建筑材料的基本性质解析

课程引入不同的土木工程材料在工程结构物中起着不同的作用：梁板柱材料承受各种外力；结构材料承受上部荷载及其地下水与冰冻作用；路面、跑道遭受磨损；工业建筑可能受酸、碱、盐等介质的侵蚀。如何保证结构物的使用功能、安全性和耐久性？土木工程材料应具有抵御上述各种作用的性质。材料的基本性质是掌握材料知识、正确选择与合理使用土木工程材料的基础。第1页/共65页第一章建筑材料的基本性质本章学习要求：了解土木工程材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系；掌握土木工程材料各种基本性质的概念、表示方法及有关的影响因素。第2页/共65页1.1材料的物理性质1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度1.1.2材料的孔隙率与密实度1.1.3空隙率与填充率1.1.4材料与水有关的性质1.1.5材料的热工性质第3页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度材料的密度主要研究材料的体积与质量的关系。第4页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度补充1：材料的体积组成固体物质闭口孔隙开口孔隙材料体积组成示意图实体——固体孔隙——个体材料内部：连通孔隙—与外界连通的开口孔隙；封闭孔隙—不与外界连通的闭口孔隙空隙——堆积材料之间装在容器里的粒状、粉状或块状材料第5页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度(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)外加的发泡作用

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(4)烧作用补充2：材料孔隙形成的原因第6页/共65页绝对密实体积v表观体积v′自然体积v0堆积体积v0′vBvc1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度材料体积组成示意图闭口孔隙自然状态下的块状材料开口孔隙个体材料示意图装在容器里的粒状、粉状或块状材料堆积材料示意图补充3：材料的体积组成计算——材料占有的空间尺寸第7页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度比较项目实际密度表观密度体积密度堆积密度材料状态材料体积计算公式单位应用①绝干状态②绝对密实①绝干状态②含闭口孔隙①自然状态②含闭口、开口孔隙①自然堆积状态②含闭口、开口孔隙③含颗粒间的空隙VV0㎏/m3或g/cm3g/cm3㎏/m3或g/cm3㎏/m3判断材料性质用量计算、体积计算一、材料的各类密度计算方法比较第8页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度1、密度1）测质量：烘干（烘箱）-干燥（干燥器）-称量（天平）；2）测体积：（a）外观规则的材料，直接用游标卡尺测量尺寸求体积，如钢材、玻璃等；（b）可研磨的非密实有孔隙材料，如砌块、石膏等，采用磨细后用李氏瓶测定其体积的方法。2、表观体积——直接用排水法测定其表观体积，如砂石材料。3、自然状态体积的测定：（1）外形规则的材料，如砖，可直接测量体积得到；（2）外形不规则的，可采用封腊排水法测定体积。二、各类密度测定办法第9页/共65页1.1.1材料的密度、表现密度、体积密度与堆积密度4、砂堆积密度的测定——漏斗+容量筒将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积。二、各类密度测定办法第10页/共65页1.1.2材料的密实度与孔隙率——单块材料1、密实度指材料体积内固体物质填充的程度。计算式如下：

式中：ρ——密度；

ρ0——材料的体积密度。

注意：对于绝对密实材料，因ρ0=ρ，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0

＜ρ

，故密实度D

＜1或D

＜100%。第11页/共65页2、孔隙率（真气孔率）指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。计算：式中：V——材料的绝对密实体积，cm3

或m3；

V0——材料的自然体积，cm3

或m3；

ρ0——材料的体积密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。1.1.2材料的密实度与孔隙率——单块材料注意：密实度与孔隙率的关系：D+P=1第12页/共65页1.1.2材料的密实度与孔隙率——单块材料3、孔隙特征a.孔种类：开口孔、闭口孔b.孔隙多少：密实度与孔隙率——反映了材料的致密程度c.孔尺寸：细孔、微孔、大孔d.连通性：连通孔、孤立孔e.分布状况第13页/共65页4、孔隙率（或密实度）、孔隙特征在工程中的作用。

a.影响材料的性质一般来说，同一种材料，孔隙率越小，连接孔隙越少，则：强度越高，吸水性越小，抗渗性和抗冻性越好，但导热性越差。

b.通过改变孔隙率和孔隙特征改善材料性能1.1.2材料的密实度与孔隙率——单块材料第14页/共65页1.1.3材料的空隙率与填充率——散粒状材料

1、空隙率指散粒材料在其堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。计算：

式中：ρ0——材料的体积密度；

——材料的堆积密度。空隙率大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。第15页/共65页1.1.3材料的空隙率与填充率——散粒状材料小结：孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式第16页/共65页1.1.3材料的空隙率与填充率——散粒状材料2、填充率

指散粒材料在其堆积体积中，被其颗粒填充的程度。计算公式：

第17页/共65页1-1加气混凝土砌块吸水分析工程实例分析某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同析方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。

现象加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。原因分析第18页/共65页1.1.4材料与水有关的性质1.1.4.1亲水性与憎水性1.1.4.2吸水性与吸湿性1.1.4.3耐水性1.1.4.4抗渗性1.1.4.5抗冻性第19页/共65页1.1.4.1亲水性与憎水性一、含义与原因与水接触时，材料表面能否被水润湿的性质。亲水性材料能通过毛细管作用，将水分吸入材料内部；憎水性材料能阻止水分渗入毛细管，从而降低材料的吸水作用。根本原因——材料的分子结构，比较：材料分子与水分子间的吸引力（亲合力）水分子相互之间的内聚力第20页/共65页

1.1.4.1亲水性与憎水性二、判断在材料、水和空气三相交点处，沿水滴表面作切线，此切线和水与材料接触面所成的夹角θ称为“润湿角”。润湿角θ≤90°时，材料表现为亲水性。润湿角θ＞90°时，材料表现为憎水性。（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料扁圆特例：当=0º时，完全润湿；当

=180º时，完全不润湿。第21页/共65页1.1.4.1亲水性与憎水性三、意义

憎水材料具有较好的防水性、防潮性、抗渗性，常用作防潮防水材料,也可用于亲水性材料的表面处理。混凝土、砖、石、木材、钢材等属于亲水性材料；大部分有机材料属于憎水性材料，如沥青、塑料、石蜡和有机硅等。第22页/共65页一、吸水性1、概念：指材料在水中吸收水分的性质。2、表达式：质量吸水率：体积吸水率：对多孔吸水材料，其质量吸水率往往超过100％，此时用体积吸水率表示。3）影响材料吸水性的因素材料的亲、憎水性材料的孔隙率材料的孔隙特征4）吸水性大小对材料性能的影响材料受潮后导热性增大，故保温隔热材料需保持干燥状态。1.1.4.2吸水性与吸湿性第23页/共65页二、吸湿性1、概念——指材料在空气中吸收水气的性质。2、表达式——用含水率表示3、注意：材料在与空气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率,建筑材料在正常状态下,均处于平衡含水率状态。4、吸水性与吸湿性的相互关系一般情况下，材料的含水率小于质量吸水率。当材料在空气中吸水饱和时，其含水率等于质量吸水率。1.1.4.2吸水性与吸湿性第24页/共65页思考与练习【例题1-1】已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40立方厘米，质量为85.50克，吸水饱和后的质量为89.77克，烘干后的质量为82.30克。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、含水率。解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40×（1-0.24）=2.7克/立方厘米开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积

=（89.77-82.3）÷1/40=0.187

闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.24-0.187=0.053

表观密度=干质量/表观体积=82.3/40×（1-0.187）=2.53

含水率=水的质量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.039第25页/共65页思考用什么指标来衡量材料对水的抵抗能力？耐水性抗渗性抗冻性第26页/共65页1.1.4.3耐水性1、概念——指材料长期在水的作用下，保持其原有性质不变的能力，用软化系数K软表示。2、表达式：式中：f饱---

材料吸水饱和状态下的抗压强度，MPa。

f干---

材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

3、判断——软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。工程中将KP>0.85的材料称为耐水材料。经常位于水中或受潮严重的重要结构,K软不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构所用材料，K软不宜小于0.70。第27页/共65页1.1.4.4抗渗性定义：材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。用渗透系数或抗渗等级表示。判断：材料的渗透系数越小，抗渗性越好。影响因素：材料的孔隙率和孔隙特征。如绝对致密的材料或仅具有封闭孔隙的材料，水分难以透过。举例：抗渗等级P8混凝土——该混凝土能够抵抗的最大渗水压力为0.8MPa。第28页/共65页1.1.4.5抗冻性定义：材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环后，强度没有明显降低、质量没有明显损失的性质。表示方法：一般用抗冻等级F表示，如F150混凝土，表示在标准试验条件下，该混凝土材料强度下降不大于25％，质量损失不大于5％，所能经受的冻融循环次数最多为10次。冰冻破坏的原因：材料中含有水，水在结冰时体积膨胀约9%，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。影响因素：孔隙率、孔隙特征、吸水率及降温速度等。第29页/共65页

分析与总结：

材料与水有关的性质与材料孔隙率以及孔隙特征的关系？第30页/共65页1.1.5材料的热工性质1.1.5.1比热容及热容量1.1.5.2导热性1.1.5.3耐燃性第31页/共65页1.1.5.1比热容及热容量热容量：材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。表示方法：Q=mc（t1-t2）比热容c的物理意义：质量为1kg的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。比热容c的选用：在建筑工程中，选择导热系数较小而热容量（比热容）大的材料对保持室内温度的相对稳定有很大影响。第32页/共65页1.1.5.2导热性定义：材料传导热量的性质，即当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力。表示方法：导热系数λ。

λ值越小，材料的绝热性越好。作用：判断建筑材料的保温隔热性能。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。几种特殊材料的导热系数：空气（0.025）、水（0.60）、冰（2.20）

P12表1-2常用土木材料的热工性质指标。第33页/共65页1.1.5.2导热性思考：影响材料导热系数的主要因素有哪些？材料受潮时为什么其保温隔热性能会降低？为什么冬天修的房子其保温隔热性能较差？保温材料在施工和使用过程中为什么需要防潮防水？第34页/共65页1.1.5.2导热性★思考题1：影响材料导热系数的主要因素有哪些？答：（1）材料的化学组成和物理结构：如金属比非金属导热系数大（2）孔隙状况：孔隙率越大，导热系数越小；（3）含水率：受潮后导热系数较大；（4）环境的温度：温度越高，导热系数越大。★思考题2：为什么保温隔热材料使用过程中一定要注意防潮防冻？答：因为空气、水和冰的导热系数依次增加，故保温材料在受潮、受冻后，导热系数可增大100倍左右。第35页/共65页孔隙对材料性质的影响观察与讨论某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见图1-2。请问选择何种材料？

A

B

图1-2材料剖面保温层的目的是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A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小，适于作保温层材料。讨论第36页/共65页1.1.5.3耐燃性定义：材料在空气中遇火燃烧的性能称为耐燃性。非燃烧材料：砖、天然石材、混凝土、砂浆、金属材料等；难燃烧材料：石膏板、水泥石棉板等；燃烧材料：胶合板、纤维板、木材等。第37页/共65页1.1.6材料的声学和光学性质一、材料的声学性质1、吸声性声音是靠振动的声波来传播的，当声波到达材料表面时会产生三种现象：反射、透射、吸收。反射容易使建筑物室内产生噪音或杂音，影响室内音响效果；透射容易对相邻空间产生噪音干扰，影响室内环境的安静。吸声性是指材料吸收声波的能力。吸声性的大小用吸声系数表示。材料的吸声系数越大，吸声效果越好。第38页/共65页1.1.6材料的声学和光学性质2、隔声性声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现，因而隔声可分为隔绝空气声（通过空气传播的声音）和隔绝固体声（通过固体的撞击或振动传播的声音）两种。隔绝空气声，主要服从声学中的“质量定律”，即材料的表观密度越大，质量越大，隔声性能越好。第39页/共65页1.1.6材料的声学和光学性质二、材料的光学性质当光线照射在材料表面上时，一部分被反射，一部分被吸收，一部分透过。材料对光波产生的这些效应，在建筑装饰中会带来不同的装饰效果。第40页/共65页1.2材料的力学性质1.2.1强度1.2.2材料的弹性和塑性1.2.3脆性与韧性1.2.4疲劳极限1.2.5硬度和耐磨性材料的力学性质——材料在外力作用下的变形性质及抵抗外力破坏的能力。第41页/共65页1、理论强度理论强度：指按材料结构质点引力计算的强度，一般都很高。实际强度：按材料在荷载下实际具有的强度，一般远远低于理论强度。原因是材料内部都存在很多缺陷。通常意义上的强度是指材料的实际强度。1.2.1强度第42页/共65页2、实际强度材料的强度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。常用强度：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。1.2.1强度第43页/共65页1.2.1强度（1）抗压、抗拉、抗剪强度抗压抗拉抗剪在工程上，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）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。

F

F

F式中：f——材料强度，MPa

F——材料破坏时的最大荷载，N

A——试件受力面积，mm2第44页/共65页（2）抗弯（抗折）强度单点加荷：

三分点加荷：

L/2L/21.2.1强度式中：f——材料的抗弯强度，MPa

F——材料受弯破坏时的最大荷载，N

L——两支点的间距，mm

b、h——试件横截面的宽及高，mm第45页/共65页3、强度等级对于以力学性质为主要性能指标的材料，通常按其强度值的大小划分成若干等级或标号。

不同材料的强度等级有不同的划分方法，具体划分见各章。1.2.1强度第46页/共65页4、比强度定义：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。1.2.1强度第47页/共65页5、影响强度的因素：材料的组成孔隙率增加，强度降低含水率增加，强度降低温度升高，强度降低试件尺寸大，强度降低加荷速度快，强度降低等1.2.1强度第48页/共65页1.2.2材料的弹性和塑性1、弹性定义：外力作用产生变形,外力取消能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。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。指标：弹性模量

第49页/共65页1.2.2材料的弹性和塑性2、塑性——外力作用产生变形，外力取消变形不能恢复，仍能保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。第50页/共65页1.2.3脆性与韧性1、脆性——材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形的性质。

脆性材料：大部分无机非金属材料，如天然石材、烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。另一特点：抗压强度高而抗拉、抗折强度低。

2、韧性——材料在冲击或动力荷载作用下，产生一定变形不破坏,能吸收较大能量而不破坏的性能。

韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。测定方法：冲击试验第51页/共65页1.2.4硬度和耐磨性

1、硬度——材料表面抵抗较硬物体压入或刻划的能力。特点：材料的硬度高，耐磨性强，但不易加工。测定方法：刻划法、回弹法和压入法金属材料等的硬度常用压入法测定；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；工程中有时用硬度来间接推算材料的强度，如回弹法用于测定混凝土表面硬度，间接推算混凝土强度。第52页/共65页2、耐磨性定义：材料表面抵抗磨损的能力。表示方法：磨耗率计算公式：适用范围：路面材料式中：G—材料的磨耗率，（g/cm2）

m1—材料磨损前的质量，（g）

m2—材料磨损后的质量，（g）

A—材料试件的受磨面积（cm2）1.2.4硬度和耐磨性第53页/共65页1.2.5疲劳强度材料在交变应力（荷载）的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。第54页/共65页一、定义材料的耐久性——泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。综合性质：不同环境中，应考虑相应的性质。如：抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗老化、耐热性、耐磨性等。1.3材料的耐久性与环境协调性第55页/共65页补充：机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。二、经受的环境作用1.3材料的耐久性与环境协调性第56页/共65页三、提高材料耐久性的意义1）节约建材2）延长使用寿命，减少维修费用四、提高材料耐久性的措施1）设法减轻大气或周围介质对材料的破坏作用2）提高材料本身的密实度3）在材料表面覆盖，增设保护层来保护主体材料免受侵蚀1.3材料的耐久性与环境协调性第57页/共65页1.4材料的组成和结