第二章材料的基本物理性质

1、第一章 建筑材料的基本性质 本章提要 ?本章主要介绍了建筑材料的基本 性质 ?掌握材料的密度、与水有关的性 质、耐久性 ?了解热工性和硬度 第一章内容简介 ? 材料的组成、结构与构造 ? 材料的基本物理性质 ? 材料的力学性质 ? 材料的耐久性 1 材料的组成、结构与构造 材料的宏观性能是由其组成及其内部微观结构 所决定的！ ? 材料的组成 ? 材料的结构 ? 材料的构造 一、材料的组成 ? 材料是由分子、原子组成 ? 材料的组成包括化学组成和矿物组成 ? 化学组成：组成材料的化学元素种类和数量 ? 表示方法： ? 金属以化学元素含量百分数表示 ? 无机非金属材料以元素的氧化物含量表示 ? 有

2、机高分子材料构成他的一种或几种低分子化合 物（单体）表示 ? 矿物组成：指组成材料的矿物种类和数量 一、材料的组成 ? 组成与结构的关系 ? 材料的组成决定了材料性能(高铝水泥与硅酸盐 水泥） ? 组成相同时，结构决定性能金刚石与石墨 二、材料的结构 ? 宏观结构 ? 亚微观结构：1mm0.001mm ? 微观结构：构成材料基本微粒的排列方式， 晶体、非晶体、胶体 三、材料的构造 材料的宏观组织状况 ? 主要研究材料的孔隙 ? 致密材料钢材 ? 多孔材料无机非金属材料 ? 孔隙的特征参数: ? 多少孔隙率P ? 孔隙大小孔半径r ? 孔隙结构孔隙的分布 ? 孔隙形状开口孔与闭口孔 2 材料的基

3、本物理性质 ? 材料与质量有关的性质 ? 材料与水有关的性质 ? 材料与热有关的性质 1.1 材料与质量有关的性质 ? 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，因此表现出不同 的体积 1.11.1材料的结构构成材料的结构构成 1.固体（实体） 2.闭口孔隙 3.开口孔隙 材料的体积组成 ? 材料的固体物质体 积 ? 材料的孔隙体积 V VK VB 微孔细孔 大孔 孤立孔 连通孔 绝对密实体积 ? ? 自然体积 ? 粉状、散粒状材料在 堆积状态下的体积用 堆积体积表示 1 V 散粒材料堆积体积 空 VVVVV Bk ? 1 （一 ）材料的密度 ?密度(Dens

4、ity)： 指材料在绝对密实状态下单位体积的干 质量。 V m ? 密度的测量 ? 测试时，材料必须处于 干燥状态。 ? 含孔材料磨细后采用排 液方法测定体积。 可以 直接采用密度计算的材 料有：钢材、玻璃、沥 青等。 1.41.4李氏瓶李氏瓶 （一 ）材料的密度 ?表观密度：表观密度：(Apprent density) ? 材料在自然状态下单位体积的质量。 0 0 V m ? （一 ）材料的密度 ?体积密度：体积密度：(Apprent density) ? 材料在自然状态下单位体积的质量。 V m ? ? （一 ）材料的密度 ? 由于自然体积包含了材料的孔隙，因此，材 料的孔隙状态、孔隙多少

5、以及孔隙含水状态 等，都直接影响材料的质量、 自然体积和 体积密度。 ? 通常所指的体积密度，都是指材料在干燥状 态下的体积密度。 体积密度的测量 ? 大多数土木工程材料要以体积密度进行计算， 如混凝土、 砂浆、砖及烧结制品、木材及 其制品等等。 ? 对于外形规则的材料，其自然体积可直接量 取，对于无规则外形的材料，通常采用蜡封 法测得表观体积。 （一（一 ）材料的密度）材料的密度 ? 堆积密度 ? 散粒状材料单位堆积体积（开口+闭口+实 体+间隙）的质量。 反映散粒堆积的紧密（压实）程 度及可能的堆放空间。 （一 ）材料的密度 ? 堆积密度的计算公式 1 1 V m ? 堆积密度的测量堆积密

6、度的测量 讨论材料堆积密度必须指 明其堆积状态和干湿状态 （一（一 ）材料的密度）材料的密度 几种密度的特点： 相同点：指单位体积质量。（质量/体积） 区别：测试方法不同，获得体积大小不同 体积的测试方法： 体积 李氏比重瓶法(粉末) 自然体积 排液法排液法 堆积体积(实体闭口开口间隙)密度筒法 （二 ）材料的密实度和孔隙率 ? 孔隙率孔隙率 ? 密实度密实度 %100? ? ? ? V VV P %100? ? ? V V D 1? PD （三）材料的空隙率和填充率 ? 空隙率空隙率 ? 填充率填充率 %100 1 01 ? ? ? V VV P %100 1 ? ? ? V V D 孔隙率

7、与空隙率的区别 %100)1 (? ? ? ? ? P%100)1 ( 0 1 ? ? ? P 孔隙多少和孔隙特征对材料性能的影响：孔隙多少和孔隙特征对材料性能的影响： ? 材料的状态特征，如密度、体积等； ? 材料的力学性质，如强度、耐磨性等； ? 材料与水有关的性质，如吸湿性、吸水性。 抗渗性、抗冻性 等； ? 材料的热容性质，如保温性； ? 材料的声学性质，如吸声性等。 1.2 材料与水有关的性质 ?亲水性与憎水性 ?吸水性与吸湿性 ?耐水性 ?抗渗性 ?抗冻性 1 材料的亲水性与憎水性 ? 亲水性-材料在空气中与水接触时，能被水润湿的性质 润湿角小于90度的材料 ? 憎水性-材料在空气

8、中与水接触时，不能被水润湿的性 质 润湿角大于90度的材料 ? 憎水性材料的作用能阻止水分进入毛细孔中 可单独用作防水材料也可用于亲水性材料的表面处理 。 1 材料的亲水性与憎水性 1 材料的亲水性与憎水性 ? 因材料分子结构不同引起的。 ? 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。 ? 在亲水性材料表面，水分子可以铺展开，且 能通过毛 细管作用进入材料内部；在憎水 性材料表面，水分子难以铺展开，更难以渗 入材料的毛细管中。 材料的含水状态 2. 吸水性 ? 材料吸收水分的能力称为材料的吸水性。吸 水

9、的大小以 吸水率来表示。 （1）质量吸水率 ? 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，以 Wm表示： %100? ? ? g gb m m mm W 2. 吸水性（续） （2）体积吸水率 ? 体积吸水率指材料吸水饱和时，吸水体积占 材料自然 体积的百分率，以 W表示： 哪些材料的吸水性强 ? 亲水性材料 ? 孔隙率大的材料 ? 具有开口而连通毛细孔 影响因素 ? 亲水材料还是憎水材料 ? 孔隙率和孔隙特征 3 吸湿性 ? 指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 ? 用含水率表示 ? 在空气中，某一材料的含水多少是随空气的 湿度变化的。 3 吸湿性 影响因素 ? 材料的孔隙率

10、和孔隙特征 ? 外界环境 吸水率与含水率的区别 4 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。 ? 软化系数 KR： 是衡量材料耐水性的指标 g b R f f K? KR 材料的软化系数； fb 材料在饱和吸水状态下的抗压强度， MPa fg 材料在干燥状态下的抗压强度， MPa 软化系数 ? 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，使材料强度有 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

11、，造成强度严重降低。 软化系数特点 ? 材料软化系数范围在 0至1 之间。 ? 软化系数越小，材料的耐水性越差，其使用 环境将受到很大限制。 ? 软化系数 0.85 的材料称为耐水性材 料，耐水材料可用在水中或潮湿环境中以及 重要工程中。 ? 即使用于一般受潮较轻或次要的工程部位时 ，材料的软 化系数也不得小于 0.75 5 抗渗性 ?抗渗性：抗渗性：指材料抵抗压力水渗透的性质 ? 表示：渗透系数越大，抗渗性越差 抗渗性等级越大，抗渗性越好 ? 要求：地下、水工、防水材料，要具有一定 的抗渗性 抗渗等级 ? 材料抗渗等级： ? P4 P6 P8 P10 P15 P20 P25 P30 ? 材料

12、 能承受的透水压力： ? 0.4MPa 0.6MPa 0.8MPa 1.0MPa 1.5MPa 影响因素 6 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。 冻融破坏 抗冻性等级 抗冻等级：指试件不被破坏时能经受的 冻融循环次数 抗冻等级标号越高，抗冻性越好 15 25 50 100 200 材料可承受的冻融循环次数： 15 次、 25 次、 50 次、 100 次、 200 次。 符号F后面的数值表示：可经受冻融循环次数 的数值。 影响材料抗冻性的因素： 1.3 材料的导热性 ? 导热性：材料传导热量的能力 ? 0.23 ,绝热材料

13、? 密闭空气：0.023 ? 水：0.58 ? 冰：2.20 影响导热性的因素： ? 化学组成（几乎所有的多原子的固体化合物 的热容都大于水的。几乎所有的C5以上有 机化合物的热容大于水的） ? 空隙率及孔隙特征 ? 含水状况 ? 环境温度状况 水在材料中的不良影响 ? 体积密度大（重） ? 隔热保温性能降低 ? 强度降低 ? 体积膨胀较大 ? 抗冻性较差 思考题 ? 问题：为什么新建的房屋隔热保温性能很差 ，尤其在冬季？ 硬度与耐磨性 硬度与耐磨性 硬度与耐磨性的关系 特点：特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。 1.4 材料的力学性质 ?材料的强度、比强度 ? 弹性和塑性 ? 脆性和韧性 ?

14、 硬度和耐磨性 1 1 强度强度 (Strength)(Strength) ? 抗压(Compressive)强度 ? 抗拉(Tensile)强度 ? 抗剪(Shearing)(Shearing)强度 材料抵抗外力破坏的能力材料抵抗外力破坏的能力。 2.2.比强度比强度(Strength-weight ratio)(Strength-weight ratio) 指材料强度与其表观密度之比。 意义：反映材料轻质高强的指标。 值越大，材料越轻质高强 3 材料的弹性和塑性 ? 弹性(Elasticity)外力作用产生变形 ,外力取消能完全恢复。 2.塑性塑性(Mould) 外力作用产生变形 ,外力取

15、消变形不能恢复 意义：E表示材料抵抗变形的指标， E值越大，材料 越不易变形，即抵抗变形的能力越强。 ? ? ?E指标：弹性模量 三、韧性(Fragility)和脆性(Tenacity) 1.脆性无明显塑性变形，突然破坏。 脆性材料：石、砖、砼、陶瓷、玻璃、铸铁等 2.韧性产生一定变形不破坏 ,能吸收较大的 能量。 韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。 采用冲击试验测定。 四 耐久性 ? 耐久性概念 ? 指材料在所处环境条件下，抵抗所受破坏作 用，在规定的时间内，不变质、不损坏保持 其原有性能的性质！ 耐久性是衡量材料乃至结构在长期使用条件下的安全性能耐久性是衡量材料乃至结构在长期使用条件下的安全性能 四 耐久性 ? 物理作用主要有干湿变化、温度变化及冻融 变化等。 ? 化学作用包括