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1、石家庄市城乡建设学校市政教研室第二章 材料的基本性质一、材料与质量有关的性质材料的体积构成材料的体积构成 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。封闭孔隙（体积为Vb）开口孔隙（体积为Vk）固体物质（体积为V）材料在自然状态下总体积：V0V+Vp 孔隙体积：VpVb+VkVp孔隙体积材料体积的种类绝对密实体积绝对密实体积 干燥材料在绝对密实状态下的干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物质的体积，体积。即材料内部固体物质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。或不包括内部孔隙的材
2、料体积。一般将材料磨成规定细度的粉末，用一般将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得到其体积。排开液体的方法得到其体积。自然体积自然体积V0 材料在自然状态下的体积，即整体材料的外材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。观体积（含内部孔隙和水分）。 形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积；形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后用排开液体的方法得到其体积。用排开液体的方法得到其体积。堆积体积堆积体积V0 粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。松散
3、堆积状态下的体积较大，密实堆积体积。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。状态下的体积较小。（一）材料的密度 1.实际密度实际密度 指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：按下式计算： 式中：式中：实际密度，实际密度，g/cm3 或或 kg/m3； m材料的质量，材料的质量，g 或或 kg； V材料的绝对密实体积，材料的绝对密实体积，cm3 或或 m3。Vm例一请求请求100g的的H2O的体积。的体积。2.表观密度表观密度 表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。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：按下式计算
4、： 式中：式中：0材料的体积密度材料的体积密度, g/cm3 或或 kg/m3； m 材料的质量，材料的质量，g 或或 kg； V0材料的自然体积，材料的自然体积，cm3 或或 m3。00Vm（一）材料的密度例二例二某材料，干燥状态下质量为某材料，干燥状态下质量为115g，自然状，自然状态下的体积为态下的体积为44cm3，绝对密实状态下的，绝对密实状态下的体积为体积为37 cm3。请计算此材料的密度。请计算此材料的密度及及表观密度表观密度o 。3. 堆积密度堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态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：下单位体积的质量。按下
5、式计算：式中：式中：0材料的堆积密度材料的堆积密度, g/cm3 或或 kg/m3； m 材料的质量，材料的质量，g 或或 kg； 材料的堆积体积，材料的堆积体积，cm3 或或 m3。00Vm（一）材料的密度0V颗粒材料空 隙砂堆积密度的测定砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积（二） 材料的密实度 密实度：材料体积内固体物质填充的程度。密实度：材料体积内固体物质填充的程度。 对于绝对密实材料，对于绝对密实材料， 因因 0 = ，故密实度，故密实度D =1 或或100%。对于大多数土木工程材料，。对于大多数土木工程材料， 因因 0 ，故密实度故密实度D 1 或或 D
6、100%。 10010000VVD孔隙率：材料内部孔隙的体积占材料总体积的百孔隙率：材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。分率。式中：式中：V材料的绝对密实体积，材料的绝对密实体积，cm3 或或 m3；V0材料的表观体积，材料的表观体积，cm3 或或 m3； 0材料的表观密度材料的表观密度, g/cm3 或或 kg/m3； 密度密度, g/cm3 或或 kg/m3。）（1001100000VVVP （三）孔隙率例三例三某石灰岩密度为某石灰岩密度为268g/cm3，孔隙率为，孔隙率为1.5%，今将该石灰岩破碎，今将该石灰岩破碎,求此碎石的表求此碎石的表观密度。观密度。例四已知孔隙率为已知孔隙率
7、为22.1%，求此材料的密实度，求此材料的密实度D。二、材料与水有关的性质1.亲水性与憎水性亲水性与憎水性 与水接触时，材料表面能被水润湿的性与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性质称为亲水性,900；材料表面不能被；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性水润湿的性质称为憎水性, , 900 。二、材料与水有关的性质2.材料的吸水性材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率来表示。（1） 质量吸水率质量吸水率 质量吸水率是指材料在吸水饱质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状和时，所吸水量占材料在干燥状态下的态下的质量质量百分比，百分比
8、，（2） 体积吸水率体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，自然体积的百分率，二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质（3）影响材料吸水性的因素）影响材料吸水性的因素 材料是亲水的还是憎水的材料是亲水的还是憎水的; ;孔隙率大小孔隙率大小; ;孔隙特征孔隙特征. .（4)不良影响：不良影响：吸水会改变材料的许多性能：吸水会改变材料的许多性能： 强度下降，体积膨胀，保暖性能降低，强度下降，体积膨胀，保暖性能降低，抗冻性质变坏等。抗冻性质变坏等。二、材料与水有关的性质3. 材料的吸湿性材料的吸湿性（1）概
9、念：）概念： 材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。分的性质。（2）表示方法：）表示方法： 含水率含水率 当空气中湿度在较长时间内稳定当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时衡状态，此时材料的含水率保持不材料的含水率保持不变变，其含水率称为，其含水率称为平衡含水率平衡含水率。例例1： 500g砂烘干至恒重时的质量为砂烘干至恒重时的质量为486g，求此河砂的含水率。，求此河砂的含水率。二、材料与水有关的性质吸水率与含水率的区别吸水率与含水率的区别比较项目比较项目吸水率吸水率含水率含水率适用
10、场合适用场合在水中吸收水分在水中吸收水分在空气中吸收水分在空气中吸收水分表示方法表示方法吸收水分的质量比或吸收水分的质量比或体积比体积比吸收水分的质量比吸收水分的质量比吸收水量吸收水量达到饱和达到饱和与空气中水分平衡与空气中水分平衡通常小于吸水率通常小于吸水率4. 材料的耐水性材料的耐水性 材料的耐水性是指材料长期在饱材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数。材料耐水性的指标用软化系数。二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重
11、要特征之一。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将工程中通常将KR0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75 。 例二例二普通黏土砖进行抗压试验：普通黏土砖进行抗压试验： 浸水饱和后其抗压强度为浸水饱和后其抗压强度为183KN/m2，干燥状态下的抗压强度为干燥状态下的抗压强度为207KN/m2。请求（请求（1）此材料的软化系数；）此材料的软化系数； （2）此砖是否宜于建筑物中与水接）此砖是否宜于建筑物中与水接触的部位使用？触的部位使用？二、材
12、料与水有关的性质5.材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数K材料的渗透系数越小，说明材料的材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。抗渗性越强。12、（1）抗渗性混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。 混凝土的抗渗性用抗渗等级表示。是以28d龄期的标准试件，按规定方法进行试验时所能承受的最大静水压力来确定。可分为P4、P6、P8、P10和P12等五个等级，分别表示混凝土能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0和1.2MPa的静水压力而不发生渗透。（2）抗冻性混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能抵抗冻融循环作用而不发生破坏，强
13、度也不显著降低的性质。用抗冻等级表示。抗冻等级是以28d龄期的混凝土标准试件，在饱和水状态下，强度损失不超过25，且质量损失不超过5时，所能承受的最大冻融循环次数来表示，有F10、F15、F25、F50、F100、F200、F250和F300等九个等级。 二、材料与水有关的性质（2） 抗渗等级抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母S及可承受的水压力（以及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。为单位）来表示抗渗等级。如如S
14、4、S6、S8、S10等，表示试件能承受逐步增高至等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。的水压而不渗透。（3）影响材料抗渗性的因素）影响材料抗渗性的因素o材料亲水性和憎水性材料亲水性和憎水性 通常憎水性材料其抗渗性优于亲水通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；性材料；o材料的密实度材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高；密实度高的材料其抗渗性也较高；o材料的孔隙特征材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。6、抗冻性、抗冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状
15、态下，能抵抗冻融循环作用而不发生破坏，态下，能抵抗冻融循环作用而不发生破坏，强度也不显著降低的性质。强度也不显著降低的性质。用抗冻等级表示。抗冻等级是以用抗冻等级表示。抗冻等级是以28d龄期的龄期的混凝土标准试件，在饱和水状态下，强度损混凝土标准试件，在饱和水状态下，强度损失不超过失不超过25，且质量损失不超过，且质量损失不超过5时，时，所能承受的最大冻融循环次数来表示，有所能承受的最大冻融循环次数来表示，有F10、F15、F25、F50、F100、F200、F250和和F300等九个等级。等九个等级。 二、材料与水有关的性质影响抗冻性的因素影响抗冻性的因素1.材料的密实度（孔隙率）材料的密实
16、度（孔隙率） 密实度越高则其抗密实度越高则其抗冻性越好。冻性越好。2.材料的孔隙特征材料的孔隙特征 开口孔隙越多则其抗冻性越差。开口孔隙越多则其抗冻性越差。3.材料的强度材料的强度 强度越高则其抗冻性越好。强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性材料的耐水性 耐水性越好则其抗冻性也越好。耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量大小材料的吸水量大小 吸水量越大则其抗冻性越差吸水量越大则其抗冻性越差。三、与热有关的性质1、导热性2、比热容和热容量3、材料的保温隔热性能四、材料的力学性质1.材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。n根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪
17、、抗弯（抗折）强度等。FFFFFFlFl/2bh抗压抗拉抗剪抗弯四、材料的力学性质抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f材料强度， MPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； A试件受力面积，mm2。抗弯强度的计算： 中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中：fw材料的抗弯强度， MPa；Fmax材料受弯破坏时的最大荷载，N；A试件受力面积，mm2；L 、b 、 h 两支点的间距，试件横截面的宽及高， mm。AFfmax2max23bhLFfw比强度 是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料的强度与其表观密度之比。 它是衡量材料轻质高强的一个主要指标。四、材料的
18、力学性质2.弹性和塑性弹性和塑性（1 1）弹性）弹性 材料在外力作用下产材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形称为弹性变形（或瞬时变形）。形）。 （2 2）塑性）塑性 材料在外力作用下产材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形称为塑性变形（或永久变形）
19、。变形）。E=例如：混凝土、钢筋四、材料的力学性质3.脆性和韧性脆性和韧性 材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。的特性。四、
20、材料的力学性质4.硬度和耐磨性硬度和耐磨性（1 1）硬度）硬度n材料的材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。硬度。n刻划法用于天然矿物硬度的划分，按刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、英、黄晶、刚玉、金刚石金刚石的顺序，分为的顺序，分为1010个硬度等级个硬度等级。钢球压入法：木材、混凝土、钢材常用此法硬度大的材料耐磨性较强，
21、但不易加工。（2)耐磨性耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的。材料的耐磨性用耐磨性用磨耗率磨耗率表示，计算公式如下：表示，计算公式如下：式中：式中： G 材料的磨耗率，材料的磨耗率， （g/cm2）；）；m1材料磨损前的质量，（材料磨损前的质量，（g）；）；m2 材料磨损后的质量，（材料磨损后的质量，（g）；）； A材料试件的受磨面积材料试件的受磨面积 （cm2）。）。AmmG21四、材料的力学性质五、材料的耐久性 材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久种内在或外来自然
22、因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。地保持其使用性能的性质。 材料的耐久性：是一种综合性质，如抗冻性、材料的耐久性：是一种综合性质，如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀均属于耐久性的抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀均属于耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有密切关系。材料的耐久性有密切关系。 材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的用。
23、这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。作用。五、材料的耐久性n物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。如：如：混凝土的碳化、水泥石的溶蚀。混凝土的碳化、水泥石的溶蚀。n化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。如：沥青如：沥青n机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。n生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、
24、蛀生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。蚀而破坏。如：木材、竹材、植物纤维如：木材、竹材、植物纤维本章总结：材料的基本物理性质；材料的基本物理性质；材料的力学性质；材料的力学性质；材料的耐久性。材料的耐久性。补充练习：一、填空题1、材料的 （）及（ ） 是决定材料性质的基本因素，要掌握材料的性质必须了解材料的（ ） 、（ ） 与材料性质之间的关系。2、土木工程材料按化学性质分三大类：（ ） 、（ ） 、 （ ） 。 3、 土木工程材料的技术性质主要有： （ ） 、 （ ）、（ ） 。4、当水与材料接触时，沿水滴表面作切线，此切线和水与材料接触面的夹角，称 （ ） 。5、材料吸
25、收水分的能力，可用吸水率表示，一般有两种表示方法： （ ） 和 （ ） 。6、材料在水作用下，保持原有性质的能力，称 （ ） 用 （ ）表示。7、材料抵抗压力水渗透的性质称 （） ，用 （ ）或 （ ）表示。 8、 材料抗渗性大小与 （ ） 和 （） 有关。9、材料的变形特征有两种类型 （） 和（ ） 。10、根据材料被破坏前塑性变形显著与否，将材料分为 （ ）与 （ ） 两大类。 二、判断题1、材料的体积吸水率就是材料的开口孔隙率。 （ ）2、对于多孔的绝热材料，一般吸水率均大于100%，故宜 用体积吸水率表示。（）3、孔隙率又称空隙率。 （ ）4、吸水率就是含水率。（ ） 5、冻融破坏作用
26、是从外表面开始剥落逐步向内部深入的。 （）6、由微细而封闭孔隙组成的材料小，而由粗大连通孔隙组成的材料大。 （ ）7、传热系数与热阻互为倒数。 （ ）三、选择题1、某铁块的体积密度= m /（ ）。 A、V0 B、V孔 C、V D、V02、某粗砂的堆积密度=m/（ ）。 A、V0 B、V孔 C、V D、V03、散粒材料的体积V0=（ ）。 A、V+V孔 B、V+V孔+V空 C、V+V空 D、V+V闭4、材料的孔隙率P=（ ）。 A、V B、 V0 C、V0 D、 p E、PK+PB+P颗粒之间5、材料憎水性是指润湿角（ ）。 A、900 C、=900 D、=0 6、材料的吸水率有哪几种表示方法
27、（ ）。 A、W w B、WV C、Kp D、Pk7、材料的吸水率与（ ）有关。 A、亲水性 B、憎水性 C、孔隙率 D、孔隙形态特征 E、水 的密度。8、材料的耐水性可用（ ）表示。 A、亲水性 B、憎水性 C、抗渗性 D、软化 系数9、材料抗冻性的好坏取决于（ ）。 A、水饱和度 B、孔隙特征 C、变形能力 D、 软化系数四、解释密度：孔隙率：抗渗性：抗冻性：导热系数：热容：热阻：强度：耐水性：硬度：六、计算题1.一块状材料(孔隙特征为开口连通),自然状态下体积为72cm3,自然状态下(含水)的质量为129.1g,烘干后(体积不变)质量为121.5g,材料的密度为2.7g/cm3,求其表观密度、含水率、质量吸水率各是多少?(水的密度为1g/cm3) 2.某一块状材料,完全干燥时的质量为120g,自然状态下的体积为50cm3,绝对密实状态下的体积为30cm3; 试计算其密度、表观密度和孔隙率. 若体积受到压缩,其表观密度为3.0g/cm3,其孔隙率减少多少? 3、取质量为m（单位：g）的干燥石子，令其浸水饱和，然后装入广口瓶中，注满水并设法排尽空气后，用玻璃片封盖瓶口，称得总质量为m1。然后将石子和水自广口瓶中倒出，再向瓶内注满水，排出气泡后用玻璃片封盖瓶口，称得质量为m2。设水密度为W（单位：g/cm3），试问由此可测得石子什么性质的指标？（求表观体积，算出表观密度。）
