建筑材料（第2版）-第2章

２.１建筑材料的物理性质２.１.１密度、表观密度和堆积密度１.材料的密度ρ材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。其计算公式为：材料在绝对密实状态下的体积是指不包含材料内部孔隙的实体体积。除了钢材、玻璃、沥青等少数材料外，多数材料在自然状态下均含有一些孔隙。在测定有孔隙材料的密度时，先把材料磨成细粉，烘干至恒重，然后用李氏瓶测得其实体体积，用式（２-１）计算得到密度值。材料磨得越细，测得的体积越真实，得到的密度值也越精确。下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.材料的表观密度ρ０材料的表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。其计算公式为：材料在自然状态下的体积，是指包括实体和内部孔隙的外观几何形状的体积。对于形状规则的材料，可直接测量其体积；对于形状不规则的材料，为防止液体由空隙进入材料内部而影响测量值，应在表面封蜡，然后再用排液法测量体积；对于混凝土用砂石骨料，直接用排液法测量体积，此时的体积是实体积与闭口孔隙体积之和，近似代替自然状态下的体积。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料的含水状态变化时，其质量和体积均发生变化。通常表观密度是指材料在干燥状态下的表观密度，其他含水情况应注明。３.材料的堆积密度ρ′０材料的堆积密度是指粒状或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量。其计算公式为：测定散粒材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙体积。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质散粒材料的堆积体积会因堆放的疏松状态不同而异，必须在规定的装填方法下取值。因此，堆积密度又有松散堆积密度和紧密堆积密度之分。常见的建筑材料密度见表２-１。２.１.２孔隙率与密实度１.材料的孔隙率狆大多数建筑材料的内部都含有孔隙，这些孔隙会对材料的性能产生不同程度的影响。材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表征，孔隙率是指材料内部孔隙体积占自然状态下的材料总体积的百分率。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.材料的密实度犇材料的密实度是指材料内部固体物质的实体积占自然状态下的材料总体积的百分率。孔隙率和密实度反映了材料的致密程度，孔隙率的大小及孔隙特征（包括孔隙大小、是否连通、分布情况等）对材料的性质影响很大。一般而言，同一种材料孔隙率越小，连通孔隙越少，其强度越高，吸水性越小，抗渗性和抗冻性越好，但其导热性越大。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.１.３空隙率与填充率１.材料的空隙率p′散粒材料颗粒间的空隙多少常用空隙率表示。材料的空隙率是指散粒材料颗粒间的空隙体积（Vｓ＝V′０－V０）占堆积体积的百分率。空隙率的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含砂率的依据。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.材料的填充率D与空隙率相对应的是填充率，即颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率。综上所述，含孔材料的体积组成如图２-１所示，散粒状材料的体积组成如图２-２所示。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.１.４与水有关的性质１.材料的亲水性与憎水性与水接触时，由于水分与材料表面之间的相互作用不同会产生如图２-３（ａ）、（ｂ）所示的两种情况。图中在材料、水、空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ称为润湿边角。一般认为当θ≤９０°时，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；当θ＞９０°时，材料不能被水润湿而表现出憎水性，这种材料称为憎水性材料。由此可见，润湿边角越小，材料亲水性越强，越易被水润湿，当θ＝０°时，表示该材料完全被水润湿。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.材料的含水状态亲水性材料的含水状态可分为以下四种基本状态，如图２-４所示。（１）干燥状态———材料的孔隙中不含水或含水极微。（２）气干状态———材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡。（３）饱和面干状态———材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和（４）湿润状态———材料不仅孔隙中含水饱和而且表面上被水润湿附有一层水膜。除上述四种基本含水状态外，材料还可以处于两种基本状态之间的过渡状态中。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质３.材料的吸水性与吸湿性（１）材料的吸水性。材料的吸水性是指材料与水接触吸收水分的性质。材料的吸水性用吸水率表示，它有以下两个定义。①质量吸水率。质量吸水率是指材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥质量的百分率。②体积吸水率。体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料的吸水性除取决于所组成的物质外还与它含有孔隙的多少、孔的结构类型紧密相关。一般来说，孔隙率大，吸水性强。封闭的孔隙水分不容易渗入；粗大开口的孔隙，虽然水分很容易进入开口的大孔，但无法存留，只能润湿孔壁，难以吸足水分，所以吸水率不大。空隙率大，具有微细、连通、开口孔隙的材料，吸水性才是最强的。各种材料吸水性相差很大，如花岗石等致密岩石的吸水率为０．５％～０．７％，普通混凝土为２％～８％，黏土砖为８％～２０％，木材或其他轻质材料的吸水率常大于１００％。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质（２）材料的吸湿性。材料在潮湿环境中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，即材料含有水的质量占干燥时材料质量的百分率。其计算公式为：材料与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。含湿状态会导致材料性能的多种变化，在实际工作中，在已知含水率之后，常要求对材料干、湿两种状态下质量的相互换算，这种换算应该从含水率的定义出发，才能准确熟练地完成。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质４.材料的耐水性材料长期在水的作用下能维持原有强度的能力称为耐水性。耐水性一般用软化系数表示。其计算公式为：一般材料吸水后强度均会有所降低。材料的软化系数KＲ在０～１之间，犓Ｒ越接近１，说明该材料耐水性越好。工程中将KＲ≥０．８５的材料称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构所用材料必须保证KＲ≥０．８５，用于受潮较轻或次要结构的KＲ也不宜小于０．７５。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质５.材料的抗渗性材料的抗渗性是指其抵抗压力水渗透的性质。抗渗性用渗透系数表示，渗透系数按照达西定律以下式表示：渗透系数犓反映水在材料中流动的速度。犓值越大，说明水在材料中流动的速度越快，其抗渗性能越差。材料的抗渗性能也可用抗渗等级来表示，抗渗等级用材料抵抗最大水压力来表示。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料的抗渗性不仅与材料本身的亲水性和憎水性有关，而且还与孔隙率及孔隙特征有关。材料的孔隙率越小且封闭孔隙越多，其抗渗性能越强。地下建筑、水工建筑和防水工程所用的材料均要求有足够的抗渗性，应根据所处环境的最大水力梯度提出不同的抗渗指标。６.材料的抗冻性材料的抗冻性是指材料在饱和水状态下，经受多次冻融循环作用而不破坏，其强度也不显著降低的性质。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料的抗冻性用抗冻等级来表示。抗冻等级是以规定的吸水饱和试件，在标准试验条件下，经一定次数的冻融循环后，强度降低不超过２５％、质量损失不超过５％，则此冻融循环次数即为抗冻等级，用Ｆ５０、Ｆ１００、Ｆ１５０等表示，分别表示抵抗５０次、１００次、１５０次冻融循环，而未超过规定的损失程度。冻融循环次数越多，抗冻等级越高，抗冻性能越好。对于冻融的温度和时间，循环次数，冻后损失的项目和程度，不同的材料均有各自的具体规定。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料遭受冻结破坏，主要是由于浸入其孔隙的水结冰后体积膨胀，对孔壁产生的应力所致。另外，冻融时的温差应力亦产生破坏作用。抗冻性良好的材料，其耐水性、抗温度或干湿交替变化能力、抗风化能力等亦强，因此抗冻性也是评价材料耐久性能的一个重要指标。２.１.５材料的热工性质１.材料的导热性材料的导热性是指材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，常用导热系数λ表示。其计算公式为：上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质材料的导热系数越小，其保温隔热性能越好。影响材料导热系数的因素主要有以下几个方面。（１）材料的组成与结构。一般而言，金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。（２）孔隙率越大即材料越轻，导热系数越小。细小孔隙、闭口孔隙比粗大孔隙、开口孔隙对降低导热系数更为有利，因为避免了对流传热。（３）含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。（４）温度越高，导热系数越大（金属材料除外）。保温材料在存放、施工、使用过程中，需保证为干燥状态。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质２.材料的热容量材料的热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。其计算公式为：比热c是指单位质量的材料升高单位温度时所需热量。材料的比热越大，说明这种材料对保证室内温度的相对稳定越有利。上一页下一页返回２.１建筑材料的物理性质３.材料的热变形性材料的热变形性是指材料在温度变化时的尺寸变化，除个别的情况如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。材料的热变形性常用线膨胀系数表示。其计算公式为：材料的线膨胀系数α越大，表明材料的热变形性越大。材料的热变形性对于土木工程是非常不利的，总体上要求材料的热变形不要太大，在有保温隔热要求的工程中应尽量选用热容量（或比热）大、导热系数小的材料。上一页返回２.２建筑材料的力学性质２.２.１强度与强度等级１.材料的强度材料的强度是指材料在外力（荷载）作用下破坏时能承受的最大应力。由于外力作用的形式不同，破坏时的应力形式也不同。工程中最基本的外力作用如图２-５所示，相应的强度分别为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度。材料的抗拉、抗压、抗剪强度，可用下式计算：材料的抗弯试验一般采用矩形截面试件，在试件跨中作用一集中荷载，其抗弯强度可按下式计算：下一页返回２.２建筑材料的力学性质影响材料的实际强度的因素主要有以下两个方面。（１）材料的内部因素（组成、结构）是影响材料强度的主要因素。（２）测试条件是影响材料强度的另一要素。当加荷速度较快时，由于变形速度落后于荷载的增长，故测得的强度值偏高；而加荷速度较慢时，测得的强度值偏低；当受压试件与加压钢板间无润滑作用时（如未涂石蜡等润滑物时），加压钢板对试件两个端部的横向约束抑制了试件的开裂，因而测得的强度值偏高；试件越小，上述约束作用越大，且含有缺陷的概率越小，故测得的强度值偏高；受压试件以立方体形状测定值高于棱柱体试件测定值；一般温度较高时，测得的强度值偏低。上一页下一页返回２.２建筑材料的力学性质为了使试验结果比较准确且具有可比性，国家规定了各种材料强度的标准试验方法。在测定材料强度时，必须严格按照规定的标准方法进行。２.材料的强度等级、比强度大多数建筑材料可根据其极限强度的大小划分为若干不同等级，称为材料的强度等级。脆性材料如混凝土、水泥、石材等，主要根据其抗压强度来划分等级；塑性材料如钢材等，主要根据其抗拉强度来划分等级。不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度等于材料的强度与其表观密度之比。比强度是评价材料是否轻质高强的指标。几种主要材料的比强度值见表２-２。上一页下一页返回２.２建筑材料的力学性质２.２.２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原来形状的性质称为弹性，这种可恢复的变形称弹性变形。去除外力后，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形。实际上，在建筑材料中，单纯的弹性材料是没有的。有些材料在受力不大的情况下，表现为弹性变形，但受力超过一定限度后，则表现为塑性变形，如建筑钢材中的低碳钢。有些材料如混凝土，在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形消失，而塑性变形保留。上一页下一页返回２.２建筑材料的力学性质２.２.３脆性与韧性材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。大部分无机非金属材料均属于脆性材料，如混凝土、石材、铸铁等。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧性或冲击韧性。常见的韧性材料有建筑钢材、木材、橡胶等。对于承受冲击和振动荷载的结构构件应选用具有较高韧性的材料。上一页下一页返回２.２建筑材料的力学性质２.２.４硬度与耐磨性硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻画的能力。不同材料的硬度测定方法不同。按刻画法，矿物硬度分为１０级（莫氏硬度）。其硬度递增的顺序依次为：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。木材、混凝土、钢材等的硬度常用钢球压入法测定（布氏硬度ＨＢ）。一般来说，硬度大的材料耐磨性较强，但不易加工。耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。在建筑工程中，用于踏步、台阶、地面等部位的材料，应具有较好的耐磨性。一般来说，强度越高、越密实的材料，其硬度较大，耐磨性也较好。上一页返回２.３建筑材料的耐久性材料在环境中使用，除受荷载作用外，还会受到周围各种自然因素的影响，如物理、化学及生物等方面的作用。材料在使用过程中，在各种环境介质的长期作用下，保持其原有性质的能力称为材料的耐久性。材料的组成、结构、性质和用途不同，对耐久性的要求也不同。耐久性一般包括材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、耐溶蚀性、耐光性、耐热性等指标。不同材料所要求保持的主要性质也不相同，如对于结构材料，主要要求强度不显著降低；对装饰材料则主要要求颜色、光泽等不发生显著变化等。下一页返回２.３建筑材料的耐久性金属材料常由化学和电化学作用引起腐蚀和破坏；无机非金属材料常由化学作用溶解、冻融、风蚀、温差、湿差、摩擦等因素中的某些因素单个或综合作用而引起破坏；有机材料常由生物（细菌、昆虫等）作用，溶蚀，化学腐蚀，光、热、大气等的作用而引起破坏。为了提高材料的耐久性，可采取提高材料本身对外界作用的抵抗能力、对主体材料施加保护层、减轻环境条件对材料的破坏作用等措施。上一页返回２.４建筑材料基本性质试验２.４.１表观密度试验１.试验目的表观密度试验的目的是测定几何形状规则材料的表观密度。２.试验仪器与工具（１）天平：感量０．１ｇ。（２）游标卡尺：精度０．１ｍｍ。（３）烘箱：能控温在１０５℃±５℃。（４）其他仪器：干燥器、漏斗、直尺、搪瓷盘等。下一页返回２.４建筑材料基本性质试验３.试验步骤（１）对几何形状规则的材料试件，将其放入１０５℃±５℃烘箱中烘干至恒重，取出置入干燥器中冷却至室温。（２）用卡尺量出试件尺寸（每边测３次，取平均值），并计算出体积V０（ｃｍ３），再称出试样质量m（ｇ）。４.计算规则形状材料表观密度按式（２-１６）计算，以５次试验结果的算术平均值为最后结果，精确至１０ｋｇ／ｍ３。上一页下一页返回２.４建筑材料基本性质试验２.４.２砂的松散堆积密度及紧密堆积密度试验１.试验目的本试验的目的是测定砂自然状态下松散堆积密度、紧密堆积密度及空隙率。２.试验仪器与工具（１）天平：称量１０ｋｇ，感量１ｇ。（２）容量筒：金属制，圆筒形，内径１０８ｍｍ，净高１０９ｍｍ，筒壁厚２ｍｍ，筒底厚５ｍｍ，容积约为１Ｌ。上一页下一页返回２.４建筑材料基本性质试验（３）垫棒：直径１０ｍｍ，长５００ｍｍ的圆钢。（４）烘箱：能控温在１０５℃±５℃。（５）方孔筛：孔径为４．７５ｍｍ的筛一只。（６）其他工具：小勺、漏斗、直尺、浅盘、毛刷等。３.试验准备（１）试样准备：用浅盘装试样约３Ｌ，在温度为１０５℃±５℃的烘箱中烘干至恒重，取出并冷却至室温，筛除大于４．７５ｍｍ的颗粒，分成大致相等的两份备用。上一页下一页返回２.４建筑材料基本性质试验（