课件：第一章建筑材料的基本性质.ppt

第一章 建筑材料的基本性质,内容： 第一节 材料的化学组成、结构和构造 第二节 材料的物理性质 第三节 材料的力学性质 第四节 材料的耐久性,第一节 材料的组成、结构和构造,一.材料的化学组成,材料的化学组成的不同是造成其性能各异的主要原因。 化学组成通常从材料的元素组成和矿物组成两方面分析研究。,一.材料的化学组成,元素组成:主要是指其化学元素的组成特点，例如，不同种类合金钢的性质不同，主要是其所含合金元素如C、Si、Mn、V、Ti 的不同所致。 矿物组成：主要是指元素组成相同，但分子团组成形式各异的现象。如黏土和由其烧结而成的陶瓷中都含SiO2和Al2O3两种矿物，其含化学元素相同，均为Si、Al、O元素，但黏土在焙烧中由SiO2和Al2O3分子团结合生成的3SiO2. Al2O3矿物，即莫来石晶体，使陶瓷具有了强度、硬度等特性。,(一).宏观结构 指用肉眼或放大镜能观察到的结构,它分为散粒结构,聚集结构,多孔结构,致密结构,纤维结构,层状结构,材料结构： 宏观结构 显微结构 微观结构,宏观结构 1.散粒结构 由单独的颗粒组成 2.聚集结构 材料中的颗粒通过胶结材料 彼此牢固地结合在一起 3.多孔结构 材料中含有大量的,大的 ,或微 小的均匀分布的孔隙 4.致密结构 材料在外观上和结构上都是致密的 5.纤维结构 是木材,玻璃纤维制品所特有的结构 6.层状结构 是板材常见的结构,显微结构 指借助光学显微镜和电子显微镜观察到的结构,它可分为结晶和无定型两种.结晶和无定型是同一物质的不同状态,晶体呈稳定状态,而无定型则具有化学活性。 微观结构 指原子排列结构,根据质子间键的特性分为原子晶体,离子晶体,分子晶体,二、材料的微观结构,材料的微观结构只要是指材料在原子、粒子、分子层次上的组成形式。 建筑材料的微观结构主要有晶体、玻璃体和胶体等形式。,二、材料的微观结构,晶体的微观结构特点是组成物质的微观粒子在空间的排列有确定的几何位置关系。如金刚石和石墨，元素组成都为碳，由于各自的晶体结构形式不同，性质上反差巨大。 晶体物质具有强度高、硬度大、有确定的熔点、力学性质各项异性的共性。 建筑材料中的金属材料（钢、铝合金）和非金属材料中的石膏及水泥石中的某些矿物（水化硅酸钙、水化硫铝酸钙）等都是典型的晶体结构,二、材料的微观结构,玻璃体微观结构的特点是组成物质的微观粒子在空间的排列呈无序混沌状态。 玻璃体结构的材料具有化学活性高、无确定的熔点、力学性质各向同性的特点。 粉煤灰、建筑用普通玻璃都是典型的玻璃体结构。,二、材料的微观结构,胶体是建筑材料中常见的一种微观结构形式，通常是由极细微的固体颗粒均匀分布在液体中形成。 胶体与晶体和玻璃体最大的不同点是可呈分散相和网状结构两种结构形式，可分为溶胶和凝胶。 溶胶失水后成为具有一定强度的凝胶结构，可以把材料中的晶体或其他固体颗粒粘结为整体，如气硬性胶凝材料水玻璃和硅酸盐水泥石中的水化硅酸钙和水化铁酸钙呈胶体结构。,三.材料的构造,材料在宏观可见层次上的组成形式称为构造。 按照材料宏观组织和孔隙状态的不同可将材料的构造分为以下类型： 致密状构造:钢材、玻璃、铝合金 多孔状构造：加气混凝土、泡沫塑料 微孔状构造：石膏制品、烧结砖 颗粒状构造：石子、砂、蛭石 纤维状构造：木材、玻璃纤维 层状构造：胶合板、复合木地板、夹层玻璃,四.材料的孔隙,(一).孔隙形成的原因 (1).水分子的占据作用 建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论上 的用水量, 多余的水分占据的空间即为孔隙 (2).外加的发泡作用 如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成 大量的孔隙 (3).火山作用 火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙 (4).烧作用,四.材料的孔隙,（二）材料的孔隙状况由孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径三个指标说明 孔隙率：指孔隙在材料体积中所占的比例。 孔隙连通性：连通孔、封闭孔、半连通半封闭孔 孔隙直径：粗大孔：直径大于mm级的孔隙； 毛细孔：直径在um-mm级孔隙； 极细微孔：直径在um以下。,孔隙的类型及对材料性质的影响,(三).孔隙对材料性质的影响 孔隙率越大，材料的密度越小、强度越低、保温隔热性能越好、吸声隔声性能越高； 连通孔对材料的吸水性、吸声性影响较大，封闭孔对材料的保温隔热性能影响较大； 粗大孔，影响材料的密度、强度； 毛细孔，对水具有极强的毛细作用，主要影响材料的吸水性、抗冻性； 极细微孔，对材料的性能影响不大,第二节 材料的物理性质,内容: 材料与质量有关的性质 材料与水有关的性质 材料与热有关的性质,第二节 材料的物理性质,一、材料与质量有关的性质 材料与质量有关的性质主要是指材料的各种密度和描述其孔隙与空隙状况的指标，在这些指标的表达式中都有质量这一参数。,第二节 材料的物理性质,一、材料与质量有关的性质 体积构成： 单体材料的体积主要有： 绝对密实的体积V 开口孔隙体积V开 闭口孔隙体积V闭组成， 表观体积V= V+ V闭 自然体积V0= V+ V开+ V闭 对于堆积材料， V0= V0 + V空 V0材料的堆积体积 V空材料的空隙体积,一.状态参数,（一）材料的密度 1、体积密度材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： o =m/ Vo 式中 o表观密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） Vo材料在自然状态下的体积（cm3）,体积密度的测量,自然状态下的体积是指构成材料的固体物质的体积与全部孔隙体积之和。根据材料在自然状态下含水情况的不同，体积密度又可分为干燥体积密度、气干体积密度（在空气中自然干燥）等几种。 体积密度的测量： 1）.对形状规则的材料：砖、混凝土、石材 烘干量测几何体积称重代入公式 2）.对形状不规则的材料： 烘干蜡封浮力天平,密 度,2、密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 单位g/cm3或kg/m3。 公式： =m/v 式中 材料的密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V材料在绝对密实状态下的体积（cm3）,密 度 的 测 量,绝对密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积。 实际密度的测量： 1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等 直接以排水法作为密实态体积近似值 2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材 磨成细粉 排水法求的体积即为密实态体积,表观密度,3、表观密度对密实材料直接以排水法求的体积v作为密实态体积的近似值。单位g/cm3或kg/m3。 公式： =m/ V式中 表观密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V 用排水法求的的体积（cm3）,堆积密度,堆积密度材料的堆积密度是指粉状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 V0= V0 + V空 公式： 0 =m/ V0式中 0 堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V0 材料的堆积体积（cm3）,(4)几种密度间的区别 （1）大小：00 (同一材料) （2）影响因素： （3）计算表示式中体积的不同 : VVV闭； 0 : V0VV闭V开VV孔 0: V0VV闭V开V空VV孔V空 （4）计算表达式中质量的不同 ， 中 m为绝对干燥的质量 0，0 中 m为自然状态下的质量（可能含水）,密实度,密实度指材料的体积内，被固体物质充满的程度. D= V/ V0= 0/ 100%,（二）.材料的孔隙,1.、孔隙率指材料中孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率，或称总孔隙率。 公式 ：P=V孔/ Vo *100% 式中： P孔隙率 V孔材料中全部孔隙的体积 Vo材在自然状态下的体积 又由于P=(Vo V)/ Vo *100% =(1-V/Vo )*100% =(1-o/)*100% P+D=1,2019/8/20,28,可编辑,2.开口孔隙率与闭口孔隙率,开口孔隙率是指材料中能被水所饱和的孔隙体积与材料在自然状态下的体积百分率： PK=(m1-m2)/V0 w 100% 式中： m1水饱和状态下材料的质量, g m2干燥状态下材料的质量，g w水的密度，常温下可取1g/ cm3 闭口孔隙率pb为总孔隙率与开口孔隙率之差 即PB=P- PK,空 隙 率,4、空隙率散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率 公式： P=（1- V0 / V0） 100%=(1- 0 / o) 100% P散粒材料的空隙率 0散粒材料的堆积密度 o-材料的体积密度 填充率：D = V0 / V0 P+ D =1,二、材料与水有关的性质,1、亲水性与憎水性 材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角表示。 亲水性材料 90 憎水性材料 90,二、材料与水有关的性质 1、亲水性与憎水性 润湿角：材料、水、空气三相交点处水滴表面的切线与材料表面（经过水）所成的角度。 亲水性材料：90的材料 （水与材料间吸引力水分子间吸引力 ） 材料能被水润湿（亲水） 憎水性材料：90的材料 (水与材料间吸引力水分子间吸引力) 材料不能被水润湿（憎水）,2. 吸 水 性,材料吸收水分饱和的能力称为吸水性 （1）质量吸水率： Ww=(m2-m1)/m1*100% 式中： Ww质量吸水率，% m1 材料在绝对干燥状态下的质量，g m2材料在浸水饱和状态下的质量，g,（2）.体 积 吸 率,公式：Wv= Vw/ V0=(m2-m1)/V0* w *100% 式中： Wv -体积吸水率 Vw材料所吸收水分的体积 w水的密度，常温下取1=g/ cm3 V0 材料的自然体积 体积吸水率与质量吸水率的关系为： Wv= Ww * o o 材料的干燥体积密度,（2）.体 积 吸 率,影响材料的吸水性的主要因素有： 材料的本身的化学组成、结构、构造、孔隙状况。 材料的亲水性越强，孔隙率越大，连通的毛细孔隙越多，吸水率越大。 吸水率对材料性能影响：（指吸水饱合后） Wv、 Ww o 导热性强度抗冻性,(3) .水 饱 和 度,公式： KB= Wv /P KB 水饱和度 Wv 材料的体积吸水率，% P材料的孔隙率，% KB可在01之间波动，当KB =0时即Wv =0说明该材料所有的孔隙均未充水，孔隙为闭口孔隙；当KB =1时即Wv = P ，说明材料所有的孔隙全部充满水，孔隙为开口孔隙,3、吸 湿 性,3、吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的能力。 公式: W=(mK-m1)/m1 W 材料的含水率（%） mK材料吸湿后的质量（g） m1 材料在绝对干燥状态下的质量（g） 影响因素：材料本身（除与吸水率的影响因素相同外），还与环境的温湿度有关。,4耐水性 材料在长期饱合水作用下，保持其原有性质（不破坏，强度也不显著降低）的能力。 技术指标：软化系数KP KPfw/f (01) fw材料浸水饱合状态下的抗压强度，MPa。 f材料干燥状态下的抗压强度，MPa。 Kp耐水性 Kp耐水性， Kp0.8 耐水材料 长期水浸，受潮严重重要工程（如地下构筑物、基础、水工结构） ：Kp0.850.9 受潮较轻或次要结构：Kp0.700.85,5、抗渗性 材料抵抗压力水或其他液体渗透的能力。 （1）渗透系数K Q = KhA t / d K=Qd / Ath K渗透系数，cm/h d试件厚度，cm 。 Q渗透水量，cm3 h水头差，cm。 A渗水面积，cm2 t渗水时间，h。 （2）抗渗标号S： 按规定方法制作的材料试件，在标准试验方法下所能承受的最大水压（MPa）值。 如S6代表所能承受的最大水压为0.6MPa， 影响抗渗性因素： 孔隙率；孔隙特征。（P密实或P闭的S）。,6、抗冻性 材料在浸水饱合情况下，经多次冻融循环，保持原性质的能力（不破坏，强度也不显著降低）。 表示方法：抗冻标号D 如：抗冻标号D8，表示满足强度损失25，质量损失5的情况下，材料可经受最多8次冻融循环。 冻害原因： （1）水结冰，V膨胀约9，对孔壁产生压力可达100MPa （2）内外温度差 温度压力。 （3）墙体水的迁移（内 外 结冰） 影响抗冻性因素： 孔隙率与孔隙特征； 孔隙中水充满程度；材料抵抗冰冻应力的能力。,三、材料与热有关的性质 1、导热性 材料传导热量的能力。 表示方法：导热系数 Q=A(21)/ d =Qd / A (21) Q传递的热量，J。 21材料两侧温差，K。 A材料面积，m2。 d材料厚度，m。 导热系数，Wmk 导热时间（S） 绝热性保温隔热性能 绝热材料：0.15w/mk,材料的导热示意图,影响导热系数的因素： 1）化学组成和（显微）结构： 晶体玻璃体 金属无机 无机有机 2）体积密度：0（P） 3）孔隙状况：PP闭孔径 4）环境的温、湿度 2.20 0.60 0.024 冰水空气 4倍 25倍,2、热容 热容是指材料受热吸收（蓄存）热量或冷却放出热量的性能。 （1）比热容：单位质量的材料温度升高1k（或降低1k）所吸 收（或放出）的热量： Q=cm (t2t1) c=Q /m(t2t1) Q材料吸收（放出）的热量，J。 m材料的质量，g。 t2t1材料受热（冷却）前后的温度差，K。 c材料的比热容，Jgk。 （ 2）热容 热容cm（Q( t2t1 ） 单位：JK （3）热容的实用意义,保持室内房间温度的稳定（在一定范围内，采用热容值较高的材料,冬季施工材料的加热。）,3.耐燃性和耐火性,耐燃性指材料在火焰和高温作用下可否燃烧的性质。 建筑材料及制品燃烧性能分级（GB8624-2006）把材料分为A1、A2、B 、 C 、 D 、 E六个燃烧性能级别。而GB8624-1997将材料分为非燃烧材料（A级）（钢材、砖、石等）、难燃材料（B1级）（如纸面石膏板、水泥刨花板等）、可燃烧材料（B2级）（木材、竹材等）三个耐燃性级别。 新旧体系对比： 耐火性：是材料在火焰和高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。用耐火极限表示（h） 注意：耐燃材料不一定耐火，如钢材是非燃烧材料，耐火极限仅0.25h,第三节 材料的力学性质,内容： 材料的强度特性 材料的弹性和塑性 材料韧性和脆性,第三节 材料的力学性质,一、强度 材料抵抗在应力作用下破坏的能力。“f” 单位：MPa (N/mm2) 表示式：f = max max为材料在外力作用下，破坏截面的极限应力值 1、材料在不同受力方式下的强度 （1）轴向抗压和抗拉强度 f压（拉）= Pmax /A Pmax最大荷载，N。 （荷载：作用于材料试件或构件的外力） A破坏截面的面积，mm2。 f压（拉）抗压（抗拉）强度，MPa。 （2）抗弯强度（抗折强度） f弯3 PmaxL / 2bh2,2、试验条件对强度试验结果的影响 （1）试件的形状和尺寸： f立方体f棱柱体 f大尺寸f小尺寸 （大尺寸试件：受摩擦力影响小；缺陷出现机率大。） （2）加荷速度： f加荷快f加荷慢 （3）材料的温度： f温度高f温度低 （但钢材在温度下降到某一负温时，强度值会突然下降很多） （4）材料的含水状况： f含水f干燥 （在耐水性中详讲） （5）材料试件的表面状态： f光滑表面f粗糙表面 （材料的破坏是变形达到一定程度才发生的，故加荷速度快到一定程度，可能使变形的增长落后于荷载的增长，故所测强度值较高) 结论：为使试验结果有可比性，必须根据规定方法（国家标准）进行强度试验。,3、材料的强度等级 按材料强度值大小划分的等级称为材料的强度等级。 材料强度等级与强度的关系与区别： 材料强度值是其力学性质的指标（是随机连续的）； 标号（强度等级）是根据强度划分的级别（是人为确定,不连续的） 。 4、比强度 按材料单位质量计算的强度（MPa/kg/m3），是材料轻质高强的标志。（f /0：钢：7378 、塑料：100400）比强度的国际单位为(N/m2)/(kg/m3) 或Nm/kg。,二、弹性和塑性 应变：材料单位长度的变形量： =L / L 应力：材料单位面积上的作用力。=P / A 1、弹性变形和塑性变形： 弹性变形： 塑性变形： 塑性材料：材料在破坏前有显著塑性变形的材料。（软钢，铝合金） 脆性材料：材料在破坏前无显著塑性变形的材料。（砼、砖、陶瓷）,2、弹性模量： 弹性模量表示材料在弹性范围（线弹性范围）内应变与应力间的线性关系。 E E E 在相同条件下，越小。也说明材料在外力作用下抗弹性变形能力越强。,三、材料的韧性和脆性 在冲击、震动荷载作用下，材料可吸