任务1-2建筑材料基本性质分析

学习情境1

2.建筑材料基本性质分析建筑材料基本性质物理性质与水有关性质与热有关性质与力学有关性质材料体积的组成密度、表观密度、体积密度、堆积密度密实度与孔隙率、填充率与空隙率亲水性、憎水性吸水性、吸湿性耐水性抗冻性、抗渗性材料导热性2.热容量强度材料弹性与塑性材料脆性与韧性硬度与耐磨性2023/1/152孔隙的分类1.按大小分类微细孔隙（对于无机非金属材料而言，<20nm的为无害孔隙），毛细孔隙、较粗大孔隙，大孔2.按形状分类球形、片状（裂纹）、管状、尖角状3.按常压进水与否分类开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分也可进入2023/1/153孔隙对材料性质的影响（孔隙增多）（1）材料的体积密度减小（2）材料受力的有效面积减小、强度降低。（3）导热系数和热容量减小（4）透气性、透水性、吸声性、吸湿性、吸水性变大（5）对抗冻性、抗渗性要视孔隙的大小和形态而定，有一些孔隙能提高抗冻性、抗渗性。2023/1/154图1—4散粒材料的堆积状态示意图1—颗粒中固体物质V；2—颗粒的开口孔隙V开；3—颗粒的闭口孔隙V闭；4—颗粒间的空隙（V空）

一、物理性质1、材料体积组成分析2023/1/155不同结构状态，材料的体积可以采用不同的参数表示：绝对密实体积：V表观体积:V’（V+闭口孔隙体积V闭）自然体积：V0（V’

+开口孔隙体积V开）堆积体积：V’0（V0+空隙体积V空）2023/1/156不同状态下的各种密度密度表观密度体积密度堆积密度2023/1/1571、密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。计算式为：——实际密度g/cm3或kg/m3m-材料的质量，g或kgV-材料在绝对密实状态下的体积，cm3或m3

绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。2023/1/158李氏瓶2023/1/1592、表观密度(视密度）

表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。计算式为：——材料的表观密度，g/cm3,或者kg/m3

V’—材料的表观体积，V’=V+V闭

材料的表观体积是指包含闭口孔隙的体积。m一般是指材料烘干状态下的质量。2023/1/15103.体积密度材料在自然状态下单位体积的质量，公式：V0=v’+v开—材料的自然体积（m3)材料的质量可以是任意状态下的，但是必须说明含水情况，通常所指的体积密度是材料在气干状态下的，称为气干体积密度，简称体积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干体积密度。2023/1/15114、堆积密度

堆积密度是指粉状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。计算式为：

砂子、石子等散粒材料的堆积体积，是在特定条件下所填充的容量筒的容积。材料的堆积体积包含了颗粒之间或纤维之间的孔隙。2023/1/1512密度、表观密度、堆积密度对比

2023/1/1513常见建筑材料的密度、表观密度、堆积密度

2023/1/1514孔隙率

孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。计算式为：

5、材料孔隙率与密实度、填充率与空隙率的认知

2023/1/1515密实度

密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映材料的致密程度。计算式为：孔隙率与密实度的关系为：2023/1/1516填充率

填充率是指散粒材料在某种堆积体积内被其颗粒填充的程度。其计算式为：

2023/1/1517空隙率

空隙率是指散粒材料在某种堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占的比例。计算式为：都是指干燥状态下。对于致密材料，如普通砂、石，可用视密度近似代替绝干体积密度

空隙率与填充率的关系为：在配制混凝土时，宜选隙率小的砂、石。2023/1/1518例题分析1—1：某块材料在全干状态下称量，质量为150g，在自然状态下的体积为50cm3，绝对密实状态下的体积为40cm3，求其密度、表观密度、密实度和孔隙率。2023/1/1519

材料在空气中与水接触时，根据材料表面被水润湿的情况，分亲水性材料和憎水性材料两类。当材料分子与水分子间的相互作用力大于水分子间的作用力时，材料表面就会被水所润湿。此时在材料、水和空气的三相交点处，沿水滴表面所引切线与材料表面所成夹角θ≤90°，这种材料属于亲水性材料。亲水性与憎水性二、材料与水有关的性质2023/1/1520

如果材料分子与水分子间的相互作用力小于水本身分子间的作用力，则表示材料不能被水润湿。此时，润湿角90°＜θ＜180°，这种材料称为憎水性材料。

大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料，而沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料。

材料润湿边角

2023/1/1521

吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率为材料在水中吸水达到饱和状态时，浸水吸入水的质量（或体积）占材料绝干状态的质量（或干燥时体积）的百分比。

质量吸水率：吸水性2023/1/1522

体积吸水率：

材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙构造特征有关。2023/1/1523

材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。

含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分比。计算式为：

吸湿性2023/1/1524影响材料吸湿性的因素影响材料吸湿性的因素，除材料本身(化学组成、结构、构造、孔隙)，还与环境的温度、湿度有关。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。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热材料，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积大，吸附水的能力强所致。材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、绝热性降低、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响使用。在混凝土的施工配合比设计中要考虑砂、石料含水率的影响。2023/1/1525

材料在长期饱和水作用下不被破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示。计算式为：

耐水性软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将Kr＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。Kp——软化系数，其取值在0～1之间；

fb——材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa)；

fg—材料在绝对干燥状态下的抗压强度(MPa)。2023/1/1526

抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性可用渗透系数表示。(公式了解即可）

抗渗性

材料的抗渗性也可以用抗渗等级Pn来表示。2023/1/1527

影响材料抗渗性的因素

材料亲水性和憎水性---通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度---密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征---具有开口孔隙的材料其抗渗性较差，但是闭口孔能够阻塞渗水通道，反而提高材料的抗渗性。抗渗性与耐久性的关系一般而言，材料的抗渗性越高，水及各种腐蚀液体或气体不易进入材料的内部，则材料的耐久越高。地下建筑物要求具有一定的抗渗性，防水性材料要求具有很好的抗渗性。2023/1/1528

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，强度也无显著降低的性能。材料的抗冻性用抗冻等级Fn表示。n表示材料试件经n次冻融循环试验后，质量损失不超过5%，抗压强度降低不超过25%。n的数值越大，说明抗冻性愈好。材料抗冻等级的选择，是根据建筑物的种类、材料的使用条件和部位、当地的气候条件等因素决定的。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求抗冻等级为F15或F25，用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土的抗冻等级要求可高达F500。抗冻性2023/1/1529影响抗冻性的因素（1）材料的密实度（孔隙率）：密实度越高则其抗冻性越好。（2）材料的孔隙特征：开口孔隙越多则其抗冻性越差。不是所有的孔隙的进水，主要是开口孔隙。（3）材料的强度：强度越高则其抗冻性越好。（4）材料的耐水性：耐水性越好则其抗冻性也越好。（5）材料的吸水量大小（材料的充水程度）：吸水量越大则其抗冻性越差。如果孔隙不充满水的话，即远未达到饱和，具有足够的空间，则即使受冻也不致产生很大的冻胀应力。2023/1/1530为提高材料的抗冻性，常有意引入部分封闭的孔隙，引入的闭口孔隙中的水结冰时，所产生的压力可将开口孔隙中的尚未结冰的水挤入到无水的封闭孔隙中，由于毛细作用，细微孔隙中水的冰点低于0摄氏度，即这些闭口孔隙可以起到卸压的作用。2023/1/1531某砂样500g,烘干后质量为480g,求它的含水率？质量为3.4kg，容积为10L的容量筒装满绝干石子后的总质量为18.4kg。若向筒内注入水，待石子吸水饱和后，为注满此筒共注入水4.27kg。将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为18.6kg（含筒重）。求该石子的吸水率、表观密度、堆积密度及开口孔隙率。计算2023/1/1532

材料传导热量的性能称为导热性。材料的导热性用导热系数表示。导热系数的物理意义是指，单位厚度1m的材料，当两个相对侧面温差为1K时，在单位时间1s内通过单位面积1m2的热量。计算式为：

导热性三、材料与热有关的性质式中：λ－导热系数[W/(m·K)]T1－T2—材料两侧温差(K)；

d—材料厚度(m)；

A——材料导热面积(m2)t—导热时间(s)。2023/1/1533表1－2常用建筑材料的热工性能指标2023/1/1534影响材料导热系数的因素主要有：

(1)材料的化学组成和物理结构：一般金属材料的导热系数要大于非金属材料，无机材料的导热系数大于有机材料，晶体结构材料的导热系数大于玻璃体或胶体结构的材料。

(2)孔隙状况：因空气的λ仅0.024W／(m·K)，且材料的热传导方式主要是对流，故材料的孔隙率越高、闭口孔隙越多、孔隙直径越小，则导热系数越小。

(3)环境的温湿度：因空气、水、冰的导热系数依次加大(表1—2)，故保温材料在受潮、受凉后，导热系数可加大近100倍。因此，保温材料使用过程中一定要注意防潮防冻。2023/1/1535

材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量，热容量用Q表示。即1kg材料温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量，称为比热容c。比热的计算式为：

热容量式中Q—材料吸收(或放出)的热量(J)；

m－材料的质量(g)；

T2－T1—材料受热(或冷却)前后的温度差(K)；

C—材料的比热容(J／g·K)。2023/1/1536材料的热容量大，有利于保持室内温度相对稳定。材料的导热系数和热容量是设计建筑物维护结构（墙体。屋面）的重要参数，应选用导热系数小，热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。2023/1/1537温度变形性材料的温度变形性是指材料随温度变化，体积发生变化的程度。一般材料都符合热胀冷缩属性。材料的温度变形性，常用表现在长度方向上的尺寸变化来表示，即膨胀系数（线膨胀和线收缩）。按下式计算：

式中：α——线膨胀系数，1/K；

L——材料原来的长度，mm；

ΔL——材料的线变形量，mm；t2－t1——材料在温度升高或降低前后的温度差，K。2023/1/1538

材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。常用“f”表示，强度为MPa强度四、与力学有关的性质2023/1/1539描述材料的力学性质时，要常用到与受力和变形相对应的两个概念：应力和应变。应力是作用于材料单位面积上的力，通常以“σ”表示。应变是材料在外力作用下，所发生的相对变形值，通常以“ε”表示，对于拉、压变形，ε＝ΔL/L(ΔL为试件受力方向上的变形值，L为试件原长)。2023/1/1540

根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度。材料受力示意图(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲

2023/1/1541强度计算公式

2023/1/1542表1-3常用建筑材料的强度值(MPa)2023/1/1543

材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外测试的条件也影响强度。比如试件的形状、试件的尺寸、加荷速度、表面粗糙程度、含水程度、温度不同，强度也不相同。强度等级、牌号：材料常按其强度值得大小划分为若干个等级或牌号，脆性材料主要以抗压强度来划分，塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度来划分。如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个强度等级；普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级；碳素结构钢按其抗拉强度分为5个牌号等等。2023/1/1544比强度是材料强度与表观密度的比值，是计算单位质量能提供的材料强度。由表中数据可见，从比强度来看，钢材比混凝土强，而松木又比钢材强。就三者比较而言，混凝土是质量大而强度低的材料。

钢材、木材和混凝土的强度比较材料表观密度ρ0(kg/m3)抗压强度fc(MPa)比强度fc/ρ0低碳钢松木普通混凝土7860500240041534.3（顺纹）29.40.0530.0690.0122023/1/1545

材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失，这种性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为塑性。不能恢复的变形称为塑性变形。弹性与塑性2023/1/1546图1-10弹簧变形图1—11钢筋弯曲2023/1/1547

材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。特点：抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，塑性变形小，破坏时的极限应变值极小。与韧性材料相比，脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉构件，只适用于作承压构件。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。脆性与韧性2023/1/1548

在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。

特点：塑性变形大，拉压强度与抗拉强度相近。适合冲击、振动、受拉荷载。在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥粱、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。2023/1/1549钢铁大桥和万吨巨轮为何断裂？？？1938年3月14日，比利时的哈塞尔特城，温度低达零下15℃横跨在阿尔伯运河上的阿尔伯大桥在寒冷中屹立着，显得格外雄伟、壮观。突然，从桥下传来惊天动地的金属断裂声，接着，桥身剧烈抖动，桥面出现裂缝，桥上的人惊恐万状，争先恐后地向桥的两端奔逃，不到几分钟，大桥折成几段，坠入河中。1954年寒冬，在爱尔兰寒风凛冽的海面上，3万2千吨级英国油轮“世界协和号”正在航行，水手发现船体中部出现裂缝，立即向船长报告，话音未落，忽然一阵巨响，油轮裂成两段，迅速沉入海底。谁是这两起事件的罪魁祸首？2023/1/1550经过有关专家的调查研究，终于真相大白，罪魁是藏在钢铁中的磷元素。钢铁中的磷元素含量过高，致使钢铁有冷脆性。寒冷的日子里，藏在钢铁中的磷使钢铁发脆，造成阿尔伯大桥断裂“世界协和号”油轮解体等严重恶性事故。为了防止类似恶性事故的再次发生，人们在炼钢时，除减少生铁中的磷含量外，还加入适量的氧化钙，使磷变成炉渣除去，以消除钢铁的冷脆性。2023/1/1551硬度硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体刻划、压入其表面的能力。采用钢球或钢铁（圆锥或角铁）压入法来测定。金属——压入法，无机非金属——刻画法材料的硬度与其分子键的键性有关，一般共价键、离子键及某些金属键结合的材料硬度较大。硬度大的材料耐磨性较高，但不易加工。在工程中，常利用材料的硬度与强度间关系，间接测定材料强度。2023/1/1552耐磨性材料受外界物质的摩擦作用而造成质量和体积损失的现象称为磨损。材料同时受到摩擦和冲击两种作用而造成的质量和体积损耗现象称为磨耗。材料的硬度较大、韧性较高、构造较密实时，其抗磨损及磨耗的能力较强。2023/1/1553耐久性

材料的耐久性是指其在长期的使用过程中，能抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。由于环境作用因素复杂，耐久性也难以用一个参数来衡量。工程上通常用材料抵抗使用环境中主要影响因素的能力来评价耐久性，如抗冻性、抗老化和抗腐蚀（碳化）等性质。2023/1/1554环境对材料的破坏作用，可分为物理作用、化学作用和生物作用，不同材料受到的环境作用及程度也不相同。影响材料耐久性的内在因素很多，除了材料本身的组成结构、强度等因素外，材料致密程度、表面状态和孔隙特征对耐久性影响很大。工程上常用提高密实度、改善表面状态和孔隙结构的方法来提高耐久性。2023/1/1555在建筑工程中，为提高材料的耐久性，根据材料本身的特性和受腐蚀的原因可采取以下措施：在材料的生产过程中：①降低材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率；②降低材料内部裂纹的数量和长度；③使材料的内部结构均质化；④对多相复合材料应增加相界面间的黏结力，如对混凝土材料，应增加砂、石与水泥石间的黏结力。2023/1/1556在材料的使用过程中：①在材料表面加做保护层，如涂刷油漆、涂料、抹灰等；②减轻外部环境的腐蚀作用，如排除侵蚀性物质、降低温度等；③提高材料本身的密实度，如混凝土要注意搅拌机得选用和振捣方法。2023/1/1557第一章一、填空题1．材料的吸湿性是指材料在________的性质。2．材料的抗冻性以材料在吸水饱和状态下所能抵抗的________来表示。3．水可以在材料表面展开，即材料表面可以被水浸润，这种性质称为________。4．材料地表观密度是指材料在________状态下单位体积的质量。二、单项选择题1．孔隙率增大，材料的________降低。A、密度

B、体积密度

C、憎水性

D、耐热性2．材料在水中吸收水分的性质称为________。A、吸水性

B、吸湿性

C、耐水性

D、渗透性3．含水率为10%的湿砂220g，其中水的质量为________。A、19.8g

B、22g

C、20g

D、20.2g4．材料的孔隙率增大时，其性质保持不变的是________。A、表观密度

B、堆积密度

C、密度

D、强度三、多项选择题1．下列性质属于力学性质的有________。A、强度

B、硬度

C、弹性

D、脆性2．下列材料中，属于复合材料的是________。A、钢筋混凝土

B、沥青混凝土

C、建筑石油沥青

D、建筑塑料2023/1/1558四、是非判断题1．某些材料虽然在受力初期表现为弹性，达到一定程度后表现出塑性特征，这类材料称为塑性材料。2．材料吸水饱和状态时水占的体积可视为开口孔隙体积。3．在空气中吸收水分的性质称为材料的吸水性。4．材料的软化系数愈大，材料的耐水性愈好。5．材料的渗透系数愈大，其抗渗性能愈好。五、问答题1．生产材料时，在组成一定的情况下，可采取什么措施来提高材料的强度和耐久性？六、计算题1．某岩石在气干、绝干、水饱和状态下测得的抗压强度分别为172MPa、178MPa、168MPa。该岩石可否用于水下工程。2．收到含水率5%的砂子500t，实为干砂多少吨？若需干砂500t，应进含水率5%的砂子多少吨？2023/1/1559填空题1．空气中吸收水分2．冻融循环次数3．亲水性4．自然单项选择题1、B

2、A

3、A

4、C多项选择题1．ABCD

2．AB五、是非判断题答案：1．错

2．对

3．错

4．对

5．错六、问答题1．答案：主要有以下两个措施：（1）降低材料内部的孔隙率，特别是开口孔隙率。降低材料内部裂纹的数量和长度；使材料的内部结构均质化。（2）对多相复合材料应增加相界面间的粘结力。如对混凝土材料，应增加砂、石与水泥石间的粘结力。七、计算题1．答案：该岩石的软化系数为0.94所以该岩石可用于水下工程。2．答案：（1）

可解得m1=476.19g。（2）

可解得m2=525g。2023/1/15601.理想的保温材料往往具有的特征是（）A、孔隙率大、孔隙尺寸小，吸水率大B、孔隙率大、孔隙尺寸大、且为开口孔隙C、孔隙率大、孔隙尺寸小，吸水率小D、孔隙率小，吸水率小2.致密结构的材料具有的特性有（）A导热性数小B强度高

C抗渗性差D体积密度小3.多孔结构的材料具有的特性（）A、体积密度小、导热系数小B体积密度大、强度高C保温性差、抗渗性差D体积密度小、导热性高2023/1/15614、脆