《建筑材料》课件.ppt

建筑材料 教师 周万良 参考书 土木工程材料 合肥工业大学出版社 建筑材料 东南大学出版社 建筑装饰材料 华中科技大学出版社 第一章绪论 主要内容一 建筑材料的分类二 建筑材料的重要作用三 建筑材料的发展趋势四 建筑材料的标准化五 学习本课程的目的 要求和方法 一 建筑材料的分类根据化学成分 建筑材料可分为无机材料 有机材料和复合材料 见下表 附 灰砂砖 蒸压灰砂砖是以适当比例的石灰和石英砂 砂或细砂岩 经磨细 加水拌和 半干法压制成型并经蒸压养护而成 粉煤灰砖是以粉煤灰 石灰为主要原料 也可以掺加适量石膏和骨料 经坯料制备 压制成型 加常压或高压蒸汽养护而成的墙体材料 颜色呈黑灰色 玻璃钢的科学名称是玻璃纤维增强塑料 它是以玻璃纤维及其制品 玻璃布 带 毡 纱等 作为增强材料 以合成树脂作基体材料制作而成 按功能可以分为建筑结构材料 墙体材料和建筑功能材料 见下表 建筑结构材料 主要指构成建筑物受力构件或结构所用的材料 如梁 板 柱 基础等部位所用材料 对这类材料的主要技术性能要求是力学性能和耐久性 建筑功能材料 主要是指担负某些建筑功能 非承重用的材料 它们赋予建筑物防水 防火 保温 隔热 采光 隔声 装饰等功能 用于建筑物内 外及分隔墙体所用的墙体材料分为承重墙材和非承重墙材 前者有力学性能要求 后者则起围护作用并担负部分建筑功能要求 石棉 它是天然的纤维状的硅酸盐类类矿物质的总称 也是唯一的天然矿物纤维 石棉由纤维束组成 而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成 石棉具有高度耐火性 电绝缘性和绝热性 是重要的防火 绝缘和保温材料 矿棉 由硅酸盐类熔融物制得的棉花状短纤维 包括矿渣棉 岩棉 玻璃棉和陶瓷纤维等 我国一般只指前两种 最早从夏威夷火山口得到的矿棉 称为 法尔的头发 以冶金矿渣或粉煤灰为主要原料者称矿渣棉 以玄武岩等岩石为主要原料者称 岩棉 将原料破碎成一定粒度后加助剂等进行配料 再入炉熔化 成棉 装包 矿棉及其制品质轻 耐久 不燃 不腐 不受虫蛀等 是优良的隔热保温 吸声材料 玻璃棉 是将熔融玻璃纤维化 形成棉状的材料 化学成分属玻璃类 是一种无机纤维 具有成型好 体积密度小 热导率彽 保温绝热 吸音性能好 耐腐饰 化学性能稳定 膨胀珍珠岩 珍珠岩在1000 1300 高温条件下体积迅速膨胀4 30倍 得到内部有大量孔隙的岩石 称为膨胀珍珠岩 是一种常用的保温隔热材料 绪论 二 建筑材料的重要作用 1 是各种土木工程的物质基础 在建筑工程中建材所占的投资比例为40 70 左右 见图 图 2 材料决定了建筑结构的设计方法 如钢材和混凝土强度提高可使钢筋混凝土结构的承载力提高 从而可缩小结构的截面尺寸 降低建筑物的自重和材料消耗量 继而可降低建筑物造价和地基处理费用 3 材料决定施工方法 如木结构建筑物的施工 要用到锯子 钉子 刨子等 而钢结构施工则要用到焊接工具 切割工具 吊车等 而钢筋混凝土结构则要进行立模 钢筋绑扎 混凝土浇筑等工序 4 是工程质量优劣的决定性因素之一 材料质量的优劣 配制是否合理 选用是否恰当直接影响建筑工程质量 材料与建筑结构相互影响 相互发展 一种新的建筑材料的出现 必将促进建筑结构的改变 如钢筋混凝土 预应力混凝土的出现 大大提高了混凝土的抗拉强度 从而使利用混凝土建造大跨度桥梁称为可能 高强度混凝土出现使建造高层建筑物成为可能 同样 新的建筑结构的出现 新的建筑功能要求又会促进材料科学的发展 如港口工程 海洋工程中的结构物要求耐化学腐蚀能力强 故要求人们去研制耐腐蚀性高的混凝土和钢材 地下结构 隧道和地铁工程则需要高抗渗防水材料 故人们想方设法的提高材料的抗渗性 等等 上海金茂大厦 图 土坯建造的住房 图 天安门图 所用建筑材料 土 石 木料 砖 石灰 砖石材料就达1亿m3 图 埃菲尔铁塔图 纽约帝国大厦图 三 建筑材料的发展趋势 1 轻质 高强材料 材料越轻质高强 则建筑物可越高 跨度可越大 施工越容易 2 高性能材料 材料的性能提高 相应地使用寿命提高 使用期材料的维修费用降低 从而可节约材料 降低建造和使用成本 减少能耗和废弃物的排放等 3 绿色环保型材料 又称环境友好型材料或生态材料 包括低耗能材料 用工农业废料 废渣等代替自然资源生产的材料 降低材料生产过程中废弃物的排放量 材料的再生循环利用等等 要做到既发展建筑材料 又不损害后代人的利益 四 建筑材料的标准化材料的技术标准 国家标准 行业标准 企业标准和地方标准 GB 国家标准GB T 国家推荐性标准GBJ 建筑工程国家标准JGJ 建设部行业标准JG 建筑工业行业标准HG 化工部标准SH 石油化学工业部标准JC 国家建材局行业标准YB 冶金部行业标准JTJ 交通部行业标准SD 水电行业标准DB 地方标准Q 企业标准标准的表示方法 标准名称 部门代号 编号 批准年份例 通用硅酸盐水泥 GB175 2007ASTM 美国国家标准BS 英国国家标准DIN 德国国家标准JIS 日本国家标准ISO 国际标准国家标准和部门行业标准都是全国通用标准 属国家指令性技术文件 均必须严格遵照执行 尤其是强制性标准 标准是根据一定时期的技术水平制定的 它随技术水平的发展需要进行修订 新标准实施后 旧标准自动废除 标准是对重复性事物和概念所做的统一规定 它以科学 技术和实践经验的综合成果为基础 经有关方面协商一致 由主管机构批准 以特定形式发布 作为共同遵守的准则和依据 标准的本质属性是一种 统一规定 这种统一规定是作为有关各方共同遵守的准则和依据 我国标准分为强制性标准和推荐性标准两类 强制性标准必须严格执行 做到全国统一 推荐性标准国家鼓励企业自愿采用 但推荐性标准如经协商 并计入经济合同或企业向用户作出明示担保 有关各方则必须执行 做到统一 标准制定的对象是重复性事物和概念 这里讲的 重复性 指的是同一事物或概念反复多次出现的性质 例如批量生产的产品在生产过程中的重复投入 重复加工 重复检验等 只有当事物或概念具有重复出现的特性并处于相对稳定时才有制定标准的必要 制定标准过程要经有关方面协商一致 如制定产品标准不仅要有生产部门参加 还应当有用户 科研 检验等部门参加共同讨论研究 这样制定出来的标准才具有权威性 科学性和适用性 标准化 包括制定 发布及实施标准的过程 通过制定 发布和实施标准 达到统一是标准化的实质 五 学习本课程的目的 要求和方法目的 建筑材料 是一门专业基础课 本课程的目的是使学生具有建筑材料的基本知识 在进行建筑工程设计 施工和工程监理时能正确认识和利用材料的物理 化学 力学性质和使用功能 并正确选用各类材料 同时也为后继课程的学习打下基础 要求熟练掌握建筑工程中常用材料的品种 规格 主要物理 化学和力学性能及其合理利用 学习方法 多记 多思考 多做试验 这门课程的基本要求是要重点掌握材料的基本性质和合理选用材料 为此必须熟记各种材料的性质 同时要多思考 弄清楚材料为什么会有这样的性质 第二章建筑材料的基本性质 建筑材料的基本性质归纳起来可分为 一 物理性质 包括密度 与水有关的性质 与热有关的性质等 二 力学性质 包括强度 塑性与弹性 脆性与韧性等性质 三 耐久性 材料在长期使用中 会受到环境和其内部各种破坏因素的作用 物理 化学及生物因素等 而导致其使用功能下降 材料抵抗这些因素破坏作用的能力叫耐久性 包括抗渗性 抗冻性 耐腐蚀性等 主要内容 2 1材料的物理性质2 2材料的力学性质2 3材料的耐久性2 4材料的组成 结构和构造及其对性能影响 2 1材料的物理性质 2 1 1与密度有关的性质密度是指材料的质量与其体积之比 根据材料所处状态不同 可分为 真 密度 表观密度和堆积密度 一 密度干燥材料在绝对密实状态下 单位体积的质量称为密度 m v 式中 密度 m 材料实体积的质量 v 材料在绝对密实状态下的体积 即材料内固态物质的实体积 也可叫绝对体积 注意 1 干燥状态的材料 2 单位 一般不用kg 3 实体积的测定 在建筑材料中 除金属 玻璃 沥青等少数材料外 都含有一些孔隙 为了测得含孔材料的密度 应把材料磨成细粉 粒径至少小于0 20mm 除去孔隙 经干燥后用李氏密度瓶测定实体积 材料磨得越细 所测得的体积越接近绝对体积 硅酸盐水泥 3 0 3 15 火山灰水泥 矿渣水泥或粉煤灰水泥 2 8 3 0 粉煤灰 2 2 2 3 二 表观密度 在自然状态下 材料单位表观体积 实体积 开口孔隙体积 闭口孔隙体积 的质量 称为表观密度 干燥状态式中 o 表观密度 或kg o 表观体积 vp 孔隙的体积 mp 孔隙的质量 意义同前 1 实体2 闭口孔隙3 开口孔隙 注意 1 表观体积 实体积 全部孔隙体积 但道路建筑材料表观体积的含义与此不同 因而表观密度的定义也与此不同 2 单位 kg 和 均可 3 表观密度与材料的含水状态有关 一般含水量增加 表观密度增加 除有特别说明外 一般指干燥状态时的表观密度 4 表观体积的测定方法 形状规则的材料 用尺子测量 形状不规则的材料 加工成规则的形状 用尺子测量 不必加工的材料 如吸水率 如砂 石 很小 直接用排液法 排水法或排油法 测量 否则将材料表面封蜡 再用排水法测量 5 碎石或卵石 2 7 砂 2 6 普通混凝土 2400 2450kg V 实体积V0 表观体积v 视密度时用到的体积m 实体积对应的质量mp 孔隙的质量mo 表观体积对应的质量 VV V0 m mp mo 某块材料的质量与体积关系 三 堆积密度定义 散粒材料在堆积状态下单位体积质量 堆积材料体积构成示意图 干燥状态 m mp ms ms 空隙质量Vs 空隙体积VB 闭口孔体积VK 开口孔体积 注意 1 堆积体积 所有颗粒实体积 所有颗粒孔隙体积 颗粒之间的空隙体积 2 堆积密度包括松装堆积密度和紧装堆积密度 在自然状态下的堆积密度为松装堆积密度 一般称堆积密度 在捣实状态下的堆积密度称紧装堆积密度 3 单位 kg 一般不用 3 4 堆积体积测定 以散粒材料所占容器的容积作为堆积体积 5 堆积密度与含水状态有关 一般指材料干燥时的堆积密度 干燥状态下 密度 表观密度 堆积密度 四 材料的孔隙与密实度孔隙对材料性质的影响 孔隙率大小和孔隙特征与材料的许多重要性质如强度 抗渗性 吸水性 抗冻性和导热性等有密切关系 孔隙的多少 孔隙率小 则材料密实程度高 材料强度高 孔隙的特征 按孔隙尺寸大小 可把孔隙分为为微孔 孔径1000nm 三种 按孔隙之间是否相互贯通 把孔隙分为孤立孔 连通孔 按孔隙与外界之间是否连通 把孔隙分为开口孔 封闭孔 开口毛细孔越多 材料吸水性大 开口孔隙越多 材料抗渗 抗冻性越差 闭口孔隙越多 材料抗渗 抗冻性和隔热性反而越好 孔隙率 孔隙率是指材料内部孔隙体积 开口孔隙和闭口孔隙 占材料总体积的百分率 公式 密实度 材料内部固体物质的实体积占材料总体积的百分率 公式 开口空隙率 指材料内部开口孔隙体积占材料总体积的百分率 用Pk表示 闭口空隙率 指材料内部闭口孔隙体积占材料总体积的百分率 用Pb表示 Pk Pb P 六 材料的空隙与填充率 空隙率 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率 空隙率大小反应了散粒材料的密实程度 在混凝土配合比设计时 砂 石空隙率是计算砂率的重要依据 公式 填充率 所有颗粒的表观体积占堆积体积的百分率 公式 2 1 2材料与水有关的性质一 材料的亲水性与憎水性能被水润湿的材料为亲水性材料 反之为憎水性材料 如荷叶 建筑材料大多为亲水性材料 如水泥 混凝土 砂 石 砖等 只有少数材料如沥青 石蜡及某些塑料等为憎水性材料 润湿边角 在材料 水和空气的三相体的交点处沿水滴表面做切线 切线与材料和水接触面的夹角 称为润湿边角 90 时 材料表现为亲水性 0时 材料完全被水润湿 此时材料对水分子的吸引力大于水分子间的内聚力 90 时 材料表现为憎水性 此时材料对水分子的吸引力小于水分子间的内聚力 憎水性材料能阻止水分进入材料内部的毛细孔中 常用作防水材料 二 吸湿性 自然状态下定义 材料在潮湿空气中吸收水分的性质 用含水率表示 对某一固定材料而言 含水率是一个变值 材料开口毛细孔数量越多则吸湿性越强 含水率 m1 材料湿质量 mo 材料干质量 平衡含水率 材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率为平衡含水率 潮湿材料在干燥空气中放出水分的性能称还湿性 三 吸水性 材料在水中吸收水分的性质 用吸水率表示 它反应材料饱水 吸水饱和 状态下吸收水分的能力 对某一固定材料而言为一恒值 质量吸水率 材料饱水时 吸收水分的质量占材料干质量的百分率 式中 m1 材料饱水时的质量 mo 材料干质量 体积吸水率 材料饱水时 吸收水分的体积占材料干表观体积百分率 式中 Vo 材料干表观体积 o 材料干表观密度 注意 1 开口毛细孔越多 吸水率越大 2 一般 体积吸水率等于开口空隙率 3 当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率 四 耐水性 材料长期在水作用下不破坏 强度也不明显下降的性质 软化系数 KR 0 85为耐水材料 该值越小耐水性越差 一般 材料吸水后 强度会降低 故KR 0 1 长期处于水中或潮湿环境中的重要结构 必须选用KR 0 85的材料 受潮较轻或次要结构材料 KR不宜小于0 75 fb 材料饱水状态时抗压强度 fg 材料干燥状态时抗压强度 五 抗渗性 抵抗压力水渗透的性质 用渗透系数或抗渗等级表示 渗透系数 透水量 式中 KS A t H d分别表示渗透系数 渗水面积 渗水时间 水压水头高度和材料厚度 水头也称压头 是水压力换算成垂直水柱高度的形式 1标准大气压 760毫米汞柱 10 336米水柱 Ks的意义 渗透系数越小 表明抗渗性能越好 抗渗等级 指材料不被水渗透时所能承受的最大水压力 用 P 10倍最大水压力值 MPa 表示 如 最大承水压力为0 4MPa 表示为P4 有P4 P6 P8 P10 P12等抗渗等级 一般 抗渗性决定了材料的耐久性和质量 特别是地下结构 水池 压力管道和容器等对抗渗性要求高 抗渗性与材料孔隙数量和特征有关 在孔隙数量相等时 开口大孔数量多 抗渗性最差 开口连通细孔多 抗渗性也差 但封闭细孔多的材料的抗渗性反而好 因为使渗水路径延长了 六 抗冻性材料在饱水状态下 能经受多次冻融循环作用不破坏 强度也不显著降低的性质 用抗冻等级表示 抗冻等级 按相关标准的规定进行冻融循环试验 材料在达到规定的破坏程度 强度损失率不超过25 且质量损失率不超过5 时能经受的最大冻融循环次数 用 F 最大冻融循环次数 表示 有F15 F25 F50 F100 F200 F300 等抗冻等级 材料冻融破坏的主因是材料孔隙中的水结冰产生的膨胀造成的 影响材料抗冻性的因素如下 1 孔隙充水程度 孔隙未充满水 即使受冻也不一定会破坏 因为有孔隙中有多余的空间容纳结冰时产生的膨胀 2 开口孔隙率 越大则抗冻性越差 3 极细孔隙中的水的冰点降低 不会降低材料抗冻性 根据热力学理论 孔中的水是否结冰 还取决于孔的孔径 孔径为10nm时 水在 5 时才结冰 而孔径为3 5nm时 水在 20 时才结冰 4 闭口孔隙率 越大则抗冻性好 2 1 3材料与热有关的性质现在国家非常重视节能 环保型房屋建设 大力推广保温 隔热材料的使用 材料的热工性质也是一个重要性质 一 导热性 材料传导热量的能力称导热性 用导热系数 表示 式中 导热系数 W m k Q A t T分别表示传导的热量 传热面积 材料厚度 传热时间和材料两侧温差 材料导热性与孔隙数量和特征有关 密闭细微孔隙越多 材料 如泡沫材料 隔热性能越好 因为延长了传导路径 粗大孔隙或贯通孔隙越多 材料导热性能越好 因为这时热的传递方式由传导为主变为对流为主 材料受潮或受冻后 导热性增加 因为空气 水 冰的导热系数分别为0 023 最小 0 58 2 20W m k 普通混凝土 1 6 钢 56 铜 370 二 热容量和比热热容量 指材料升温时吸收热量多少或降温时放出热量多少的性质 如吸收或放出热量多则热容量大 反之则小 Q c m T 式中 Q 材料吸收或放出的热量 c 比热 J g K 或kJ kg K m 材料质量 T 温差 c m 热容量 比热c Q m T 表示单位质量的材料温度升高或下降1K时吸收或放出的热量 导热系数和热容量是建筑物维护结构 墙体或屋盖 进行热工设计时的重要参数 应选用导热系数小而热容量大的材料 以利于室内温度的稳定 2 2材料的力学性质 2 2 1强度 材料抵抗外力破坏的能力 用材料单位面积上能承受的最大应力表示 单位MPa 一 形式 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 P 破坏时的最大荷载 NA 受力面积 mm2 抗弯强度 抗折强度 单点加荷 三分点加荷 L 2 L 2 二 强度等级为了合理选择材料 将材料按强度大小划分成不同的等级 即强度等级 如材料要达到某一强度等级 则其强度不能低于该强度等级的规定值 石材 混凝土 红砖等脆性材料主要用于抗压 以抗压强度划分等级 钢材主要用于抗拉 以抗拉强度划分等级 不同材料 具体的强度等级划分方法在以后内容讲述 三 比强度它等于材料的强度与表观密度之比 比强度是评价材料轻质高强的指标 数值越大 表明材料越轻质高强 这对保证建筑物强度 减小自重 节约材料 提高建筑物高度和跨度有重要的实际意义 比强度 木材 低碳钢 普通混凝土 普通混凝土不是轻质高强材料 四 影响强度的因素 材料的组成 不同组成的材料 其强度不同 孔隙率 增加 表观密度降低 强度呈直线下降 含水状态 含水分时材料强度低于干燥状态时 温度 升高 强度降低 试验条件 试件尺寸 增大 强度降低 试件越大 内部出现缺陷的几率越大 而试件的破坏就是从缺陷处开始的 加荷速度 越快 强度越大 试件的破坏与所受压力不同步 有滞后效应 试件高度 长方形试件强度小于立方体试件 长方体环箍效应的影响要小些 试件表面的平整度与光滑度 越平整 光滑 强度越小 环箍效应的影响减小 2 2 2材料的弹性与塑性材料受外力作用 在破坏前都会产生变形 根据变形的特点 可分为弹性变形和塑性变形 弹性变形 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 这种能够完全恢复的变形称为弹性变形 用弹性模量 E 来衡量弹性变形能力 E E越大 材料越不易产生弹性变形 刚度越大 为结构设计的重要参数 塑性变形 材料在外力作用下产生变形 当外力取消后仍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 实际上 单纯的弹性或塑性材料是不存在的 在较小力作用下时材料表现为弹性 但在较大力作用时则表现为塑性 2 2 3材料的脆性与韧性脆性 材料在外力作用下 只发生很小的弹性变形和塑性变形就突然破坏的性质称为脆性 具有这种性质的材料称为脆性材料 脆性材料的抗压强度比抗拉强度大得多 可达几倍到几十倍 如混凝土 脆性材料抵抗冲击或振动荷载的能力差 故常用于承受静压力作用的工程部位如基础 墙体 柱子 墩座等 脆性材料 石 砖 砼 陶瓷 玻璃 铸铁等 韧性 材料在冲击 振动荷载作用下 能吸收较大的能量 同时也能产生一定的塑性或弹性变形而不破坏的性质称为韧性 或冲击韧性 建筑钢材 木材 沥青混凝土等属于韧性材料 用作路面 桥梁 吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性 材料的韧性用冲击韧性指标来衡量 2 2 4硬度和耐磨性硬度是材料抵抗其他物体刻划 压入其表面出现塑性变形的能力 常用的测定测定硬度的方法有刻划法和压入法 通常 石料 陶瓷 矿物的硬度采用刻划法测定其莫氏硬度 共十级 级别越高材料越硬 滑石为1级 金刚石为10级 钢材 木材 混凝土采用钢球压入法测定其布氏硬度 HB 以压痕单位面积上承受的压力表示 硬度越大 材料耐磨性越好 抗压强度越高 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力 通常用磨损率K表示 即 K M1 M2 A其中M1 M2 分别表示磨损前后的质量 A 受磨面积 路面材料如石子 砂子 经常受水冲刷的部位用材料要具有较高的耐磨性 2 3耐久性 耐久性 材料在长期使用中 会受到环境和其内部各种破坏因素的作用 物理 化学及生物因素等 而导致其使用功能下降 材料抵抗这些破坏因素长期作用的能力叫耐久性 混凝土耐久性是一个综合性质 包括抗渗性 抗冻性 耐腐蚀性 碱 骨料反应 抗碳化等性质 物理因素 冻融 干湿 冷热循环 风化 风沙 水流的冲刷等 化学因素 大气和环境水中的酸 碱 盐 CO2 O2 日光等 机械因素 包括荷载的持续作用 冲击 磨耗等 生物因素 包括菌类 昆虫的破坏作用等 耐久性的判断 最可靠的判断是对材料进行长期观察和测定 但这不便快速进行判断 常通过测定材料的抗渗性 抗冻性 抗碳化性等来判断耐久性 耐久性良好的材料使用寿命长 间接节约了材料 维修费用低 有利于环保 节能 本章思考题 一 是非判断题1某些材料虽然在受力初期表现为弹性 达到一定程度后表现出塑性特征 这类材料称为塑性材料 2某材料含大量开口孔隙 直接用排水法测定其体积 该材料的质量与所测得的体积之比即为该材料的表观密度 3材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口孔隙体积 4在空气中吸收水分的性质称为材料的吸水性 5材料的抗渗性