土木工程材料绪论

构成土木、建筑、水利、道桥等工程构筑物的材料称为土木工程材料，它包括地基基础、梁、板、柱、墙体、屋面等所用到各种材料。

一、建筑材料的分类

土木工程材料可从各种角度分类，如按土木工程材料的功能与用途分类，可分为结构材料、防水材料、保温材料、吸声材料、装饰材料、地面材料、屋面材料等。

为方便学习、记忆和掌握土木工程材料的基本知识和基本理论，一般按土木工程材料的化学成分分类。

土木工程材料

无机材料

金属材料黑色金属：钢、铁有色金属：铝及其合金，铜及其合金

非金属材料

天然石材：花岗岩、大理岩、石灰岩、玄武岩烧结与熔融制品：砖、陶瓷、玻璃、铸石、岩棉

胶凝材料气硬性胶凝材料：石灰、石膏、水玻璃水硬性胶凝材料：各种熟料水泥

砂浆与混凝土

硅酸盐制品：灰砂砖、加气混凝土

有机材料

植物材料：木材、竹材及其制品合成高分子材料：塑料、橡胶、涂料、胶粘剂、密封材料沥青材料：石油沥青、煤沥青及其制品

复合材料

无机材料基复合材料

混凝土、砂浆、钢筋混凝土水泥刨花板、聚苯乙烯混凝土

有机材料基复合材料

沥青混凝土、树脂混凝土、玻璃纤维增高聚物

胶合板、纤维板、竹胶板

二、土木工程材料在土木建筑中的作用及重要性 土木工程材料是建筑业的物质基础。

土木工程材料的性能、品种、质量及经济性直接影响或决定着土木建筑结构的形式、建筑物的造型以及构筑物的功能、适用性、艺术性、坚固性、耐久性及经济性等。 土木建筑工程中许多技术的突破，往往依赖于土木工程材料性能的改进与提高，而新材料的出现又促进了建筑设计、结构设计和施工技术的发展，也使建筑物的功能、适用性、艺术性、坚固性和耐久性等得到进一步的改善。

土木工程材料的经济性直接影响着建筑物的造价。

了解或掌握土木工程材料的性能，按照建筑物及使

用环境条件对土木工程材料的要求，正确合理地选用建

筑材料，充分发挥每一种材料的长处，做到材尽其能、

物尽其用。

三、建筑材料的发展趋势

天然石材、木材→陶器、砖瓦、石灰、三合土、玻璃、青铜→钢材、水泥、

混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝上。

近几十年来，随着科学技术的进步和土木建筑工业发展的需要，一大批新型材料应运而生，出现了塑料、涂料、新型建筑陶瓷与玻璃、新型复合材料 ( 纤维增强材料、夹层材料等 ) 。

1. 高性能材料。

2. 复合化、多功能化。

3. 充分利用地方资源和工业废渣。

4. 节能材料。

四、建筑材料标准及工程建设规范

国家标准 GB；建筑工程国家标准 GBJ；建设部行业标准 JGJ；建设部工业产品标准 JG国家建材局 JC；冶金部标准 YB；化工部标准 HG；石油化学工业部或中国石油化学总公司标准 SH（曾用

SY）；中国工程建设标准化协会标准 CECS；中国土木工程学会 CCES；交通部 JTG 、 JTJ；铁道部 TB地方标准 DB；企业标准 Q 等。

五、课程的目的与学习方法

获得有关建筑材料的基本理论、基本知识和基本技

能，为学习专业课程提供土木工程材料的基础知识，并

为今后从事建筑设计与施工能够合理选用土木工程材料

和正确使用土木工程材料奠定基础。

六、学习方法

（ 1）了解或掌握材料的组成、结构和性质间的关系。

（ 2）运用对比的方法。

（ 3）密切联系工程实际，重视实验课并做好实验。

第一章 土木工程材料的基本性质第一节　材料的组成、结构与性质

材料的组成和结构决定着材料的各种性质。要了解材料的性质，道德必须了解材料的组成、结构与材料性质间的关系。

一、材料的组成（一）化学组成

化学组成即化学成分。

化学组成是决定材料化学性质（耐腐蚀性、燃烧性等）、物理性质（耐水性、耐热性、保温性等）、力学性质（强度、变形等）的主要因素之一。

( 二 )矿物组成

许多无机非金属材料是由各种矿物组成的。 矿物是具有一定化学成分和结构征的单质或化合

物。 矿物组成是决定无机非金属材料化学性质、物理

性质和力学性质等的重要因素。

材料的化学组成不同，则材料的矿物组成也不同。

而相同的化学组成，可以有不同的矿物组成（即微观

结构不同），且材料的性质也不同。

二、材料的结构（一）微观结构

材料的微观结构可分为晶体和非晶体结构。

晶体是质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，并具有特定的几何外形和固定的熔点。

非晶体，又称玻璃体，是熔融物在急速冷却时，质点来不及按特定规律排列所形成的内部质点无序排列（短程有序，长程无序）的固体或固态液体。

微观结构形式及其主要特性微观结构 常见材料 主要特性

晶体

原子、离子、分子有规律排列

原子晶体（以共价键结合）

金刚石、石英、刚玉

强度、硬度、熔点高，密度小

离子晶体（以离子键结合）

氯化钠、石膏、石灰岩

强度、硬度、熔点较高，但波动较大。部分可溶，密度中等

分子晶体（以分子键结合）

石蜡及部分有机化合物

强度、硬度、熔点较低。大部分可溶，密度小

金属晶体（以金属键结合）

铁、钢、铝及其合金

强度、硬度变化大，密度大

非晶体

质点无规律排列 玻璃、火山灰、粉煤灰

与同组成晶体比强度、硬度密度化学稳定性、导热性、导电性差，各向同性

( 二 )亚微观结构 (显微或细观结构 )

由光学显微镜所看到的微米级的组织结构。该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。

材料的亚微观结构对材料的强度、耐久性等有很大的影响。材料的亚微观结构相对较易改变。

（三）宏观结构（构造） 用肉眼或放大镜即可分辨的毫米级以上的组织称为宏观结构。主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式（或形式）、各组成材料的分布等。

材料的宏观结构及其相应的主要性质材料的宏观结构 常用材料 主要特性单一材料

致密结构 钢材、玻璃、沥青、部分塑料

高强，或不透水、耐腐蚀

多孔结构 泡沫塑料、泡沫玻璃 轻质、保温、低强度

纤维结构 木材、竹材、岩棉、玻璃纤维、钢纤维

高抗拉、且大多数轻质、保温、吸声

聚集结构 陶瓷、砖、某些天然石材 强度较高

复合材料

粒状聚集结构 各种混凝土、钢筋混凝土 综合性能好、价格较低纤维聚集结构 岩棉板、纤维板、纤维增

强塑料轻质、保温，或高抗拉

多孔结构 加气混凝土、泡沫混凝土 轻质保温

叠合结构 纸面石膏板、胶合板、各种加芯板

综合性能好

材料的宏观结构不同，即使组成与微观结构等相

同，材料的性质与用途也不同，如玻璃与泡沫玻璃、

密实的灰砂硅酸盐砖与灰砂加气混凝土，它们的许多

性质及用途有很大的不同。材料的宏观结构相同或相

似，则即使材料的组成或微观结构等不同，材料也具

有某些相同或相似的性质与用途，如泡沫玻璃、泡沫

塑料、加气混凝土等。

( 一 )孔隙的分类

按孔隙的大小，可将孔隙分为微细孔隙、细小孔隙（毛细孔）、较粗大孔隙、粗大孔隙等。

按孔隙的形状，可将孔分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带尖角的孔隙等。

按常压下水能否进入孔隙中，将常压下水可以进入的孔隙称为开口孔隙（或称连孔隙），而将常压下水不能进入的孔隙称为闭口孔隙（或封闭孔隙）。

三、结构中的孔隙与材料性质的关系

开口孔隙对材料性质的影响较闭口孔隙大，往往使材料的大多数性质降低（吸声性除外）。

( 二 )孔隙对材料性质的影响

1 、孔隙含量 (即孔隙率 ) 对材料性质的影响。

2 、孔隙的形状和孔隙的状态对材料性质的影响。

材料内孔隙示意图

1－固体物质；2－开口孔隙；3－闭口孔隙

( 三 ) 材料内部孔隙的来源与产生

天然材料在生长或形成过程中产生的孔隙。

如木材、天然岩石。

人造材料在其生产过程中引入的孔隙。如生

产中过量水的使用。

第二节 材料结构状态的基本参数一、不同结构状态下的密度( 一 ) 密度材料在绝对密实状态下 (不含内部任何孔隙 )，单位体积的质量称为材料的密度，定义式如下：

V

m

( 二 )视密度 材料在自然状态下不含开口孔隙时，单位体积的质量称为材料的视密度，定义式如下：

aa cp

m m

V V V

( 三 ) 体积密度 材料在自然状态下，单位体积的质量称为材料的体积密度，定义式如下：

w w w0

0 a p cp ap

' ' 'm m m

V V V V V V

通常所指的体积密度是材料在气干状态下的，称为气干体积密度，简称体积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干体积密度，以 ρ0d表示 ( ) 。0d

0

mV

1－颗粒中的固体物质；2－颗粒中的开口孔隙；3－颗粒中的闭口孔隙；4－颗粒间的空隙

散粒材料的堆积状态示意图

w wp

p 0 v

' 'm m

V V V

( 四 ) 堆积密度 散粒材料或粉末状材料在自然堆积状态下，单位

体积的质量称为堆积密度，定义式如下：

二、孔隙率与密实度( 一 ) 密实度 材料体积 ( 自然状态 ) 内固体物质的充实程度。

0d

0

100% 100%V

DV

( 二 ) 孔隙率 材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率

p 0 0d

0 0 0

1 (1 ) 100%V V V V

PV V V

a sw swa

0 0 0 w

1100%

V V mP

V V V

2. 闭口孔隙率 闭孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。

cp a p opc a

0 0

V V VP P P

V V

三、空隙率 散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙的体积占堆积体积的百分率 。

1. 开口孔隙率 开孔体积与材料在自然状态下体积的百分率。

p 0 pdv

p p 0d

' (1 ) 100%V VV

PV V

第三节 材料的力学性能

一、材料的强度 材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示。

材料的强度取决于结构质点（原子、分子、离子）间的作用力大小，破坏主要是结合键的断裂或质点间的滑移。

th

Ef

a

a——原子间距， m 。

实际材料内部常含有大量的缺陷，材料受力时，在缺陷处形成应力集中导致强度降低。当脆性材料内部含有一长度为 2c 的微裂纹时，由 Griffith断裂理论，其强度为 ：

2Ef

c

2 J/m——式中 材料的表面能， ；

Orowan公式 ：

（一）材料的理论强度

(二 )材料的强度

F

F

F

F

F

F

（ a）拉 （ b）压 （ c）剪 （ d）弯 材料的受力状态

F F

l

l/3 l/3 l/3

h

b

二 影响强度的因素

(三 ) 比强度 比强度是材料强度与体积密度的比值。比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。

内因：组成与结构。 外因：试件形状、大小、表面状况、含水率、加荷速度。

二、材料的受力变形 (一 ) 弹性变形 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性，材料的这种变形称为弹性变形 。

材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为材料的塑性，这种变形称为塑性变形。

(二 )塑性变形

( 三 ) 弹塑性变形

材料在外力的作用下，既有弹变，也有塑变。

应力

弹性变形 塑性变形 弹塑性变形 变形

三、脆性与韧性（一）脆性 材料在荷载作用下，破坏前无明显的塑性变形，表现为突发性破坏的性质。 脆性材料的特点：塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大 (5~50倍 )。无机非属于此类。（二）韧性 又称冲击韧性，指材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质。 韧性材料的特点：变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。常用金属材料、木材、橡胶、部分塑料属于此类。

第四节 材料与水有关的性质

一、材料亲水性与憎水性 当材料与水接触时，如果材料表面可以被水所润湿或浸润。此种性质称为材料的亲水性，具备这种性质的材料称为亲水性材料。若水不能在材料的表面上铺展开，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此种材料称为憎水性材料。

亲水性， θ≤90° 与

毛细现象

憎水性， θ ＞ 90° 与

毛细现象

θ θ

二、吸水性与吸湿性 ( 一 ) 吸水性 吸水性是材料在水中吸收水分的性质。用质量吸

水率 ωm 或体积吸水率 ωv 来表示。两者分别是指材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝于质量的百分率，或所吸水的体积占材料自然状态体积的百分率，定义式如下：

sw swm

'100% 100%

m m m

m m

sw swv

0 0 w

' 1100% 100%

V m m

V V

式中 msw— 材料吸水饱和时所吸水的质量， g 或 kg；

m'sw— 材料吸水饱和时材料的质量， g 或 kg；

V sw— 材料吸水饱和时所吸水的体积， cm3 或 m3

；

ρw— 水的密度， g/cm3 或 kg/m3 。

质量吸水率与体积吸水率的关系为：0d

v mw

由于 Vop=Vsw ，即有 Pa ＝ ωv ，由此可知材料的吸水率可直接或间接反映材料的部分内部结构及其性质，即可根据材料吸水率的大小对材料的孔隙率、孔隙状态及材料的性质做出粗略的评价。

( 二 ) 吸湿性 吸湿性是材料在空气中吸收水蒸气的性质。 材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙含量，特别是毛细孔的含量有关。

( 三 )含水对材料性质的影响 材料吸水或吸湿后，可削弱材料内部质点间的结

合力或吸引力，引起强度下降。同时也使材料的体积密度和导热性增加，几何尺寸中略有增加，而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧。

三、耐水性

sww

d

fK

f

式中 fsw— 材料在吸水饱和状态下的抗压强度， MPa； fd— 材料在绝干状态下的抗压强度， MPa 。 材料的软化系数 =0~1.0 。≥ 0.85时称为耐水性材

料。经常受到潮湿或水作用的结构，须选用≥ 0.75 的材料，重要结构须选用≥ 0.85 的材料。

材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力称为材料的耐水性。 结构材料的耐水性用软化系数 Kp ，来表示，定义式如下：

四、抗渗性 抗渗性是指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性

质。抗渗性用渗透系数 K 来表示，计算式如下：

p

QdK

AtH

式中 Kp—渗透系数， cm3/(cm2·h) 或 cm/h；

Q—渗水量， cm3； d—试件厚度， cm；

A—渗水面积， cm2； t—渗水时间， h；

H—水头 ( 水压力 ) ， cm 。

A

试件

d

水压力H

材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，即在规定试验方法下，材料所能抵抗的最大水压力来表示。如 P2

表示可抵抗 0.2MPa 的水压力。

五、抗冻性 抗冻性是材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质

的能力，多以抗冻等级来表示。抗冻等级用材料在吸水饱和状态下 (最不利状态 ) ，经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，或动弹性模量满足要求时所能抵抗的最多冻融循环次数来表示。如 F25 、表示在经受 25次的冻融循环后仍可满足使用要求。

(1)孔隙率 一般情况下，材料的 P 、 Pk 越大，特别是 Pk

越大，则材料的抗冻性越差。 (2)孔隙的充水程度　充水程度以水饱和度 Ks 来表示：

ws

a p

VK

V

对于受冻材料，吸水饱和状态是最不利的状态。可以用下述关系式来估计或粗略评价多数材料抗冻性的好坏。

影响材料抗冻性的主要因素有：

opsw v as

a p ap

VV PK

V V P P

(3) 材料本身的强度 材料强度越高，抵抗冻害的能力越强，即抗冻性越高。

为提高材料的抗冻性，在生产材料时常有意引入部

分封闭的孔隙，如在混凝土中掺入引气剂。这些引

入的闭口孔隙可切断材料内部的毛细孔隙，当开口

的毛细孔隙中的水结冰时。所产生的压力可将开口

孔隙中尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中 (由于

毛细作用，微细孔隙中水的冰点低于 0℃。如半径

为 15Å 的微细孔隙中，水的冰点约为 -75℃) ，即这

些封闭的孔隙可起到卸压的作用。

提高材料抗冻性的方法：

多孔材料在干燥时会产生收缩，吸湿时产生膨胀。大孔中的水失去时不会引起收缩，细孔隙中的水失去时，会引起毛细孔内水面后退，弯月面的曲率增大，在表面张力 σlv 作用下，的内部压力比外部小，其压力差 ΔP 为：

rP lv2

式中 r— 水面的曲率半径， m 。

干燥程度越高，失水量越多，毛细孔隙中水的弯月面的曲率越大，即曲率半径越小，产生的收缩力越大。吸湿时，弯月面的曲率减小，压差减少，产生湿胀。材料中的毛细孔隙越多材料的干缩湿张值越大。

六、干缩与湿胀

λ 来表示，计算式如下：AtTT

Qd

)( 21

式中　 λ—导热系数， W/(m·K)； Q—传热量， J； d— 材料的厚度， m； T1-T2— 材料两侧的温差， K; A— 材料传热面的面积， m2； t—传热的时间， s 或 h 。 材料的导热系数越小，则材料的绝热保温性越好。

第五节　材料的热物理性质 一、导热性 材料传导热量的性质称为材料导热性，以导热系数

(1) 材料的组成与结构 :通常金属材料的导热系数 λ 分别大于非金属材料

(2) 材料的孔隙率 P:孔隙率 P越大，即材料越轻 (越小 )

，导热系数越小。 (3)含水率 : 材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。

(4) 温度 : 温度越高，材料的导热系数越大 ( 金属除外 )

。

影响材料导热系数的因素主要有：

传热系数的倒数称为热阻 R ，即 R＝ 1/K ，其单位为 (m2·K)/W 。

三、热容量 材料的热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。单位质量材料在温度变化 l℃时，材料吸收或放出的热量称为材料的比热，又称比热容或热容量系数。

二、传热系数与热阻 墙体或其它围护结构的传热能力常用传热系数来表示，即导热系数与材料层厚度的比定义式如下：

K— 材料层的传热系数， W/(m2·K)；d— 材料层的厚度， m 。

dK

材料的热容量值等于材料的比热与材料质量的乘积。材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多的热量时，其自身的温度变化不大，即有利于保证室内温度相对稳定。

四、耐急冷急热性 材料抵抗急冷急热交替作用，保持其原有性质的能

力，称为材料的耐急冷急热性材料的热震性。

五、耐热性与耐火性 材料抵抗燃烧的性质称为耐燃性。其是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。建筑材料抵抗燃烧的性质称为耐燃性。 材料按其燃烧性质分为 4级：     

1. 不然性材料 (A级 )； 2. 难燃性材料 (B1级 )；

3.  可燃性材料 (B2级 )； 4. 易燃性材料 (B3级 ) 。

耐火性 : 材料抵抗高热或火的作用，保持其原有性质的能力。以耐火极限来表示，其是按规定方法，从材料受到火的作用时间起，直到材料失去支持能力、完整性被破坏或失去隔火作用的时间，以 h计。 热震稳定性：材料抵抗急冷急热作用保持原有性质的能力。

第六节 材料的声学性质 一、吸声性 当声波传播到材料的表面时，一部

分声波被反射，另一部分穿透材料，其余部分则传递给材料。对于含有大量开口孔隙的多孔材料 ( 如各种有机和无机纤维制品、膨胀珍珠岩制品等 ) ，传递给材料的声能在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，使相当一部分的声能转化为热能而被吸收或消耗掉；对于含有大量封闭孔隙的柔性多

消耗的声能 Eτ

穿透的声能 Eα

入射声能 E0

反射声能

孔材料（如聚氯乙烯泡沫塑料制品 ) ，传递给材料的声能在空气振动的作用下孔壁也产生振动，使声能在振动时因克服内部摩擦而被消耗掉。此外也有一些吸声机理

与上述两种完全不同的吸声材料或吸声结构。声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性，用吸声系数 α来表示，其定义式如下：

oE

EE

吸声系数 α与声音的频率和入射方向有关。因此吸声系数用声音从各个方向入射的吸收平均值，并指出是那一频率下的吸收值。通常使用的六个频率为 125 、250 、 500 、 1000 、 2000 、 4000Hz 。 一般将上述六个频率的平均吸声系数 ≥ 0.20 的材料称为吸声材料。

最常用的吸声材料为多孔吸声材料，影响其吸声效果的主要因素为：

吸声系数 α越大，材料的吸声性越好。

(1) 材料的孔隙率或体积密度 对同一吸声材料，孔隙率 P越低或体积密度越大，则对低频声音的吸收效果越好，而对高频声音的吸收有所降低。

(2) 材料的孔隙特征 开口孔隙 Pk越多、越细小，

则吸声效果越好。 (3) 材料的厚度 增加多孔材料的厚度，可提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大的效果。 二、隔声性

声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现。因而隔声分有隔空气声和隔固体声。

式中 R—隔声量， dB 。 由此可见，与声透射系数 τ相反，隔声量 R越大

，材料或构件的隔声性能越好。 ( 二 )隔固体声 固体声是由于振源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发声。声能的衰减极少。

1

lg10R

( 一 )隔空气声

透射声能 Eτ 与入射声能 E0 的比值称为声透射系数 τ ，该值越大则材料的隔声性越差。材料或构件的隔声能力用隔声量 R 来表示，定义如下：

第七节 材料的装饰性质

（自学）

第八节 材料的耐久性 一、耐久性 材料长期抵抗各种内外破坏因素或腐蚀介质的作

用，保持其原有性质的能力称为材料的耐久性。材料的耐久性是材料的一项综合性质，一般包括有抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、抗碳化性、耐热性、耐溶蚀性、耐磨性、耐光性等许多项。

二、影响耐久性的主要因素 ( 一 )内部因素 内部因素是造成材料耐久性下降的根本原因。内部因素主

要包括材料的组成、结构与性质。 ( 二 )外部因素 外部因素也是影响耐久性的主要因素。外部因素主要有

： (1) 化学作用 包括各种酸、碱、盐及其水溶液，各种腐蚀 性气体作用或氧化作用。

(2) 物理作用 包括光、热、电、温度差、湿度差、干湿循坏、冻融循坏、溶解等。

(3) 机械作用 包括冲击、疲劳荷载，各种气体、液体及固体引起的磨损与磨耗等。

(4)生物作用 包括菌类、昆虫等，可使材料产生腐朽、虫蛀等而破坏。