《土木工程材料》.doc

土木工程材料绪论本章导学：学习目的：理解土木工程材料在专业学习中的重要性，了解我国在土木工程材料方面的创造、贡献与地位。教学要求：纵观国内外古代、现代的著名土木建筑（房屋、桥梁、道路、古迹等），说明土木工程材料在各种建筑工程中的地位与作用；阐述土木工程材料的教授与学习方法，强调实践的重要性与方法；综合实际工程，简述各专业方向与材料科学的关系。0.1概述任何土木工程建筑物都是用各种材料组成的，这些材料总称为土木工程材料。随着土木工程技术的发展，用于土木工程建筑的材料不仅在品种上日益增多，而且对其质量不断提出新的要求。1砂石材料。砂石材料有的是由地壳上层的岩石经自然风化得到的(天然砂砾)，有的是经人工开采或再经轧制而得(如各种不同尺寸的碎石和砂)。这类材料可以直接用于土木工程结构物。同时，也是配制水泥混凝土或沥青混合料的矿质集料。2无机结合料及其制品。在土木工程中最常用到的无机结合料，主要是石灰和水泥。特别是水泥，它与集料配制的水泥混凝土是钢筋混凝上和预应力混凝土结构的主要材料。此外，水泥砂浆是各种污工结构物砌筑的重要结合料。随着高级路面的发展，水泥混凝土路面已经成为高等级公路的主要路面类型之一。无机结合料稳定材料作为路面底基层或基层的主要材料类型已经取得了良好的使用效果。3有机结合料及其混合料。有机结合料主要是指沥青类材料如石油沥青、煤沥青等。这些材料与不同粒径的集料组配，可以修筑成各种类型的沥青混凝土路面。现代高速公路路面绝大部分是采用沥青混凝土修筑，所以沥青混合料是现代路面工程中极为重要的一种材料。4钢材和木材。钢材是桥梁、钢结构及钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构的重要材料。木材是土木工程施工拱架、模板及装饰的主要材料。5新型材料。随着现代材料科学的进步，在这些常用材料的基础，又发展了新型的“复合材料”、改性材料等。复合材料是两种或两种以上不问化学组成或组织相的物质，以微观和宏观的物质形式组合而成的材料，复合材料可以克服单一材料的弱点，而发挥其综合的件能。改性材料是通过物理或化学的途径对其使用性能进行综合处理，使其更能满足实际的使用要求，如改性沥青等。同时一些添加剂材料也在不断出现，为土木工程建设服务。0.2土木工程材料在土木工程中的地位土木工程材料和建筑设计、建筑结构、公路、城市道路、建筑经济及建筑施工等学科分支一样，是土木和交通运输工程学科极为重要的一部分。因为土木工程材料是土木工程的物质基础。一个优秀的土木工程师总是把建筑艺术和以最佳方式选用的土木工程材料融合一起。土木工程师只有在很好地了解土木工程材料的性能后，才能根据力学计算，准确地确定土建构件的尺寸和创造出先进的结构型。要使土建结构的受力特性和材料特性有机统一，合理地使用土木工程材料。目前，在我国的土木工程的总造价中，土木工程材料的费用约占总费用的5060%。而土木工程施工的全过程实质上是按设计要求把土木工程材料逐步变成建筑物的过程。它涉及材料的选用、运输、储存以及加工等诸方面。总之，从事土木工程的技术人员都有必须了解和掌握土木工程材料有关技术知识，并使所采用的材料最大限度地发挥其效能，合理、经济地满足土木工程的各种要求。设计、施工、管理三者是密切相关的。从根本上说，材料是基础，材料决定了土建构造物的形式和施工方法。新材料的出现，可以促使土建构造物形式的变化、设计方法的改进和施工技术的革新。0.3我国土木工程材料的发展材料科学和材料（含土木工程材料）本身都是随着社会生产力和科技水平的提高而逐渐发展。自古以来，我国劳动者在土木工程材料的生产和使用方面曾经取得了许多重大成就。如始建于公元前7世纪的万里长城，所使用的砖石材料就达1亿立方米；福建泉州的洛阳桥是900多年前用石材建造的，其中一块石材达有200余吨；山西五台山木结构的佛光寺大殿已有千余年历史仍完好无损，等等。这些都有力证明中国人民的土木工程材料生产、施工和使用方面的智慧和技巧。 建国以来，特别是改革开放以后，我国土木工程材料生产得到了更迅速的发展。钢材已跻身于世界生产大国之列；水泥工业已由解放前年产量不足百万吨的单一品种，发展为品种、标号齐全，年产量突破4亿吨的水平；陶瓷材料也由过去的单一白色瓷器发展到有上千种花色品种的陶瓷产品，而且生产的高档配套建筑卫生陶瓷已可满足高标准建筑的需要；我国的玻璃工业也发展很快，普通玻璃已由建国初期年产仅108万标箱发展到1亿余标箱，且能生产功能各异的新品种；随着生活水平的提高和住房条件的改善，装饰材料更是丰富多彩，产业蓬勃兴旺。我国道路沥青的生产从无到有，目前有三个方面的生产力量。(1)中国石化总公司系统所属的炼油厂，这是主要的沥青供应渠道，生产的沥青约占全国的34，其中道路沥青占23；(2)中国石油天然气总公司系统的沥青厂，分属于各个油田，主要是几个稠油处理厂。10年来沥青总产量增长了10倍，道路沥青增长了20倍，已占全国的13；(3)地方化工部门及其它沥青厂(包括辽宁交通厅所属盘锦市沥青厂)。 到1995年止，我国的水泥、平板玻璃、建筑卫生陶瓷和石墨、滑石等部分非金属矿产品的产量已跃居世界第一。我国的水泥产量已占世界总产量的24%，建筑陶瓷占25%，卫生陶瓷占16.7%，是名副其实的土木工程材料生产大国。但是，必须看到，我国土木工程材料企业的总体科技水平、管理不平还是比较落后的。主要表现在：能源消耗大；劳动生产率低；产业结构落后、污染环境严重；集约化程度低；市场应变能力差等。因此，我国土木工程材料工业还处于“大而不强”的状态。针地此情况，我国土木工程材料主管部门提出了土木工程材料工业“由大变强，靠新出强”的发展战略。其总目标是：从现在起力争用3040年时间，逐步把建筑工业建设成具有国际竞争能力，适应国民经济高度发展的现代化原材料及制品工业，与交通土建及建筑工程一起，成为民经济的支柱产业。这个总目标的内容包括：（1）建设有我国特色的现代化的新技术结构，着力发展新技术、新工艺、新产品；（2）建设高效益的新产业结构，实现由一般产品向高质量产品，低档产品向中、高档产品，单一产品向配套产品的转变，使产品结构适庆需求变化；（3）建设起新的现代化管理体制；（4）塑造一支适应现代化建设要求的新队伍。因此，我国的土木工程材料必将会发展更快，其产品的品种、质量和产量可析大地满足我国建设事业蓬勃发展的需要。0.4本课程的内容和任务本课程是土木工程或其它有关专业的一门基础技术课，并兼有专业课的性质。课程的任务是学生通过学习，获得土木工程材料的基础知识，掌握土木工程材料技术性能和应用方法及其试验检测技能，同时对土木工程材料的储运和保护也有所了解，以便以今后的工作实践中能正确选择与合理使用土木工程材料。亦为进一步学习其它有关的专业课打下的基础。本书各章分别主要讲述各类土建结构的品种、基本组成、组成设计、技术性能和技术指标。为了教学方便，将按下述顺序对各种常用的土木工程材料进行讲授：土木工程材料的基本性质、石材与集料、烧土制品与玻璃、无机胶凝材料、沥青材料、建筑钢材与木材、高分子材料、建筑砂浆、水泥混凝土、沥青混合料、无机结合料稳定材料、功能材料等。实验和试验课是本课程的重要教学环节。为了加深了解材料的性能和掌握试验方法，培养科学研究能力以及严谨的科学态度，必须结合课堂讲授的内容，加强对材料试验的实践。本课程根据课堂教学，安排了有关课外试验内容，并要求学生进行试验设计，取得相应的试验成果。第一章 土木工程材料的基本性质本章导学学习目的：土木工程材料有无机材料、有机材料及复合材料，它具有结构或功能的作用。而土木工程包括建筑工程、道路工程、桥梁工程、地下工程、岩土工程等，土木工程材料为这些工程服务，通过学习其基本性质，了解土木工程基本性质与工程特性的关系。教学要求：通过工程实例说明土木工程材料的分类；通过各种土木工程特点的分析，说明土木工程材料的物理、力学性质及耐久性；重点讲解土木工程材料的密度、与水有关的性质、强度、弹性、粘性与塑性。1.1土木工程材料的分类土木工程材料是指在土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。它是一切土木工程的物质基础。由于组成、结构和构造不同，土木工程材料品种繁多、性能各不相同、在土木工程中的功能各异，而且价格相差悬殊，在土木工程中的用量很大，因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程结构物安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。由于土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和论述方便，常从不同角度对它进行分类。最通常的是按材料的化学成分及其使用功能分类。1.1.1按化学成分分类根据材料的化学成分，可分为有机材料、无机材料以及复合材料三大类，如表11所示。分类实例无机材料金属材料黑色金属钢、板及其合金、合金钢、不锈钢等有色金属铝、铜、铝合金等非金属材料天然石材砂、石及石材制品烧土制品粘土砖、瓦、陶瓷制品等胶凝材料及制品石灰、石膏及制品、水泥及混凝土制品等玻璃普遍平板玻璃、特种玻璃等无机纤维材料玻璃纤维、矿物棉等有机材料植物材料木材、竹材、植物纤维及制品等沥青材料煤沥青、石油沥青及其制品等合成高分子材料塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等复合材料有机与无机非金属材料复合聚合物混凝土、玻璃纤维增强塑料等金属与无机非金属材料复合钢筋混凝土、玻璃纤维混凝土等金属与有机材料复合PVC钢板、有机涂层铝合金板等1.1.2按使用功能分类根据材料在土木工程中的部位或使用性能，大体上可分为二大类，即土木工程结构材料（如钢筋混凝土、预应力混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土、墙体材料、路面基层及底基层材料等）和土木工程功能材料（如吸声材料、耐火材料、排水材料等）。1土木工程结构材料土木工程结构材料主要指构成土木工程受力构件和结构所用的材料。如梁、板、柱、基础、框架、墙体、拱圈、沥青混凝土路面、无机结合料稳定基层及底基层和其它受力构件、结构等所用的材料都属于这一类。对这类材料主要技术性能的要求是强度和耐久性。目前所用的土木工程结构材料主要有砖、石、水泥、水泥混凝土、钢材、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土、沥青和沥青混凝土。在相当长的时期内，钢材、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土仍是我国土木工程中主要结构材料；沥青、沥青混凝土、水泥混凝土、无机结合料稳定基层及底基层则是我国交通土建工程中主要路面材料。随着土建事业的发展，轻钢结构、铝合金结构、复合材料、合成材料所占的比例将会逐渐加大。2土木工程功能材料土木工程功能材料主要是指担负某些建筑功能的非承重用材料。如防水材料、绝热材料、吸声和隔声材料、采光材料、装饰材料等。这类材料的品种、形式繁多，功能各异，随着国民经济的发展以及人民生活水平的提高，这类材料会越来越多地应用于土建结构物上。一般说，土建结构物的可靠度与安全度主要由土木工程材料组成的构件和结构体系所取定，而土建结构物的使用功能与品质主要决定于土木工程功能材料。此外，对某一种具体材料来说，它可能兼有多种功能。1.2土木工程材料的物理性质在土建结构物中，土木工程材料要承受各种不同的作用，因而要求土木工程材料具有相应的不同性质，如用于土建结构物的材料要受到各种外力的作用，因此，选用的材料应具有所需要的力学性能。又如根据土建结构物各种不同部位的使用要求，有些材料应具有防水、绝热、吸声、粘结等性能。对于某些土建结构物，要求材料具有耐热、耐腐蚀等性能。此外，对于长期暴露在大气中的材料，如路面材料，要求材料能经受风吹、日晒、雨淋、冰冻而引起的温度变化、湿度变化及反复冻融等的破坏作用。为了保证土建结构物的耐久性，要求土木工程师必须熟悉和掌握各种材料的物理性质和力学性质，在工程设计与施工中正确地选择和合理地使用材料。1.2.1材料的真实密度、表观密度与堆积密度密度是指物质单位体积的质量，单位为 g/cm3或kg/m3。由于材料所处的体积状况不同，故有真实密度、表观密度和堆积密度之分。真实密度（True Density）真实密度是指材料在规定条件（105±5烘干至恒重，温度20）绝对密实状态下（绝对密度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体积所具有的质量，按下式计算：    -（11）式中： 真实密度（g/cm3）；ms材料矿质实体的质量（g）；Vs材料矿质实体的体积（cm3）。除了钢材、玻璃等少数按近于真实密度的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉（粒径小于0.20mm），经干燥后用李氏密度瓶测定其实体体积。材料磨得愈细，测定的密度值愈精确。表观密度（Apparent Density）表观密度是单位体积（含材料的实体矿物及不吸水的闭口孔隙，但不包括能吸水的开口空隙在内的体积）所具有的质量，按下式计算：    -（12）式中：a 表观密度（g/cm3）；ms、Vs 意义同式（11）；Vn材料不吸水的闭口孔隙的体积（cm3）。堆积密度堆积密度（旧称松散容重）是指粉状、粒状或纤维状态下，单位体积（包含了颗粒的孔隙及颗粒之间的空隙）所具有的质量，按下式计算：-（13）式中：'0 堆积密度（g/m3）；m材料的质量（g）；V0材料的堆积体积（cm3）。在土木工程中，计算材料用量、构件自重、配料计算及确定堆放空间时经常要到材料的密度、表观密度和毛体积密度等数据。常用土木工程材料的有关数据见表 13。常用土木工程材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率 表13材料密度 （kgm-3）表观密度 （kgm-3） 孔隙铝P（）石灰岩2.6018002600-花岗岩2.80250027000.53.0碎石（石灰岩）2.60-砂2.60-粘土2.60-普通粘土砖2.50160018002040粘土空心砖2.5010001400-水泥2.50-普通混凝土3.1021002600520轻骨料混凝土-8001900-木材1.554008005575钢材7.8578500泡沫塑料-2050-玻璃2.55-1.2.2材料的密实度与孔隙率1密实度密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映了材料的致密度，以D表示：    （14）含有孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的很多性能如强度、吸水性、耐久性、导热性等均与其密实度有关。2孔隙率孔隙率是指材料孔隙体积（包括不吸水的闭口孔隙，能吸水的开口空隙）与总体积之比，以P表示，可用下式计算：     （15）孔隙率与密实度的关系为：     （16）孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材料内部的孔隙又可分为连通的孔隙和封闭的孔隙，连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔隙彼此不连通且与外界隔绝。孔隙按其尺寸大小又可分为粗孔和细孔。孔隙率的大小及孔隙本身的特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。一般而言，孔隙率小，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。几种常用土木工程材料的孔隙率见表12。1.2.3材料与水有关的性质亲水性与憎水性材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，可将材料分为亲水性和憎水性（或称疏水性）两大类。材料被水润湿的程度可用润湿角 表示。如图11所示。润湿角是在材料、水和空气三相的交点处，沿水滴表面切线 与水雾固体接触面 之间的夹角， 角愈小，则该材料能被水所润湿的程度愈高。一般认为，润湿角 90°如图11（a）所示的材料为亲水性材料。反之， 90°，表明该材料不能被水润湿，称为憎水性材料如图11（b）所示。图11 材料润湿示意图a） 亲水性材料 b）憎水性材料大多数土木工程材料，如石料、集料、砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面均能被水润湿，且能通过毛细管作用将水吸入材料的毛细管内部。沥青、石蜡等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。该类材料一般能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。憎水性材料不仅可用作防水材料，而且可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。吸湿性材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。材料所含水的质量占材料干燥质量的百分数，称为材料的含水率，可按下式计算：（110）式中：W含材料的含水率（%）；m含材料含水时的质量（g）；m干材料干燥至恒重时的质量（g）。材料的含水率大小，除与材料本身的特性有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。材料随着空气湿度的变化，既能在空气中吸收水分，又可向外界扩散水分，最终将使材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡，这时材料的含水率，称为平衡含水率。平衡含水率并不是固定不变的，它随环境中的温度和湿度的变化而改变。当材料吸水达到饱和状态时的含水率即为吸水率。吸水性材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。吸水性的大小，以吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体积吸水率。质量吸水率：材料所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分数，按下式计算：（17）式中：W质材料的质量吸水率（%）；m湿材料饱水后的质量（g）；m干材料烘干到恒重的质量（g）。体积吸水率：材料吸收水分的体积占干燥自然体积的百分数，是材料体积内被水充实的程度。按下式计算：（18）式中：W体体材料的体积吸水率（%）；V水材料在饱水时，水的体积（cm3）；V1干燥材料在自然状态下的体积（cm3）；w水的密度（g/ cm3）质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：(19)材料的吸水性，不仅与材料的亲水性或憎水性有关，而且与孔隙率的大小及孔隙特征有关。一般孔隙率愈大，吸水性也愈强。封闭的孔隙，水分不易进入；粗在开口的孔隙，水分又不易存留，故材料的体积吸水率常小于孔隙率。对于某些轻质材料，如加气混凝土、软木等，由于具有很多开口而微小的孔隙，所以它的质量吸水率往往超过100%，即湿质量为干质量的几倍，在这种情况下，最好用体积吸水率表示其吸水性。水在材料中对材料性质将产生不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度降低，体积膨胀。因此，吸水率大对材料性能是不利的。耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，其强变也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算：（111）式中：K软材料的软化系数；f饱材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；f干材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。软化系数的大小表明材料浸水后强度降低的程度，一般波动在01之间。软化系数越小，说明材料饱水后的强度降低越多，其耐水性越差。对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.70。软化系数大于0.80的材料，通常可以认为是耐水的材料。抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性），可用渗透系数K表示。达西定律表明，在一定时间内，透过材料试件的水量与试件的断面积及水头差（液压）成正比，与试件的厚度成反比，即：（112）式中：K渗透系数mL/(cm 2s);W透过材料试件的水量（mL）；t透水时间（s）；A透水面积（cm2）；h静水压力水头（cm）；d试件厚度（cm）。渗透系数反映了材料抵抗压力水渗透的性质，渗透系数越大，材料的抗渗性越差。对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级（S）表示。S=10H-1 （113）式中：S抗渗等级；H试件开始渗水时的水压力（MPa）。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。对于地下建筑及水工构筑物，因常受到压力水的作用，故要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。材料抵抗其它液体渗透的性质，也属于抗渗性。抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。通常采用-15的温度（水在微小的毛细管中低于15才能冻结）冻结后，再在20的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。材料经多次冻融交替作用后，表面将出现剥落、裂纹，产生质量损失，强度也将会降低。因为，材料孔隙内的水结冰时体积膨胀将引起材料的破坏。抗冻性良好的材料，对于抵抗温度变化、干湿交替等破坏作用的性能也较强。所以，抗冻性常作为考查材料耐久性的一个指标。处于温暖地区的土建结构物，虽无冰冻作用，为抵抗大气的作用，确保土建结构物的耐久性，有时对材料也提出一定的抗冻性要求。1.2.4材料的热工性质土木工程材料除了须满足必要的强度及其它性能的要求外，为了节约土建结构物的使用能耗以及为生产和生活创造适宜的条件，常要求土木工程材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。常用材料的热工性质有导热性、热容量比热容等。导热性材料传导热量的能力称为导热性。材料导热能力的大小可用热导率（）表示。热导率在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对表面的温度差为1K时，其单位面积（1m2）单位时间（1s）所通过的热量，可用下式表示：（114）式中：热导率W/(mK)；Q传导的热量（J）；A热传导面积（m2）；材料厚度（m）；t热传导时间（s）；（T2-T1）材料两侧温差（K）。材料的热导率越小，绝热性能越好。各种土木工程材料的热导率差别很大，大致在0.0353.5W/（mK）之间，如泡沫塑料=0.035 W/（mK），而大理石=0.35W/（mK）。热导率与材料孔隙构造有密切关系。由于密闭空气的热导率很小=0.023W/（mK），所以，材料的孔隙率较大者其热导较小，但如孔隙粗大或贯通，由于对流作用的影响，材料的热导率反而增高。材料受潮或受冻后，其热导率会大大提高。这是由于水和冰的热导率比空气的热导率高很多分别为0.58W/（mK）和2.20W/（mK）。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。比热容和热容量材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容量。热容量的大小用比热容（也称热容量系数，简称比热）表示。比热容表示1g材料温度升高1K时所吸收的热量，或降低1K时放出的热量。材料吸收或放出的热量可由下式计算：Q=cm(T2-T1) （115）(116)式中：Q材料吸收或放出的热量（J）；c材料的比热J/(gK)；m材料的质量（g）；(T2-T1)材料受热或冷却前后的温差（）。比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同材料的比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为4.186J/（gK），而结冰后比热则是2.093J/（gK）。材料的比热对保持土建结构物内部温度稳定有很大意义。比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。常和土木工程材料的比热见表14。 材料名称钢材混凝土松木烧结普通砖花岗岩密闭空气水比 热J/（gK）0.480.842.720.880.921.004.18热导率W/（gK）581.511.170.350.803.490.0230.58材料的保温隔热性能在建筑热工中常把1/称为材料的热阻，用R表示，单位为（mK）/W。热导率（）和热阻（R）都是评定土木工程材料保温隔热性能的重要指标。人们习惯把防止室内热量的散失称为保温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温隔热统称为绝热。材料的热导率愈小、热阻值就愈大，则材料的导热性能愈差，其保温隔热的性能就愈好，常将0.175 W/（mK）的材料称为绝热材料。1.3土木工程材料的力学性质1.3.1材料的强度材料的力学性质主要是指材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏和变形的能力。材料的强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度，以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力表示。材料在土建结构物上所承的外力，主要有拉力、压力、弯曲及剪力等。材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强度。这些强度一般通过静力试验来测定，因而总称为静力强度。表14列出了各种强度的分类和计算公式。 岩石名称抗压强度抗剪强度抗拉强度花岗岩1002501450725闪长岩150300 1530灰长岩150300 1530玄武岩15030020601030砂岩20170840425页岩5100330210石灰岩302501050525白云岩30250 1525片麻岩50200 520板岩1002001530720大理岩100250 720石英岩15030020601030材料的静力强度，实际上只是在特定条件下测定的强度值。为了使试验结果比较准确而且具有互相比较的意义，每个国家都规定有统一的标准试验方法。测定材料强度时，必须严格按照标准试验方法进行。大部分土木工程材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级或标号。如混凝土按抗压强度有C 7.5，C60等12个强度等级，普通水泥按抗压强度及抗折强度分为325，625等标号。将土木工程材料划分为若干强度等级或标号，对掌握材料的性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是十分重要的。1.3.2材料的弹性、塑性、粘性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种当外力取消后瞬间内即可完全消失的变形弹性变形。这种变形属于可逆变形，其数值的大小与外力成正比，称为弹性模量。在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，即：（117）式中：材料的应力（MPa）；材料的应变；E材料的弹性模量（MPa）。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E愈大，材料愈不易变形。在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能消失的变形称为塑性变形（或永久变形）。许多材料受力不大时，仅产生弹性变形，受力超过一定际度后，即产生塑性变形。如建筑钢材，当外力值小于弹性极限时，仅产生弹性变形；若外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形。有的材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，发果取消外力，则弹性变形可以消失，而其塑性变形则不能消失（如混凝土），这种变形为弹塑性变形。材料的受力时，其性状依赖于材料的温度和加荷时间成为材料的粘-弹性特性（图12）。沥青及沥青混合料在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特性。在外力作用下，当外力达到一定限度后材料突然破坏，无明显的塑性变形的性质称为脆性。脆性材料抵抗冲击荷载或震动作用的能力很差。其抗压强度比抗拉强度高得多，如混凝土、玻璃、砖、石、陶瓷等。在冲击、震动荷载作用下，材料能承受较大的变形也不致被破坏的性能称为韧性。1.3.3材料的硬度、耐磨性硬度是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。不同材料的硬度测定方法不同。按刻划法，矿物硬度分为10级（莫氏硬度），其硬度递增的顺序为：滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7；黄玉8；刚玉9；金刚10。木材、混凝土、钢材等的硬度常用钢球压入法测定（布氏硬度HB）。一般，硬度大的材料耐磨性较强，但不易加工。耐磨性是材料具有一定的抵抗磨损的能力，常用损率（B）表示：（118）式中：m1、m2试件被磨损前、后的质量（g）；A试件受磨损的面积（cm 2）。用于道路、地面、踏步等部位的材料均应考虑其硬度和耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。1.4土木工程材料的耐久性材料在使用过程中能抵抗周围各种介质侵蚀而不破坏，也不易失去原有性能的性质称为耐久性。耐久性是材料的一种综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。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。材料在使用过程中，除受到各种外力的作用外，还长期受到周围环境等各种自然因素的破坏作用。这些破坏作用一般可分为物理作用、化学作用、生物作用等。物理作用包括材料的干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些变人可引起材料的收缩和膨胀，长时期或反复作用会使材料逐渐破坏。如水泥混凝土地热张冷缩。化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液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。生物作用是昆虫、菌类等对材料所产生的蛀蚀、腐朽等破坏作用。如木材及植物纤维材料的腐烂等。一般土木工程材料，如石材、砖瓦、陶瓷、水泥混凝土、沥青混凝土等，暴露在大气中时，主要受到大气的物理作用；当材料处于水位变化区或水中时，还受到环境的化学侵蚀作用。金属材料在大气中易被锈蚀。沥青及高分子材料，在阳光、空气及辐射的作用下，会逐渐老化、变质而破坏。为了提高材料的耐久性，延长建筑的使用寿命和减少维修费用，可根据使用情况和材料特点采取相应的措施。如设法减轻大气或周围介质对材料的破坏作用（降低湿度，排除侵蚀性物质等）；提高材料本身对外界作用的抵抗性（提高材料的密度，采取防腐措施等），也可用其它材料保护主体材料免受破坏（覆面、抹灰、刷涂料等）。本章小结本课程所介绍的主要是土木工程中所使用到的结构材料，虽然各种材料的性能特点各不相同，但作为土木工程整体的一部分，这些材料又具有一些共性的特点和要求。本章主要对土木工程中常用材料的共性性能进行讲解。通过本章的学习，应建立材料的物理力学性能和耐久性的基本概念。密度是材料的一项基本性能，但土木工程中所使用的材料由于其中多会含有一定量的孔隙和水分，从而是密度的概念变得较为复杂，其中包括了真实密度、表观密度、毛体积密度、饱和面干密度和堆积密度等，在后面的沥青混合料一章中还将涉及到最大理论密度等概念。学习中，可结合第二章有关集料密度的内容进行深入的理解。真实密度是指材料完全密实情况下的密度，它同物理学中的密度概念是一致的，但实际测试起来较为困难，并且实用性不大。表观密度是指材料单位的真实体积和闭合孔隙体积范围内的材料真实质量，其所表征的体积是不能为其它材料所占据的体积，如将材料放入水中时，水只能进入开口孔而无法进入闭口孔，因此在土木工程中，常以表观密度来表征材料的实际密度。毛体积密度是指材料单位的真实体积、闭合孔隙体积以及开口孔隙体积范围内的材料真实质量，其所表征的体积是材料的宏观毛体积。饱和面干密度又称为表干密度，是指材料单位毛体积范围内的真实质量和开口孔中所吸附的毛细水的质量，其所表征的是一种理想的状态，即材料的开口孔中饱和水份，但表面干燥。以上几种密度概念较为接近，但对具体材料其数值并不相同，所使用的场合也不同，应注意进行严格区分，并掌握各密度、空隙率、吸水率、含水率等参数之间的换算关系。水是土木工程材料在实际使用过程中最常接触到的环境条件，而不同的材料在水的作用下所表现出来的性能特点也是各不相同；其中有有益的作用，如水泥混凝土拌和时，水起的润滑作用，但也有有害的作用，如沥青路面的水损害。在本章的学习中，应理解材料的亲水性、憎水性、吸水性和耐水性。耐久性是土木工程材料性能的一项重要的基本要求，应结合后面各章内容的学习，掌握影响常用材料耐久性的主要因素及提高材料耐久性的方法。第2章 石料与集料本章导学学习目的：石材与集料是土木工程的基本材料，集料由石材加工而成。通过与地质学的对比学习 ，了解石材的物理、化学性质与原始岩石之间的关系，工程中如何根据地质学知识进行现场勘查，对岩石进行初选。同时，对集料的轧制过程有所了解，分析轧 制方法、集料的外形特性及集料等级的优选，为工程服务。教学要求：结合工程地质中有关岩石的形成规律的讲解，分析岩石的种类及其不同的物理、化学性质的成因；重点对比石材与集料的物理、力学性质的概念差异；深刻理解集料的级配的概念，例题讲解级配设计的要求、方法；通过现代教学手段演示石材、集料的基本物理力学试验，并进行实际操作。2.1 常用的天然岩石2.1.1岩浆岩1)岩浆岩的形成及种类岩浆岩的形成岩浆岩又称火成岩，是地壳内的熔融岩浆在地下或喷出地面后冷凝而成的岩石。根据不同的形成条件，岩浆岩可分为以下三种：（1）深成岩 深成岩是地壳深处的岩浆在受上部覆盖层压力的作用下经缓慢冷凝而形成的岩石。其结晶完整、晶粒粗大、结构致密。具有抗压强度高、孔隙率及吸水率小、表观密度大、抗冻性好等特点。土木工程常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等。（2）喷出岩 喷出岩是岩浆喷出地表时，在压力降低和冷却较快的条件下而形成的岩石。由于其大部分岩浆来不及完全结晶，因而常呈隐晶（细小的结晶）或玻璃质（非晶质）结构、当喷出的岩浆形成较厚的岩层时，其岩石的结构与性质类似深成岩；当形成较薄的岩层时，由于冷却速度快及气压作用而易形成多孔结构的岩石，其性质近似于火山岩。土木工程常用的喷出岩有辉绿岩、玄武岩、安山岩等。（3）火山岩 火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却后形成的岩石。有多孔玻璃质结构且表观密度上的散粒状火山岩，如火山灰、火山渣、浮石等；也有因散粒状火山岩堆积而受到覆盖层压力作用并凝聚成大块的胶结火山岩，如火山凝灰岩等。岩浆岩的种类岩浆岩的矿物成分是岩浆化学成分的反映。岩桨岩化学成分相当复杂，但含量高、对岩石的矿物成分影响最大的是 SiO2。根据SiO2的含量，岩浆岩可分为下面几类：1 酸性岩类(SiO2含量65%)矿物成分以石英、正长石为主，并含有少量的黑云母和角闪石。岩石的颜色浅，密度小。常见的酸性岩类有花岗岩、花岗斑岩、流纹岩等。2 中性岩类(SiO2含量65-52% )矿物成分以正长石、斜长石、角闪石为主，并含有少量的黑云母及辉石。岩石的颜色比较深，密度比较大。常见的中性岩类有正长岩、正长斑岩、粗面岩、闪长岩、闪长斑岩、宝山岩等。3 基性岩类(SiO2含量52-45%)矿物成分以斜长石、辉石为主，含有少量的角闪石及橄榄石。岩石的颜色深，密度也比较大。常见的基性岩类有辉长岩、辉绿岩、玄武岩等。4超基性岩类（SiO245%）矿物成分以橄榄石、辉石为主，其次有角闪石，一般不含硅铝矿