建筑材料的基本性质2.ppt

第一章 建筑材料的基本性质,各种材料重要的共同性质称为材料的基本性质。 讨论材料的物理性质、力学性质、耐久性质等。 讨论影响材料性质的因素,通常可以归纳成两部分，即外部因素和材料自身的内部因素。 讨论材料性质与材料的组成、结构和构造(内因)的关系。,第一节 材料的组成、结构和构造与性质的关系,一材料的组成 指化学组成和矿物组成,是影响材料性质的重要因素。 例如: (1)碳素钢随含碳量的改变，其强度、硬度、塑性、冲击韧性等将发生变化。 (2)硅酸盐水泥熟料中若游离氧化钙含量过多会影响水泥体积安定性。 (3)硅酸三钙含量高的水泥的硬化强度较高。 (4)硅酸二钙含量较多的水泥水化速度较慢。,二材料的结构 指材料的微观和亚微观组织状态,是决定材料性能最重要因素 （一）微观结构 分为晶体,玻璃体,胶体结构等三种 1.晶体结构 质点在空间规则排列而成。 性质取决于:质点类型,排列方式,密集程度, 质点间相互作用力。,单晶体性能特点:各向异性,有固定熔点,化学稳定性好。 实际晶体材料:由众多小晶体杂乱堆积而成,具有晶界面,可视为各向同性。 通常材料内部晶体尺寸越小,晶界面积就越大,内聚力越大,力学性能越好。 例如采用合金化、热处理等工艺措施可使建筑钢材中的晶粒细化、粒形改变、强化铁素体，从而获得较好的力学性能。,2玻璃体结构 质点紊乱,无规律的排列. (1)玻璃体结构的形成 无机非金属晶体熔融物经急速冷却后在常温下保留的高温组织状态。 (2)玻璃体材料性质与结构关系 取决于质点种类,质点间相互作用力,质点排列的紊乱程度。 (3)玻璃体材料性能特点 各向同性, 无固定熔点, 化学不稳定性。,玻璃体材料:火山灰,粒化高炉矿渣,粉煤灰,活性天然混凝土骨料等。 由于高温组织状态中各质点都处于极不稳定的位置，都具有较高的能量，因此玻璃体材料具有较高的内部能量。在一定的条件下，无机非金属玻璃体材料容易发生化学反应。,3胶体结构 定义:指大量微小的固体粒子（尺寸1100m）均匀稳定地分散在介质中所形成的结构。常温下呈固态、半固态、液态等形式。 胶体结构材料的性能取决于分散相和分散介质的性质，以及两者之间的相互作用及相对含量。,胶体结构材料的性能特点 (1)具有很大的内比表面积和表面能，从而具有很强的吸附能力和粘结强度。 (2)胶体脱水后形成凝胶具有固体性质，但凝胶在长期应力作用下又具有粘性液体的流动性。 (3)在外力作用下同时产生可恢复的弹性变形和不可恢复的粘性流动。,（二）亚微观结构 定义:借助光学显微镜所能观察到的材料内部组织状态。 材料的亚微观结构与性能之间往往有直接的关系，因此对亚微观结构的研究是改善材料性能、开发新型材料的有效途径。 可研究钢材中各种晶体组织 。 可以观察木材内部组织 。 可以对水泥熟料进行物相分析 。 可以研究复合材料中两相界面作用的效应及范围等。,三材料的构造 定义:指宏观的内部组织状态和具有特定性质的材料单元的组合情况。 常见的材料构造有材料的孔隙构造、天然岩石的层状构造及层理、木材的纤维构造、混凝土的三相多孔构造等。 材料的孔隙构造:孔隙率、孔径分布、孔几何形状、孔连通程度等。 复合材料的性能取决于各材料组成单元的性质、相对含量和相互作用。,第二节 材料的物理性质,包括材料与质量、水、热等有关的性质。 一材料与质量有关的性质 （一）材料的密度( )指材料在绝对密实状态下单位体积的干质量。(g/ ) 材料在绝对密实状态下的体积(V)是指不包括材料内部孔隙的固体实体积。 用排液法测得(磨细)固体实体积 。,（二）材料的视密度 (g/ ) 视体积( )用排液法进行测定,其值为材料的固体体积与材料内孔(常压下水或其它液体不能够进入的孔)体积之和。 比较密实的材料可以用视密度代替密度或表观密度。 （三）材料的表观密度 (g/ 或kg/ ) 指块体材料在自然状态下单位体积的干质量。 用排液法测定，其值为材料的固体体积、材料的内、外孔体积三者之和。,（四）材料的堆积密度 粉状或粒状材料在堆积状态下单位体积的干质量。(kg/ ) 堆积体积( )数值为所填材料的固体体积、孔隙体积以及粒料之间的空隙体积三者之和。 材料的堆积方法对堆积密度的测定结果有很大的影响，因此对不同材料应按相应的试验规程进行堆积体积测定。工程中当需要测定含水材料的堆积密度时，应对其含水情况加以注明。,（五）材料的密实度与孔隙率 1.材料的密实度(D) 是指材料自然状态体积内被固体物质充实的程度，即固体体积占表观体积的比例。 2.材料的孔隙率(P) 是指材料的孔隙体积占表观体积的比例。 D+P=1 3.开口孔隙率 是指材料在试验室（常温和2cmHg真空抽气）条件下能被水（或其他液体）进入的孔隙体积与材料的自然状态体积之比的百分数。 4.闭口孔隙率 是指材料孔隙率与开口孔隙率之差。,（六）材料的填充率和空隙率 1.材料的填充率是指散粒材料在堆积体积中，被颗粒自然状态体积填充的程度。 2.材料的空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。,二材料与水有关的性质 （一）材料的亲水性与憎水性 （a）憎水材料 （b）亲水材料 角称为润湿角当为零时，材料完全被水润湿；当0 时,材料表面可润湿,即当材料与水的界面张力小于材料与空气的界面张力时,材料为亲水性材料；当 时,材料为憎水性材料。,（二）材料的吸水性和吸湿性 1材料的吸水性 是指材料在水中吸水的性质，用吸水率定量表示。 (1)吸水率 材料在没有压力的水中吸水达到饱和面干状态时的含水率。分为质量吸水率和体积吸水率。 质量吸水率 体积吸水率,(2)饱水率 材料在常温和真空（2cmHg）条件下在水中吸水至饱和面干时的含水率 (3)饱水系数 体积吸水率与体积饱水率的比值 ,其值越大,开口宽孔隙越多. 一般岩石的饱水系数在0.50.8之间。饱水系数可用以间接说明材料的抗冻性 .,2材料的吸湿性 是指材料在潮湿空气中吸水的性质，用含水率定量表示。 = 木材含水率改变其性能会发生变化,砂石含水率变化会引起混凝土配合比改变。 影响吸水性和吸湿性的因素: (1)材料与水的亲和能力。 (2)材料的孔隙构造。 (3)环境的温湿度条件。,（三）材料的耐水性 材料在水作用下不发生破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。 软化系数 材料吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度之比。 （四）材料的抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。 抗渗指标:渗透系数和抗渗等级。 影响因素:材料的孔隙率和孔隙特征。,（五）材料的抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和的状态下，经历多次冻融循环，保持其原有性质或不显著降低原有性质的能力。 冰冻破坏作用主要是由于材料孔隙中的水分结冰产生膨胀压力而引起的。 同种材料的抗冻性主要取决于材料的含水状态、孔隙构造和强度等。恶劣的环境常使材料更易遭受冻融破坏。 抗冻等级 浸水饱和的试件经历冻融循环，当其强度降低或质量损失达到规定值时的冻融循环次数。 处于低温、温差变化大、干湿交替和冻融循环频繁的环境中的结构物所用的材料，应要求具有较好的抗冻性。,三材料与热有关的性质 当材料两侧面存在温度差时，热量会从温度较高的一侧向温度较低的一侧传导，这个性质叫做材料的导热性。 材料的导热能力用导热系数定量表示。 影响导热性的因素: (1)材料的组成、结构与构造。 (2)材料的含水状态 水的导热系数是空气导热系数的25倍，冰的导热系数是水导热系数的4倍。,（二）材料的热容 材料在受热或冷却时会吸收或放出热量，同时伴随材料内部温度改变，这种性质叫做材料的热容。 材料的热容量为比热容与材料质量的乘积。其值越大保温隔热性越好。 （三）材料的线膨胀系数 材料由于温度上升1(或下降1)时，所引起的线度改变值与材料在0时的线度值之比，称为线膨胀系数。 (1)计算因温度变化而引起的结构变形和内部温度应力等。 (2)复合材料中各组成单元应具有大致相同的热膨胀性。,第三节 材料的力学性质,材料的力学性质是指材料在外力作用下有关强度和变形的性质。材料的力学性质决定了建筑物的安全性，因此是建筑结构设计的最重要依据。 一材料的理论强度 固体材料的理论强度可用双原子模型理论、表面能理论进行研究。 材料的弹性模量（E）和比表面能（ ）越大,原子间平衡距离（ ）越小，材料的理论抗拉强度（ ）越大。,实际坚固的岩石抗压强度约为100MPa左右，与理论强度相比有巨大的差距(约600倍以上)。这是由于实际材料内部存在许多缺陷。 根据格利菲斯脆性材料的断裂理论：当材料受外力作用时微裂缝尖端处会产生高度应力集中现象，当缺陷处的应力超过材料的理论断裂强度时材料即发生破坏。 对于人工结构材料，如何减少其内部缺陷来进一步提高材料的力学性能，在工程实践中具有非常重要的意义。,二材料的强度和比强度 1.材料的试验强度 模拟实际结构或构件的形状、承受荷载的类型等在试验室条件下测得的材料强度。 2.材料的强度试验通常是破坏性试验 以在荷载作用下材料丧失抵抗能力的极限状态作为试验强度的评定依据。 试验强度值作为评定材料的强度等级的依据。 材料强度等级是结构设计的依据。 3. 材料的强度主要有抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度及抗剪强度。见表。,4.影响材料强度的因素 (包括内因和外因) (1)材料的组成、结构与构造。 在工程实践中应对不同材料的强度加以合理利用。 (2)试验条件及方法 . 其中主要影响因素有：试件的形状和尺寸、试件表面平整度、试验机加荷速度、试验时的温度与湿度、试件的含水率等。 5.比强度 比强度等于材料的强度与表观密度的比值，它是衡量材料轻质高强性能的主要指标。,三材料在荷载作用下的变形 变形的特征表现为材料的弹性和塑性。 弹性是指在外力取消后能完全恢复到原来的形状和尺寸的性质，可分为线弹性变形和非线弹性变形，在应力-应变图上分别表现为直线和曲线。 定量表示材料弹性的指标是弹性模量。 塑性是指外力取消后材料仍保持变形后的形状与尺寸，并不产生裂缝的性质，理想塑性在应力-应变图上表现为在屈服应力水平时的水平直线。 完全弹性或塑性的材料是不存在的,大多数材料变形性质呈弹塑性。,四材料的韧性和脆性 材料的韧性是在动荷载（冲击、震动荷载等）作用下，能吸收较多的能量，并能产生较大的塑性变形而不致破坏的性能。 冲击韧性值 材料在冲击荷载作用下单位冲断截面上所消耗的冲击功。 脆性指材料在外力作用下不产生明显的塑性变形而突然破坏的性质。 脆性材料的特点 破坏时的变形值非常小，脆性材料的抗拉强度很低。,五材料的硬度与耐磨性 1.材料的硬度是指材料抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。 按试验方法可分为压痕硬度、冲击硬度、回弹硬度、刻痕硬度等。 材料的硬度又表示其局部表面在外力作用下抵抗弹性变形和塑性变形的能力。 多数材料的强度和硬度之间有一定的联系。 硬度试验属于非破损性试验。 2.材料的耐磨性是指材料表面在摩擦力、边缘剪切力和冲击力的作用下抵抗磨损的能力。 材料的耐磨性通常用耐磨硬度或磨耗率来表示。,第四节 材料的耐久性、装饰性和环保性,一材料的耐久性 定义 材料在长期使用过程中，抵抗其自身及外界环境因素的破坏作用，保持其原有性能且不变质、不破坏的能力。材料耐久性的对立面即材料的劣化。 影响耐久性的因素 (1)材料组成、结构与构造的内部影响因素。 (2)外界环境对材料的破坏作用。通常可分为物理作用、化学作用、生物作用等三方面。 由按耐久性设计逐步取代目前使用的按强度进行的设计。 材料耐久性的评定: 抗渗等级、抗冻等级、抗老化等级、抗腐蚀等级等。 提高材料耐久性的有效途径: 提高材料在使用环境中的化学稳定性和改善内部孔的构造。,二材料的装饰性 装饰效果主要取决于材料的光学性质、表面性质和几何性质。 (1)材料的光学性质包括颜色、光泽和透明性，其主要取决于材料的组成和结构。