建筑材料的基本性质.ppt

建筑材料的基本性质 建筑材料的基本性质 建筑材料的基本性质 是指材料处于不同的使用条件和使用环境时 通常必须考虑的最基本的 共有的性质 因为建筑材料所处建 构 筑物的部位不同 使用环境不同 人们对材料的使用功能要求不同 所起的作用就不同 要求的性质也就有所不同 建筑材料的基本性质 内容 材料的组成与结构材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性 第一节材料的组成与结构 材料的组成 是决定材料性质的最基本因素1 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 材料的组成 2 矿物组成 指构成材料的矿物种类和数量 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质 矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式 3 相组成 材料中结构相近性质相同的均匀部分称为相 自然界中的物质可分为气 液 固三相 材料中 同种化学物质由于加工工艺不同 温度 压力等环境条件的不同 可形成不同的相 建筑材料大多是多相固体材料 这种由两相或两相以上的物质组成的材料 称为复合材料 材料的结构与构造 是决定材料性能的另一个极其重要的因素 1 材料的结构宏观结构微观结构亚微观结构2 材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况 与结构相比 进一步强调了相同材料或不同材料间的搭配与组合关系 它决定了木材的各向异性等一系列物理力学性质 材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织 按孔隙特征可以分为 1 致密结构 2 多孔结构 3 微孔结构按其组织构造特征可以分为 1 堆聚结构 2 纤维结构 3 层状结构 4 散粒结构 微观结构 微观结构是指材料在原子 分子层次的结构 材料的微观结构 基本上可分为晶体与非晶体 晶体结构的特征是其内部质点 离子 原子 分子 按照特定的规则在空间周期性排列 非晶体也称玻璃体或无定形体和胶体 如无机玻璃 玻璃体是化学不稳定结构 容易与其它物体起化学作用 亚微观结构 亚微观结构也称作细观结构 是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式 如金属材料晶粒的粗细及其晶相组织 木材的木纤维 混凝土中的孔隙及界面等 从宏观 亚微观和微观三个不同层次的结构上来研究建筑材料的性质 才能深入其本质 对改进与提高材料性能以及创制新型材料都有着重要的意义 第二节材料的基本物理性质 一 材料与质量有关的性质1 材料的体积 体积是材料占有的空间尺寸 由于材料具有不同的物理状态 因而表现出不同的体积 绝对密实体积 干材料在绝对密实状态下的体积 表观体积 材料在自然状态下的体积 即整体材料的外观体积 含内部孔隙和水分 V0 堆积体积 粉状或粒状材料 在堆集状态下的总体外观体积 V0 2 材料的密度 定义 材料的密度 是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 按下式计算 m V式中 密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g或kg V 材料的绝对密实体积 cm3或m3 测试 测试时 材料必须是绝对密实 干燥状态 一般钢 玻璃 沥青等认为绝对密实 含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积 3 材料的表观密度 表观密度 俗称 容重 是指材料在自然状态下单位体积的质量 按下式计算 0 m V0材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积 因此 材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外 还与其内部构成状态及含水状态有关 一般情况下 表观密度是指气干状态下的表观密度 而在烘干状态下的表观密度称为干表观密度 4 材料的堆积密度 堆积密度 是指粉状或粒状材料 在堆积状态下单位体积的质量 按下式计算 0 m V0 V0 V0 V空 V V孔 V空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 因此 材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙 在建筑工程中 计算材料用量 构件的自重 配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度 表观密度和堆积密度等数据 一般情况下 0 0 二 密实度与孔隙率 1 密实度D 指材料体积内被固体物质充实的程度 D V V0 100 0 100 对于绝对密实材料 因 0 故密实度D 1或100 对于大多数建筑材料 因 0 故密实度D 1或D 100 2 孔隙率P 指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率 P V0 V V0 100 1 0 100 即D P 1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度 孔隙特征 三种分类方式 A 按孔径尺寸的大小分为 微孔 细孔和大孔三种 B 按孔隙之间是否贯通分为 互相隔开的孤立孔和互相贯通的连通孔 C 按孔隙与外界是否连通分为 开口孔和闭口孔 V孔 V开 V闭 VK VB则孔隙率P PK PB孔隙对材料性质的影响 孔隙 A 材料的堆积密度 B 材料受力的有效面积 强度 C 堆积密度 导热系数和热容随封闭孔隙率 而 随粗大或贯通孔隙率 而 D 透气性 透水性 吸水性 E 对抗冻性 要视孔隙特征及孔隙率大小而定 有些也能提高抗冻性 三 填充率与空隙率 1 空隙率P 是指散粒材料在其堆积体积中 颗粒之间的空隙体积所占的比例 P V0 V0 V0 100 1 V0 V0 100 1 0 0 100 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度 2 填充率D 是指某堆积体积中 被散粒材料的颗粒所填充的程度 D V0 V0 100 0 0 100 即P D 1填充率的大小反映了散立材料的颗粒之间互相填充的程度 例1 1 某石灰岩的 2 62g cm3 孔隙率P 1 20 今将石灰岩破碎成碎石 碎石的堆积密度为1580kg m3 求 此碎石的表观密度和空隙率 解 P V0 V V0 100 1 0 100 1 20 0 2 59g cm3P V0 V0 V0 100 1 0 0 100 39 四 材料与水有关的性质 1 材料的亲水性与憎水性定义 与水接触时 有些材料能被水润湿 而有些材料则不能被水润湿 对这两种现象来说 前者为亲水性 后者为憎水性 根本原因在于材料的分子结构 亲水性材料与水分子之间的分子亲合力大于水分子本身之间的内聚力 反之 憎水性材料与水分子之间的亲合力小于水分子本身之间的内聚力 工程实际中 材料是亲水性或憎水性 通常以润湿边角的大小划分 材料与水有关的性质 2 材料的吸水性 材料能吸收水分的能力 材料吸水饱和时的含水率用吸水率来表示 2 1质量吸水率 m 是指材料在吸水饱和时 所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比 质量吸水率的计算公式为 m mb mg mg 100 式中 mb 材料吸水饱和状态下的质量 或kg mg 材料在干燥状态下的质量 或kg 材料与水有关的性质 2 2体积吸水率W 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 体积吸水率W 的计算公式为 W mb mg V0 1 w 100 式中 V0 材料在自然状态下的体积 cm3或m3 w 水的密度 g cm3或kg m3 常温下取1 0g cm3 材料的吸水率与其孔隙率有关 更与其孔特征有关 因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的 材料内与外界连通的细微孔隙 其吸水率就 材料的开口孔 吸水率 而材料中闭口孔或粗大孔 则吸水率 材料与水有关的性质 3 材料的吸湿性 是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质 吸湿过程 干燥过程因此在空气中 某一材料的含水多少是随空气的湿度发生变化的 材料的含水率 h 材料在任一条件下含水的多少 h ms mg mg 100 式中 ms 材料吸湿状态下的质量 或kg mg 材料在干燥状态下的质量 或kg 平衡含水率 当空气中湿度在较长时间内稳定时 材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态 此时材料的含水率保持不变 材料与水有关的性质 4 材料的耐水性 材料长期在饱和水的作用下不破坏 强度也不显著降低的性质 衡量指标 材料的软化系数KR fb fg式中 KR 材料的软化系数 fb 材料吸水饱和状态下的抗压强度 MPa fg 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 材料的耐水性限制了材料的使用环境 软化系数小的材料耐水性差 其使用环境尤其受到限制 软化系数的波动范围在0 1之间 工程中通常将KR 0 80的材料称为耐水性材料 可以用于水中或潮湿环境中的重要工程 用于一般受潮较轻或次要的工程部位时 材料软化系数也不宜小于0 75 材料与水有关的性质 5 抗冻性材料吸水后 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 抗冻性 是指材料在吸水饱和状态下 能经受反复冻融循环作用而不破坏 强度也不显著降低的性能 抗冻等级 抗冻性以试件在冻融后的质量损失 外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示 材料的抗冻等级可分为 15 25 50 100 200等 分别表示此材料可承受15次 25次 50次 100次 200次的冻融循环 材料的抗冻性与材料的强度 孔结构 耐水性和吸水饱和程度等有关 材料与水有关的性质 6 材料的抗渗性 是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能 土木建筑工程中许多材料常含有孔隙 孔洞或其它缺陷 当材料两侧的水压差较高时 水可能从高压侧通过内部的孔隙 孔洞或其它缺陷渗透到低压侧 这种压力水的渗透 不仅会影响工程的使用 而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质 或将材料内的某些成分带出 造成材料的破坏 材料与水有关的性质 6 1衡量指标 渗透系数材料的渗透系数可通过下式计算 K Qd AtH材料的渗透系数越小 说明材料的抗渗性越强 6 2抗渗等级材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时 材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力 并以字母P及可承受的水压力 以0 1MPa为单位 来表示抗渗等级 如P4 P6 P8 P10 等 例1 2 一块烧结普通砖的外形尺寸为240 115 53 吸水饱和重2940g 烘干至恒重为2580g 今将该砖磨细至粉末 并烘干后取50g 用李氏比重瓶测得其体积为18 58cm3 求 0 P Wm Wv PK PB 解 m V 50 18 58 2 69g cm3 0 m V0 2580 240 115 53 10 3 1 76g cm3 干表观密度 孔隙率P 1 0 100 34 6 Wm mb mg mg 100 2940 2580 2580 100 13 95 Wv Wm 0 24 6 PK Wv 24 6 PK PB P PB P PK 34 6 24 6 10 五 材料的热工性质 1 导热性当材料两面存在温度差时 热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质 称为材料的导热性 2 衡量指标 导热系数 导热系数的定义和计算式如下所示 式中 导热系数 传导的热量 材料厚度 热传导面积 m2 一热传导时间 h t2 t1 材料两面温度差 K物理意义上定义 导热系数是单位厚度 1m 的材料 两面温度差为1 时 在单位时间 1s 内通过单位面积 1 的热量 2 热容量和比热材料在受热时吸收热量 冷却时放出热量的性质称为材料的热容量 单位质量材料温度升高或降低1 所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热C 式中 C 材料的比热 J g K Q 材料吸收或放出的热量 热容量 m 材料质量 g t2 t1 材料受热或冷却前后的温差 K 3 热阻和传热系数热阻是材料层 墙体或其它围护结构 抵抗热流通过的能力 热阻的倒数称为材料层 墙体或其它围护结构 的传热系数 传热系数是指材料两面温度差为1 时 在单位时间内通过单位面积的热量 4 材料的温度变形性 指温度升高或降低时材料的体积变化 除个别材料以外 多数材料在温度升高时体积膨胀 温度下降时体积收缩 这种变化表现在单向尺寸时 为线膨胀或线收缩 相应的技术指标为线膨胀系数 润湿边角 图1 1材料润湿示意图 亲水性材料 憎水性材料 润湿边角 在材料 水和空气的交点处 沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角 愈小 表明材料愈易被水润湿 当 90 时 为亲水性材料 当 90 时 为憎水性材料 水在亲水性材料表面可以铺展开 且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部 水在憎水性材料表面不仅不能铺展开 而且水分不能渗入材料的毛细管中 大多数建筑材料都属于亲水性材料 如 木材 砖 混凝土等 而沥青 蜡等属于憎水性材料 软化系数 软化系数反映了材料吸水饱和后强度降低的程度 是材料吸水后性质变化的重要特征之一 一般材料吸水后 水分会分散在材料内微粒的表面 削弱其内部结合力 强度则有不同程度的降低 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 第三节材料的基本力学性质 1 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 材料的强度计算 根据外力作用方式的不同 材料强度有抗拉 抗压 抗剪 抗弯 抗折 强度等 材料的抗拉 抗压 抗剪强度的计算式如下 f Fmax A式中 f 材料强度 MPa A 试件受力面积 mm2Fmax 材料破坏时的最大荷载 N 材料的抗弯强度 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 fw 3FmaxL 2bh式中 fw 材料的抗弯强度 MPa Fmax 材料受弯破坏时的最大荷载 N L 两支点的间距 mm b h 试件横截面的宽及高 mm 2 弹性和塑性 材料在外力作用下产生变形 当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性 这种完全恢复的变形称为弹性变形 或瞬时变形 材料在外力作用下产生变形 如果外力取消后 仍能保持变形后的形状和尺寸 并且不产生裂缝的性质称为塑性 这种不能恢复的变形称为塑性变形 或永久变形 3 脆性和韧性 材料受力达到一定程度时 突然发生破坏 并无明显的变形 材料的这种性质称为脆性 大部分无机非金属材料均属脆性材料 如天然石材 烧结普通砖 陶瓷 玻璃 普通混凝土 砂浆等 脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉 抗折强度低 在工程中使用时 应注意发挥这类材料的特性 材料在冲击或动力荷载作用下 能吸收较大能量而不破坏的性能 称为韧性或冲击韧性 4 硬度和耐磨性 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 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 G m1 m2 A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 第四节材料的耐久性 1 定义 材料的耐久性是泛指材料在使用条件下 受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用 能长久地保持其使用性能的性质 2 破坏类型 材料在建筑物之中 除要受到各种外力的作用之外 还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用 这些破坏作用包括物理 化学 机械及生物等的作用 3 耐久性指标 材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的 例如处于冻融环境工程 所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示 处于暴露环境的有机材料 其耐久性以抗老化能力来表示 影响材料的耐久性的破坏类型 1 物理作用 干湿变化 温度变化及冻融变化等 2 化学作用 包括大气 环境 水以及使用条件下酸 碱 盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用 3 机械作用 包括使用荷载的持续作用 交变荷载引起材料疲劳 冲击 磨损 磨耗等