建筑材料的基本性质.ppt

第三章建筑材料的基本性质 绿色建筑材料GreenBuildingMaterials 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 问题导入 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和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 3 1建筑材料的基本物理参数3 2建筑材料的热学性质3 3建筑材料的力学性质3 4建筑材料与水有关的性质3 5建筑材料的耐久性3 6建筑材料的环境协调性 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 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 直接测其体积 b 一般多孔材料 如砖 应磨成细粉 粒径小于0 2mm 排除其内部孔隙 用密度瓶测其实际体积 密度 是否存在绝对密实的材料 2 1 1 3 1建筑材料的基本物理参数 定义 材料在包含其内部闭口孔隙条件下的单位体积所具有的质量 表达式 g cm3 或 kg m3 m 材料的质量 g或kg V 材料在自然状态下不含开口孔隙的体积 意义 实际密度的近似密度 测量某些较致密的不规则的散粒材料 V 的测量 排水法 水中称重法 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 对形状不规则的材料 蜡封后用排水法测量 体积密度 定义 堆积密度指粉状 粒状 或纤维状材料在自然堆积状态下 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 包括了孔隙及材料颗粒间的空隙体积 的测定 用既定容积的容器测定 堆积密度 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 密实度 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 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 孔隙率 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 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 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 空隙率 定义 在散粒材料的堆积体积中 空隙体积占总体积的比例 表达式 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 建筑节能 保温材料 热学性质 导热性 热容量 3 2建筑材料的热学 工 性质 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 m K Q 传导的热量 J d 材料的厚度 m A 材料传热的面积 m2 t 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 导热性 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0 035 3 5W m K 工程中通常把 0 23W m K 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 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 影响导热性的因素 棉袄浸水后保暖性变差 孔多的材料保温性能好 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 定义 材料受热时吸收热量 冷却时放出热量的性质 用比热容C表示 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 热容 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 3 3建筑材料的力学性质 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 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 NL 两支点的间距 mmb h 试件横截面的宽及高 mm 常见建筑材料的强度 MPa 比强度是指按单位体积质量计算的材料强度 即材料的强度与其体积密度之比 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 木材强度值虽比混凝土低 但其比强度却高于混凝土 这说明木材与混凝土相比较是典型的轻质高强材料 例如 比强度 几种主要材料的比强度 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 弹性与塑性 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 砖 石材 玻璃 混凝土等都是脆性材料 脆性 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 吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性 韧性 课堂讨论 大理石和玻璃谁更坚硬 大理石 玻璃 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 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 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 耐磨性 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 3 4建筑材料与水有关的性质 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90 180 建筑中大部分材料属于亲水材料 沥青 石蜡 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 亲水性与憎水性 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 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 吸水性 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 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 5 0 7 混凝土的吸水率为2 3 粘土砖的吸水率达8 20 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 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 吸湿性 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 耐水性 一般材料吸水后 强度降低 但降低的程度不同 例如 石膏和混凝土 水分分散在材料内微粒的表面 削弱其内部结合力的程度是不同的 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0 1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 则必须选用软化系数不低于0 85的材料建造 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 渗透系数 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 在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力 用 Pn 表示 如P6表示可抵抗0 6MPa的水压力而不渗透 抗渗性 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标 抗冻性和抗侵蚀性 材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关 开口孔隙率越大 大孔含量越多 则抗渗性越差 材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关 憎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 材料在饱水状态下 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FN N 抗冻性 F150混凝土 该混凝土能够抵抗的最大冻融循环次数为150次 例如 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 体积膨胀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 冻融破坏 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 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 统称之为耐久性 耐久性是一种复杂的 综合的性质 包括材料的抗冻性 耐热性 大气稳定性和耐腐蚀性等 材料在使用过程中 除受到各种外力作用外 还要受到环境中各种自然因素的破坏作用 这些破坏作用可分为物理作用 化学作用和生物作用 要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素 综合考虑其耐久性 并根据各种材料的耐久性特点 合理地选用 3 5建筑材料的耐久性 砖 石料 混凝土等矿物材料 多是由于物理作用而破坏 也可能同时会受到化学作用的破坏 金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀 木材等有机质材料常因生物作用而破坏 沥青材料 高分子材料在阳光 空气和热的作用下 会逐渐老化而使材料变脆或开裂 各种建筑材料受到的主要破坏 材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的 材料的环境协调性是指材料在生产 使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷 包括生产中废物的利用 减少三废的产生 使用中减少对环境的污染 废弃时有较高可回收率 为了保障人民群众的身体健康和人身安全 国家制订了GB6566 2001 建筑材料放射性核素限量 以及关于室内装饰装修材料有害物质限量等10项国家标准 提出了有关控制要求 并已于2002年1月1日开始实施 3 6建筑材料的环境协调性 1 导热系数小的材料适合做保温材料 课堂练习 2 材料吸水后 将使材料的强度提高 3 材料的孔隙率越大 吸水率越大 4 某材料的软化系数