建筑材料的力学性质

说说你所知道的建筑材料

绪论木构架建筑的外观轮廓都是由阶基、屋身、屋顶3部分组成：下面是由砖石砌筑的阶基，承托着整座房屋；立在阶基上的是屋身，由木制柱作骨架，其间安装门窗隔扇；上面是用木结构屋架造成的屋顶，屋面做成柔和雅致的曲线，四周均伸出屋身以外，上面覆盖着青灰瓦或琉璃瓦。木构架在故宫建筑中获得了极致的运用，里面木柱林立，到处“雕梁画柱”。以石头做建筑材料，是建筑呈现宏伟、厚重、稳固的特征。凡尔赛宫呈现整齐划一、秩序、均衡、对称等特征。

石料极大地限制了建筑内部空间。为了解放建筑内部空间，古希腊创造了著名的古典柱式，古罗马人发展了大跨度的稳重的石拱结构，这些都刻在凡尔赛宫里看到其影子。凯旋门是欧洲纪念战争胜利的一种建筑。用石块砌筑，形似门楼，有一个或三个拱券门洞，上刻宣扬统治者战绩的浮雕。塔身的石块之间，没有任何水泥之类的粘着物，而是一块石头叠在另一块石头上面的。每块石头都磨得很平，至今已历时数千年。

埃菲尔铁塔高300米，天线高24米，总高324米，铁塔是由很多分散的钢铁构件组成的——看起来就像一堆模型的组件。

卢浮宫金字塔是一个用玻璃和金属支架建造的巨大金字塔，周围环绕着三个较小的金字塔。

坚实厚硬的清水混凝土绝对的围合，创造出一片黑暗空间，让进去的人瞬间感觉到与外界的隔绝，而阳光便从墙体的水平垂直交错开口里泄进来，那便是著名的“光之十字”——神圣，清澈，纯净，震撼。三问：What?How?Which?绪论建筑要求材料具备什么性能（What）?建筑材料如何满足工程要求（How）?建筑材料这门课学习哪些内容（Which）？123

建筑的功能要求的材料性能

承受荷载长期可靠性防水、隔热隔声、防火采光、绝缘不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性建筑要求材料具备哪些性能？建筑材料如何满足性能要求？性能组成结构建筑材料这门课学习哪些内容？怎么学建筑材料这门课？1、注重材料的组成、结构和性质，及其之间的联系。2、对比学习，注重材料的共性和特性。3、密切联系工程实际，重视试验课。课程成绩形成：总评成绩=平时成绩(30%)+期中考试（20%）+期末考试（50%）课堂要求（1）不迟到、不旷课。（2）不玩手机；不说与课堂无关的话。（3）尽量思考，回答问题；作业按时完成。

学习情境1建筑材料的基本性质学习情境1建筑材料的基本性质本章的主要内容1、建筑材料的组成、分类与结构2、建筑材料的物理性质3、建筑材料的力学性质狭义上的建筑材料是指土建工程中所用材料，如水泥、钢材、木材、玻璃、涂料、石材等。广义上的建筑材料指所有用于建筑物施工的原材料、半成品和各种构配件、零部件。1-1建筑材料的组成、分类与结构一、建筑材料的概念一般建筑材料是指用于建筑和土木工程领域的各种材料的总称，简称"建材。1-1建筑材料的组成、分类与结构二、建筑材料的基本组成

物相的组成

在物理学中，相是指一个宏观物理系统所具有的一组状态，也通称为物态。例如，最常见的三相：

气相、液相、固相，也就是我们常说的物质状态有气态、液态和固态。水的三相图1-1建筑材料的组成、分类与结构二、建筑材料的基本组成固相连续相分散相：纤维与颗粒气相液相矿物化合物分布的孔隙及其含量包含的液体种类与含量

物相的组成(1)材料的化学组成是指构成材料的基本化合物或化学元素的种类与数量。材料的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。如：钢材中四种矿物相所含的化学元素是：Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn等）；生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2；水泥中所含的化合物是：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。聚氯乙烯塑料的化学组成有：PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等。1-1建筑材料的组成、分类与结构二、建筑材料的基本组成建筑材料的组成包括化学组成和矿物组成。(2)材料的矿物组成主要是指构成材料的矿物种类和数量，决定着材料的许多重要性质。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。如：硅酸盐水泥熟料中的主要矿物相有：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙钢材中的矿物相有：奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体1-1建筑材料的组成、分类与结构二、建筑材料的基本组成建筑材料的组成包括化学组成和矿物组成。1-1建筑材料的组成、分类与结构三、建筑材料的分类建筑材料的种类繁多，而且在建筑物中起的作用也不尽不问，因此可以从不同的角度对其进行分类，最常用的分类方法是按材料的化学成分分类，可分为无机材料、有机材料、复合材料。1-1建筑材料的组成、分类与结构四、建筑材料的结构结构是指从原子、分子水平直至宏观可见的各个层次的状态。一般可分为三个结构层次即宏观结构细观结构微观结构尺寸为>

10-3m(肉眼可分辩)尺寸为10-6~10-3m(光学显微镜可辩)尺寸为<10-6m(电子显微镜)尺寸为10-10~10-8m(高倍电镜)1-1建筑材料的组成、分类与结构以混凝土为例混凝土内部的宏观结构：由大小不等、形状各异的砂、石颗粒与孔隙以及水分布在水泥浆体中而构成。硬化水泥浆体的细观结构：孔隙、水分布于由水泥矿物水化物、未水化的水泥颗粒构成的固体连续相组成。水泥浆体的微观结构：由晶体态水化物、非晶态水化物和微小孔隙及孔隙中的水构成。1-1建筑材料的组成、分类与结构宏观结构

材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性质的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10-3m以上，肉眼可分辨。如：材料内部的孔隙特征和孔结构；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。混凝土的宏观结构1-1建筑材料的组成、分类与结构细观结构

细观结构的尺寸范围为10-6~10-3m，它是指材料内部组织结构和各物相的堆积结构。如：钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相的堆积结构等；高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。木材的细观结构1-1建筑材料的组成、分类与结构微观结构

微观结构—指尺寸范围在10-10~10-6m内，组成材料的化合物或矿物的组织状态，是分子、原子与离子排列、连接的结构状态。胶体的微观结构针状晶体的微观结构练习1.建筑材料按化学成分分为（）、（）、（）。2.建筑材料的组成包括（）、（）。3.建筑材料的结构一般分为三个层次（）。A.微观结构B.宏观结构C.细观结构D.层状结构 4.建筑材料的矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量，决定着材料的许多重要性质。（）【判断题】无机材料、有机材料、复合材料矿物组成、化学组成ABC√1-2*

建筑材料的性质1、物理性质密度热学性质电与磁性质声学性质光学性质2、物理化学性质3、力学性质4、耐久与安全性质1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度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和闭口孔隙（见图1-2）。

1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度单体材料的体积主要由绝对密实的体积V、开口孔隙体积(之和)V开、闭口孔隙体积(之和)V闭组成。闭口孔隙开口孔隙空隙体积材料的体积公式绝对密实体积：V/表观体积：V'V'=V+V闭自然体积：V0V0=V+V开+V闭

=V+V孔

堆积体积：V'0V'0=V空+V01-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度密度：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：

ρ=m/V

式中：ρ——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。

1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度质量与体积密度请看视频单位体积材料的质量＝密度体积与质量是可变的，密度是不变的1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度表观密度：材料在自然状态下不含开口孔隙时的单位体积的质量，称为表观密度。按下式计算：

ρ'=m/V'

式中ρ'——表观密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；V'——材料的表观体积，cm3或m3。

1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度体积密度：材料在自然状态下，单位体积的质量称为体积密度。按下式计算：

ρ0=m/V0

式中ρ0——体积密度，g/cm3或kg/m3；m——材料的质量，g或kg；V0——材料在自然状态下的体积，cm3或m3。

1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度堆积密度：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：

ρ'0=m/V'0

式中ρ'0

——材料的堆积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V'0——材料的堆积体积，m3。1-2建筑材料的物理性质一、密度、表观密度与堆积密度状态材料的密度公式绝对密实状态下密度ρ=m/V自然状态下不含开口孔隙表观密度ρ'=m/V'自然状态下体积密度ρ0=m/V0堆积状态堆积密度

ρ'0

=m/V'01-2建筑材料的物理性质思考？对于某一种材料来说，其密度、表观密度、体积密度和堆积密度之间的相互关系怎样？为什么？答：密度＞表观密度＞体积密度＞堆积密度绝对密实体积自然状态下只含闭口空隙的体积＝绝对密实体积＋闭口孔隙体积；自然状态下的体积=绝对密实体积＋孔隙体积堆积体积＝绝对密实体积＋孔隙体积＋空隙体积。1-2建筑材料的物理性质二、材料的密实度和孔隙度1、孔隙率（P）材料中的孔隙体积与总体积的百分比称为孔隙率P。P=（V0-V）/V0×100%=（1-ρ0/ρ）×100%2、密实度（D）定义：材料体积内被固体物质所充实的程度，即固体体积占总体体积的百分率。D=V/V0×100%=ρ0/ρ×100%=1-PV0（自然体积）V（绝对密实体积）1-2建筑材料的物理性质计算某标准砖墙经测试其密度ρ=2.7g/cm3，体积密度ρ0=1750kg/m3，问该砖的孔隙率和密实度各为多少？材料的密实度越大，则强度越高、吸水率越小、导热性越大。孔隙率的大小反映了材料的致密程度。孔隙结构和孔隙率对材料的表观密度、强度、吸水率，抗渗性、抗冻性及声、热、绝缘等性能有很大影响。1-2建筑材料的物理性质二、材料的密实度和孔隙度1-2建筑材料的物理性质三、散粒材料的填充率与空隙率1、空隙率（P'）材料中的空隙体积与总体积的百分比称为空隙率P'。P'=（V'0-V0）/V'0×100%=（1-ρ'0/ρ0）×100%2、填充率（D'）定义：散粒材料在堆积体积下，其颗粒的填充程度成为填充率。D'=V0/V'0×100%=ρ'0/ρ0×100%

=1-P'空隙体积空隙体积=堆积体积-自然体积练习1.材料的密度并不都是一个常数。（） 【判断题】 2.孔隙率的大小反映了材料的致密程度。（）【判断题】3.材料在自然状态下，单位体积的质量称为材料的（）。

A.表观密度B.堆积密度C.密度D.体积密度4.材料孔隙率和密实度之和（）。 A.大于1B.小于1C.等于1D.为零 答案：×；√；D；C1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质1、亲水性、憎水性亲水性：对水有大的亲和能力，可以吸引水分子，或溶解于水。这类分子形成的固体材料的表面，易被水所润湿。憎水性：也叫疏水性，对水具有排斥能力，不能被水湿润。1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质1、亲水性、憎水性一般来说，用接触角θ来衡量亲、疏水性。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θe：1）当θe=0，完全润湿；2）当θe﹤90°，部分润湿或润湿；3）当θe=90°，是润湿与否的分界线；4）当θe﹥90°，不润湿；5）当θe=180°，完全不润湿。有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性。固相气相液相1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质2、吸水性、吸湿性吸水性材料与水接触时，其内部孔隙会吸收水分，这种性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率W表示。W=（m1-m）/m×100%吸湿性材料在潮湿空气中，会吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用平衡含水率w表示。w=（m含-m）/m×100%1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质材料的吸水（湿）性与材料内部孔隙结构与材料的亲水性或憎水性密切相关：材料通过其内部开口、连通的孔隙吸收外部环境的水开口孔隙越多，材料吸水率越大；开口连通孔径较小，因毛细管作用而容易吸水。亲水性材料的吸水（湿）性比憎水性材料强。亲水性孔壁使水自动吸入；憎水性孔壁难以使水吸入。1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质创新思维

1、为什么房屋一楼潮湿？

2、如何解决？1、地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2、解决问题的原理与办法阻塞毛细通道，技术措施？对材料中的毛细管壁进行憎水处理1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质2、耐水性、抗渗性、抗冻性耐水性—材料抵抗水的破坏作用的能力。耐水性用软化系数（KR）表示

，并按下式计算：

KR

=f饱/f干式中：f饱—材料在吸水饱和状态下的极限抗压强度；

f干—材料在干燥状态下的极限抗压强度。软化系数KR值越小，材料的耐水性越差。水对材料的破坏作用溶解—溶蚀作用溶胀作用削弱质点相互作用力引起金属的锈蚀作用1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质抗渗性—材料抵抗水或溶液渗入或渗透的能力。材料的抗渗性用渗透系数K表示：

K=(Qd)/(AtH)式中：Q—渗水总量(cm3)；H—静水压力水头(cm)；t—时间(h)；d—试件厚度；A—渗水面积抗渗性也可以用抗渗等级P表示：P=10H-1P—抗渗等级；H—试件开始渗水时的水压头(MPa)；抗渗性与孔隙率和孔隙特征有关。大孔且连通孔将使材料的抗渗系数降低。材料抗渗性影响材料的其它耐久性性能1-2建筑材料的物理性质四、建筑材料与水有关的性质抗冻性—材料饱水下，抵抗冻融循环破坏作用的能力。抗冻等级，用Fn表示—材料丧失性能前能承受的最多冻融循环次数，次数愈多，等级越高。冻融破坏的原因抗冻性的影响因素水结冰时，体积膨胀9％；当材料内部孔隙饱水情况下，发生多次冻融循环，在水结冰时产生的拉力作用下，产生裂缝、扩展、延伸，和连通，导致材料破坏。材料内部的孔隙率与孔隙特征孔隙内的饱水程度材料强度与韧性环境温度变化1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质1、导热性热量在材料中传导的性质称为导热性，材料的导热能力用导热系数λ表示，即λ=Qd/[（t1-t2）AZ]式中λ——导热系数，W/(m·K)；Q一一传导热量，J；d一一材料厚度，m；t1-t2——材料两侧温度差，K；A——材料传热面积，m2；Z一一传热时间，t。由上式可知，

λ值越小，材料的绝热性能越好。通常将导热系数λ≤0.175W/(m·K)的材料称为绝热材料。1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质影响材料导热系数的主要因素有：材料的化学成分及其分子结构表观密度孔隙率及孔隙的性质和大小湿度温度静止空气的导热系数很小，所以，一般材料的孔隙率越大，其导热系数越小(粗大而贯通孔隙除外)。如水、冰的导热系数远大于空气的导热系数，材料受潮或冻结后，其导热系数会增大。因此，在结构设计和施工中，应采取相应措施，使保温材料处于干燥状态，以发挥其保温作用。1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质2、比热及热容量材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量，吸收或放出的热量计算公式Q=Cm（t2-t1）式中Q——材料吸收或放出的热量，J；C——材料的比热，J/(g·K)；m一材料的质量，g；t2-t1——材料受热或冷却前后的温度差，K。比热C与材料质量m的乘积称为材料的热容量。热容量较大，导热系数较小的材料是良好的绝热材料。热容量大的材料可以保证室内温度相对的稳定。1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质3、耐燃性建筑物失火时，材料经受高温与火的作用而不破坏，强度不严重降低的性能，称为材料的耐燃性。根据耐燃能力的强弱，材料可分为：不燃烧类，如普通石材、混凝土、砖等；难燃烧类，如经过防火处理的木材、塑料等；燃烧类，如常见的木材、塑料等。1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质4、耐火性材料在高温的长期作用下，保持不熔性并能工作的性能称为材料的耐火性。根据耐火能力的强弱，材料可分为耐火材料，如硅砖、镁砖等；难熔材料，如难熔黏土砖、耐火混凝土等；易熔材料，如普通混凝土砖等。1-2建筑材料的物理性质五、建筑材料的热工性质4、耐火性按照我国国家标准《建筑设计防火规范》，建筑物的耐火等级分为四级。建筑物的耐火等级是由建筑构件(梁、柱、楼板、墙等)的燃烧性能和耐火极限决定的。一级耐火等级建筑是钢筋混凝土结构或砖墙与钢混凝土结构组成的混合结构；二级耐火等级建筑是钢结构屋架、钢筋混凝土柱或砖墙组成的混合结构；三级耐火等级建筑物是木屋顶和砖墙组成的砖木结构；四级耐火等级是木屋顶、难燃烧体墙壁组成的可燃结构。特别注意的是区别防火等级，它主要是说建筑保温材料，分为：A级不燃型，B1级难燃型，B2级可燃型(也称阻燃型)，B3级易燃型。练习1.下列属于憎水性材料的是（）。

A.混凝土B.木材C.砖D.石蜡 2.材料的耐水性常用软化系数表示，耐水性材料的软化系数（）。A.大于0.8B.小于0.8C.等于0.75D.小于0.75 3.建筑材料的亲水性与憎水性一般用湿润边角值θ来判定，一般认为：当θ≤90°时，此种材料为（）；当θ>90°时，此种材料为（）。 答案：D；A；亲水性材料；憎水性材料练习4.吸湿率性指的就是材料与水接触吸收水分的性质，其大小用含水率表示。（）5.孔隙率越高，吸水性越强。（） 6.抗冻等级的大小是衡量材料耐久性的指标。 （）

7.材料的导热系数越大，材料的绝热性能越好。（）

8.一般材料的孔隙率越大，其导热系数越大。（）

9.热容量较大，导热系数较小的材料是良好的绝热材料。（）

××××√√1-2*

建筑材料的性质1、物理性质密度热学性质电与磁性质声学性质光学性质2、物理化学性质3、力学性质4、耐久与安全性质作业：将课本中学习情境1的项目2的内容，进行小结，做成一张笔记（用A4纸）。要求：总结全面，简洁美观，可图文并茂。1-3建筑材料的力学性质建筑结构设计以承受最大荷载(强度)，而有最小的变形(刚度)为了建筑应用效率最优，应按照材料的强度和刚度，选择材料材料的力学性质指材料在荷载(外力)作用下的强度与刚度(形变)1-3建筑材料的力学性质

拉伸与压缩变形1-3建筑材料的力学性质

剪切变形1-3建筑材料的力学性质扭转变形1-3建筑材料的力学性质弯曲变形1-3建筑材料的力学性质一、材料的强度、强度等级和比强度1、材料的强度强度是指材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏和变形的能力。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯强度等。抗压抗拉抗剪抗弯1-3建筑材料的力学性质抗拉强度抗压强度抗剪强度抗弯强度静力强度静力强度分类

强度类别举例计算式附注抗压强度fc(MPa)fc=F/AF—破坏荷载(N)A—受荷面积(mm2)l—跨度(mm)b—断面宽度(mm)h—断面高度(mm)抗拉强度ft(MPa)ft=F/A抗剪强度fv(MPa)fv=F/A抗弯强度ftm(MPa)ftm=3Fl/(2bh2)1-3建筑材料的力学性质抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f——材料强度，MPaFmax——材料破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2。抗弯强度的计算：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：fw——材料的弯强度，MPaFmax——材料受弯破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2；L、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。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

普通混凝土240029.40.012低碳钢78604150.053松木50034.3(顺纹)0.0691-3建筑材料的力学性质1-3建筑材料的力学性质二、材料的强度等级大多数建筑材料根据其极限强度的大小，把材料划分为若干不同的等级，称为材料的强度等级；材料强度等级划分的标准：

a)脆性材料主要根据其抗压强度来划分强度等级，