D+P=1
开口孔隙率：指材料开口孔隙的体积与材料在自然 状态下的体积之比的百分率，计算如下式：
式中：
闭口孔隙率：总孔隙率与开口孔隙率之差，如下式：
3. 空隙率和填充率
（1）孔隙率
定义：指散粒材料在其堆集体积中, 颗粒之间的空隙 体积所占的比例。
计算式：
P'
V0'
V0
(1
' 0
)
100%
V0'
（1）理论强度 远远大于实际强度 （2）实际强度 采用破坏性试验测定，根据受力形式 分为抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗弯强度。
（3）影响强度的因素 内因：组成和结构 外因：试件形状 试件尺寸 加荷速度 表面粗糙程度 含水程度 温度
……
三. 脆性和韧性 1. 脆性：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。
Wm
mb mg mg
100%
式中：mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg） mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。
材料的吸水率与其孔隙率有关，特别是开孔孔隙率 有关。
当材料吸水饱和时，材料吸水体积与开孔隙体积相 等。
（2）吸湿性 定义：指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。
表示方法：含水率，其计算公式为：
材料的堆积体积：粉状或粒状材料，在堆集状态下的总体外 观体积。根据其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可能 不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。
材料的堆集体积一般以 V’来表示。
0
2. 密度 定义：是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 计算式：
m
V
式中：ρ—密度, g/cm3 或 kg/m3 m—材料的质量，g 或 kg V—材料的绝对密实体积，cm3 或 m3
2. 微观结构 微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。
晶体：的特征是其内部质点（离子、原子、分子） 按照特定的规则在空间周期性排列。固定的几何外 形和熔点。
非晶体：也称玻璃体或无定形体。玻璃体是化学不 稳定结构。内部指点无序排列的固态或液态。无固 定熔点。
3. 亚微观结构 也称作细观结构，是指可用光学显微镜观察到的结
亲水性
憎水性
图1－1 材料润湿示意图 （ａ）亲水性材料；（ｂ）憎水性材料
2.材料的吸水性与吸湿性
（1）吸水性
定义：材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。
表示方法：吸水率（质量吸水率和体积吸水率）
※ 质量吸水率
质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状
态下的质量百分比，并以ｗm 表示。质量吸水率ｗm 的计算公式 为：
组成及微观结构不同，宏观结构相同，物理性质相 似。（泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土）
三. 结构中的孔隙与性质的关系
1. 孔隙形成的原因 水分子占据 外加发泡作用 焙烧
2. 孔隙的分类 按大小分（微孔、毛细孔、较大孔、大孔） 按形状分（球状、片状） 按常压水进入与否分（开口、闭口）
3. 孔隙对材料性质的影响（孔隙增多） 材料的体积密度减小 材料受力的有效面积减小，强度降低 透水性、透气性、吸声性、吸湿性、吸水性增大 抗冻性、抗渗性视孔隙大小和形态而定
实际工程中，材料受到外界破坏因素是多种因素 共同作用，因此耐久性是一项综合性质。不同种类 的材料，其耐久性内容不同；即使同种材料，由于 其使用部位、环境不同，其耐久性的内容不同，提 高材料的耐久性应根据材料种类及使用条件分析。
材料的抗冻等级可分为Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、 Ｆ200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、 100次、200次的冻融循环。
材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水 饱和程度有关。
5.材料的抗渗性 定义:材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。
表示方法：渗透系数或抗渗标号
渗透系数越大，材料的抗渗性越差；抗渗标号越大， 材料的抗渗性越好，如P4、P6、P8、P10…等，表示试 件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、 1.0MPa…的水压而不渗透。
代表材料：木材、建筑钢材、橡胶。
受冲击荷载的结构应考虑韧性材料。
四. 强度等级和比强度
1.强度等级
为了便于合理使用材料，对于以强度为主要指标的 材料，通常按材料强度值的高低划分成若干等级， 称为材料的强度等级或标号。
脆性材料以抗压强度划分，塑性材料和韧性材料主 要以抗拉强度来划分。
2.比强度
材料强度与体积密度的比值。比强度是衡量材料轻 质高强性能的重要指标。
代表材料：无机非金属材料均，如天然石材，烧结普 通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。
脆性材料的特点：塑性变形小，抗压强度高而抗拉、 抗折强度低。 2. 韧性：又称冲击韧性，是材料在冲击振动荷载的作 用下吸收较大能量而不发生突发性破坏的性质。
韧性材料的特点：塑性变形大，抗拉强度接近或高于 抗压强度。
二. 材料的结构
1.宏观结构（构造）
材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大 组织。
致密结构：高强，不透水（钢材、玻璃、沥青）
多孔结构：轻质保温（加气混凝土、泡沫混凝土） 纤维结构：高抗拉强度（木材纤维、玻璃纤维）
堆聚结构：强度较高（混凝土、砂浆、砖）
层状结构：综合性能好（胶合板、人造板、蜂窝夹芯 板）
抗渗性与材料的亲水性、孔隙结构（开孔还是闭孔） 有关
抗渗性与耐久性的关系：抗渗性越高，耐久性越高。
第三节 材料的力学性质
一.材料的变形 弹性变形 塑性变形 徐变（是物体在荷载作用下，随时间增长而增加的变形，与 荷载的大小关系不大。）
二.材料的强度
材料的强度是材料在外力或应力作用下抵抗破坏的 能力，并以材料在破坏时的最大应力值表示。
比强度越大，材料轻质高强性能越好。
几种材料的比强度： 低碳钢—0.045 普通混凝土—0.017 松木（顺纹抗拉）—0.2 粘土砖—0.006
玻璃钢—0.225
五. 硬度和耐磨性 1. 硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬 物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法（无机非 金属材料），回弹法（混凝土）和压入法（金属材料） 测定材料的硬度。 刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、 方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、 金刚石的顺序，分为１０个硬度等级。 回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝 土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、 金属等的表面硬度并间接推算其强度。
软化系数的波动范围在0至1之间。
工程中通常将ＫＲ＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用 于水中或潮湿环境中的重要工程。
用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也 不得小于0.75 。
4. 抗冻性 定义：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，强度也不显著降低的性能。
抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度 降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示， 或称为抗冻等级。
的质量。
计算式：
0'
m V0'
式中:ρ0，—材料的堆积密度, g/cm3 或 kg/m3 m —材料的质量，g 或 kg V0，—材料的堆积体积，cm3 或 m3
试验：量筒法
二. 材料的孔隙率与密实度
1.材料的密实度
定义：指材料体积内被固体物质充实的程度。
计算式：
D V 100 %
D 0 100 %
试验：李氏瓶法
3. 材料的表观密度 定义：俗称“容重”，是指材料在自然状态下单位体
积的质量。
计算式：
0
m V0
式中：ρ0—材料的表观密度, g/cm3 或 kg/m3 m —材料的质量，g 或 kg V0—材料的表观体积，cm3 或 m3
试验：排水法
4. 材料的堆积密度
定义：是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积
1.化学组成
无机非金属 氧化物含量来 金属材料 化学元素含量
有机材料 各化合物含量。
化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和 力学性质。
2.矿物组成
由一种或几种化学组成经过一定的生产工艺过程， 形成具有一定结构特征的单质或化合物。
矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形 式。
3.相组成 材料中结构相近性质相同的均匀部分。
构。主要研究内部晶粒、颗粒的大小形态、界面、 孔隙、微裂纹的大小、形状及分布。
特点：材料内部的晶粒越小，分布越均匀，则材料 受力越均匀，强度越高，脆性越差，耐久性越高， 界面粘结越好，强度和耐久性越高。
4. 三种结构的关系
宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观 结构较易改变。
组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不 同。（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土）
压入法用于测试金属材料的硬度，常用布什法和 洛氏法。
2.耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用
磨损前后单位表面积的质量损失，即磨损率表示，计算 公式如下：
G m1 m2 A
式中 G------材料的磨耗率， （g/cm2） m1 ----材料磨损前的质量，（g） m2-----材料磨损后的质量，（g） A------材料试件的受磨面积 （cm2）
学习目的和要求
❖ 通过本章的学习，熟悉材料的基本性质，为 以后各章节具体材料的学习创造条件。
❖ 通过学习，了解材料的组成、结构以及它们 与材料性质的关系。
❖ 通过学习，掌握材料的各项基本力学性质、 物理性质、耐久性等的概念及其意义。
第一节 材料科学的基本理论
一. 材料的组成 材料组成是决定材料性质的内在因素之一。
第一章 土木工程材料的基本性质
一. 材料科学的基本理论 二. 材料的基本物理性质 三. 材料的基本力学性质 四. 材料的耐久性 五. 材料的热工性质