建筑材料的基本性质课件.ppt

第一章 建筑材料的基本性质,教学的目的和要求,物理性质：与质量有关 密度、表观密度、体积密度、堆积密度、密实度与孔隙率、填充率与空隙率 与水有关 亲水性和憎水性、吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性 与热有关 导热性、比热容与热容量、耐燃性和耐火性,力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、脆性、硬度、耐磨性,耐久性质：影响因素,第一节 材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,1、组成,材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。,如图、为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.2和则为0.20.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。,A,B,从宏观组成层次讲，人工复合的材料如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。,2、微观结构,材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体三类，不同结构的材料，各具不同特性。,材料的化学组成相同，微观结构的差别将导致材料性能的差异。如图化学组成相同的水泥熟料，由于的显微结构发育良好，则不然，结果在比表面积相似的情况下，熟料的 d、 d抗压强度分别比熟料高10.7 MPa和6.8 MPa。,A,B,3、构造,材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造。,4、孔隙状况,孔隙状况对建筑材料的各种性质具有重要影响，材料的孔隙状况可由孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径三个指标来描述：,一般孔隙率越大，密度越小、强度越低、保温隔热性越好、吸声隔声能力越高 一般情况下，连通孔对材料的吸水性、吸声性影响较大；而封闭孔对材料的保温隔热性能影响较大 粗大孔对材料的密度、强度等性能影响较大；毛细孔主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能；极细微孔对材料的性能影响不大,两种石材性能对比,图为同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材，使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂缝，而花岗岩石材完好如新。请从材料的组成结构分析二者性能差异的原因。,大理石,花岗岩,讨论：大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质的作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝硅酸盐），为酸性石材，结构致密具有高抗酸腐蚀能力。,工程实例分析 材料微观结构对性能的影响,某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好的施工性能，配合比中要求加入硅粉，并对硅粉的化学组成和细度提出要求，但施工单位将硅粉理解为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，在实际使用中效果不好，水泥浆体成分不均，请分析原因。,原因分析：硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为SiO2，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉的化学组成也为SiO2，微观结构为晶体，表面粗糙，对水泥净浆的施工性能有负作用。硅粉和磨细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观结构不同，导致材料的性能差异明显。,第二节 材料的基本物理性质,一、与质量有关的性质 1. 密度、表观密度、体积密度与堆积密度,密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。体积密度是指材料在自然状态下的体积，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。,指的是材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量. 计算公式为：,上式 密度（g/cm3)；,m材料在干燥状态下的质量（g）；,V材料在绝对密实状态下的体积（cm3)。,a. 密度:,注意:绝对密实状态下的体积是指不包含材料内部孔隙的真实体积；,对于致密材料（如钢材、玻璃等）而言，内部是不含孔隙的，故体积很容易测定； 但是对于绝大多数材料而言，在自然状态下材料是含有一些孔隙的；,有孔隙材料的体积测定方法： 一般采用密度瓶法测定有孔材料的实体积,思考题： 如何测量有孔隙材料的密度？,*测量有孔隙材料密度的方法与步骤：,将试样研碎,烘 干,冷却到室温,称量质量,测定体积,密 度,烘箱105-110C,干燥器,天 平,密度瓶,指的是材料在自然状态下，单位体积所具有的质量；,计算公式为：,上式, 表观密度（kg/m3),m材料在干燥状态下的质量（kg）;,材料的表观体积（m3);,*表观体积 = 密实状态下的体积V +闭口孔隙体积V闭,b.表观密度：,指的是材料在自然状态下，单位体积所具有的质量；,计算公式为：,上式, 表观密度（kg/m3),m材料在干燥状态下的质量（kg）;,Vo材料的自然体积（m3);,*自然体积Vo= 密实状态下的体积V +孔隙体积V,c.体积密度：,开口孔隙与闭口孔隙的辨析,开口孔隙指与外界相连通的细小孔隙，闭口孔隙指与外界不连通的细小孔隙。两者都会影响材料的表观密度，开口孔隙影响骨料的吸水性。 只能通过试验测得。自然状态下的体积包括开口和闭口孔隙，而浸水饱和后排水试验测得的体积就只有闭口孔隙，而没有开口孔隙。所以可以用吸水饱和状态下的质量减去完全烘干状态下的质量然后除以水的密度，得到开口孔隙的体积。,指的是散粒（粒状、粉状或纤维状）材料在自然堆积状态下，单位体积的质量； 计算公式为：, 堆积密度（kg/m3) m材料在干燥状态下的质量（kg）； 材料在堆积状态下的体积（m3);,C、 堆积密度：,？思考题：如何测定砂和石子的堆积密度？,（1）首先采用前述方法测定其干质量m; （2）然后采用容量升来测定砂子、石子的堆积体积 ，方法如下： a）砂子采用1L、5L的容量升来测堆积体积； b）石子采用10L、20L、30L的容量升来测定其堆积体积； （3）利用公式计算堆积密度：,建筑常用材料的密度、表观密度、堆积密度 材料名称 密度(gc3) 体积密度(kg3) 堆积密度(kg3) 钢材 7.85 7800 7850 红松木 1.551.60 400600 水泥 2.8 3.1 16001800 砂 2.5 2. 6 15001700 碎石 2.48 2.76 23002700 14001700 普通玻璃 2.45 2.55 24502550 铝合金 2.72.9 27002900,2、密实度与孔隙率,a.密实度：,是指材料体积内被固体物质充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例，用D来表示。,b. 孔隙率：,是指材料体积内，孔隙体积占总体积的百分率，用P表示。,P=（V0-V）/V0100%,=（1-V/V0）100%,密实度和孔隙率反映了材料的致密程度。,一般来说，同一种材料，孔隙率越小，连接孔隙越少，则：,其强度越高；,吸水越少；,抗渗性和抗冻性越好；,但是导热性差；,3、填充率与空隙率：,a.填充率 是指散粒材料（如砂子、石子等）在某容器的堆积体积内，被其颗粒实体体积填充的程度。 填充率一般用D来表示，按下式计算：,或,b.空隙率,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，用P表示：,空隙率的大小反映了散粒 材料的颗粒之间 相互填充的致密程度；,思考：空隙率与孔隙率有什么区别？,孔隙对材料性质的影响,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见下图。请问选择何种材料？,A,B,讨论：保温层的目的是减小外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。,二、材料与水有关的性质,（一）亲水性和憎水性 （1）亲（憎）水性： 材料在空气中与水接触时，能被水湿润的，称为亲水性，否则为憎水性； （2）亲（憎）水性材料： 具有亲水性的材料称为亲水性材料，如木材、砖、混凝土、石等；反之为憎水性材料，如沥青，石蜡、塑料等； ？思考： 1）材料亲水和憎水的原因是什么？ 2）防水防潮材料应优先选用哪种材料？,吸水率是指材料与水接触吸收水分的性质，吸水性的大 小用吸水率表示。 （1）质量吸水率：,（二） 吸水性与吸湿性 1.吸水性 材料在水中吸收水分达饱和的能力。 表达方式：质量吸水率和体积吸水率。,材料在吸水饱和状态下，所吸收水的体积占材料 自然体积的百分率。,思考：材料的亲水性和吸水性有什么区别？,（2）体积吸水率：,是指材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质； 吸湿性的大小用含水率表示。,含水率是指材料内部所含水的质量占其干质量的百分率 用W 含表示； 计算公式如下：,2. 吸湿性,2019/11/16,36,可编辑,干燥的材料,吸收空气中的水分,潮 湿 的 材 料,平衡含水率,平衡含水率：当材料中所含水分与空气湿度达到 相对平衡时的含水率。,释放水分,（三）耐水性,耐水性：是指材料长期在饱和水的作用下， 其强度也没有显著下降的性质； 一般用软化系数表示：,（四）抗渗性,抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质；,Q透过材料试件的水量，cm3 H水头差，cm A 渗水面积，cm2 D试件厚度，cm t渗水时间，h k渗透系数，cm/h,抗渗等级: Pn n材料所能承受的最大水压力（MPa）的10倍值 如P6、P12、P20，分别表示能够承受0.6Pa、1.2Pa、2.0Pa的水压而不渗水。 影响因素：亲水性、孔隙率、孔特征、裂缝等有关。,（五）抗冻性 材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。 抗冻等级： 如F25表示能经受25次冻融循环而不破坏。 影响因素：孔隙率、孔特征、吸水性及抵抗胀裂的强度有关。,是指材料存在温差时，热量能从材料的一面通过材料本身传到另一面的性质,导热性一般用 导热系数 表示,三、材料与热有关的性质 （一）导热性,（1）导热系数越小，材料的隔热保温性能越好； （2）金属材料的导热系数大于非金属材料的导 热系数 （3）细小而封闭的孔隙，导热系数越小；开口 而粗大、连通的孔隙，导热系数越大；,注意：,（二）热容量与比热 1.热容量 材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力。 Qc （T2-T1） 式中 Q材料的热容量(J)； c材料的比热J(gK)； 材料的质量(g) ； T2-T1 材料受热或冷却前后的温度差(K)。,2.比热,是指材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。,*什么叫比热：,是指单位质量的材料，在温度升高或下降 1K时，吸收或放出的热量。,几种常见材料的导热系数和比热,（四）耐燃性与耐火性 1.耐燃性 材料抵抗燃烧的性质，分四级。 非燃烧材料（A级）：如钢铁、砖、石、混凝土。 难燃材料（B1级）：如水泥刨花板、 硬PVC塑料板等。 可燃材料（B2级）：如木材、胶合板等。 易燃材料（B3级）：如油漆、纤维织物等。,2.耐火性 材料抵抗高热或火的作用，保持原有性质的能力。 耐火极限用时间（h或in）表示。 （五）耐急冷急热性 材料抵抗急冷急热的交替作用，并能保持其原有性质的能力。 在急冷急热作用下，易开裂或炸裂，如玻璃、瓷砖等。,四、与声学有关的性质 1.吸声性 声能穿透材料和被材料消耗的性质，用吸声系数表示。 式中 材料的吸声系数； E0传递给材料的全部入射声能； E被材料吸收(包括透过)的声能。,材料的平均吸声系数0.2的材料为吸声材料。 影响因素：表观密度、孔隙特征、厚度及表面的条件有关外，还与声波的入射角及频率有关。 2.隔声性 材料能减弱或隔断声波传递的性能。 （1）隔空气声 材料单位面积的质量越大或材料的密度越大，隔声效果越好。,（2）隔固体声 由于振源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发声，并向四周辐射声能。 选用具有弹性的衬垫材料，如软木、橡胶、毛毡、地毯等，能阻止或减弱固体声波的继续传播。,工程实例分析 加气混凝土砌块吸水分析,某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同析方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。,原因分析：加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。,工程实例分析 火灾中混凝土的破坏,某在建住宅楼不慎发生火灾，混凝土被破坏，见下图，请分析原因。,原因分析：混凝土一般由砂、石、水泥等材料经拌和、凝固形成了复杂的物相体系，由于受到火灾，在高温下，混凝土的水化产物分解后又产生了新的物相，导致混凝土微观结构破坏。,第二节 材料的力学性质,一、强度与比强度,（一）强度,材料的强度是指材料在外力作用下不破坏时所能承受的最大应力； 分抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度。,1.抗拉（压、剪）强度 材料承受荷载拉力（压力、剪力）作用直到破坏时，单位面积上所承受的拉力（压力、剪力）称为抗拉（压、剪）强度。 式中：f抗拉、抗压、抗剪强度（Pa）； F材料受拉、压、剪破坏时的荷载（N）； A材料受力面积（2）。,2.抗弯（折）强度 抗弯强度与材料受力情况有关。矩形截面试件，两端支撑，中间作用一集中荷载，抗弯强度： 式中 fm 材料的抗弯（折）强度(Pa)； F受弯时的破坏荷载(N)； L两支点间距()； b、h材料截面宽度、高度()。,影响强度的因素： 材料的组成、结构特征、孔隙率、试件形状、尺寸、表面状态、含水率、温度及试验时的加荷速度等。 强度等级的定义： 大多数建筑材料根据其极限强度的大小，把材料划分为若干不同的等级，称为材料的强度等级；,材料强度等级划分的标准： a)脆性材料主要根据其抗压强度来划分强度等级，如混凝土、水泥、粘土砖等； 例：混凝土的强度等级划分为16级C15.C80; b)韧性材料主要根据其抗拉强度来划分强度等级，如钢材等；,（二）比强度,比强度：是指材料的强度与其表观密度的比值； 比强度的意义： （1）衡量材料轻质高强性能的一项重要指标； （2）选用比强度高的材料或者提高材料的比强 度，对大跨度、高高度建筑十分有利； 普通混凝土、低碳钢、松木的比强度分别为0.017，0.054，0.200；,二、弹性与塑性 1.弹性,是指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复原形状的性质，称为弹性； 2、塑性： 是指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质，称为塑性； 例如：低碳钢为弹塑性材料；,低碳钢的曲线,分段的弹性变形和塑性变形,三、脆性与韧性,1、脆性： 是指材料在外力作用下，直到破坏前无明显的塑性变形而发生突然破坏