第2章建筑材料的基本性质

1、材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质第第2 2章章 建筑材料的基本建筑材料的基本性质性质张高展张高展二二0 0一四年二月一四年二月材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 2.1 2.1材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2.22.2材料的物理性质材料的物理性质 2.32.3材料的力学性质材料的力学性质 2.42.4材料的耐久性材料的耐久性材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质

2、2.1 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能核心关系核心关系其核心是围绕其核心是围绕: “结构与性能结构与性能”的相互辩证关系的相互辩证关系材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质组织结构组织结构材料性能材料性能材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志；成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础；材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据；服役行为与使用寿命：与材料的加工和

3、服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为 材料设计的最终目标。合成与制备合成与制备材料特性材料特性成分与成分与组织结构组织结构服役行为与寿命服役行为与寿命材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质贯穿全课程的贯穿全课程的“纲纲” 化学成分化学成分组成组成制备制备加工工艺加工工艺组织结构组织结构性性 能能结构、性能结构、性能检测检测工作条件工作条件材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.1.1材料的组成组元：组元：组成材料最基本、独立的物质。组成材料最基

4、本、独立的物质。相：相：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。组织：组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。材料内部的微观形貌称为材料的组织。固溶体：固溶体：溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。溶体。聚集体：聚集体：由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，对处于这类状态的由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，对处于这类状态的材料称之为聚集体。材料称之为聚集体。复合体：复合体：由一系列分子（复杂有机物、无机化合物）以及单质相互由一系列分子（复杂有机物、无机化合物）以及单质

5、相互结合组成的具有一定（生理、化学）功能或明显（物化）特性的集结合组成的具有一定（生理、化学）功能或明显（物化）特性的集合体。在无机非金属材料领域比较常见，如陶瓷、混凝土等合体。在无机非金属材料领域比较常见，如陶瓷、混凝土等 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质1.化学组成化学组成2.矿物组成矿物组成3.相组成相组成建建筑筑材材料料Si、Al、Ca、Fe、O；CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等等3CaOSiO2C3S；2CaOSiO2C2S ；3CaOAl2O3C3A ； 4CaOAl2O3Fe2O3C4AF骨料颗

6、粒（骨料相）骨料颗粒（骨料相）+水泥浆基体（基相）水泥浆基体（基相）+两相分界两相分界面（界面相）面（界面相） 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 材料的结构和构造是决定材料性质的重要因素。材料的结构是指的组织状况，可分为宏观结构、细观结构和微观结宏观结构、细观结构和微观结构构。2.1.2 材料的结构1.宏观结构：宏观结构：1mm致密结构纤维结构多孔结构层状结构散粒结构材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.细观结构：细观结构：10-3mm 3.微观

7、结构：微观结构： 10-6mm 细观结构是指用光学显微镜能观察到的材料微米（m，尺寸范围在10-3mm以上）组织。主要研究组成物质的单个粒子（如晶粒、胶粒）的形貌。如分析水泥水化产物中CSH粒子、AFt（水化硫铝酸盐）相生长的情况、形状、大小等。 微观结构是指用高倍显微镜、电子显微镜或X射线衍射仪等手段来研究材料的结构，其分辨尺寸范围在纳米（nm，10-6mm）以上，材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶体。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质晶体：晶体：雪花晶体雪花晶体锡石晶体锡石晶体晶体的规则外形晶体的规则外形材料

8、工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质玻璃体玻璃体 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质胶体：胶体：材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质无机非金属材料的结构无机非金属材料的结构 金属元素和非金属元素的化合物。 金刚石型结构、硅酸盐型结构（链状结构、层状结构和网状结构）、玻璃结构 基本结构单元 SiO4 四面体 Si-O平均距离 0.160 nm（0.85， 称为耐水材料称为耐水材料 db

9、RffK f fb b材料饱水状态抗压强度，材料饱水状态抗压强度，MPaMPaf fd d材料干燥状态抗压强度，材料干燥状态抗压强度，MPaMPa 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 4.材料的抗渗性材料的抗渗性抵抗压力水渗透的性质抵抗压力水渗透的性质 （1 1）渗透系数）渗透系数 （2 2）抗渗等级：抗渗等级越高，其抗渗性越好。）抗渗等级：抗渗等级越高，其抗渗性越好。 指石料、砼或砂浆所能指石料、砼或砂浆所能承受的最大水压力。承受的最大水压力。如：最大承水压力为如：最大承水压力为0.2MPa0.2MPa，表示为，表示为

10、P P2 2，另有，另有P P4 4、P P6 6 、P P8 8、P P1010渗透系数：渗透系数： AtHQdKSK Ks s的意义：的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质5. 材料的抗冻性材料的抗冻性 抗冻性抗冻性材料饱水状态下，能经受多次冻融交材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏，强度又不显著降低的性质。替作用，既不破坏，强度又不显著降低的性质。 抗冻等级：抗冻等级：能经受冻融循环的能经受冻融循环的最大次数最大次数， 记为记为F50、

11、F100、F200、F300 ：孔隙率越：孔隙率越大，材料的抗冻性大，材料的抗冻性是否越差？是否越差？材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。

12、在这样的隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻性不会差。情况下，材料的抗冻性不会差。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质1.热容量热容量 热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。其大小用比热容来表示。力。其大小用比热容来表示。 比热容的大小直接影响建筑内部空间的温度变化率。比热容的大小直接影响建筑内部空间的温度变化率。 设计过程中选用导热系数较小而热容量较大的材料，设计过程中选用导热系数较小而热容量较大的材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。有

13、利于保持建筑物室内温度的稳定性。)(21TTmQc2.2.3材料与热有关的性质材料与热有关的性质材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.导热性导热性导热性是指材料传导热量的能力。用导热系数来表示。导热性是指材料传导热量的能力。用导热系数来表示。 材料的导热系数越小，表示其绝热性能越好。材料的导热系数越小，表示其绝热性能越好。 通常气体的导热系数通常气体的导热系数液体的导热系数液体的导热系数固体的导热系数固体的导热系数12()QaTT At材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本

14、性质建筑材料的基本性质思考：思考：某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，请问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？选择何种材料？ A B保温层的目的是较少外界温度变化对住户的保温层的目的是较少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，可见察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，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。小，适于作保温层材料。材

15、料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 1 耐火性 耐火材料、难熔材料、易熔材料 2 耐燃性 不燃材料、难燃材料、易燃材料 3 温度变形 线膨胀系数2.2.4其它性质其它性质12()Ltt L材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质回顾本节内容 1.材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口孔隙体积。孔隙体积。 2.在空气中吸收水分的性质称为材料的吸湿性。在空气中吸收水分的性质称为材料的吸湿性。 3.材料的导热系数越材料的导热

16、系数越小小，其保温隔热性能越好。，其保温隔热性能越好。 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.3 材料的力学性质材料的力学性质本节的学习目标本节的学习目标 1）掌握材料的强度和比强度概念。认识到材料）掌握材料的强度和比强度概念。认识到材料的实际强度与实验强度的关系。的实际强度与实验强度的关系。 2）理解影响强度的因素。）理解影响强度的因素。 3）掌握弹性材料与塑性材料的差别。）掌握弹性材料与塑性材料的差别。 4）掌握脆性材料与韧性材料的差别，并知道强）掌握脆性材料与韧性材料的差别，并知道强度与硬度的关联。度与硬度的关联。

17、材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质变化变化破坏：破坏：当外力超过材料的承受极限当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。的变化。变形：变形：在外力的作用下，材料在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。通过形状的改变来吸收能量。弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形脆性材料脆性材料韧性材料韧性材料 2.3.1 材料的力学性质材料的力学性质材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质1.材料的强度及比强度材料的强

18、度及比强度 强度强度(Strength) (Strength) 材料抵抗外力破坏的能力材料抵抗外力破坏的能力 几种强度：几种强度： （1 1）抗压强度、抗拉强度、抗剪强度）抗压强度、抗拉强度、抗剪强度三种受力方式三种受力方式材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质l 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度表示公式抗压强度、抗拉强度、抗剪强度表示公式 （MPaMPa） FF破坏时的破坏时的最大最大荷载，荷载，N N A A受力截面面积，受力截面面积，mmmm2 2AFf材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程

19、系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质（2）抗弯强度（抗折强度)223bhFLf 单点加荷：单点加荷： 三分点加荷：三分点加荷： L L/2/2L L/2/2第四种受力方式第四种受力方式2bhFLf 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.影响材料强度的因素影响材料强度的因素试验条件材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质工程实例分析工程实例分析 （1）测试强度与加荷速度）测试强度与加荷速度 人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，同一试人们在测试混凝土等

20、材料的强度时可观察到，同一试件，加荷速度过快，所测值偏高。请分析原因。件，加荷速度过快，所测值偏高。请分析原因。 原因分析：材料的强度除与其组成结构有关外，还与原因分析：材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状其测试条件有关，包括加荷速度、温度、试件大小和形状等。当加荷速度较快时，荷载的增长大于材料变形速度等。当加荷速度较快时，荷载的增长大于材料变形速度 ，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷速度范围。都规定其加荷速度范围。 材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工

21、程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 (2) 砖浸水后强度下降 某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见下图。请分析原因。 未烧透的红砖原因分析：这些红砖没有烧透，砖原因分析：这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。的重量，从而导致房屋倒塌。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属

22、材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质3.比强度比强度 指材料强度与其表观密度之比。指材料强度与其表观密度之比。 意义：意义：反映材料轻质高强的指标。反映材料轻质高强的指标。 值越大，材料越轻质高强值越大，材料越轻质高强材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.3.2材料的弹性与塑性材料的弹性与塑性1.弹性：弹性：外力作用产生变形外力作用产生变形, ,外力取消变形外力取消变形完全恢完全恢复复。 可恢复的材料变形称为弹性变形可恢复的材料变形称为弹性变形可逆变形。可逆变形。 指标：指标：弹性模量（常数

23、）弹性模量（常数） 意义：意义：E表示材料抵抗变形的指标，表示材料抵抗变形的指标，E值越大，值越大，材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。材料越不易变形，即抵抗变形的能力越强。E材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质 2.塑性塑性外力作用产生变形外力作用产生变形,外力取消变形外力取消变形不能不能恢复。恢复。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的

24、基本性质建筑材料的基本性质 1）有的材料在应力水平较低时，变形特征主要）有的材料在应力水平较低时，变形特征主要表现为弹性，而应力水平较高时，主要为塑性。表现为弹性，而应力水平较高时，主要为塑性。例如钢材。例如钢材。低碳钢受拉的应力低碳钢受拉的应力应变曲线应变曲线材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质ab混凝土的变形曲线混凝土的变形曲线ob塑性变形塑性变形荷载荷载Aba0变形变形 2）有的材料受力后，弹塑性变形同时产生，取消）有的材料受力后，弹塑性变形同时产生，取消外力，弹性变形可以恢复，塑性变形不能恢复。外力，弹性变形可以恢

25、复，塑性变形不能恢复。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.3.3 材料的脆性与韧性材料的脆性与韧性 1.脆性脆性材料受外力达到一定程度后突然破坏，破坏时无材料受外力达到一定程度后突然破坏，破坏时无明显的塑性变形的性质。明显的塑性变形的性质。 脆性材料：石、砖、混凝土、陶瓷、玻璃、砂浆等。脆性材料：石、砖、混凝土、陶瓷、玻璃、砂浆等。材料工程检测技术材料工程检测技术无机非金属材料工程系无机非金属材料工程系建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质2.韧性韧性在冲击外力和震动荷载作用下，材料能吸收大量在冲击外力和震动荷载作用下，材料能吸收大量的能量，产生一定变形而不致破坏的性质。的能量，产生一定变形而不致破坏的性质。 韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。材料工程检测技术材