2019岩土工程师《基础考试》考点串讲：土木工程材料

　　一、土木工程材料分类、组成及结构

　　(一)土木工程材料的组成

　　土木工程材料的组成分为化学组成和矿物组成。化学组成影响着材料的化学性质，矿物组成影响着材料的物理力学性质。

　　通常按照土木工程材料的化学组成将其划分为无机材料、有机材料和复合材料叁大类，详见表1。

　　表1 土木工程材料的分类

　　(二)土木工程材料的结构

　　土木工程材料的结构有宏观结构、细观结构和微观结构。

　　1、微观结构

　　(1)晶体：具有各向异性的性质，如钢材。

　　(2)玻璃体：各向同性的，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，如粉煤灰。

　　(3)胶体：属于非晶体。质点很微小，表面积很大，所以表面能很大，吸附能力很强，使胶体具有很强的粘结力，如水化硅酸钙。

　　2、宏观结构又划分为。

　　(1)按照土木工程材料的构造特征，土木工程材料的构造分为

　　堆聚结构：由骨料与胶凝材料结合而成的材料，例如混凝土

　　纤维结构：玻璃纤维及矿物棉等纤维材料所具有的结构。

　　层状结构：将材料叠合而成的结构，例如胶合板

　　散粒结构：松散颗粒的结构，例如砂石骨料

　　(2)、按照土木工程材料的孔隙特征分为

　　致密结构：无孔隙存在的材料，例如玻璃、钢材

　　多孔结构：有粗大孔隙的结构，例如加气混凝土

　　微孔结构：有微细的孔隙结构，例如粘土砖、石膏制品

　　二、土木工程材料的物理性质

　　(一)密度、表观密度与堆积密度

　　(二)材料与水有关的性质

　　1、材料的亲水性和憎水性

　　材料表面与水或空气中的水汽接触时，会产生不同程度的润湿。材料能被水润湿的性质称为亲水性;材料不能被水润湿的性质称为憎水性。表面能被水润湿的材料为亲水材料，如砖、混凝土、木材等;表面不会被水润湿的材料为憎水材料，如石蜡、沥青，憎水材料适合做防水和防潮材料。

　　材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气叁相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1所示。θ角越小，表明材料越容易被水润湿。θ≤90°时，材料能被水湿润，称为亲水性材料;θ>90°时材料表面不易吸附水，称为憎水性材料。

　　2、材料的吸水性和吸湿性

　　(1)吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。材料的吸水性以吸水率表示。质量吸水率指吸入水的质量占材料干燥质量的百分率。

　　材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。封闭孔隙或粗大开口孔隙时，吸水率低;细微连通孔隙时吸水率大，这种材料的吸水性强。

　　(2)吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥空气中也会放出水分。材料的吸湿性用含水率表示;含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率。材料的含水率会随环境温度和湿度变化而异。通常采用平衡含水率。

　　材料吸湿含水后会使材料表观密度和导热系数增大，强度降低、体积膨胀。

　　3、材料的耐水性

　　材料的耐水性：指材料长期在饱和水作用下不破坏，强度也不显着降低的性质。材料的耐水性用软化系数来表示，即材料在水饱和状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度之比。

　　4、材料的抗渗性

　　材料抵抗压力水渗透的性质成为抗渗性，或不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数来表示。渗透系数是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。渗透系数越小，材料的抗渗性越好。

　　对于混凝土或砂浆用抗渗等级表示其抗渗性，抗渗等级越大，混凝土或砂浆的抗渗性越好。

　　材料的抗渗性和其孔隙率及孔隙特征有关，一般孔隙率小且为封闭孔的材料，抗渗性好。孔隙率大且是连通孔的材料，抗渗性差。对于防水材料要求具有更高的抗渗性。如地下构筑物和防水工程要求有较高的抗渗性

　　5、材料的抗冻性

　　材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环(冻结和融化)作用而不破坏、强度也不严重降低的性质为抗冻性。用抗冻等级Fn表示，n指材料所能承受的最大冻融次数。抗冻等级越大，材料的抗冻性越好。密实或具有封闭孔隙的材料抗冻性好。

　　(叁)材料的导热性

　　当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧，通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。

　　材料导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度改变1K时，在1s时间内通过1m2面积的热量。材料的导热系数愈小，表示材料的导热性越差，绝热性能愈好。

　　影响材料导热性的因素有：

　　(1)材料的组成与结构：金属材料、无机材料、晶体材料的导热性大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。

　　(2)材料的孔隙率：增大孔隙率大，即表观密度小，导热系数小。

　　(3)材料的孔隙特征：相同孔隙率时，微孔或封闭孔隙构造材料的导热系数小，绝热性好。

　　(4)材料的含水情况：材料含水或含冰后会使导热系数增大，绝热性下降。

　　以上各物理性能及其指标汇总于表2中。

　　表2 材料的物理性能及其指标

　　叁、材料的力学性质

　　1、材料的强度、比强度

　　材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用的形式不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。

　　比强度：指材料强度对其表观密度的比值，是衡量材料轻质高强的主要指标。该值越大，表明材料轻质高强。

　　2、弹性与塑性：

　　弹性：指外力作用下材料产生变形，外力取消后变形消失，材料能完全恢复塬来的形状的性质，这种变形为弹性变形。弹性模量是衡量材料在弹性范围内抵抗变形能力的指标，该值越大，材料抵抗变形的能力越强，材料受力变形越小。

　　塑性：指外力作用下材料产生变形，外力取消后仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂隙的性质，这种变形称为塑性变形。

　　弹-塑性材料：受力时弹性和塑性变形同时出现，如混凝土。

　　3、脆性和韧性

　　材料受外力作用，当外力达到一定数值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。脆性材料抗压强度比抗拉强度大很多，如混凝土等，适合作承压构件。

　　材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。如建筑钢材。

　　4、硬度

　　硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。材料的硬度愈大，其强度愈高。通常石料用刻痕法或磨耗法;金属、木材和混凝土用压痕法;矿物材料用刻划法;塑料、橡胶及金属用布氏硬度表示。