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第1章建筑材料的基本性质 theBasicPropertyofConstructionMaterials 1 1材料与质量有关的性质 1 1 1材料的体积构成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 1 1材料与质量有关的性质 1 1 2绝对密实体积干燥材料在绝对密实状态下的体积 即材料内部固体物质的体积 或不包括内部孔隙的材料体积 一般以 表示 一般将材料磨成规定细度的粉末 用排开液体的方法得到其体积 1 1 3近似绝对密实体积对于比较密实 孔隙较少的散粒状材料 不必磨细 直接用排开液体的方法测定的体积 一般以表示 1 1材料与质量有关的性质 近似绝对密实体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积 其封闭孔隙的多少 孔隙中是否含有水及含水的多少 均可能影响其总质量或体积 工程中砂石材料 直接用排水法测定其表观体积 1 1 4材料的自然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 一般以V0表示 形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积 形状不规则的材料可先在材料表面涂腊 然后用排开液体的方法得到其体积 1 1 5材料的堆积体积粉状或粒状材料 在堆积状态下的总体外观体积 松散堆积状态下的体积较大 密实堆积状态下的体积较小 一般以表示 1 1材料与质量有关的性质 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2 1密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 密度 g cm3 m 材料在干燥状态下的质量 g V 材料的绝对密实体积 cm3 1 2 2视密度材料单位近似绝对密实体积的质量 按下式计算 式中 视密度 g cm3或kg m3 m 材料在干燥状态下的质量 g或kg 材料的近似绝对密实体积 cm3或m3 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 砂视密度 s的测定 kg m3 式中 m0 砂试样的烘干质量 g m0 300g m1 砂试样 水及容量瓶总质量 g m2 水及容量瓶总质量 g 测定瓶 砂 水的质量m1 测定瓶 水的质量m2 材料的视密度与其内部构成状态及含水状态有关 1 2 3表观密度表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 0 材料的表观密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g或kg V0 材料的自然体积 cm3或m3 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2 4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 式中 0 材料的堆积密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g或kg 材料的堆积体积 cm3或m3 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 砂堆积密度的测定 将容量筒内材料刮平 容量筒的容积即为材料堆积体积 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 几种密度的比较 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2 5密实度是指材料体积内固体物质填充的程度 密实度的计算式如下 式中 密度 0 材料的表观密度 对于绝对密实材料 因 0 故密实度D 1或100 对于大多数土木工程材料 因 0 故密实度D 1或D 100 1 2 6孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率 孔隙率P按下式计算 式中 V 材料的绝对密实体积 cm3或m3 V0 材料的表观体积 cm3或m3 0 材料的表观密度 g cm3或kg m3 密度 g cm3或kg m3 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2 7填充度是指散粒材料堆积体积内 被其颗粒填充的程度 填充度的计算式如下 式中 视密度 材料的堆积密度 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 1 2 8空隙率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 空隙率按下式计算 式中 材料的视密度 材料的堆积密度 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 空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据 1 2材料的密度 表观密度和孔隙率 孔隙率与空隙率的区别 1 3材料的力学性质 1 3 1材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力 根据外力作用方式的不同 材料强度有 抗压 抗拉 抗剪 抗弯 抗折 强度等 抗压 抗拉 抗剪 抗弯 1 3材料的力学性质 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度的计算 式中 f 材料强度 MPa Fmax 材料破坏时的最大荷载 N A 试件受力面积 mm2 抗弯强度的计算 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 MPa Fmax 材料受弯破坏时的最大荷载 N A 试件受力面积 mm2 L b h 两支点的间距 试件横截面的宽及高 mm 1 3材料的力学性质 材料强度测试结果受到很多因素的影响 主要有 试件的形状 尺寸 表面状况 试件的温度 湿度 加荷速度 实验装置等 1 3材料的力学性质 1 3 2弹性和塑性 1 弹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 2 塑性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 1 3材料的力学性质 1 3 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 1 3材料的力学性质 1 3 3脆性和韧性在冲击 震动荷载作用下 材料可吸收较大的能量产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性 建筑钢材 软钢 木材 塑料等是较典型的韧性材料 路面 桥梁 吊车梁及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性 脆性和韧性一般是连在一起的 脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度 破坏时的极限应变值极小 砖 石材 陶瓷 玻璃 混凝 1 3材料的力学性质 1 3 3脆性和韧性土 铸铁等都是脆性材料 与韧性材料相比 它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的 作为工程材料 我们希望它同时具有良好的韧性和脆 刚 性 在改善材料的韧性时 还应设法提高脆 刚 性 横向变形与体积比 P11徐变与应力松弛 P11 1 3材料的力学性质 1 3 4硬度和耐磨性 1 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 回弹法用于测定混凝土表面硬度 并间接推算混凝土的强度 也用于测定陶瓷 砖 砂浆 塑料 橡胶 金属等的表面硬度并间接推算其强度 2 耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力 包括磨损和磨耗 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 1 3材料的力学性质 1 4材料与水有关的性质 1 4 1材料的亲水性与憎水性与水接触时 材料表面能被水润湿的性质称为亲水性 材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性 具有亲水性或憎水性的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作用力 大于水分子相互之间的内聚力 憎水性材料与水分子之间的作用力 小于水分子相互之间的内聚力 亲水性材料 憎水性材料 二 材料与水有关的性质 1 4 2材料的吸水性材料在水中吸收水分的能力 称为材料的吸水性 吸水性的大小以吸水率来表示 1 质量吸水率质量吸水率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 并以 m表示 质量吸水率 m的计算公式为 式中 mb 材料吸水饱和状态下的质量 g或kg mg 材料在干燥状态下的质量 g或kg 2 体积吸水率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WV表示 体积吸水率WV的计算公式为 式中 mb 材料吸水饱和状态下的质量 g或kg mg 材料在干燥状态下的质量 g或kg 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 w 1 0g cm3 1 4材料与水有关的性质 1 4材料与水有关的性质 3 影响材料吸水性的因素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愈多 其吸水率就愈大 1 4材料与水有关的性质 1 4 3材料的吸湿性材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质 用含水率 h表示 其计算公式为 式中 ms 材料吸湿状态下的质量 g或kg mg 材料在干燥状态下的质量 g或kg 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 其含水率称为平衡含水率 1 4材料与水有关的性质 吸水率与含水率的区别 1 4 4材料的耐水性材料的耐水性是指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 材料耐水性的指标用软化系数KR表示 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 1 4材料与水有关的性质 1 4材料与水有关的性质 软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度 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 软化系数的波动范围在0至1之间 工程中通常将KR 0 85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 材料软化系数也不得小于0 75 1 4材料与水有关的性质 1 4 5抗冻性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 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 体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力减小 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 抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示 或称为抗冻等级 慢冻法 强度损失率不超过25 重量损失率不超过5 快动法 相对动弹模下降至60 重量损失率不超过5 材料的抗冻等级可分为F15 F25 F50 F100 F200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 1 4材料与水有关的性质 影响抗冻性的因素 1 材料的密实度 孔隙率 密实度越高则其抗冻性越好 2 材料的孔隙特征 开口孔隙越多则其抗冻性越差 3 材料的强度 强度越高则其抗冻性越好 4 材料的耐水性 耐水性越好则其抗冻性也越好 5 材料的吸水量大小 吸水量越大则其抗冻性越差 1 4材料与水有关的性质 1 4 6材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能 用渗透系数或抗渗等级W表示 1 渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算 式中 K 渗透系数 mm s Q 渗水量 mm3 A 渗水面积 mm2 H 材料两侧的水压差 mm d 试件厚度 mm t 渗水时间 s 材料的渗透系数越小 说明材料的抗渗性越强 1 4材料与水有关的性质 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W及可承受的水压力 以0 1MPa为单位 来表示抗渗等级 如W4 W6 W8 W10 等 表示试件能承受逐步增高至0 4MPa 0 6MPa 0 8MPa 1 0MPa 的水压而不渗透 3 渗水高度材料亲水性和憎水性 通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料 材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高 材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较差 1 4材料与水有关的性质 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W及可承受的水压力 以0 1MPa为单位 来表示抗渗等级 如W4 W6 W8 W10 等 表示试件能承受逐步增高至0 4MPa 0 6MPa 0 8MPa 1 0MPa 的水压而不渗透 3 影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性 通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料 材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高 材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较差 8 3砼抗渗试验 8 3砼抗渗试验 8 3砼抗渗试验 1 5材料的耐久性 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 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 机械及生物的作用 1 5材料的耐久性 物理作用可有干湿变化 温度变化及冻融变化等 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 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 生物作用包括菌类 昆虫等的作用而使材料腐朽 蛀蚀而破坏 1 6材料与热有关的性质 1 6 1导热性当材料两面存在温度差时 材料传导热量的性质 称为材料的导热性 导