建筑材料的基本性质(5).ppt

土木工程材料 2011年春 张华,土木工程材料 用于建筑物或构造物所有材料的总称。 包括：水泥、钢筋、木材、混凝土、砖、石灰、沥青、瓷砖等。,材料的分类,按材料来源分为天然材料和人工材料； 按材料在土木工程中的功能，分为结构材料和非结构材料、保温材料和隔热材料、吸声和隔声材料、装饰材料、防水材料等； 按材料使用部位，可分为墙体材料、屋面材料、地面材料、饰面材料等； 按材料的化学成分，可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。,建筑材料在工程建设中的地位,土木工程材料是一切土木工程的物质基础。 材料费用在工程总造价中占有40%70%。 材料的性能，影响到土木工程的坚固、耐久和适用。,土木工程材料的发展,建筑材料是随着社会生产力和科学技术水平的发展而发展的，根据建筑物所用的结构材料，大致分为三个阶段： （1）天然材料：天然石材、木材、粘土、茅草等。 （2）烧土制品：粘土砖、瓦。 （3）钢筋混凝土,材料发展方向, 轻质高强：高强混凝土、加气混凝土、轻骨料混凝土、空心砖、石膏板。 节约能源：能耗占国家总能耗的20%25% 利用废渣 智能化：自我诊断、自我修复，可重复利用。 多功能化 绿色化,第一章 材料的基本性质,第一节 材料的基本物理性质 一、材料的体积组成 体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。 材料的绝对密实体积： 干材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以表示材料的绝对密实体积。,2. 材料的表观体积: 材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0 表示材料的表观体积。,3. 材料的孔体积： 用Vp表示。指材料所含孔隙的体积，分为开口孔隙体积（记为VK）和闭口孔隙体积(记为VB)。 如是有：,4. 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。是材料颗粒体积（Vo）和颗粒之间的间隙（记为Vj）体积之和。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 V0 来表示。,二、材料的密度 1、密度（视频）（比重） 材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算： 式中：密度, g/cm3 ； m材料的质量（干燥至恒重），g ； V材料的绝对密实体积，cm3 。 测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排液法来测定其体积。,2. 材料的表观密度 表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。 按下式计算：,式中0材料的表观密度, g/cm3 ； m 材料的质量，g ； V0材料的表观体积，cm3 。,材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积。因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关。,3. 材料的堆积密度视频 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。 按下式计算： 式中0，材料的堆积密度, g/cm3 m 材料的质量，g ； V0，材料的堆积体积，cm3 。,粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。,4.材料的密实度 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下： 对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或 100%。对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。 密度；0材料的表观密度,5. 孔隙率 材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：,V材料的绝对密实体积，cm3 ； V0材料的表观体积，cm3 ； 0材料的表观密度, g/cm3 ； 密度, g/cm3 。,6. 空隙率 空隙率是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。空隙率P， 按下式计算： 0材料的表观密度;0，材料的堆积密度 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。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。,三、与各种物理过程有关的性质 （一）与水有关的性质 1. 材料的亲水性与憎水性录像 与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。 材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。,工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿角愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角 时，为亲水性材料；当材料的润湿角 时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中，见图1-1,图11 材料润湿示意图 （）亲水性材料；（）憎水性材料,2.材料的吸水性 材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。分为质量吸水率和体积吸水率两种。 2.1 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m 表示。质量吸水率m 的计算公式为：,式中 mb材料吸水饱和状态下的质量（）； mg材料在干燥状态下的质量（）。,2.2 体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以W表示。体积吸水率W的计算公式为：,式中 mb材料吸水饱和状态下的质量（） mg材料在干燥状态下的质量（）。 V0 材料在自然状态下的体积，（cm3 ） w 水的密度,（g/cm3 ）， 常温下取 w =1.0 g/cm3,材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。,3. 材料的吸湿性 材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的。,材料的吸湿性用含水率来表示。材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以h表示，其计算公式为：,式中 ms材料吸湿状态下的质量（）； mg材料在干燥状态下的质量（）。,显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。,4. 材料的耐水性 材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR：,式中 KR 材料的软化系数; fb 材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa); fg 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。,材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的波动范围在0至1之间。 工程中通常将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 。,5. 抗冻性 材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。 抗冻性是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。 材料的抗冻等级可分为15、25、50、100、200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。,6. 材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。材料的抗渗性通常用渗透系数或渗透等级表示。,6.1 渗透系数 材料的渗透系数可通过下式计算:,式中 K渗透系数, （cm / h）; Q渗水量， （cm3 ） A 渗水面积, （cm2 ） H 材料两侧的水头度，（cm） d 试件厚度 （cm） t 渗水时间 （h） 材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,6.2 抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。 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。,1. 热容量和比热容 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热容。比热的计算式如下所示：,式中 C-材料的比热容，kJ/（kgK） Q-材料吸收或放出的热量(KJ) m-材料质量，kg （t2 - t1）-材料受热或冷却前后的温差，K。,（二）材料的热工性质,比热容与材料的质量的积称为材料的热容量值，即材料温度升高1K须吸收的热量或温度降低1K所放出的热量。 热容量大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动。 屋面材料也宜选用热容量值大的材料。,2. 导热性 当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数 表示。导热系数的定义和计算式如下所示：,式中 导热系数，（）； 传导的热量，； a材料厚度，； A热传导面积，m2； T一热传导时间，h； （t2-t1）材料两面温度差，K。,在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1)的热量。 材料的导热系数越小，其导热能力越差，绝热性能越好。 工程上把0.23w/(m.k)的材料称为绝热材料。,3. 热阻和传热系数 热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式 为： / 式中材料层热阻，（m2K）/W； 材料层厚度，； 材料的导热系数，(K) 热阻的倒数称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1时，在单位时间内通过单位面积的热量。,4. 材料的温度变形性 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。 除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（）。,材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为： L =（t2 - t1） L 式中 L-线膨胀或线收缩量 （mm 或 cm） (t2-t1）-材料升（降）温前后的温度差（） -材料在常温下的平均线膨胀系数() L-材料原来的长度（或） 土木工程中，对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化，因此，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。,5. 耐火性 材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性能，用耐火度表示。根据耐火度不同，可分为三大类： 耐火材料 耐火度不低于1580；各类耐火砖。 难熔材料 耐火度为13501580；难溶粘土砖、耐火混凝土等。 易熔材料 耐火度低于1350；如粘土砖，玻璃等。,6. 耐燃性 材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。根据耐燃性的不同，可分为三大类： 不燃材料 遇火不起火、不燃烧、不碳化。混凝土、天然石材、玻璃金属等。 难燃材料 难起火、难燃烧、难碳化。火源持续存在才能继续燃烧，火源消除燃烧停止。如沥青混凝土和经过防火处理的木材。 易燃材料 遇火或高温易起火或微燃，火源消除仍能继续燃烧的材料。如木材、沥青等。,第二节 材料的力学性质 1、材料的强度 材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。 在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。,根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算式如下：,式中 f-材料强度， MPa Fmax-材料破坏时的最大荷载，N A-试件受力面积，mm2,-,材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：抗弯视频1 2,式中 fw-材料的抗弯强度， MPa Fmax-材料受弯破坏时的最大荷载，N A-试件受力面积，mm2 L-两支点的间距，mm b、h-试件横截面的宽及高，mm,2、比强度 单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值（f/0）。比强度是衡量材料轻质高强特性的技术指标。,3. 弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。 弹性变形的大小与所受的应力大小成正比。材料抵抗变形能力用弹性模量“E”表示，它是所受应力和应变的比值。,在材料弹性范围内，E为常数，按下式计算： 式中：E弹性模量（MPa）； 材料所受应力（MPa）； 材料在应力作用下产生的应变，无量纲。 弹性模量越大，材料抵抗变形的能力就越强，在外力作用下的变形就越小。,4.塑性 材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。 材料的塑性变形是其内部的剪应力作用致使部分质点间产生相对滑移的结果。,5. 脆性（视频） 材料受力达到一定程度时，无明显的塑性变形而突然发生破坏，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低，不宜用于承受振动和冲击的场合。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。,6.韧性 材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较多能量并产生较大的变形而不破坏的性能，称为韧性或冲击韧性。韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。计算公式如下：,式中 a k -材料的冲击韧性，J/mm2 ； Ak-试件破坏时所消耗的功，J； A-材料受力截面积。（mm2） 材料破坏前产生的变形越大，承受的应力越大，吸收的能量越多，韧性越强。,7. 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，回弹法和压入法测定材料的硬度。 材料硬度越大，强度越高。,非金属材料的硬度用莫氏硬度来表示，它是用系列标准硬度的矿物块对材料表面进行划擦，根据划痕划定硬度等级。,表1-3 莫氏硬度等级表,压入法 金属材料的硬度等级常用压入法测定，主要有布氏硬度法（HB）：用以淬火的钢珠压入材料表面产生的球形凹痕单位面积上所受压力来表示。 洛氏硬度法（HR）：用金刚石圆锥或淬火的钢球制成的压头压入材料表面，以压痕的深度来表示。,回弹法 对混凝土材料，可用回弹仪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。,8、耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：,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） 材料硬度高、致密性越好，耐磨性越好。,第三节 材料的耐久性,材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。 材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。,物理作用包括干湿变化、温度变化及冻融变化等。 这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。,化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。 机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。 生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。 金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。 木材等有机质材料常因生物作用而破坏。 沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。,材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。,第四节 材料的组成与结构,1.4.1材料的组成 材料的组成值组成材料的化学成分或矿物成分。是决定材料性质的本质因素。 1.化学组成 构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。 无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。 金属材料以元素含量来表示。 有机材料常用组成其的各化合物含量表示。 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 矿物是具有一定化学成分和结构特征的稳定单质或化合物。材料的化学组成不同，其矿物组成不同；相同的化学组成，可组成多种矿物。 矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。,1.4.2 材料的结构 1. 微观结构 微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。包括材料物质的种类、形态、大小及其分布特征。固体材料的微观结构，基本上可分为晶体与非晶体两类。 晶体 内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间重复排列，具有特定的几何外形和固定的熔点。,非晶体 也称玻璃体或无定形体，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质点无序排列的固体或固态液体。没有固定的熔点和几何外形。 强度、导热性和导电性低于晶体。 玻璃体是化学不稳定结构，稳定性差，容易与其它物体起化学作用。,2.亚微观结构 亚微观结构也称作细观结构，是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式。范围在10-3m