建筑材料基本性质.doc

第一章 建筑材料基本性质本章为全书重点之一。在讨论具体性质之前，要求同学理解不同材料，在结构物中的功用不同，所处的环境不同，对其性质的要求也不同。本章所讨论的各种性质都是建筑材料经常要考虑的性质。掌握或了解这些性质的概念（包括定义、表示方法、实用意义等）对以后讨论各种材料意义重大。建筑材料的性质可归纳为：物理性质、力学性质、化学性质、耐久性等。第一节 材料的组成与结构一、材料的组成 材料的组成是决定材料性质的内在因素之一。主要包括：化学组成和矿物组成。二、材料的结构材料的性质与材料内部的结构有密切的关系。材料的结构主要分成：宏观结构显微结构微观结构。第二节 材料的物理性质一、表示材料物理状态特征的性质1、体积密度：材料在自然状态下单位体积的质量称为体积密度。2、密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度。3、堆积密度：散粒材料在规定装填条件下单位体积的质量称为堆积密度。 注意：密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积；自然状态下的体积是指固体物质的体积与全部孔隙体积之和；堆积体积是指自然状态下的体积与颗粒之间的空隙之和。4、表观密度：材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积加闭口孔隙体积，此体积即材料排开水的体积。5、孔隙率：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。6、开口孔隙率：材料中能被水饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。7、闭口孔隙率：材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。即闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率。8、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材料在自然状态下的体积之比的百分率。二、与各种物理过程有关的材料性质1、亲水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）大于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面吸附水分，即被水润湿，表现出亲水性，这种材料称为亲水材料。2、憎水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）小于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面不吸附水分，即不被水润湿，表现出憎水性，这种材料称为憎水材料。3、吸水性：材料吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示。吸水率有两种表示方法：质量吸水率 体积吸水率质量吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的质量与材料在绝对干燥状态下的质量之比。体积吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比。 4、含水率：材料在自然状态下所含的水的质量与材料干重之比 例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40立方厘米，质量为85.50克，吸水饱和后的质量为89.77克，烘干后的质量为82.30克。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、含水率。解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40（1-0.24）=2.7克/立方厘米 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积=（89.77-82.3）1/40=0.187 闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.24-0.187=0.053 表观密度=干质量/表观体积=82.3/40（1-0.187）=2.53 含水率=水的质量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.039第三节 材料的力学性质一、材料在外力作用下的变形性质1、弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力消除后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。2、塑性变形：材料在外力作用下产生变形而不出现裂缝，当外力消除后，不能够自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种变形称为塑性变形。二、强度 材料抵抗在应力作用下破坏的性能称为强度。强度通常以强度极限表示。强度极限即单位受力面积所能承受的最大荷载。有关材料的力学性质，在材料力学中有详尽的论述，本书不作要求。 注意：对于以力学性质为主要性能指标的材料，通常按其强度值的大小划分成若干等级或标号。脆性材料（混凝土、水泥等）主要以抗压强度来划分等级或标号，塑性材料（钢材等）以抗拉强度来划分。强度值和强度等级或标号不能混淆，前者是表示材料力学性质的指标，后者是根据强度值划分的级别。第二章 建筑金属材料 本章重点介绍建筑钢材，包括钢结构用型钢、钢板和钢管，以及钢筋混凝土用钢筋和钢丝。是本书重点之一。第一节 建筑钢材基本知识一、铁和钢的概念（一）铁 铁分为白口铁和灰口铁。白口铁主要作为炼钢的原料；灰口铁可直接用于铸造，故称铸铁。（二）钢 将熔融的生铁进行氧化，使其中碳、硫、磷等杂质含量降低到允许范围内，这种碳含量低于2%的铁碳合金称为钢。二、钢的分类 按合金元素含量将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类。非合金钢又叫碳素钢，按含碳量不同又分为低碳钢（碳含量小于0.25%）、中碳钢（碳含量在0.25%-0.60%）和高碳钢（碳含量大于0.60%）。建筑工程中，主要使用非合金钢中的低碳钢及低合金钢加工产品。第二节 建筑钢材的主要技术性质一、力学性质（一）抗拉性能 拉伸作用，是建筑钢材主要受力形式，所以，抗拉性能是表示钢材性质和选用钢材最重要的指标。钢材受拉直至破坏经历了四个阶段：1、弹性阶段：在此阶段，钢材的应力和应变成正比关系。此阶段产生的变形是弹性变形。2、屈服阶段：随着拉力的增加，应力和应变不再是直线关系，钢材产生了弹性变形和塑性变形。当拉力达到某一定值时，即使应力不再增加，塑性变形仍明显增长，钢材出现了屈服现象，此点对应的应力值被称为屈服点（或称屈服强度）。屈服点是重要的指标，它表明钢材若在屈服点以上工作，虽然没有断裂，但会产生较大的塑性变形。因此，在结构设计时，屈服点是确定钢材容许应力的主要依据。3、强化阶段：拉力超过屈服点以后，钢材又恢复了抵抗变形的能力故称强阶段。强化阶段对应的最高应力称为抗拉强度或强度极限。抗拉强度是钢材抵抗断裂破坏能力的指标。虽然在结构设计时不能利用，但却可以根据屈强比来评价钢材的利用率和安全工作程度。屈强比是屈服强度比抗拉强度，若屈强比小，钢材在偶而超载时不会破坏，但屈强比过小，钢材的利用率低，是不经济的。适宜的屈强比应该是在保证安全使用的前提下，钢材有较高的利用率。通常情况下，屈强比在0.60-0.75范围内是比较合适的。4、颈缩阶段：过了抗拉强度以后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在受拉试件的某处，迅速发生较大的塑性变形，出现颈缩现象，直至断裂。（二）冲击韧性冲击韧性是指在冲击荷载作用下，钢材抵抗破坏的能力。钢的冲击韧性受下列因素影响：1、钢材的化学组成与组织状态：钢材中硫、磷的含量高时，冲击韧性显著降低。细晶粒结构比粗晶粒结构的冲击韧性要高。2、钢材的轧制、焊接质量：沿轧制方向取样的冲击韧性高；焊接钢件处的晶体组织均匀程度，对冲击韧性影响大。3、环境温度：当温度较高时，冲击韧性较大。当温度降至某一范围时，冲击韧性突然降低很多，钢材断口由韧性断裂状转为脆性断裂状，这种性质称为低温冷脆性。发生低温冷脆性时的温度（范围），称脆性临界温度（范围）。在严寒地区选用钢材时，必须对钢材冷脆性进行评定，此时选用钢的脆性临界温度应低于环境最低温度。4、时效：随着时间的进展，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。二、工艺性能 冷弯性能和可焊性是建筑钢材的重要工艺性能。（一）冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材在弯曲过程中，受弯部位产生局部不均匀塑性变形，这种变形在一定程度上比伸长率更能反映钢的内部组织状况、内应力及杂质等缺陷。因此，也可以用冷弯的方法来检验钢的焊接质量。（二）可焊性 建筑工程中，钢材绝大多数是采用焊接方法联结的。这就要求钢材要有良好的可焊性。可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。钢的可焊性主要受化学成分极其含量的影响。含碳量小于0.3%的非合金钢具有良好的可焊性，超过0.3%，焊接的脆硬倾向增加；硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加，会使可焊性降低。第三节 建筑用钢的晶体组织与化学成分对钢性能的影响 本章主要了解化学成分对钢性能的影响。化学成分对钢性能的影响：1、碳的影响： 碳是钢中重要元素，对钢的组织和性能有决定性影响。随含碳量增加，钢的硬度增大，塑性和韧性降低，可焊性降低，强度以含碳量为0.8%左右为最高。2、锰的影响： 在炼钢过程中，锰起到脱氧去硫作用，提高了强度，克服由硫引起的热脆性。但当锰含量超过1%后，塑性和韧性有所下降。固溶在铁素体中的锰，使钢的强度、硬度和韧性都提高。锰在非合金钢中含量为0.2%-0.8%，在低合金钢中含量一般为1%-2%。高锰钢的耐磨性明显提高。3、硅的影响： 在钢中，硅大部分固溶于铁素体中，少量属于非金属夹杂物。硅含量在2%以内时，可提高钢的强度，对塑性和韧性影响不大。4、磷的影响： 磷是铁原料中带入的杂质。磷使钢在常温下的强度和硬度增加，塑性和韧性显著降低。5、硫的影响： 硫是有害成分。硫含量增加，显著降低了钢的热加工性能和可焊性。硫和磷一样，易于偏析，含量过高时，会降低钢的韧性。第四节 钢材的冷加工和热处理一、钢材的冷加工强化和时效处理（一）冷加工强化在常温下，钢材经拉、拔、轧等加工，使其产生塑性变形，而调整其性能的方法称为冷加工。冷加工后的钢材，屈服点和硬度提高，塑性降低，钢材得到强化。（二）时效处理 冷拉后的钢材，时效加快。若在常温下存放15-20天，可完成时效，称自然时效。若加热钢材至100-200度，则可以在更短时间内完成时效，称人工时效。经时效处理后的钢材，若再受拉，屈服点进一步提高，抗拉强度也提高，塑性和韧性进一步降低，弹性模量得到恢复。这种现象也称时效强化。建筑工地和混凝土构件厂，常利用冷拉和冷拔并时效处理方法，对钢材进行处理，提高钢材的机械强度，降低塑性，从而达到节约钢材的目的。冷拉并时效处理后钢筋，同时也被调直和除锈。当再冷拉时，要控制冷拉率及冷拉应力，使冷拉后的钢材性能符合规范规定。二、钢材的热处理 热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。热处理的具体方法本书不做要求。第五节 建筑钢材的技术标准一、碳素结构钢（非合金结构钢）1、牌号 国家标准规定，牌号由代表屈服点的符号（Q）、屈服点值（195、215、235、255、275兆帕）、质量等级（A,B,C,D）和脱氧程度（F,b,Z,TZ）构成。其中A,B为普通质量钢；C,D为磷、硫杂质控制较严格的优质钢。脱氧程度以F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，T和TZ分别代表镇静钢和特殊镇静钢。例如：Q235-A.F,表示屈服点为235兆帕的质量为A级的沸腾钢。2、选用 建筑工程中主要应用的碳素钢是Q235号钢。它之所以普遍应用，主要是它的机械强度、韧性和塑性及加工等综合性能好，而且冶炼方便，成本较低。Q215号钢机械强度低、塑性大，受力后变形大，经加工及时效处理后可代替Q235使用。在选用钢的牌号时，还必须熟悉钢的质量。一般的说，平炉钢和氧气转炉钢较好；质量等级为D,C的钢优于B,A级纲；特殊镇静钢和镇静钢优于平镇静钢，更优于沸腾钢。二、低合金高强度结构钢1、牌号 这种钢的牌号由代表屈服点的Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。2、性能 低合金结构钢比碳素结构钢强度高、塑性和韧性好，尤其是抗冲击、耐低温、耐腐蚀能力强，并且质量稳定，可节省钢材。在钢结构中，常采用低合金结构钢轧制的型钢、钢板和钢管来建造桥梁、高层及大跨度钢结构建筑。在预应力钢筋混凝土中，二、三级钢筋即是由普通质量低合金钢轧制的。三、钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝主要了解热轧钢筋。1、热轧钢筋的级别和技术性能 热轧钢筋按强度等级分为四个级别。其中一级钢筋为Q235(A,B级)热轧光圆钢筋。二、三和四级钢筋符合施工用钢筋的规范规定。2、热轧钢筋的选用 二三级钢筋属于普通质量低合金钢轧制的，适合用做非预应力钢筋和预应力钢筋；而四级钢筋是由优质合金钢轧制的，质量好、强度高，适宜做预应力钢筋；而一级钢筋宜做非预应力钢筋。随钢筋级别提高，钢筋的机械强度提高，塑性及冷弯性能均降低。当所选钢筋强度偏低，塑性偏大时，可以通过冷拉加时效处理的方法调整其性质，并达到节约钢材的目的。第六节 建筑钢材的防锈 建筑钢材表面与周围环境接触时，往往会发生电化学腐蚀和化学腐蚀，使钢表面锈蚀。无论在堆放还是在使用过程中，钢材锈蚀后，都会造成应力截面减小，表面缺陷增多，承载力及冲击韧性降低，混凝土保护层遭受破坏，甚至造成脆性断裂。防止钢材锈蚀的根本方法是防止潮湿和隔绝空气。目前常采用表面涂漆的隔离方法。此外也可以采取渡锌后再涂塑料涂层等方法。对重要钢结构，还可以采取阴极保护的措施。在钢筋混凝土中，尤其对预应力承重结构的防锈，首先要严格控制钢筋、钢丝质量；其次要提高混凝土密实度，加大保护层厚度，严格控制氯盐掺量，必要时掺入阻锈剂来防止钢筋锈蚀。第六章 沥青材料极其制品 沥青是一种憎水性的有机胶凝材料，构造致密，与石料、砖、混凝土及砂浆等能牢固的黏结在一起。沥青制品具有良好的隔潮、防水、抗渗、耐腐蚀等性能。在地下防潮、防水和屋面防水等建筑工程中及铺路等工程中得到广泛的应用。沥青的种类很多，按产源可分为地沥青和焦油沥青。地沥青主要包括石油沥青和天然沥青；焦油沥青包括煤沥青、木沥青等。建筑工程中主要用的是石油沥青和煤沥青。 本章应以石油沥青为重点，在此基础上了解改性的沥青材料极其制品。第一节 石油沥青 石油沥青是石油经蒸馏提炼出多种轻质油后得到的油渣，或经再加工后得到的物质。一、石油沥青的技术性质1、黏性：黏性是表示沥青抵抗变形或阻滞塑性流动的能力。2、塑性：塑性是指沥青受到外力作用时，产生变形而不破坏，当外力撤消，能保持所获得的变形的能力。3、温度敏感性：温度敏感性是指沥青的黏性和塑性随温度变化而改变的程度。沥青没有固定的熔点，当温度升高时，沥青塑性增大，黏性减小，由固体或半固体逐渐软化，变成黏性液体；当温度降低时，沥青的黏性增大，塑性减小，由黏流态变为固态。沥青软化点是反映沥青温度敏感性的重要指标，它表示沥青由故态变为黏流态的温度，此温度愈高，说明温度敏感性愈小，既环境温度较高时才会发生这种状态转变。4、大气稳定性：大气稳定性是指石油沥青在温度、阳光、空气和水的长期综合作用下，保持性能稳定的能力。二、石油沥青的标准及选用1、石油沥青的标准 石油沥青按用途分为建筑石油沥青、道路石油沥青、防水防潮石油沥青和普通石油沥青。石油沥青的牌号主要是根据针入度及延度和软化点指标划分的，并以针入度值表示。建筑石油沥青分为10号和30号两个牌号，道路石油沥青分十个牌号。牌号愈大，相应的针入度值愈大，黏性愈小，延度愈大，软化点愈低，使用年限愈长。2、石油沥青的选用 通常情况下，建筑石油沥青多用于建筑屋面工程和地下防水工程；道路石油沥青多用来拌制沥青砂浆和沥青混凝土，用于路面、地坪、地下防水工程和制作油纸等；防水防潮石油沥青的技术性质与建筑石油沥青相近，而质量更好，适用于建筑屋面、防水防潮工程。选择屋面沥青防水层的沥青牌号时，主要考虑其黏度、温度敏感性和大气稳定性。常以软化点高于当地历年来屋面温度20度以上为主要条件，并适当考虑屋面坡度。对于夏季气温高，而坡度大的屋面，常选用10号或30号石油沥青，或者10号与30或60号掺配调整性能的混合沥青。但在严寒地区一般不宜直接使用10号石油沥青，以防冬季出现冷脆破裂现象。对于地下防潮、防水工程，一般对软化点要求不高，但要求其塑性好，黏结较大，使沥青层与建筑物黏结牢固，并能适应建筑物的变形而保持防水层完整。第二节 沥青和改性沥青防水材料一、防水卷材 防水卷材是建筑工程中用量最大的防水材料，它具有重量轻、接缝少、施工维修方便、防水效果可靠、造价低等优点，在屋面工程中占有重要地位。防水卷材分为沥青防水卷材、高聚物改性沥青放水卷材和合成高分子卷材三大类。沥青防水卷材是目前普遍应用的传统的防水卷材。二、沥青胶 沥青胶是在沥青中掺入适量矿物粉料，或再掺入部分纤维填料配制而成的胶结剂。主要用于粘贴卷材、嵌缝、接头、补漏及做防水底层。三、沥青防水涂料 沥青防水涂料是由沥青或改性沥青为基料，与分散介质和改性材料配制而成。是流态或半流态物质，在建筑工程中用于屋面、墙面、沟、槽等处，