建筑材料的基本性质

1、 第二章建筑材料的基本性质第二章建筑材料的基本性质 广西工程职业学院广西工程职业学院 建筑工程的各个部位都处于不同的环境条件并起一定的作用。如梁、板、柱以及承重的墙体主要承受各种荷载作用；房屋屋面要承受风霜雨雪的作用且能保温、防水；基础除承受建筑物全部荷栽外，还要承受冰冻及地下水的侵蚀；墙体要起到抗冻、隔声、保温隔热等作用。 这就要求用于不同工程部位的材料应具有相应的性质。建筑材料的基本性质归纳起来可分为： 物理性质物理性质：材料密度、空隙状态、与各种物理过程（水、热作用）有关的性质等。 化学性质化学性质：包括材料的抗腐蚀性、化学稳定性等。 力学性质力学性质：材料在荷载作用下的变形及抵抗变形的

2、能力； 耐久性耐久性 ：材料在使用环境中，受到各种作用（物理作用、化学作用),是一项综合性质。12342.1 2.1 材料的化学组成、结构和构造材料的化学组成、结构和构造2.2 2.2 材料的物理性质材料的物理性质2.3 2.3 材料的化学性质材料的化学性质2.4 2.4 材料的耐久性材料的耐久性2.1.1材料的化学组成材料的化学组成2.1 材料的化学组成、结构和构造材料的化学组成、结构和构造 无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。金属材料以元素含量来表示。化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。 化学组成 元素组成元素组成矿物组成矿物组成元素组成元素组成 由不同

3、化学元素组成，从而形成决定材料的的性质。如，不同种类合金钢的性质不同，主要是其所含元素（C、Si、Mn、V、Ti）的不同所致。矿物组成矿物组成 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质。矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。 如，粘土（SiO2、Al2O3）和由其烧结而成的陶瓷（3SiO2Al2O3 ）均含有Si、Al、O元素。2.1.2材料的微观结构材料的微观结构 微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。材料的微观结构，基本上可分为晶体，非晶体与胶体结构。 晶体结构晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列，具有固定的熔点

4、和化学稳定性 。 非晶体非晶体也称玻璃体或无定形体，如无机玻璃。玻璃体是化学不稳定结构，容易与其它物体起化学作用。胶体结构胶体结构 粒径为10-710-9m的固体微粒（分散相），均匀分散在连续相介质中所形成的分散体系称为胶体。当介质为液体时，称此种胶体为溶胶体；当分散相颗粒极细，具有很大的表面能，颗粒能自发相互吸附并形成连续的空间网状结构时，称此种胶体为凝胶体。 溶胶结构具有较好的流动性，液体性质对结构的强度及变形性质影响较大；凝胶结构基本上不具流动性，呈半固体或固体状态，强度较高，变形性较小。晶晶 体体非非 晶晶 体体材料的微观结构形式及主要特征2.1.3材料的构造（宏观结构）材料的构造（宏

5、观结构） 材料在宏观可见层次上的组成形式称为构造。按照材料宏观组织和孔隙状态不同可将材料构造分为：（1）致密结构致密结构：基本上是无孔隙存在的材料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。（2）多孔状构造（粗孔）多孔状构造（粗孔）：是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质材料等。 (3）多孔壮构造（微孔）：多孔壮构造（微孔）：是指微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。 （4）纤维状构造纤维状构造：是指木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。（5）层状构造：层状构造：采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板、蜂窝夹芯板、以及

6、某些具有层状填充料的塑料制品等。（6）散粒结构散粒结构（颗粒状构造）（颗粒状构造）：是指松散颗粒状结构。比如混凝土骨料、用作绝热材料的粉状和和粒状的添充料。材料的宏观结构形式及主要特征2.1.4建筑材料的孔隙建筑材料的孔隙孔隙形成的原因孔隙形成的原因(1)水分子的占据作用 建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论上 的用水量, 多余的水分占据的空间即为孔隙(2)外加剂作用 如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙(3)火山作用 火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙（如浮石、火山渣等）(4)焙烧作用（如陶粒、烧结砖等） 材料的孔隙状况由孔隙率孔隙率、孔隙连通性孔隙

7、连通性和孔孔隙直径隙直径三个指标来说明。 块状材料在自然状态下的体积是由固体物质体积及其内部孔隙体积组成的。 材料内部的孔隙按孔隙特征又分为开口孔隙开口孔隙和闭口孔隙闭口孔隙（见图1-2）。 孔隙按照直径大小可分为：孔隙按照直径大小可分为：粗大孔粗大孔：直径大于mm级的孔隙，主要影响材料的密度、强度等性能。毛细孔毛细孔：直径在ummm级的孔隙，主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能。极细微孔极细微孔：直径在um以下，直径微小，对材料的性能影响反而不大。 1. 材料的密度、表观密度、体积和堆积密度材料的密度、表观密度、体积和堆积密度 根据材料所处状态不同，可分为密度密度、体积密体积密度度和堆积密度堆

8、积密度。密度材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度。按下式计算： =m/v式中：密度,g/cm3或kg/m3； m材料的质量，g或kg； v材料在绝对密实状态下的体积，（即材料体积内固态物质的实体积），cm3或m3。2.2 材料的物理性质材料的物理性质2.2.1材料与质量有关的性质材料与质量有关的性质 材料密度的大小取决于材料的组成及微观结构，因此相同组成及微观结构的材料其密度为一定值。 在建筑材料中，除金属、玻璃等少数材料外，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，除去孔隙，经干燥后用李氏瓶李氏瓶测定其实体积。材料磨得越细，所测得的体积越接近绝对体积。体积密度 材料

9、在自然状态下，单位体积的质量称为体积密度。按下式计算： 0=m/ v0 式中 0-体积密度，g/cm3或kg/m3； m-自然状态下材料的质量，g或kg； v0材料在自然状态下的体积，cm3或m3。 在自然状态下，材料内往往含有水分，其质量将随含水程度而改变，故测定体积密度时应注明其含水程度。 一般指的是材料在气干状态下的体积密度，干燥材料的体积密度称为干体积密度干体积密度。 材料的体积密度主要取决于材料的密度、宏观结构以及含水程度。堆积密度 粉状或颗粒状材料在堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。按下式计算： =m/v式中 -材料的堆积密度，kg/m3； m-材料的质量，kg； v材料的堆

10、积体积，m3。 材料在堆积状态下，其堆积体积不但包括所有颗粒内的孔隙，而且还包括颗粒间的空隙。其值大小不但取决于材料颗粒的体积密度，而且还与堆积的疏密程度有关。 在建筑工程中，进行配料计算、确定材料堆放空间及运输量、材料用量及构件自重等经常用到的材料的密度、体积密度和堆积密度的数值。见表见表1-1 1-1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度。材料 名称 密 度g/cm3 表观密度g/cm3 堆积密度g/cm3 钢 材 7.85松 木 1.550.400.80水 泥 2.803.209001300砂 2.662.6514501650碎石（石灰石） 2.602.802.6014001700普通混凝

11、土 2.601.952.50普通黏土砖 2.6016.01.90 返回键2.材料的密实度与孔隙率 密实度密实度是指材料体积内，被固体物质充实的程度。以D表示，并按下式计算： D =V/V0 孔隙率孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占有的比例。以P表示，并按下式计算： P=（V-V0）/V0=1-D=1-/0孔隙率与密实度从两个不同侧面来反映材料的致密程度，即 D+P=1 。 建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的致密程度有关。3.材料的填充率与空隙率l 填充率填充率 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：%100%1000000

12、VVDDP1%1001%1001%1000000000l 空隙率空隙率 定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积的空隙占总体积的比例。 表达式：2.2.2 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 完全不湿润（见图教材（见图教材P9 P9 图图2-22-2）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。l 吸水性吸水性%100干干吸质mmmWl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。%10010HVmmW干吸体l 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。l对于

13、细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大对于细微连通孔隙，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。l 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，抗冻例如：瓷砖的吸水率越大，抗冻性越差。性越差。l 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0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸水率可超过100。l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）。l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

14、重的百分率。l 吸湿性吸湿性%100干干含含mmmWl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。l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。l选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？ 3.3.耐水性耐水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。用软化系数表示干饱软ffK）的抗压强度（：材料吸水饱和状态下饱MPaf）压强度（：材料干燥状态下的抗干MPaf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。例如：石膏和混凝土。 因

15、为水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，则有不同程度的。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01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。主要取决于材料的吸水饱和程度和材料结冰时体积膨胀所产生压力的抵抗。4. 4. 抗冻性抗冻性思考题:孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？ 抗冻性实验通常是将规定的标准试件浸水饱和后，在-15-15条件下冻结一定时间，然后在

16、室温（20）的水中融化，进行反复冻融，试件强度降低及质量损失不超过规定值（质量损失不大于5%，强度损失不大于25%），材料表面不明显损伤，所对应的最大循环次数，定为该材料的抗冻等级。 用抗冻等级表示。抗冻等级Fi，i表示冻融循环的次数。材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗抗渗性性。用渗透系数或抗渗等级表示（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），抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pi”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。5. 5. 抗渗性抗渗性 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标（抗冻性抗冻性和抗侵蚀性抗侵蚀性）。 材料的抗渗

17、性与材料内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增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，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。具有好的抗渗性。 建筑材料中，各种无机胶凝混凝土、石料、砖瓦等均为亲水性材料，它们为极性分子所组成，与极性分子水之间有良好的亲合性。 沥青、油漆、塑料等为憎水性材料，这是因为极性分子的水与这些非极性分子组成的材料互相排斥的缘故。憎水性材料常用作为

18、防潮、防水及防腐材料，也可以对亲水性材料进行表面处理，用以降低吸水性。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。墙体节能、屋面节能和门窗节能。建筑节能建筑节能保温材料保温材料热工性质热工性质导热性导热性热容量热容量2.2.3 材料与热有关的性质材料与热有关的性质l 定义定义：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）。l 表示方法表示方法：用导热系数表示，导热系数的物理意义是：厚度为1 m的材料，当温度每改变1 K时，在l h时间内通过1 m2面积的热量。1.1.导热性导热性棉袄

19、浸水后保暖性变差？棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？孔多的材料保温性能好？)(12ttFZQd式中 材料的导热系数，w/（mK）； Q 传导的热量，J； d 材料的厚度，m； F 材料传热的面积，m2； Z 传热时间，h；（t1-t2）材料两侧温度差，K l在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（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）越大，传热越快，保温性越差）。 各种材料的导热系数差别很大，常见建筑材料的导热系数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范围是0.0350.0353.5 W3.5 W( (mKmK) )，工程中通

20、常把，工程中通常把0.175 W0.175 W( (mKmK) )的材料称为的材料称为绝热材料（保温和隔热材料）绝热材料（保温和隔热材料）。常用建筑材料的热工性质指标常用建筑材料的热工性质指标材料名称 导热系数W/(mK) 比热J/(gK) 钢 55 0.46 玻璃0.9 花岗岩 3.49 0.92 普通混凝土 1.510.88 水泥砂浆 0.93 0.84 普通粘土砖 0.81 0.84 粘土空心砖 0.64 0.92 松木 0.170.35 2.51 泡沫塑料 0.03 1.30 冰冰 2.20 2.05 水水 0.60 4.19 静止空气静止空气 0.023 2.2.热容热容l 定义：材

21、料温度升高（或降低）1K时，所吸收（或放出）的热量，称为材料的热容量，1kg材料的热容量，称为材料的比热容（简称比热）。l 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相对稳定有很大影响。材料名称 比热J/(gK) 钢 0.46 铜 0.38 花岗岩 0.92 普通混凝土 0.88 水泥砂浆 0.84 普通粘土砖 0.84 粘土空心砖 0.92 松木 2.51 泡沫塑料 1.30 冰 2.05 水 4.19 l 影响导热性的因素：影响导热性的因素：材料的化学组成与结构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也不同。 如：一般情况下，导热系数

22、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)。棉袄浸水后保暖性棉袄浸水后保暖性变差？变差？孔多的材料保温性孔多的材料保温性能好？能好？复习思考题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？2.3.1 2.3.1 强度与比强度强度与比强度l 强度强度材料的强度材

23、料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况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。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

24、试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。2.3 材料材料的的力学力学性性质质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：AFfmaxf-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：2max23bhLFfw式中 fw-材料的抗弯强度， MPaFmax-材料受弯破坏时的最大荷载，N

25、A-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常见建筑材料的强度常见建筑材料的强度/ /MPa材料 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 花岗岩 100250 58 1014 普通烧结砖 7.530 1.84.0 普通混凝土 7.560 14 松木(横纹) 3050 80120 60100 建筑钢材 2351 600 2351 600 l 比强度比强度l比强度比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料在断裂点的强度（通用拉伸强度）与其表观密度之比（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

26、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。 几种主要材料的比强度材料 表观密度/(kg/m3) 强度/MPa 比强度 低碳钢 7 850 420 0.054 普通混凝土（抗压） 2 400 40 0.017 松木（顺纹抗拉） 500 100 0.200 玻璃钢 2 000 450 0.225 烧结普通砖（抗压） 1 700 10 0.006 2.3.2 弹性与塑性弹性与塑性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弹性。材料在外力

27、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。 弹性变形的大小与外力成正比，比例系数弹性变形的大小与外力成正比，比例系数E成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式表示：表示： E式中 材料的应变; 材料的应力，MPa; E材料的弹性模量 E表示材料抵抗变形的指标，E越大，材料越不容易变形，抵抗变形的能力就越强。2.3.3 脆性与韧性脆性与韧性l 脆性：脆性：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、

28、玻璃、混凝土等都是脆性材料。 l韧性：韧性：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。 2.3.4 2.3.4 硬度与耐磨性硬度与耐磨性l 硬度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。莫氏硬度，适用与矿物。钢球压入法：布氏硬度HB，适用于木材，混

29、凝土，钢材等。 摩氏硬度 矿物的硬度是指矿物抵抗外来机械作用力(如刻画、压入、研磨等)侵入的能力。 早在1822年，Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级： 1、滑石 2、石膏 3、方解石 4、萤石 5、磷灰石 6、正长石 7、石英 8、黄玉 9、刚玉 10、金刚石 各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。 操作方法： 选择被测样品的尖锐位置。 在已知硬度的平面型矿物硬度计平面进行刻划，刻划硬度的测试由低至高依次进行。 观察硬度计平面有无刻面，轻擦平面，以防被测样品的粉末留在硬度计上，使判断失误。 若硬度计平面有划痕，则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高一级的硬度计，直至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为止。 结果表