已修改材料基本性质.ppt

第二章土木工程材料的基本性质,土木工程材料,问题导入？,选择结构材料关注什么？选择保温材料关注什么？选择防水材料关注什么？,教学目标,通过本章的学习，了解在不同使用环境下，各类建筑材料的基本性质，并掌握各性质的涵义，影响这些性质的因素。并能联系工程中的实际应用研究和改进材料的性质，对后面具体材料的学习作一个很好的铺垫。,本章内容,第一节材料的组成、结构及构造1材料的组成2材料的结构与构造第二节材料的基本物理性质1材料与质量有关的性质2材料与水有关的性质3材料与热有关的性质第三节材料的力学性质1强度与比强度2弹性与塑性3韧性与脆性4硬度与耐磨性第四节材料的耐久性与其他性质1材料的装饰性质2材料的化学性质3材料的耐久性,第一节材料的组成、结构及构造,1.材料的组成1.1化学组成1.2矿物组成1.3相组成,化学组成,指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。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。如水泥化学组成：SiO22024%CaO6267%Fe2O32.56.0%AL2O347%MgO1mm)孔隙的构造：开口孔隙闭口孔隙,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）外加剂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,孔隙对材料性质的影响(孔隙增多),(1).材料的体积密度减小(2).材料受力的有效面积减小,强度降低(3).体积密度减小,导热系数和热容随之减小(4).透气性,透水性,吸水性变大(5).对抗冻性,要以孔隙大小和形态而定,有些能提高抗冻性,散粒材料是指具有一定粒径材料的堆积体，如工程中常用的砂、石子等。其体积构成包括固体物质体积、颗粒内部孔隙体积及固体颗粒之间的空隙体积。见图1-2。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。,图1-2散粒材料,散粒材料,2.1.1.2材料的含水状态材料在大气中或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况，将材料的含水状态分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态及湿润状态4种，见图13。材料的含水状态会对材料的多种性质产生一定影响。,骨料的含水状态可分：干燥状态不含水分或含水率接近于零；气干状态在大气中干燥，含水率与大气湿度相平衡，但末达到饱和状态；饱和面干状态材料内部开口孔隙吸水达到饱和而其表面干燥；湿润状态材料不仅内部开口孔隙含水达到饱和，而且表面还附着一部分自由水。如果你要计算普通混凝土配合比，一般以干燥状态的骨料为基准，而一些大型水利工程常以饱和面干状态的骨料为基准。,密度：定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。表达式：=m/V（g/cm3）m材料干燥时的质量（g）V材料在绝对密实状态下的体积（cm3）即不包括任何孔隙在内的体积。意义：反映材料的结构状态，例如：用密度控制玻璃的生产,是否存在绝对密实的材料？,2.1.2密度、表观密度与堆积密度,目前国内大多数玻璃厂家都把玻璃密度测定作为工厂控制工艺生产的重要手段之一。许多工厂都按规定制度每日测定玻璃密度,因以密度与玻璃化学组成关系密切,且测定速度快、精度高。当密度在较小范围内波动时,可视生产基本正常,当密度波动值超过允许范围时,可根据产品质量及日常对生产工艺情况的了解,进行综合推断造成密度波动的是哪种氧化物。,1,密实材料，如金属材料、玻璃、花岗岩等,材料的内部密实而没有孔隙,材料的密度（1）密度,密度：V的测定：a.比较密实的材料，如玻璃、钢材等，通常认为其处于绝对密实状态下，直接采用排水法测其体积；b.一般多孔材料，如普通粘土砖，石块等，应磨成细粉（粒径小于0.2mm）排除其内部孔隙，用比重瓶（李氏瓶）测其实际体积；,2.1.2密度、表观密度与堆积密度,请看密度试验动画,表观密度定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。表达式：（g/cm3）或(kg/m3)m材料的质量（g或kg）V0材料在自然状态下的体积，也称表观体积(cm3或m3)。包括材料孔隙在内的体积，既包括开口孔隙，也包括闭口孔隙。意义：反映材料轻重的量，也与材料的强度有关，是选择结构材料和承重材料的依据。V0的测量：对形状规则的材料，直接测量尺寸，计算体积；对形状不规则的材料，蜡封后用排水法测量。,材料的密度（2）表观密度,2,材料的内部有许多孔隙,孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等,与材料含水状态有关，测定时须注明含水状态通常指气干状态表观密度。,表面不封蜡，排水法测量,堆积密度定义：堆积密度指粉状或颗粒状材料在某种堆积状态下，单位体积的质量。表达式：（kg/m3）m材料的质量（kg）堆积体积（m3）的特点：包括了材料间的空隙体积。的测定：用既定容积的容量筒测定。,3,内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等,堆积材料颗粒的内部有许多孔隙,堆积材料颗粒之间存在许多空隙,材料的密度（3）堆积密度,松散堆积密度；通常测定值振实堆积密度；混凝土配合比设计用紧密堆积密度。道路、岩土工程,请看堆积密度试验动画,材料的密度、表观密度与堆积密度小结,材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。,材料在自然状态下，单位体积的质量。,材料在某种堆积状态下，单位体积的质量。,g/cm3,/m3,/m3或g/cm3,密实度定义：在材料体积内，固体物质的体积占总体积的比例。表达式：,2.1.3.1,孔隙率定义：材料体积内，孔隙体积占总体积的比例。表达式：孔隙率与密实度的关系？D+P=1孔隙率与材料性质的关系？材料的强度、材料的表观密度、吸水率、抗渗性、抗冻性、保温性能等。两个孔隙率相同的同种同体积的材料吸水率是否一定相同？,材料的性质除了与孔的多少有关外，还与孔的特征、孔的形状有关。,孔的特征：包括开口孔和闭口孔，孔隙尺寸的大小、孔的形状、孔隙在材料内部的分布均匀程度等。,工程中常用,填充率,空隙率,填充率定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比例。表达式：,2.1.3.2,材料空隙率示意图,工程中常用,填充率,空隙率,空隙率定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积的空隙占总体积的比例。表达式：,试题练习,材料空隙率示意图,石膏能否用于砌筑桥墩、大坝？建筑红砖能否用作防水材料？长期与水接触的建筑部位和潮湿部位对建筑材料有哪些要求？与水有关的性质包括：亲水性和憎水性；吸水性和吸湿性；耐水性；抗渗性和抗冻性。,2.2材料与水有关的性质,2.2.1亲水性与憎水性根据材料在空气中与水接触时，能否被润湿分为亲水性材料：润湿角90憎水性材料：润湿角90180,建筑中大部分材料属于亲水材料，砖、木材、混凝土沥青、石蜡、油漆、塑料等属于憎水材料可用作防水材料，也可用于亲水材料的表面处理。,(a)亲水性材料,(b)憎水性材料,请看亲水性与憎水性动画演示,2.2.2吸水性与吸湿性,材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。,吸水性,式中m吸材料吸水饱和状态下的质量（或kg）m干材料在干燥状态下的质量（或kg）。,计算材料吸水率时一般用质量吸水率，但对于某些轻质多孔材料，如加气混凝土、软木等，由于具有很多开口且细微的孔隙，其质量吸水率一般超过100%，此时常用体积吸水率来表示其吸水性。,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体表示。体积吸水率W体的计算公式为：,式中m吸材料吸水饱和状态下的质量（或kg）m干材料在干燥状态下的质量（或kg）。V0材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）H水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取H=1.0g/cm3,W体可用来说明材料内部孔隙水充满的程度，材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。,材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。吸水率对材料性质的影响（强度、保温性、抗渗性、抗冻性），例如：瓷砖的吸水率越大，抗冻性越差。材料的吸水率通常是固定值。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸水率可超过100。,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性（潮湿材料在干燥的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重占材料干重的百分率。,吸湿性,材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？,某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前往墙上浇水，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。,案例分析,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。,2.2.3耐水性,耐水性是指材料长期在饱和水作用下，而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。,一般材料吸水后，强度降低，但降低的程度不同，例如：石膏，普通粘土砖、木材，花岗岩因为水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，则有不同程度的强度降低。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。软化系数的范围波动在01之间，当软化系数大于0.80时，认为是耐水性的材料。受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物（如地下构筑物、基础、水工结构），则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造.,材料软化系数的要求,工程对材料软化系数的要求,对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软0.75；K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。,材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗性。用渗透系数或抗渗等级表示（一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量），抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pi”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标（其他指标：抗冻性和抗侵蚀性）。材料的抗渗性与材料致密程度、内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性优于亲水性材料。地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。,2.2.4抗渗性,材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏强度又不显著下降的性质。用抗冻等级表示。抗冻等级Fi，i表示冻融循环的次数。,2.2.5抗冻性,思考题:孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？,抗冻性实验通常是将规定的标准试件浸水饱和后，在零下15条件下冻结一定时间，然后在室温的水中融化，进行反复冻融，试件强度降低及质量损失不超过规定值（质量损失不大于5%，强度损失不大于25%），材料表面不明显损伤，所对应的最大循环次数，定为该材料的抗冻等级。,材料的抗冻性,1.材料的内部一般都充满着孔隙，,2.如果浸入水中，孔隙中便会吸水,3.气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀,4.气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化,5.经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。,6.材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级,end,由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。,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。,冻融循环,冻融破坏的表现：表面出现剥落、裂纹、质量损失，强度降低。冻融破坏的原因：孔隙中水结冰体积膨胀，对孔壁造成压力。,厨房的瓷砖有剥落现象，试分析原因，如何解决？,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水；水冰，体积膨胀9，结冰压力高达100MPa，结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。,思考题:南方温暖潮湿地区，是否要考虑材料的抗冻性？,孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻性不会差。,思考：材料吸水但不饱和时，抗冻性怎样？,能源紧缺是一个世界性的问题，建筑行业是个耗能大户，国家规定高层建筑必须采用节能建筑材料，其中包括墙体节能、屋面节能和门窗节能。,2.3材料的热工性质,建筑节能,保温材料,热工性质,导热性,热容量,定义：材料传导热量的能力（冬季材料保持热量不传递出去；夏季材料阻碍热量传入室内）。表示方法：用导热系数表示，导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为式中材料的导热系数，w/（mK）；Q传导的热量，J；a材料的厚度，m；A材料传热的面积，m2；Z传热时间，h；（t1-t2）材料两侧温度差，K在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（越大，传热越快，保温性越差）。,2.3.1导热性,棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？,各种材料的导热系数差别很大，常见建筑材料的导热系数范围是0.0353.5W(mK)，工程中通常把0.23W(mK)的材料称为绝热材料（保温和隔热材料）。,常用建筑材料的热工性质指标,影响导热性的因素：材料的化学组成与结构化学组成不同的材料，其导热系数不同，所以不同材料的导热系数也不同。如：一般情况下，导热系数的大小为：金属材料非金属材料有机材料孔隙率和空隙构造特征一般来说：P，导热性，原因是静止空气的一般材料的。P一定时，随着连通孔和粗孔的增多，因为若孔隙粗大或贯通，对流作用加强，。材料的湿度和温度材料受潮后，导热性，保温隔热性（水空气）。材料受潮后再受冻,进一步，保温隔热性进一步(冰水)。,棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？,观察与讨论,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料？,A,B,讨论：,保温层的目的是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。,复习思考题,1.中空玻璃为什么比同厚度的实心玻璃保温性能好？,2.保温材料为什么保持干燥状态保温效果较好？,2.3.2比热容,定义：材料温度升高（或降低）1K时，所吸收（或放出）的热量，称为材料的热容量，1kg材料的热容量，称为材料的比热容（简称比热）。在建筑工程中的作用：大比热容的材料对保持室内温度的相对稳定有很大影响。,思考题:地球为何适宜人类居住？月球呢？水立方的原理？,第三节材料的力学性质,一、材料的强度与强度等级,请看材料受拉破坏动画演示,请看材料受压破坏动画演示,请看材料受弯破坏动画演示,请看材料受剪破坏动画演示,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，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。如下图所示：,材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：,f-材料强度，MPaFmax-材料破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2,单位：MPa，1MPa=1N/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：,式中fw-材料的抗弯强度，MPaFmax-材料受弯破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2L-两支点的间距，mmb、h-试件横截面的宽及高，mm,影响材料强度的外界因素,试件的形状相同底面积的试件，高度越大，强度值越小。试件尺寸,加荷速度加荷速度越快，测定的强度值越大试验环境的温湿度一般情况下环境越潮湿，测定的强度值越低内部结构疏松及孔隙率较大的材料，其质点间的联系较弱，有效受力面积减小，孔隙附近产生应力集中，故测定的强度值越低。如多空砖，加气混凝土砌块；具有层状或纤维状构造的材料在不同方向受力时，强度性能不同。如木材，顺纹横纹抗压强度不同为了使试验结果准确，具有可比性，国家对材料试验方法、步骤及试验设备有统一的规定，在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。,比强度比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料在断裂点的强度（通用拉伸强度）与其表观密度之比（f/0）。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。是反映材料轻质高强的力学参数。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。这类轻质高强的材料，也是未来土木建筑材料发展的主要方向。,几种主要材料的比强度,3.2弹性与塑性,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。,弹性变形的大小与外力成正比，比例系数E成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式表示：,式中材料的应变;材料的应力，MPa;E材料的弹性模量E表示材料抵抗变形的指标，E越大，材料越不容易变形，抵抗变形的能力就越强。,3.3脆性与韧性,脆性：材料受外力作用，当外力达一定值时，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。天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等都是脆性材料。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。承受冲击和震动能力差宜做承压构件，如砖、石材、玻璃、混凝土等,韧性：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，这种性质称为韧性。建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材料。路面、桥梁、吊车梁、牛腿柱、电梯井以及有抗震要求的结构都要考虑材料具有较好的韧性。,请看材料脆性、韧性破坏动画演示,3.4硬度与耐磨性,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。刻划法：用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。莫氏硬度（HM），适用于矿物。钢球压入法：布氏硬度（HB），适用于木材，混凝土，钢材等。,请看压入法测材料硬度动画演示,课堂讨论,大理石和玻璃谁更坚硬？,大理石,玻璃,一般来说玻璃的莫氏硬度在5-6左右，虽然玻璃主要成分是石英，硬度为7，但是玻璃一般含有其他物质，大理石莫氏硬度在3左右，所以玻璃比大理石硬以莫氏硬度为基准，最高为10级。滑石：硬度1级，系指一种含水的镁硅酸盐矿物，因质软,具滑腻感而得名。石膏：硬度2级，为硫酸盐类矿物硬石膏方解石：硬度3级，化学成分为CaCO3，和汉白玉成分一样。萤石：硬度4级，萤石又名氟石,为卤族矿物。磷灰石：硬度5级。制造过磷酸盐肥料等正长石：硬度6级，白至灰白色，有些呈微浅蓝或浅绿色，玻璃光泽，半透明。石英：硬度为7，化学成分为SiO2，为沙子、水晶等主要成分。黄玉：硬度为8，即托帕石，为含水的铝硅酸盐矿物，颜色为无色、淡黄、深黄、棕色、天蓝、粉红、红、淡绿和褐色等。玻璃光泽，透明至半透明。刚玉：硬度为9，红、蓝宝石均属刚玉。金刚石：硬度为10。,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）,第5节材料的装饰性质、化学性质和耐久性,材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统