《建筑材料》-第一章　建筑材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质第一节建筑材料的物理性质第二节建筑材料的力学性质第三节建筑材料的耐久性返回第一节建筑材料的物理性质一、材料与质量有关的性质１.密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积所具有的质量。按下列公式计算：绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除钢材、玻璃等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙，如砖、石材等块状材料。在测定有孔隙的材料密度时，应当把材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥至恒重后，用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可以视为材料在绝对密实状态下的体积。材料磨得越细，测得的密度值就越精确。下一页返回第一节建筑材料的物理性质２.表观密度表观密度是指材料在自然状态下单位体积所具有的质量。按下列公式计算：材料在自然状态下的体积又称表观体积，是指包含材料内部孔隙在内的体积。对于外形规则的材料，其测定很简便，只要测得材料的质量和体积，即可算得表观密度；对于外形不规则材料的体积，可以采用排液法测量其静观体积，再按照公式求得，但以防水分渗入材料内部而影响测定值，在材料表面应预先涂上蜡。当材料含有水分时，其质量和体积将发生变化，影响材料的表观密度。故在测定表观密度时，应当注明其含水情况。一般情况下，材料的表观密度是指材料在气干状态（长期在空气中的干燥状态）下的表观密度。上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质３.堆积密度堆积密度是指散粒材料或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量。按下列公式计算：散粒材料在堆积状态下的体积，既含颗粒内部的孔隙，也包含了颗粒内部的孔隙和颗粒之间的空隙。测定散粒材料的堆积密度时，材料的质量是指在一定容积的容器内的材料质量。其堆积体积是指所用容器的容积。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。表１-１列举了常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度。上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质４.密实度与孔隙率（１）密实度。密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度。按下列公式计算：（２）孔隙率。孔隙率是指散粒状或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。按下列公式计算：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质材料孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。其大小取决于材料的结构构成及制造工艺。材料的许多工程性能如强度、吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性等都与孔隙率的大小和孔隙特征有关。孔隙率越小，说明材料越密实。工程中对需要保温隔热的建筑物或部位，要求其所用材料的孔隙率应较大；相反，对要求高强或不透水的建筑物或部位，则其所用的材料孔隙率应当很小。５.填充率与空隙率（１）填充率。填充率是指散粒材料在某堆积体积中被其颗粒填充的程度。按下列公式计算：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质（２）空隙率。空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的百分率。按下列公式计算：空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。空隙率越大，颗粒之间的空隙越大。在混凝土和砂浆所用砂石的一些计算中，空隙率可作为控制混凝土集料级配及计算砂率的依据。为了改善材料的性能，节约水泥，宜选用孔隙率较小的砂、石。上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质二、材料与水有关的性质１.亲水性与憎水性材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料，如砖、混凝土、木材、砂、石等。材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲和力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性，如沥青、石油等。２.吸水性与吸湿性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法，即质量吸水率和体积吸水率。上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质（１）质量吸水率。质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率。其计算公式为：（２）体积吸水率。体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收水分的体积占干燥材料总体积的百分率。其计算公式为：质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质材料的吸水率反映了材料在标准测试方法下吸收水分的能力，是一个固定值。常用的建筑材料，其吸水率一般用质量吸水率表示。对于某些轻质材料，如加气混凝土、木材等，由于其质量吸水率往往超过１００％，一般采用体积吸水率表示。（３）吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示，按下列公式计算：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质材料的含水率随空气的温度、湿度变化而改变。材料既能在空气中吸收水分，又能向外界释放水分，当材料中的水分与空气的湿度达到平衡的含水率时就称为平衡含水率。材料吸水后，会导致自重增加、保温隔热性能降低、强度和耐久性产生不同程度的下降。材料含水率的变化会引起体积的变化，影响使用。材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。（５）抗渗性。抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性以渗透系数或抗渗等级表示，按下列公式计算：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质（６）抗冻性。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，强度不严重降低且质量也不显著减小的性质。材料的抗冻性用抗冻等级表示。材料的抗冻等级可分为Ｆ１５、Ｆ２５、Ｆ５０、Ｆ１００、Ｆ２００等，分别表示此材料可承受１５次、２５次、５０次、１００次、２００次等的冻融循环。材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。一般情况下，密实的材料、具有闭口孔隙且强度较高的材料，有较强的抗冻能力。材料抗冻等级的选择，是由结构物的种类、使用条件以及气候条件等来决定的。上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质三、材料与热有关的性质１.导热性导热性是指材料传导热量的性能，用导热系数表示。材料导热性的大小用热导率λ表示。热导率λ是指厚度为１ｍ的材料，当两侧温差为１Ｋ时，在１ｓ时间内通过面积为１ｍ２的热量。按下列公式计算：２.热容量和比热容热容量是指材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。其计算公式为：上一页下一页返回第一节建筑材料的物理性质比热犮是真正反映不同材料热容性差别的参数，可以由下列公式导出：热容量大小用比热容表示，１ｇ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。材料的比热容反映材料吸热和放热能力的大小。选择高热容材料作为墙体、屋面、内装饰，在热流变化较大时，对稳定建筑物内部温度变化有重要意义，能保持建筑内部温度的稳定性。上一页返回第二节建筑材料的力学性质一、材料的强度、强度等级和比强度１.强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。材料破坏时，建筑材料受外力作用时，内部就产生应力。外力增加，应力相应增大，应力达到的极限值称为材料的极限强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯（折）强度等，如图１-１所示。（１）抗压（拉、剪）强度。材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，均可按下列公式计算：下一页返回第二节建筑材料的力学性质（２）抗弯（折）强度。材料的抗弯（折）强度与材料受力情况有关，对于矩形截面试件，若两端支撑，中间承受荷载作用，则其抗弯（折）强度按下列公式计算：强度是材料的主要技术性质之一。材料的强度与其组成及结构有关。相同种类的材料，其组成、结构特征、孔隙率、试件形状、尺寸、表面状态、含水率、温度及试验时的加荷速度等，对材料的强度都有影响。不同材料的各种强度是不同的，常用建筑材料的各种强度值见表１-２。上一页下一页返回第二节建筑材料的力学性质２.强度等级对于以强度为主要指标的材料，通常按材料强度值的高低划分成若干等级，称为强度等级。强度等级是人为划分的，是不连续的。根据强度划分强度等级时，规定的各项指标都合格，才能定为某强度等级，否则就要降低级别。而强度具有客观性和随机性，其试验值往往是连续分布的。强度等级越高的材料，承受的荷载越大。一般脆性材料按抗压强度划分强度等级；塑性材料按抗拉强度划分强度等级。例如，水泥、石材、砖和砌块、砂浆、混凝土等主要的承重材料，其强度等级主要依据其抗压强度来划分；而建筑钢材在实际应用中主要承受拉力荷载，因此其强度等级依据其屈服强度来划分。上一页下一页返回第二节建筑材料的力学性质３.比强度比强度是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。它是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度，几种常用建筑材料的比强度见表１-３。二、材料的弹性与塑性１.弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。其值的大小与外力成正比。上一页下一页返回第二节建筑材料的力学性质２.塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料不能恢复到原来形状，但不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形属于永久性变形。三、材料的韧性与脆性１.韧性材料在冲击荷载或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧度指标表示。具有这种性质的材料称为韧性材料。建筑钢材（软钢）、木材、塑料等是较典型的韧性材料。对于路面、桥梁、起重机梁及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。上一页下一页返回第二节建筑材料的力学性质２.脆性材料受外力作用，当外力达到一定限度时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显塑性变形的这种性质称为脆性，具有脆性的材料称为脆性材料，如石材、烧结普通砖、混凝土、铸铁、玻璃及陶瓷等。脆性材料的抗压能力很强，其抗压强度比抗拉强度大得多，可达十几倍甚至更高。脆性材料抗冲击及动荷载能力差，故常用于承受静压力作用的建筑部位，如基础、墙体、柱子、墩座等。上一页下一页返回第二节建筑材料的力学性质四、材料的硬度与耐磨性１.硬度硬度是指材料表面耐较硬物体刻画或压入而产生塑性变形的能力。一般来说，硬度大的材料耐磨性较强、强度较高，但不易机械加工。不同材料其硬度的测定方法不同，常用的方法有刻画法、压入法。木材、金属等韧性材料的硬度，一般采用压入法来测定。２.耐磨性耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力，用磨损率表示，它等于试件在标准试验条件下磨损前后的质量差与试件受磨表面积之商。磨损率越大，材料的耐磨性越差。材料的硬度大、韧性好、构造均匀致密时，其耐磨性较强。地面、路面等经常受摩擦的部位要求材料具有较好的耐磨性。上一页返回第三节建筑材料的耐久性１.环境影响因素材料在建筑物使用过程中长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用。因此，影响材料耐久性的因素，除材料本身的化学成分和组成性质、结构和构造特征等内在因素外，还包含物理作用、化学作用、机械作用、生物作用等外在因素。（１）物理作用包括材料的干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用；在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。（２）化学作用包括大气、环境水以及酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用，使材料产生质的变化而破坏。下一页返回第三节建筑材料的耐久性（３）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、磨损、磨耗等。（４）生物作用包括菌类、昆虫等的作用使材料腐朽、蛀蚀而破坏。２.提高材料耐久性的措施材料的耐久性直接影响建筑物的安全性和经济性。提高材料的耐久性，一方面要依据工程的重要性，合理选材、用材；另一方面要采取相应的保护措施，提高材料的表面密实度，增加保护层，提高材料的耐久性。耐久性良好的建筑材料，才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用