
脆性
当外力达到一定值时，材料突然破坏，且无明显塑性变形的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。
特点
脆性材料的抗压强度远远高于其抗拉强度，这对承受振动和冲击作用是极为不利的，如砖、玻璃、 陶瓷等。
韧性
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不突然破坏的性质称为冲击韧性。如建筑钢材、木材、沥青混凝土等。
硬性和耐磨性
硬度
硬度是指材料表面抵抗较硬物质压入或刻划的能力。
测定方法
刻划法
常用于测定天燃矿物的硬度。
压入法
以一定的压力将一定规格的钢球或金刚石压入试样表面，根据压痕的面积或深度来计算材料的硬度。 （钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测定。）
耐磨性
耐磨性是材料抵抗磨损的能力，用磨损率表示。
磨损率
N——材料的磨损率(g/cm^2)
m1,m2——材料磨损前、后的质量(g)
A——试件受磨面积(cm^2)
一般来说，强度高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性也较好。