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土 木 工 程 材 料. 福州大学土木工程专业. 总学时 32. 绪 论 1 学时 土木工程材料基本性质 3 学时 气硬性胶凝材料 4 学时 水泥 6 学时 水泥砼 10 学时 建筑砂浆 2 学时 墙体材料 2 学时 建筑钢材 2 学时 防水材料 2 学时. 绪论. 目的要求： 了解土木工程材料的概况，明确学习本课程的意义及学习要求，熟悉土木工程材料的分类 。. 一、土木工程材料的定义及分类. 定义：. 土木工程材料是土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。. 分类：.
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土 木 工 程 材 料 福州大学土木工程专业
总学时32 • 绪 论 1学时 • 土木工程材料基本性质 3学时 • 气硬性胶凝材料 4学时 • 水泥 6学时 • 水泥砼 10学时 • 建筑砂浆 2学时 • 墙体材料 2学时 • 建筑钢材 2学时 • 防水材料 2学时
绪论 • 目的要求： 了解土木工程材料的概况，明确学习本课程的意义及学习要求，熟悉土木工程材料的分类 。
一、土木工程材料的定义及分类 定义： • 土木工程材料是土木工程中所使用的各种材料及其制品的总称。 分类： • 土木工程材料种类繁多，为了研究、使用和叙述的方便，可以从不同角度加以分类。常用的分类法： １、按材料来源分类 ２、按材料功能分类 ３、按材料组成分类： 1、按材料来源分类： • 按使用部位分类，有天然材料及人造材料。
二、土木工程材料的地位 • 土木工程的物质基础。 • 土木工程材料在建设工程中用量大，经济性强，直接影响工程的造价。一般建筑中材料费约占总造价的50%—60%。 • 土木工程材料的品种、质量及规格还直接影响着工程坚固、耐久和适用，并在一定程度上影响着结构形式和施工方法。
三、发展概况与趋势 古代人类最初是“穴居巢处”。 火的利用使人类学会了烧制砖、瓦、陶瓷与石灰。 铁器时代以后有了简单的工具，工程材料（木材、砖、石等）才由天然材料进入人工生产阶段。 在封建社会中，生产力停滞不前，土木工程材料的发展也极为缓慢，长期限于砖、石、木材作为结构材料。 西安半坡村房屋复原图
发展方向: 资本主义的兴起，城市的出现于扩大，工业的迅速发展，需要建造大规模的建筑物构筑物和建筑设施，在18~19世纪相继出现了钢材、水泥、混凝土以及钢筋混凝土并成为了主要的结构材料。使建筑业的发展进入了一个新阶段。 工业的发展使一些具有特殊功能的材料，如绝热材料，吸声材料、耐热、耐腐蚀、抗渗透以及防辐射材料应运而生。 1、原材料方面：利用再生资源及工农业废料； 2、生产工艺方面：技术改造，低碳环保； 3、性能方面：轻质、高强、耐久、多功能； 4、产品型式方面：预制化、构件化、单元化。
53mm 115mm 240mm 建筑材料的标准化 技术标准的内容： 包括产品规格、分类、技术要求、检验方法、验收规则、标志、运输和贮存等方面。 GB —国家标准 JC —建材标准 JGJ —建筑工程行业标准 …部门标准 DB —地方标准 QB—企业标准 ASTM —美国材料试验学会标准 BS —英国国家标准 DIN —德国工业标准 JIS —日本工业标准 ISO —国际标准 分：强制性、推荐性 如：GB；GB/T
水泥标号 标准构成—①标准代号 ②标准顺序号 ③发布年代号 ④标准名称 GB 175-2007 通用硅酸盐水泥标准
布达拉宫始建于公元7世纪，是藏王松赞干布为远嫁西藏布达拉宫始建于公元7世纪，是藏王松赞干布为远嫁西藏 的唐朝文成公主而建。在拉萨海拔3,700多米的红山上建造了 999间房屋的宫宇－－布达拉宫。宫堡依山而建，现占地41万 平方米，建筑面积13万平方米，宫体主楼13层,高115米,全部 为石木结构，
始建于1889年的埃菲 尔铁塔高320米，分为三 层，从塔座到塔顶共有 1711级阶梯，分别在离地 面57米、115米和276米处 建有平台。 该塔共用去钢铁7000 吨，12000个金属部件， 250万只铆钉而相连起。
帝国大厦(又名“帝国之州大厦”）建造年代：始建于1930年3月高度：381米(不含天线,天线高67米,共计448米)地理位置：纽约曼哈顿第五大道350号，位于第五大道和第34街交界处。
悉尼歌剧院1959年3月破土动工，历时14年，耗资1亿多澳悉尼歌剧院1959年3月破土动工，历时14年，耗资1亿多澳 元。悉尼歌剧院整个建筑占地1.84公顷，长183米，宽118米，高 67米，相当于20层楼的高度。贝壳形尖屋顶，是由2194块每块重 15.3吨的弯曲形混凝土预制件，用钢缆拉紧拼成的，外表覆盖着 105万块白色或奶油色的瓷砖。
国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。
国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube），总建筑面积65000-80000平方米。采用在整个建筑内外层包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热。ETFE膜还具备有自行愈合的能力。
哈利法塔原名迪拜塔，是位于阿拉伯联合酋长国迪拜的一栋已经建成的摩天大楼，有160层，总高828米，比台北101足足高出320米，2010年1月4日竣工启用 。 哈利法塔也为建筑科技掀开新的一页。为巩固建筑物结构，期间曾动用了超过31万立方米的高强混凝土及6.2万吨的高强钢筋，而且也是史无前例地把混凝土垂直泵上逾460米的地方，打破台北101大厦建造时的448米纪录。
学习本课程的目的和方法: 学习目的：属于专业基础课。 配合专业课，为专业设计和施工提供合理选择和使用材料的基础 知识； 为今后从事建筑材料科学技术的专业研究打下必要的基础。 学习方法： 1、抓重点； ——重点章节：水泥、混凝土、钢材 2、对比法； 3、联系实际。 材料的组成、结构 材料的性质 材料的应用
第一章 土木工程材料的基本性质 本章目的： （1）了解材料的组成、结构和构造, 并了解材料的结构和构造与材料 基本性质的关系。 材料性质取决于 材料组成 材料结构 试验条件 （2）理解各种性质的基本概念。 （3）掌握各种性质的表示方法，影响因素及其实用意义。
第１节 材料的组成、结构和构造 1.1 材料的组成 1、化学组成 化学组成：指构成材料的基本元素与化合物。 表示：金属材料的化学组成以主要元素的含量来表示； 无机非金属材料则以各种氧化物含量表示。 2、矿物组成 矿物：指的是在无机非金属材料中，具有特定的晶体结构、具有 特定的物理化学性质的组织结构。 矿物组成：是指构成材料的矿物种类和数量。如天然石材，无机 胶凝材料等。
3、相组成 相组成：指材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。 可分为：气相、液相和固相 土木工程材料多为多相固体材料。 例如：混凝土为集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基相） 中所组成的两项复合材料。 1.2 材料的结构和构造 （一）宏观结构 是指材料宏观存在的状态，即用肉眼或放大镜就可分辨的粗大组织，其尺寸在 10-3m级以上。
分类 (1)按孔隙分类： 致密 多孔 微孔 实例： 钢铁 加气混凝土 粘土砖 (2)按组织构造： 纤维 层状 散粒 堆聚 实例： 玻璃纤维 胶合板 混凝土集料 砂浆 （二）细观结构 是指光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围为10-3～ 10-6m。针对某种具体材料来进行分类研究。 混凝土可分为：基相、集料相和界面相
（三）微观结构 是指材料原子、分子层次的结构。决定材料的物理性质。 其尺寸范围为10-10～10-6m。 (1) 晶体 结构特征：内部质点在三维空间规则排列。 原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体 金刚石晶体结构 四面体 共价键 石墨晶体结构 层与层.分子键 层间共价键 晶体特征:各向异性、最小内能.
(2) 玻璃体（无定形体和非晶体） 结构特征:质点排列 近程有序.远程无序(非周期性) 共价键或离子键 材料特性:各向同性、热力学不稳定. 实例:高炉矿渣 慢冷 晶体 化学活性低 快冷 玻璃体 化学活性高 (3) 胶体 结构特征：极微小的胶粒分散在介质中 溶胶结构和凝胶结构 实例:石油沥青 材料特性:较强的粘结力、强度较低、变形较大
树干的切面 马尾松的显微构造 （四）材料构造 指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况，强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。 实例:木材的构造---木纤维管胞 节能墙板
第 2 节 材料的物理性质 2.1 材料的密度、表观密度与堆积密度 1、密度：材料在绝对密实状态下（不包含孔隙或空隙）单位体积的质量，俗称比重。 材料的实际密度ρ为： ρ= m/V (g/cm3)…………..(a) 式中：m—材料在干燥状态下的质量(g)； V —材料在绝对密实状态下的体积(cm3)。 李氏瓶测定体积 材料的密度大小取决于组成及微观结构。
2、表观密度：指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量，俗称容重。2、表观密度：指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量，俗称容重。 材料的表现密度ρ0为： ρ0= m / V0 (g/cm3或kg/m3)………………..(b) 式中： m—材料的质量（g或kg）； V0—材料在自然状态下的体积（cm3或m3）。 当材料所含的水分不同时，其所测定的材料表观密度也有差异，通常指的是在干燥状态下的表观密度。 材料的表观密度取决于密度、构造及含水程度。 干容重 湿容重 饱水容重
3、堆积密度：指散粒材料或粉状材料，在堆积状态下单位体积的质量，俗称松散容重。3、堆积密度：指散粒材料或粉状材料，在堆积状态下单位体积的质量，俗称松散容重。 材料的堆积密度ρ0＇为： ρ0＇= m / V0＇ （㎏/m3）………..(c) 式中： m—材料的质量（kg）； V0’—材料的堆积体积，包括颗粒体积和颗粒之间 空隙的体积（m3）。 取决于材料颗粒的表观密度、堆积的疏密程度。
……….(d) 或 ……….(e) 2.2 密实度与孔隙率 1、密实度：指材料体积内被固体物质所充实的程度。 材料的密实度D为： V0—表观体积，表面封蜡测V0 2、孔隙率：指材料中孔隙体积占总体积的百分率。 材料的孔隙率P为： V0′—堆积体积，容量筒测V0′ 密实度和孔隙率两者之和为１，两者均反映了材料的密实程度。土木工程材料的许多性质都与材料的致密程度有关，这些性质除取决于孔隙率的大小外，还与孔隙特征（形状、大小）有关。
开口孔隙率 闭口孔隙率
……….(f) ……….(g) 2.3 材料的填充率与空隙率 1、填充率：散粒材料在堆积体积下，被其颗粒填充的程度。 2、空隙率：指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙占其堆积体积的百分率。 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。可用来控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。
表观密度 密 度 堆积密度 孔隙率 空隙率 例1-1 已知某卵石的质量为10.6g，体积为4.06cm3，用李氏瓶法，排除的水的体积为4ml，现总共有这样的卵石3360kg，堆成体积为2m3，求石子的孔隙率和空隙率。
例1-2 某材料干燥试样重450g，浸入水中吸水饱和后，排出水的体积为190 cm3；取出后用湿布抹干再浸入水中，排出水的体积为230 cm3；试样磨细后烘干再浸入水中，排出水的体积为170 cm3。求该材料的密度,表观密度ρ0 ,开口孔隙率PK ,闭口孔隙率PB。 V实=170 cm3 V实+ V闭=190 cm3 V实+ V开+ V闭=230 cm3 P K = V开/ V0 PB = V闭/ V0
孔隙、孔隙率与孔隙(形态)特征 1.一般来说，(单个)孔隙尺寸增大， 材料强度降低，导热系数增大； 2.孔隙率增大 （1）材料表观密度减小； （2）强度降低；导热系数减小； （3）吸水率增大； （4）透气、透水性变大。 （5）抗冻性是否降低，要视孔隙大小和形态特征而定 粗孔与细孔 ——毛细孔使材料吸水率增大、耐久性 降低。一般来说粗孔不易吸满水， 微细孔隙吸水率非常大。 3.孔隙(形态)特征 开孔与闭孔 ——开孔相对闭孔对材料强度、保温性、耐久性 更不利；或增加闭口孔隙，可提高材料保温 性、耐久性。
2.4 材料的亲水性与憎水性 材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，分为： 能被水润湿—亲水性，润湿边角θ≤900 不能被水润湿—憎水性，润湿边角θ>900 材料分子的极性决定亲水、憎水性。 亲水性材料表面做憎水处理，可提高防水性。
2.5 材料的吸水性与吸湿性 1、含水率：材料所含水分质量占其干质量的百分率 其中 W——材料的含水率，100%； m１——材料在含水状态下的质量，g； m0——材料在干燥状态下的质量，g。
2、吸水性 材料与水接触吸收水分的性质，称为材料的吸水性。 质量吸水率：材料饱水状态,所吸水分质量占干质量的百分率。 体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积的百分率。 (等于开口孔隙率) 二者关系 例：某材料饱水容重0饱=1900㎏/m3，体积吸水率Wv=46%， 求其干容重0 解:
3、吸湿性 指材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质。 例如：木材的吸湿性 吸(含)水率增大，对材料的许多性质有不良影响： ——如容重增加、体积膨胀、导热（系数）性增大，强度及抗冻性下降等。
密度 干表观密度 吸水率 开口孔隙率 闭口孔隙率 例1-3烧结普通砖的尺寸为240mm*115mm*53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和后质量为2984g。求该砖的密度、干表观密度、吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。
2.6 材料的耐水性 材料抵抗水的破坏作用的能力称为耐水性。 广义耐水性：力学性质、光学性质、装饰性等； 狭义耐水性：力学性质及结构性质； 指标：软化系数 fb-----材料饱水状态抗压强度，MPa fg-----材料干燥状态抗压强度，MPa 注意：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。 KR>0.85，称为耐水材料
2.7 材料的抗渗性 抗渗性：抵抗压力水渗透的性质 （1）渗透系数 透水量： 渗透系数： Ks的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。 （2）抗渗等级 指石料、砼或砂浆所能承受的最大水压力。 如：最大承水压力为0.2MPa，表示为P2，有P2、P4、P6 、P8……
3 材料与热有关的性质 （1）.导热性 材料两侧存在温差时,热量由一侧传至另一侧的性质 材料组成与结构 取决于 指标—导热系数 材料的孔隙率 材料的孔隙特征 材料的含水状态 愈小，材料的保温隔热性能愈好，或绝热性能愈好。 工程界将 0.23W/(m•k)的材料，称为绝热材料，或节能材料 最好的绝热材料为静止（态）空气，其=0.023W/(m•k)； 房建中采用的空心砖(砌块)、加气砼砌块中 含有较多的静态空气，是良好的节能材料。
（2）.热容量 材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质 指标—比热容 比热容大的材料，热容大，有利于建筑物内部温度稳定 建筑物的围护结构宜选用—比热容大、导热系数小的材料 材料随温度变化时其尺寸变化的性质 （3）.热胀冷缩 指标—线膨胀系数 用于计算材料在温度变化时——引起的变形或产生的温度应力 （4）.保温隔热 保温—防止室内热量的散失 隔热—防止室外热量的进入
第 3 节 材料的基本力学性质 3.1 材料的理论强度和实际强度 固体材料的强度多取决于结构质点之间的相互作用力。 以共价健或离子健结合的晶体，其结合力比较强，材料的弹性模量值也较高。而以分子键结合的晶体，其结合力较弱，弹性模量值也较低。 实际强度----材料抵抗外力破坏的能力 (1)抗压、抗拉、抗剪强度 单点加荷 (2)抗弯强度（抗折强度） 三分点加荷 比强度 —材料的强度与其表观密度之比。 是衡量材料轻质、 高强的指标。
