土木工程材料CivilEngineeringMaterials【工程案例導(dǎo)入】杭州灣跨海大橋：橋梁建設(shè)與材料科技的完美結(jié)合杭州灣跨海大橋在浩瀚的東海之濱，矗立著一座雄偉壯觀的橋梁——杭州灣跨海大橋。大橋全長(zhǎng)36公里，其中橋長(zhǎng)35.7公里，橋面設(shè)計(jì)雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100公里/小時(shí)，總投資約118億元。杭州灣跨海大橋不僅是連接上海與寧波的重要交通樞紐，更是現(xiàn)代土木工程技術(shù)的杰出代表。橋梁的建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，如海域環(huán)境復(fù)雜、風(fēng)力大、潮汐頻繁、海水腐蝕性強(qiáng)等，對(duì)土木工程材料的選擇與應(yīng)用提出了極高的要求。CONTENT材料性質(zhì)與材料組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系01材料的物理性質(zhì)02材料的力學(xué)性質(zhì)03材料的耐久性、安全性與環(huán)境協(xié)調(diào)性04第二章

土木工程材料基本性質(zhì)01材料性質(zhì)與材料組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系1.材料性質(zhì)與材料組成的關(guān)系

材料的組成是指構(gòu)成該材料的元素或化合物的種類及其比例，而材料的性質(zhì)則包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)等，不同的組成會(huì)導(dǎo)致材料具有不同的性能。材料的化學(xué)組成材料的礦物組成材料的相組成1.材料性質(zhì)與材料組成的關(guān)系材料的化學(xué)組成

材料的化學(xué)組成是指構(gòu)成該材料的元素或化合物的種類及其比例，其是決定材料宏觀性能的基礎(chǔ)。

可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等。

在材料設(shè)計(jì)和合成過(guò)程中，化學(xué)組成可以通過(guò)精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的性能。1.材料性質(zhì)與材料組成的關(guān)系材料的礦物組成

礦物是指無(wú)機(jī)非金屬材料中具有特定的晶體結(jié)構(gòu)、特定的物理力學(xué)性能的組織結(jié)構(gòu)。材料的礦物組成指其內(nèi)部不同礦物的種類、數(shù)量及相互關(guān)系。材料的相組成

材料的相組成是指在材料中具有相同化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的均勻部分；材料的相可以分為固相、液相和氣相。2.材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系

材料的宏觀結(jié)構(gòu)按孔隙尺寸可以分為：致密結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、散粒結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu)等。2.材料性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料在微觀結(jié)構(gòu)的層次上可以分為晶體、非晶體和膠體。晶體：原子晶體、離子晶體、分子晶體、金屬晶體非晶體：無(wú)定形體或玻璃體02材料的物理性質(zhì)1材料的密度真實(shí)密度

材料的真實(shí)密度又稱真密度，是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的固體物質(zhì)的實(shí)際質(zhì)量，即去除內(nèi)部孔隙或者顆粒間的空隙后的密度。其計(jì)算公式表示為：

（2-1）式中：——材料的真實(shí)密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的質(zhì)量（g或kg）;——材料的絕對(duì)密實(shí)體積（cm3或m3）。測(cè)定真密度的方法主要有氣體容積法和浸液法（比重瓶法）兩種1材料的密度1材料的密度表觀密度

材料的表觀密度是指材料的質(zhì)量與其表觀體積的比值。表觀體積包括了材料的實(shí)體積以及閉口孔隙的體積，但不包括開口孔隙的體積。其計(jì)算公式表示為：

（2-2）式中：——材料的表觀密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的質(zhì)量（g或kg）；——材料的表觀體積（cm3或m3）。表觀密度測(cè)定通常采用的方法有排液法、氣體置換法等。1材料的密度體積密度

材料的體積密度是指材料在包含內(nèi)部孔隙和外部開口孔隙等情況下，單位體積的質(zhì)量，俗稱容重。其計(jì)算公式表示為：

（2-3）式中：——材料的體積密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的質(zhì)量（g或kg）；——材料在自然狀態(tài)下的體積（包括材料實(shí)體及開口、閉口孔隙）（cm3或m3）。對(duì)于規(guī)則形狀材料的體積，可用量具測(cè)得。對(duì)于不規(guī)則形狀材料的體積，可用二次排液法或封蠟法測(cè)得。1材料的密度1材料的密度堆積密度

材料的堆積密度是指粉狀、顆粒狀或纖維狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。其計(jì)算公式表示為：

（2-4）式中：——材料的堆積密度（g/cm3或kg/m3）；——材料的質(zhì)量（g或kg）；——材料在自然堆積狀態(tài)下的體積（cm3或m3）。測(cè)定散粒材料的體積可通過(guò)已標(biāo)定容積的容器計(jì)量而得。1材料的密度1材料的密度常用土木工程材料的密度、表觀密度和堆積密度見表2-1。表2-1土木工程中常用材料的密度、表觀密度和堆積密度材

料密度/（g/cm3）表觀密度/（kg/m3）堆積密度/（kg/m3）鋼7.8~7.97850花崗石2.7~3.02500~2900石灰石2.4~2.61600-24001400-1700（碎石）砂2.5-2.61500~1700水泥2.8~3.1—1100~1300燒結(jié)普通磚2.6~2.71600-1900燒結(jié)多孔磚2.6-2.7800~1480紅松木1.55-1.60400~600玻璃2.45-2.552450~2550普通混凝土1950~26002材料的孔隙率和空隙率孔隙率與密實(shí)度

材料的孔隙率是指材料中的孔隙體積占材料自然狀態(tài)下總體積的百分率，包括開口孔和閉口孔的為總孔隙率，簡(jiǎn)稱孔隙率，以P表示?？紫堵拾聪率接?jì)算：

（2-5）

密實(shí)度是與孔隙率相對(duì)應(yīng)的概念，指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度，用符號(hào)D表示，按下式計(jì)算：

（2-6）即孔隙率與密實(shí)度之和為100%。2材料的孔隙率和空隙率空隙率與填充率

材料的空隙率是指散粒狀材料在堆積體積狀態(tài)下顆粒固體物質(zhì)間空隙體積（開口孔隙與間隙之和）占堆積體積的百分率，它以符號(hào)P'表示?？障堵拾聪率接?jì)算：

（2-7）

空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭?。

填充率是指散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下，其中的顆粒體積占自然堆積狀態(tài)下的體積的百分率，用符號(hào)D'表示，按下式計(jì)算：

（2-8）3材料的親水性和憎水性親水性和憎水性

在材料、水和空氣的三相交叉點(diǎn)處沿水滴表面作切線，此切線與材料和水接觸面的夾角稱為接觸角，用θ表示（圖2-9），θ小于90度，則表明該固體具有較好的親水性，具有這種性質(zhì)的材料稱為親水性材料；θ大于90度時(shí)，材料被認(rèn)為具有憎水性；具有這種性質(zhì)的材料稱為憎水性材料。材料潤(rùn)濕示意3材料的親水性和憎水性3材料的親水性和憎水性3材料的親水性和憎水性3材料的親水性和憎水性3材料的吸水性和吸濕性材料的吸水性與吸濕性（1）吸水性

材料的吸水性是指材料在水中能吸收水分的性質(zhì)。材料吸水飽和時(shí)的含水率稱為材料的吸水率，吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。①質(zhì)量吸水率

質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，其內(nèi)部所吸水分的體積占材料自然體積的百分率。其公式表示為：

（2-9）式中：wm——材料的質(zhì)量吸水率（%）；

mg——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；

mb——材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。3材料的吸水性和吸濕性材料的吸水性與吸濕性②體積吸水率體積吸水率材料吸水飽和時(shí)，所吸水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。其公式表示為：

（2-10）式中：wv——材料的體積吸水率（%）；

V'——干燥材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）；

ρw——水的密度（g/cm3），在常溫下。ρw=1g/cm3。土木工程中一般采用質(zhì)量吸水率來(lái)表示材料的吸水性。質(zhì)量吸水率與體積吸水率兩者的關(guān)系表示如下：

（2-11）式中：ρ'——材料在干燥狀態(tài)下的體積密度（g/cm3）3材料的吸水性和吸濕性（2）吸濕性

材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。

材料的吸濕性用含水率表示，含水率是值材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料在干燥狀態(tài)下質(zhì)量的百分率。其公式表示為：

（2-12）式中：wh——材料的含水率（%）；

mg——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；

ms——材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。3材料的耐水性（3）耐水性

材料的耐水性是指材料抵抗水破壞的能力，即材料長(zhǎng)期在飽和水作用下不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示。其公式表示為：

（2-13）式中：KR——材料的軟化系數(shù)；

fb——材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

fg——材料在干燥態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。通常將軟化系數(shù)大于0.85的材料看作耐水材料。3材料的耐水性（4）抗?jié)B性

材料的抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性能?？?jié)B性常用滲透系數(shù)KS或抗?jié)B等級(jí)P來(lái)表示，其計(jì)算公式如下：

（2-14）式中：KS——滲透系數(shù)（cm/h）；

Q——滲水量（cm3）；

d——試件厚度（cm）；

A——透水面積（cm2）；

t——時(shí)間（h）；

H——水頭高度（水壓）（cm）。滲透系數(shù)KS的物理意義是在一定時(shí)間內(nèi)，一定的水壓作用下，單位厚度的材料，單位截面積上的透水量。滲透系數(shù)越小的材料表示其抗?jié)B性越好。3材料的抗?jié)B性（4）抗?jié)B性

材料的抗?jié)B性也可以用抗?jié)B等級(jí)表示?？?jié)B等級(jí)是指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)試件在透水前所能承受的最大水壓力，用符號(hào)“Pn”表示，其中n為該材料所能承受的最大水壓力（MPa）數(shù)值的10倍，如P4、P6、P8、P10等，表示材料試件能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水壓力而不滲水。

材料的抗?jié)B性與孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)和親水性等指標(biāo)有關(guān)，通?？紫堵矢?，且具有細(xì)小、均勻分布孔隙的材料其抗?jié)B性較差，憎水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。3材料的抗凍性（5）抗凍性

材料的抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，抵抗多次凍融循環(huán)作用而不被破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。

材料的抗凍性用抗凍等級(jí)表示?？箖龅燃?jí)是以規(guī)定的試件、在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，在凍融后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失不超過(guò)一定限度，并且無(wú)明顯損壞和剝落所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定的?？箖龅燃?jí)用符號(hào)“Fn”表示，其中n為該材料所能承受最大凍融循環(huán)次數(shù)，如材料的抗凍等級(jí)F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。4材料的熱工性質(zhì)（1）熱容量和比熱容

材料的熱容量是指材料在溫度升高或降低時(shí)吸收或釋放熱量的能力。其公式表示為：

（2-15）式中：Q——材料的熱容量（J）；

m——材料的質(zhì)量（g）；

C——材料的比熱容[J/（g?K）]；

（t2-t1）——材料受熱或冷卻前后的溫差（K）。

比熱容是單位質(zhì)量的材料溫度升高或降低1℃所吸收或釋放的熱量，通常用符號(hào)“C”表示，其公式表示為：

（2-16）式中字母C、Q、m、（t2-t1）的意義同上。4材料的熱工性質(zhì)（2）導(dǎo)熱性

當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將從溫度高的一側(cè)通過(guò)材料傳遞給溫度低的一側(cè)，材料的這種傳遞熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。

材料的導(dǎo)熱性可以用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示，其公式表示為：

（2-17）式中：λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/（m?K）]；

Q——傳遞的熱量（J）；

a——材料的厚度（m）；

A——材料傳熱的面積（m2）；

Z——熱傳導(dǎo)的時(shí)間（s）；

（t2-t1）——材料兩面溫度差（K）。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料的導(dǎo)熱性能越好。4材料的熱工性質(zhì)（2）導(dǎo)熱性影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)的因素有：①材料的組成與結(jié)構(gòu)

一般地說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)金屬材料>無(wú)機(jī)非金屬材料>有機(jī)材料；晶體材料>非晶體材料。②同種材料孔隙率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小

細(xì)小孔隙、閉口孔隙比粗大孔隙、開口孔隙對(duì)降低導(dǎo)熱系數(shù)更為有利，因?yàn)楸苊饬藢?duì)流導(dǎo)熱。③含水或含冰時(shí)，會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加

因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)是空氣的25倍，而冰的導(dǎo)熱系數(shù)又是水的4倍。所以，對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)的保溫隔熱材料，要注意防潮、防凍。4材料的熱工性質(zhì)（3）熱阻和傳熱系數(shù)

材料層（墻體或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過(guò)的能力稱為熱阻。熱阻的公式表示為：

（2-18）式中：R——材料層熱阻（m2?K/W）；d——材料層厚度（m）；λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m?K）]。

熱阻的倒數(shù)1/R稱為材料層（墻體或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量。4材料的熱工性質(zhì)（3）熱阻和傳熱系數(shù)材料層（墻體或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過(guò)的能力稱為熱阻。熱阻的公式表示為：

（2-18）式中：R——材料層熱阻（m2?K/W）；d——材料層厚度（m）；λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m?K）]。熱阻的倒數(shù)1/R稱為材料層（墻體或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量。5材料的聲光性質(zhì)（1）材料的聲學(xué)性質(zhì)

材料的聲學(xué)性質(zhì)主要關(guān)注聲波在材料中的傳播、反射、透射以及材料的吸聲、隔聲等特性。①吸聲性能

材料的吸聲性能是指材料吸收聲音的能力。吸聲材料按吸聲機(jī)理可分為：多孔吸聲材料共振吸聲材料5材料的聲光性質(zhì)②隔聲性能材料的隔聲性能是指材料對(duì)聲音傳播的阻隔能力。隔聲量是衡量材料隔聲性能的主要指標(biāo)，是指透過(guò)材料的聲能與入射到材料上的聲能之比，通常用符號(hào)R表示，單位為分貝（dB）。隔聲量越大，材料的隔聲性能越好。5材料的聲光性質(zhì)（2）材料的光學(xué)性質(zhì)

光學(xué)材料可以根據(jù)它們對(duì)光的作用方式不同，分為吸收性材料、透明材料、反射性材料、散射材料和發(fā)光材料等。①材料的透光性

透光性是指光線通過(guò)材料時(shí)，材料對(duì)光線的透過(guò)能力。

通常以透光率來(lái)表示。②材料的反射和光澤

材料的反射分為鏡面反射和漫反射。03材料的力學(xué)性質(zhì)1強(qiáng)度

材料的強(qiáng)度是材料力學(xué)性質(zhì)的基本指標(biāo)之一，它描述了材料在受到外力作用時(shí)抵抗變形和破壞的能力。

根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。1強(qiáng)度材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度可直接由下式計(jì)算：

（2-19）式中：f——材料強(qiáng)度（MPa）；

Fmax——材料破壞時(shí)的最大荷載（N）；

A——試件受壓面積（mm2）。1強(qiáng)度

材料的抗彎強(qiáng)度與試件的幾何外形及荷載施加的情況有關(guān)，對(duì)于矩形截面的條形試件，當(dāng)其兩個(gè)支點(diǎn)間作用一集中荷載時(shí)，其抗彎強(qiáng)度值按下式計(jì)算：

（2-20）式中：fw——材料強(qiáng)度（MPa）；Fmax——材料破壞時(shí)的最大荷載（N）；L、b、h——分別為兩支點(diǎn)的間距，試件橫截面的寬及高（mm）。

當(dāng)試件的支點(diǎn)間的三分點(diǎn)處作用兩個(gè)相等的集中荷載時(shí)，其抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

（2-21）1強(qiáng)度影響材料強(qiáng)度的因素主要有：（1）材料的化學(xué)成分（2）材料的孔隙率：材料的孔隙越大，則強(qiáng)度越小。（3）材料的微觀結(jié)構(gòu)：晶粒大小、相組成、缺陷、溫度、加載速率、環(huán)境因素表2-2常用材料的強(qiáng)度

MPa材

料抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度花崗石100~2505~810~14燒結(jié)普通磚10~30—2.6-4.0普通混凝土10~601~83~10松木(順紋)30~5080~12060~100建筑鋼材235~1600235~1600—2.材料的彈性塑性、脆性韌性2.材料的彈性塑性、脆性韌性（1）材料的彈性和塑性

材料的彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，材料能夠完全恢復(fù)到原來(lái)形狀和尺寸的性質(zhì)。彈性模量是衡量材料彈性性能的重要指標(biāo)，它表示材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）的比值，通常用符號(hào)“E”來(lái)表示。在材料的彈性范圍內(nèi)，彈性模量是不變的常數(shù)，其計(jì)算公式為：

（2-22）式中：σ——材料所受的應(yīng)力，MPa；

ε——材料在應(yīng)力σ作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，無(wú)量綱。2.材料的彈性塑性、脆性韌性2.材料的彈性塑性、脆性韌性（1）材料的彈性和塑性

材料的塑性是指材料在受力作用下能夠發(fā)生形變并保持一定的形狀，而不會(huì)立即破裂的性質(zhì)。當(dāng)外力去除后，材料會(huì)保留一部分變形，這部分變形即為塑性變形，塑性變形是不可逆變形。

在工程上，常將延伸率（即材料在斷裂前所經(jīng)歷的最大塑性變形量與原長(zhǎng)度的比值）大于5%的材料稱為塑性材料。延伸率越大，材料的塑性越好。2.材料的彈性塑性、脆性韌性2.材料的彈性塑性、脆性韌性（2）材料的脆性和韌性材料的脆性

是指材料在受力時(shí)，當(dāng)外力達(dá)到一定值后，材料突然發(fā)生破壞，且破壞時(shí)幾乎沒有明顯的塑性變形。脆性材料的一個(gè)顯著特征是其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。材料的韌性

材料在受到外力作用時(shí)，能夠吸收較大的能量而不發(fā)生破壞，并且在破壞前會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，稱為韌性。2.材料的彈性塑性、脆性韌性2.材料的彈性塑性、脆性韌性（2）材料的脆性和韌性材料的脆性

是指材料在受力時(shí)，當(dāng)外力達(dá)到一定值后，材料突然發(fā)生破壞，且破壞時(shí)幾乎沒有明顯的塑性變形。脆性材料的一個(gè)顯著特征是其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。材料的韌性

材料在受到外力作用時(shí)，能夠吸收較大的能量而不發(fā)生破壞，并且在破壞前會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，稱為韌性。3.硬度和耐磨性

材料表面抵抗其他硬物刻劃或壓入的能力稱為硬度，它表示材料表面的堅(jiān)硬程度。測(cè)定材料硬度的方法，通常采用刻劃法、壓入法或回彈法。

材料表面抵抗磨損的能力稱為耐磨性。材料的耐磨性用磨耗率表示，其公式表示為：

（2-23）式中：G——材料的磨耗率（g/cm