第一章_建筑材料的基本性质-1、2

第一章建筑材料的基本性质 本章是本课程的重点之一 通过本章学习 了解建筑材料的基本性质分类 掌握各种基本性质的概念 表示方法及有关的影响因素 Return 本章教学目标 掌握 材料各种基本性质的概念 指标的计算 熟悉 主要技术性质的物理意义 影响因素及对其它性质的影响 了解 材料的各性质在工程实践中的意义 第一节材料的化学组成 结构和构造 一 材料的组成 包括化学组成与矿物组成 决定材料各种性质的最基本因素 材料的化学组成 指构成材料的基本化合物或化学元素的种类与数量 表示方法 无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物的百分含量的百分率形式表示 金属材料则以其元素的百分含量来表示 作用 决定着材料的化学性质 影响着物理性质和力学性质 材料的矿物组成 矿物定义 材料中含有特定的晶体结构 特定物理力学性能的组织结构称为矿物 矿物组成 指构成材料的矿物种类和数量 作用 决定材料的许多重要性质的主要因素 硅酸盐水泥熟料矿物组成 生料 SiO2 CaO 化合反应 800 1450 800 左右 分解反应 Al2O3 Fe2O3 2CaO SiO2 3CaO SiO2 3CaO Al2O3 4CaO Al2O3 Fe2O3 生料 二 材料的结构 分宏观 微观 细观结构作用 决定材料各种性质的重要因素 1 微观结构 指用电子显微镜 X射线衍射仪等手段来分析研究材料的原子分子层次的结构特征 其尺寸范围在10 10 10 6m 作用 决定材料的许多物理 力学性质 如强度 硬度 导热性 导电性等 微观结构的主要形式 晶体 玻璃体 胶体 1 晶体 材料的质点 原子或分子 离子 按一定规律在空间重复排列的固体称为晶体 特点 具有特定的几何外形 具有各向异性 具有固定的熔点和化学稳定性 强度高 硬度大 机械性能较好 一般晶体越细 分布越均匀的晶体材料的强度越高 微观结构 玻璃体 玻璃体 指高温熔融物在急速冷却时形成的无定形体 如粉煤灰 普通玻璃等 特征 化学活性高 无固定的熔点 力学性质各向同性 微观结构 胶体胶体 指物质以极微小的质点分散在介质中所形成的结构 其粒径为10 9 10 7m 特征 能保持稳定性 具有黏结性 具有较大的流动性 也就是变形较大 2 宏观结构 即材料的构造 材料在宏观可见层次上的组成形式 宏观分类 1 按孔隙特征分 致密构造 多孔构造 微孔构造 致密构造 这类材料的孔隙率很低或趋近于零 结构致密的材料 特征 密度较大 吸水性低 抗渗性好 强度较高 多孔构造 指材料内部有粗大孔隙的结构 特征 密度较小 吸水率高 抗渗性差 但绝热 吸声性好 微孔构造 指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构 特征 一般密度较小 吸水率高 抗渗性差 绝热 吸声性好 2 按构造特征或存在状态分类 颗粒状构造 纤维构造 层状构造 散粒状结构 纹理结构 2 按构造特征或存在状态分 颗粒状构造 分为聚集构造与散粒构造 固体颗粒的聚集体 如砂 石 混凝土 砂浆 沥青混凝土 纤维构造 由纤维状物质构成的材料 2 按构造特征或存在状态分 层状结构 天然形成或采用人工黏结等方向将材料叠合而成层状的结构 叠合结构 如胶合板 纸面石膏板 塑料贴面板等 纹理结构 天然材料在生长或形成过程中自然造就天然纹理 如木材 大理石 人造花岗岩板材 瓷质彩胎砖等 总之 建筑材料的组成决定了材料的化学性质 微观结构决定了材料的物理性质 宏观结构决定了其工程性质 它们三者互相联系 互相制约 三 建筑材料的孔隙 孔隙 材料实体内部被空气所占据的空间 孔隙状况对建筑各种基本性质具有重要的影响 产生原因 自然与人为因素 表示指标 孔隙率 孔隙连通性和孔隙直径 1 孔隙率 孔隙在材料体积中所占的比例 2 孔隙直径 分粗大孔 毛细孔 极细微孔三类孔隙 3 连通性 连通孔和封闭孔 连通孔 开口孔隙封闭孔 闭口孔隙 第二节材料的物理性质 重点内容 指材料与其各种物理过程 水 热作用 有关的性质 一 与质量有关的性质二 与水有关的性质三 与热有关的性质 两个重要的概念 一 材料的体积构成1 单体材料的体积构成 固体物质体积 孔隙体积 闭口与开口 2 堆积材料的体积构成 固体物质体积 孔隙体积 闭口与开口 空隙体积 固体物质 二 材料所处状态 材料在不同状态下的体积构成 1 单体材料的状态 2 堆积材料的状态 一 材料与质量有关的性质1 材料的密度 表观密度 体积密度 堆积密度2 材料的密实度与孔隙率3 材料的填充率与空隙率 1 材料的密度 表观密度 体积密度 堆积密度 1 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 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 密度试验 测试时 材料必须是绝对干燥状态 a 绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的固体物质部分的体积 也称实体积 b 对于测定可研磨的非密实材料的密度 要磨成细粉 干燥后用密度瓶 李氏瓶 测定体积 采用排开液体的方法来测定其体积 材料麿得越细 测得的数值就越接近绝对密实体积 李氏瓶 天平 2 表观密度 体积密度 视密度表观密度 俗称 容重 材料在自然状态下 单位体积的质量 式中V 材料的表观体积 cm3或m3总结 材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积 表观体积的确定 a 对于外形规则的材料 如烧结砖 砌块 其体积的测定可用测量体积尺度或蜡封法排水得其外观体积 体积密度 b 对于不规则外形材料的表观体积 如砂石类散粒材料 可用排水法测得其外观近似体积 视密度 所以一般材料的表观密度小于其密度 通常所指的表观密度 是指干燥状态下的表观密度 3 堆积密度 散粒状 粉状 颗料状 纤维状 材料在自然堆积状态下 单位体积的质量称为堆积密度 0 材料的堆积密度 g cm3或kg m3m 材料的质量 g或kgV0 材料的堆积体积 cm3或m3测定散粒状材料的堆积密度时 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体积 总结 散粒状材料在自然堆积状态下的体积 是指含有孔隙在内的散粒状材料的总体积与颗粒之间空隙体积之和 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 总结 密度 2 材料的密实度与孔隙率 1 密实度 指材料的内部固体物质填充的程度 D 材料的密实度V 材料的绝对密实体积 也即干燥材料在绝对密实状态下的体积 cm3或m3V0 材料的自然状态下的体积 cm3或m3 0 材料的自然密度 g cm3或kg m3 密度 g cm3或kg m3 2 孔隙率 材料的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 V 材料的绝对密实体积 也即干燥材料在绝对密实状态下的体积cm3或m3V0 材料的自然体积 也即材料在自然状态下的体积 cm3或m3 0 材料的自然密度 g cm3或kg m3 密度 g cm3或kg m3 物理意义 材料的孔隙率与密实度从两个不同的侧面来反映材料的致密程度 其关系为P D 1 但通常用孔隙率直接反映孔隙率大小 孔隙率越大 则密实度越小 孔隙率与密实度之间有什么关系 3 材料的填充率与空隙率 1 填充率 指散粒状材料在堆积体积中 被其颗粒填充的程度 2 空隙率 指散粒材料在其堆集体积中 颗粒之间的空隙体积所占的比例 空隙率P 按下式计算 散粒材料的空隙率与填充率的关系为 物理意义 空隙率与填充率是相互关联的两个性质 空隙率的大小可直接反映散粒材料的颗粒之间相互填充的程度 散粒状材料空隙率越大 则填充率越小 在配制混凝土时 砂 石的空隙率是作为控制料级配与计算的重要依据 空隙率与填充率之间有什么关系 课堂作业 某工地所用卵石材料的密度为2 65g cm3 表观密度为2 61g cm3 堆积密度为1680kg m3 计算此石子的孔隙率与空隙率 课后作业 1 材料的密度 表观密度 体积密度 堆积密度有何区别 它们是否随其含水量的增加而加大 为什么 2 何为材料的孔隙率 它与密实度有何关系 二者各如何计算 二 材料与水有关的性质1 材料的亲水性与憎水性工程实际中 材料的亲水性与憎水性 通常以润湿角的大小划分 亲水性材料 接触角 润湿角 90 憎水性材料 接触角 90 0 铺展或完全润湿 180 完全不润湿 大多数建筑材料都是亲水材料 憎水材料有沥青 石蜡 某些高分子材料等 憎水材料不仅可作为防水材料 还可用于处理亲水材料的表面 以降低材料的吸水性 提高材料的防水防潮性能 问题 亲水性材料能做防水材料吗 孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较好的防水性 防潮性 仍可作为防水或防潮材料使用 如水泥砂浆 水泥混凝土 琉璃瓦等 2 吸水性与吸湿性 1 吸水性 指材料在水中吸水的性质 用吸水饱和时的质量吸水率和体积吸水率表示 1 质量吸水率 指材料在吸水饱和时 所吸收水分的质量占材料在干燥状态下的质量百分比 2 体积吸水率 指材料在吸水饱和时 所吸收水分的体积占干燥材料总体积的百分率 常温下取 w 1 0g cm3 问题 是否所有的建筑材料的吸水率都既能用质量吸水率表示又能用体积吸水率表示呢 常用的建筑材料 其吸水率一般采用质量吸水率表示 对于某些轻质材料 如木材等 由于其质量吸水率往往超过100 一般采用体积吸水率表示 影响材料吸水性的因素 1 材料本身的性质 如亲水性或憎水性 2 材料的孔隙率 3 孔隙构造特征 2 吸湿性 材料在空气中吸收水汽的性质 吸湿性的大小用含水率表示如下 材料既能在空气中吸收水分 又能向外界释放水分 当材料中的水分与空气的湿度达到平衡 此时的含水率就称为平衡含水率 我们通常所说的材料的含水率多指平衡含水率 影响材料的吸湿性的因素 1 材料的本身的性质 如亲水性或憎水性 2 材料的孔隙率 3 孔隙构造特征 如孔径大小 开口与否等 4 周围空气的温度和湿度材料吸湿性的不利之处 1 表观密度提高 2导热性增加 3 体积有所膨胀 4 容易发生冻胀 使材料易腐朽 耐久性降低 吸水性与吸湿性的关系 3 耐水性 定义 材料在吸水饱和状态中 不发生破坏 强度也不显著降低的性能称为材料的耐水性 表示方法 用软化系数KP f饱 f干表示 式中KP 材料的软化系数f饱 材料吸水饱和状态下的抗压强度 MPa f干 材料在干燥状态下的抗压强度 MPa 软化系数的意义 其大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度 软化系数越小 说明材料吸水饱和后的强度降低越多 其耐水性越差 软化系数的范围 KP是在0 1之间变化 KP 0 80的材料 称为耐水性材料 工程对材料软化系数的要求 1 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物 如地下构筑物 基础 水工结构 的材料 其K软 0 85 2 受潮较轻的或次要结构物的材料 其K软 0 75 4 抗渗性 定义 是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能 渗透 是水在压力下通过材料内部毛细孔的迁移过程 与材料内部的孔结构直接相关 表示方法 用渗透系数或抗渗等级表示 K 渗透系数 cm h Q 渗水量 cm3 A 渗水面积 cm2 H 材料两侧的水压差 cm d 试件厚度 cm t 渗水时间 h 1 渗透系数的定义 指一定厚度的材料 在单位压力水头作用下 单位时间内透过单位面积的水量 材料的渗透系数越小 说明材料的抗渗性越强 渗透系数越大 表明渗透材料的水量愈多 即抗渗性愈差 材料的抗渗性也可用抗渗等级P表示 用符号Pn表示 n为该标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数 工程应用 抗渗性是决定材料耐久性的重要因素 同时它也是检验防水材料质量的重要指标 地下建筑 水工建筑物 屋面 地面防水材料等均要求较高的抗渗性能 以防止渗水 漏水现象 5 材料的抗冻性 定义 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下 能经受多次冻融循环作用而不破坏 且强度无显著降低的性能 衡量指标 用抗冻等级Fn表示 表示经过n次冻融循环次数后 其强度 质量损失不超过规定值 工程应用 抗冻性也是材料耐久性的指标之一 严寒地区的道路 桥梁 水坝 堤防 海上钻井平台 跨海大桥及寒冷环境 如冷库 的建筑物等均需考虑冻融破坏 对处于温暖地区的建筑物 虽无冰冻作用 但为抵抗大气的作用 确保建筑的耐久性 也常对材料提出一定的抗冻要求 课堂作业 已知碎石的表观密度为2 65g cm3 堆积密度为1 50g cm3 求2 5m3松散状态的碎石 需要多少松散体积的砂子填充碎石的空隙 若已知砂子的堆积密度为1 55g cm3 求砂子的重量为多少 三 材料的热工性质 导热性 1 导热性 材料传导热量的能力称为导热性 其大小用导热率 表示 1 导热系数表达式 导热系数 W m K Q 传导的热量 J A 热传导面积 m2 d 材料的厚度 m t 热传导时间 s T2 T1 材料两侧温差 K 2 物理意义 指厚度为1m的材料 当两侧温度为1K时 在1h时间内通过1m2面积的热量 材料的导热系数愈小 表示其保温隔热性能愈好 一般我们将 0 175的材料称为绝热材料 3 影响材料导热系数的因素有 材料的组成与结构 孔隙率及孔隙特征 环境温 湿度 工程应用 冬季材料保持热量不传递出去 保温 夏季材料阻碍热量传入室内 隔热 几种特殊材料的导热系数 静止空气 0 023 水 0 58 冰 2 33 请分析 材料受潮时为什么其保温隔热性能会降低 为什么冬天修的房子其保温隔热性能较差 保温材料在施工和使用过程中为什么需要防潮防水 2 热容与比热容2 1热容 指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质 用热容量表示 它等于材料的比热容 c 与质量 m 的乘积 物理意义为 材料温度上升1K须吸收的热量或温度降低1K时所放出的热量 2 2比热容 指单位质量的材料 温度每升高或降低1k时所吸收或放出的热量 公式 C 材料的比热 J g K Q 材料吸收或放出的热量 J 也是热容量 M 材料的质量 g T2 T1 材料受热或冷却前后的温差 K 总结 1 导热系数表示热量通过材料传递的速度 2 热容量或比热表示材料内部存储热量的能力 3 对于建筑物围护结构所用材料 设计应选择导热系数较小而热容量较大的材料 来达到冬季保温 夏季隔热的目的 3 材料的耐燃性和耐火性3 1耐燃性 指材料在空气中遇火不着火燃烧的性能 它是影响建筑物防火 结构耐火等级重要因素 分类 根据材料耐燃性的不同 1 非燃烧材料 不燃材料 钢铁 砖 石等2 难燃烧材料 难燃材料 石膏板 水泥刨花板等3 燃烧材料 易燃材料 木材 竹材等 3 2耐火性 材料在火焰与高温作用下 保持其不破坏 性能不明显下降的能力 表达方式 耐火极限 h 耐燃性材料不一定耐火 耐火的一般都耐燃 课堂作业 1 一般来说 我们在选择墙体或屋面材料时认为其导热系数越小越好 热容量值适度为好 请说明其原因 答 导热系数小的材料 导热性差 绝热性好 可提高建筑物保温效果 节省温控能耗 所以房屋的围护结构尽量采用导热系数小的材料 热容量是表示材料内部存储热量的能力 对于建筑围护结构 热容量适度则能达到冬季保暖 夏季隔热的作用 若热容过大 对于夏季则外围护结构储能过多 室内温度过高 反而未起到隔热的作用 课后作业 1 已知某砌块的外包尺寸为240mm 240mm 115mm 其孔隙率为37 干燥质量为2487g 浸水饱和后质量为2984g 试求该砌块的体积密度 密度 质量吸水率 2 某石材在气干 绝干 水饱和情况下测得的抗压强度分别为174 178 165MPa 求该石材的软化系数 并判断该石材可否用于水下工程 4 3 1理论强度4 3 2强度 比强度4 3 3材料的变形性质一 弹性与塑性二 脆性与韧性三 材料的硬度 耐磨性 四 材料的力学性质 Return 4 3 1理论强度 1 固体材料的强度主要取决于结构质点 原子 离子 分子 间的相互作用 因此从理论上讲 材料受外力作用而引起破坏的原因 主要是由于拉力造成质点间结合键断裂脆裂 或由于剪力造成质点间的滑移而破坏 2 材料的实际强度远小于其理论强度 这主要是由于材料结构中都存在许多缺陷 如晶格的位错 杂质 孔隙 微裂纹等 当材料受到外力作用时 在结构缺陷薄弱处形成应力集中而产生裂纹 再随着裂纹楔形顶部的应力不断增大 形成的裂纹不断延伸 扩展直至相互交汇 最后导致材料破坏 Return 一 强度的概念指材料在外力 荷载 作用下 抵抗破坏的能力 二 强度的种类根据受力形式 如图2 2所示 分为抗拉强度 抗压强度 抗剪强度 抗弯 折 强度等四种 三 强度的计算1 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度计算公式如下 式中f 材料的抗压 抗拉 抗剪强度 Pa或MPa F 试件破坏时的最大荷载 N A 试件面积 m2或mm2 4 3 2强度 比强度 2 抗弯强度的计算材料的抗弯 折 强度与材料的受力情况 截面形状及支承条件等关 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fm 材料的抗弯强度 MPaFmax 材料受弯破坏时的最大荷载 NA 试件受力面积 mm2L 两支点的间距 mmb h 试件横截面的宽及高 mm 四 比强度1 概念是指材料强度与体积密度的比值 f 0 2 意义比强度是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标 选用比强度大的材料对增加建筑高度 减轻结构自重 降低工程造价等具有重大意义 五 强度等级1 概念为便于应用 按材料强度值高低划分的若干等级 脆性材料主要抗压强度来划分 如水泥 混凝土 砖等 塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度来划分 如钢材等 2 强度等级与强度的异同二者都是描述材料抵抗外力作用时的破坏能力 而前者是按强度大小确定的等级 后者是概念性名词 六 强度的影响因素1 材料本身的组成及结构 2 含水状况及湿度 Return 4 3 3材料的变形性质 一 弹性和塑性1 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 具备这种变形特征的材料称为弹性材料 2 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 1 完全弹性材料是没有的 2 一些材料在一定外力作用的范围内表现为弹性变形 当超过一定限度后表现为塑性变形 如 建筑钢材 3 一些材料弹性变形和塑性变形同时 或先后 发生 当外力取后 弹性变形恢复 而塑性变形不能消失 如 混凝土 二 脆性和韧性1 脆性材料在荷载作用下 没有明显预兆 表现为突发性破坏的性质 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 2 韧性指材料在冲击 振动荷载作用下 能吸收较大能量 同时也产生一定塑性变形而不破坏的性质 韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示 计算公式如下 建筑工程中 对承受冲击荷载和有抗震要求的结构 如吊车梁 桥梁 路面等均应考虑材料的韧性 3 有些材料的脆性和塑性随试验条件或使用环境等因素的改变而变化 如粘土 在干燥状态表现为脆性 潮湿状态表现为塑性 式中ak 材料的冲击韧性 J mm2 k 试件破坏时所消耗的功 J A 材料受力截面积 mm2 三 材料的硬度和耐磨性 一 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