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土木工程材料相关知识
一．分类：
·按材料来源分：天然材料、人造材料
·按使用部位分：结构材料、屋面材料、墙体材料、地面材料
·按功能分：防水材料、装饰材料、承重材料、绝热材料

·按基本组成分类
常用土木工程材料的分类
无
机
材
料
金属
材料
黑色金属
钢、铁
有色金属
铜、铝及其合金
非
金
属
材
料
天然石材
花岗岩、石灰岩、砂岩、大理岩等
烧土及熔融制品
烧结砖、烧结瓦、陶瓷、玻璃等
胶凝材料
气硬性胶凝材料
石灰、石膏、菱苦土、水玻璃
水硬性胶凝材料
各种水泥
无机人造石材
混凝土、砂浆、硅酸盐建筑制品等
有机材料
植物材料
木材、竹材
沥青
沥青及沥青制品
合成高分子材料
塑料、橡胶、涂料、胶粘剂
复合材料
金属－无机非金属材料
钢纤维增强混凝土
无机非金属－有机材料
玻璃钢、聚合物水泥
有机材料－金属
轻质金属夹芯板

通性：
金属材料—不透明、密度大、导电导热、变形大（金属键）
有机材料—透明半透明、密度小、绝缘、导热性差、变形大、耐热性差（共价键）
无机非金属材料—硬、脆、热和电的绝缘体、耐热、耐化学侵蚀（离子键）

二、土木工程材料的基本性质
1． 基本物理性质
（1）密度
◎定义：指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
◎测试方法：要将材料磨成细粉，破坏其中的孔结构，磨得越细，测试结果越接近真值。常用的方法是比重瓶（李氏瓶）方法。
◎密度取决于组成物质的原子量和分子结构
原子量: 金属7.5~9g/cm3与非金属<3.0g/cm3
分子结构: 石墨2.2 g/cm3 金刚石3.5 g/cm3
（2）表观密度
◎ 定义：材料在自然状态下单位体积的质量。
·V0包含有实体体积、开口孔隙体积、闭口孔隙体积。
·含水状态的影响：通常为气干表观密度材料
◎测试方法：排水法，一为直接排水法，另一为涂蜡后排水法。

（3）堆积密度
◎定义：材料在堆积状态下单位体积的质量。
·V0包含有实体体积、孔隙体积、空隙体积。

◎测试方法：容量筒

应用：计算 材料用量、堆放空间、构件自重、配料计算、
判断性能 孔隙对强度、导热、隔声、吸水性能的影响
（4）孔隙率和空隙率的计算
V
△V
密实度

孔隙率
开口孔隙率
闭口孔隙率

同理
填充率
空隙率

2． 力学性质
（1）强度
◎定义：
强度是材料在应用条件下抵抗破坏的能力。通常材料内部应力多由外力（荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增加，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限。
◎ 计算方法：

材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算公式为：

抗弯强度公式为： 集中荷载
三分点加荷
◎主要结构材料均按强度作为划分等级的标准：
a． 烧结普通砖：MU10～30；
b． 水泥：32.5、42.5、52.5；
c． 混凝土：C10～C60；
d． 建筑钢材：R235、HRB335、HRB400、HRB500。

◎ 影响材料强度的因素：
主要取决于材料的组成和结构。
其它的因素：测试方法、试件形状和尺寸、试件表面状况、试验的加荷速度、环境的温度和湿度。
◎强度与孔隙率的关系
同种材料孔隙率越大强度越低，近似线性。
强度

孔隙率
◎比强度
材料强度与其表观密度之比，衡量轻质高强的依据。
材料
表观密度kg/m3
强度MPa
比强度
烧结普通砖
1700
10（抗压）
0.006
普通砼
2400
40（抗压）
0.017
低碳钢
7850
420
0.054
松木
500
100（顺纹抗拉）
0.200
玻璃钢
2000
450
0.225

（2）弹性和塑性
① 弹性变形：
材料在外力作用下产生变形，外力去除后，变形消失，材料恢复原有形状的性能称为弹性。完全恢复称为完全弹性。弹性变形与荷载成正比关系，应力与应变之比称为材料的弹性模量。
② 塑性变形：
材料在外力作用下产生变形，外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为塑性，不能恢复的变形称为塑性变形。
③ 弹塑性变形
有的材料受力后弹性变形和塑性变形同时产生，称为弹塑性变形。

（3）脆性和韧性
◎脆性
·定义：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。
·特点：大部分无机非金属材料均为脆性材料，这些材料的一大特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低，冲击韧性低。
◎韧性
·定义：材料在冲击或动力荷载下，能吸收较大能量而不破坏的性能称为韧性或冲击韧性。
·表示韧性以试件破坏的单位面积上所消耗的功表示：
αK＝Wk/A (J/mm2)。
对于用作轨道、吊车梁、地面、路面等材料，有时需考虑材料的韧性。
（4）硬度和耐磨性
① 硬度
硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它物体刻划、压入其表面的能力。通常有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、摩氏硬度、显微硬度、努普硬度、洛氏α硬度、橡胶硬度等。
② 耐磨性
是材料表面抵抗磨损的能力。在路面工程、建筑物地面、楼梯踏步等部位的材料，应适当考虑硬度和耐磨性。

3．材料与水有关的性质
（1）亲水性和憎水性
① 定义：亲水性材料：接触角（润湿角）θ＜90°。
憎水性材料：接触角θ＞90°。
θ＝0°铺展或完全润湿；θ＝180°完全不润湿

l 大多数土木材料都是亲水材料，如天然石材、砖瓦陶瓷、玻璃、混凝土、钢材、木材等；憎水材料有沥青、石蜡、某些高分子材料等。憎水材料不仅可作为防水材料，还可用于处理亲水材料的表面，以降低材料的吸水性，提高材料的防水防潮性能。
l 须指出的是孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较好的防水性，防潮性，仍可作为防水或防潮材料使用，如水泥砂浆、水泥混凝土、琉璃瓦等；
（2）吸水性与吸湿性
① 吸水性
l 定义：指材料在水中吸水的性质。用吸水饱和时的质量吸水率和体 积吸水率表示。
质量吸水率 ； （式0－4）
体积吸水率；＝Pk （式0－5）
W0＝W·ρ0 （式0－6）
l 饱水系数，P为孔隙率，说明材料孔隙内被水充满的程度，并可用来判断材料抗冻性等性能。
② 吸湿性。
l 定义：材料不仅在水中吸水，也能在空气中吸收水汽，吸入量随空气中湿度的大小而变化。材料在空气中吸收水汽的性质称为吸湿性。

l 材料中所含水分与空气中湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。
l 材料含水或吸水对材料的影响：会使材料的表观密度提高，强度降低，导热性增大，体积有所膨胀，并可导致冻胀，木材腐朽等结果。
（3）耐水性
① 定义：随着水分侵入材料内部的毛细孔，由于水的作用，减弱了材料内部质点的连接，使强度有所降低。材料在吸水饱和状态中，不发生破坏，强度也不显著降低的性能称为材料的耐水性。
② 表示方法：用软化系数KR＝f1/f0表示，其中f1为吸水饱和状态下的强度，f0为干燥状态下的强度。
③ 对材料耐水性的要求：对经常受潮或位于水中的工程，材料的软化系数应不低于0.75,软化系数在0.85以上的材料，可以认为是耐水的。
（4）抗冻性
① 定义：抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度无显著降低的性能。
② 表示方法：抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外部变化（破裂）或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示的。
③影响因素：孔隙率（开口孔隙率）、饱水程度、强度
引入封闭孔隙提高抗冻性
④Kw饱水系数可在一定程度下估计抗冻性。Kw＜0.85时，破坏作用较小。
抗冻性常作为耐久性指标之一。
（5）抗渗性
① 定义：是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。渗透是水在压力下通过材料内部毛细孔的迁移过程，与材料内部的孔结构直接相关。
② 表示方法：
（式0－6）
或试件能承受逐步提高的最大水压而不渗透的能力，通常称材料的抗渗等级，用P4、P6、P8、P10、P12表示，其意义为承受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的水压而不渗透。
地下工程、容器结构、压力管道等受水压作用的材料均要求具有一定的抗渗等级。
4．材料的热工性质
（1）导热性
① 导热系数定义：当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，用导热系数表示：
（式0－7）
式中： λ－导热系数；
Q－传导的热量；
d－厚度；
F－热传导面积；
Z－热传导时间；
t2-t1－材料两面温度差。
② 导热系数的意义为：单位厚度的材料，两面温度差为1K，在单位时间内通过单位面积的热量。
③ 导热系数低的材料防潮防水防冰冻的必要性：对于非金属材料，导热系数与材料孔结构有很大关系。λ空气＝0.025W/(m·K)；λ水＝0.6W/(m·K)；λ冰＝2.2W/(m·K)。因此，保温绝热材料要注意防潮、防水、防冰冻，使其经常处于干燥环境。
（2）热容量和比热
① 热容量系数或比热定义：材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量，单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。
（式0－8）
②热容量值：C·m称为材料的热容量值，它表示材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量，对采暖空调很重要。
（3）热阻和传热系数
① 热阻定义：热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力。
（式0－9）
② 提高热阻的方法：为提高围护结构的保温效能，改善建筑物的热工性能，应选用导热系数小的材料，而不宜增大厚度d。
③ 传热系数：1/R为传热系数，指材料两面温度相差为1K时，在单位时间通过单位面积的热量。
5．材料的耐久性
① 定义：耐久性是指材料在使用条件下，受各种内在或外在因素作用，能长期不破坏，不失去原有性能，仍能正常使用的性质。
② 影响材料耐久性的因素：物理作用、机械作用、化学作用、生物作用。
③ 提高耐久性的方法：为提高材料的耐久性，可根据材料特点和使用情况采取相应的措施，除从材料本身组成、结构上设法外，还应提高材料对外界作用的抵抗力（如提高密实度、防腐处理、化学浸渍等）；用其它材料保护主体材料（覆面、抹灰、喷涂涂料等），也可设法减轻侵蚀介质对材料的破坏作用（降低湿度、排除侵蚀性物质、通风、疏导等）。
④高耐久性的效果：可保证工程长期正常使用、减少维修费用、延长使用年限、节约社会财富。
6．材料的组成、结构及其对材料性能的影响
（1）材料组成
① 化学组成：对材料性能的影响→三大材料的通性。
② 矿物组成：金刚石、石墨
③ 配料组成：混凝土配合比
例如：混凝土需配料组成，其中的粗骨料为多矿物组成，矿物成分中的某一种为化学组成。
（2）材料结构
① 微观结构：指原子结构、晶体结构及缺陷等。
化学键不同对材料性能的影响。
晶体与玻璃体。
玻璃件是熔融的物质经急冷而形成的无定形体，是非晶体。熔融物经慢冷内部质子可以进行规则的排列而形成晶体，若是冷却速度较快，达到凝固温度时，它还具有很大的粘度，致使质点来不及按一定的规则进行排列．就已经凝固成为固体，此时得到的就是玻璃体结构。其质点排列无规律，具有各向同性，而且没有固定的熔点，熔融时只出现软化现象。
由于在急冷过程中，质点间的能量以内能的形式储存起来，使玻璃体具有化学不稳定性，即具有潜在的化学活性，在一定条件下容易与其他物质发生化学反应，如：火山灰、粒化高炉矿渣等。
② 宏观结构：用肉眼或普通光学显微镜可见的内部结构。各种材料的宏观结构可分为：聚集结构、微孔结构、多孔结构、纤维结构、片状或层状结构、散粒材料。

材料宏观结构不同时，即使化学组成和微观结构相同，材料的性能与用途也不同→玻璃与泡沫玻璃（孔隙率80～95％）；反之，材料化学组成和微观结构不同，但宏观结构相同，则可能具有相同的性能与用途→泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土等。

③ 孔结构：
包括孔隙率、孔隙尺寸、形状、连通或封闭情况、孔的分布等。
强度：孔隙率小，孔隙细小、分布均匀则强度高；
导热系数：孔隙率大，孔隙细小而封闭（粗大连通孔隙由于孔内孔的对流，会提高导热性）则导热系数小；
吸水（湿）性：开口孔隙率小、孔隙细小则吸湿性小
抗冻性：开口孔隙率小，闭口孔隙率大，孔隙粗大（不易吸水）或细小（冰点低），不连通则抗冻性好；
抗渗性：开口孔隙率小，闭口孔隙率大，孔隙细小，不连通则抗渗性好；
吸声性：开口孔隙率大，孔隙连通曲折则吸声性能好。

三．土木工程材料的技术标准
技术标准是对标准化领域中需要协调统一的技术事项所制定的标准。技术标准主要包括：
l 基础标准
l 产品标准
l 方法标准
l 安全标准
l 卫生标准等。
土木工程材料设计的主要是产品标准、方法标准。
按标准的约束性可分为：强制性标准、推荐性标准，
涉及工程建设的质量、安全、卫生标准及国家需要控制的其它工程建设标准，产品及产品生产、储运的标准等均为强制执行的标准，除此以外的为推荐性标准。
1．标准等级：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。
2．标准的代号和编号：
国家标准：GB、GB/T
行业标准：JC、JGJ、SY等
地方标准：DB、DB/T
企业标准：Q

ASTM 美国材料试验协会
JIN 日本工业标准
DIN 德国工业标准
BS 英国标准
NF 法国标准
ISO 国际标准化组织
3．标准的表示方法：
标准代号＋标准发布顺序号＋发布年代＋名称
如：GB175－2007 通用硅酸盐水泥
4．标准的修订、作用