建筑材料的基本性质

1、第二章 建筑材料的基本性质,基本性质主要包括物理性质、力学性质、耐久性、装饰性、防火性、防放射性等 物理性质包括密度、密实性、空隙率（计算材料用量、构件自重、配料计算、确定堆放空间） 力学性质包括强度、弹性、塑脆韧性、硬度。,建筑材料在建筑物的各个部位的功能不同，均要承受各种不同的作用，因而要求建筑材料必须具有相应的基本性质。,第一节 建筑材料的物理性质,一、 材料的密度、表观密度与堆积密度,二、 材料的密实度、孔隙率与空隙率,三、 材料与水有关的性质,四、 材料的热工性质,一、 材料的密度、表观密度与堆积密度 密度是指物质单位体积的质量。单位为g/cm3或kgm3。由于材料所处的体积状况不同

2、，故有实际密度（以前称为真密度）、表观密度和堆积密度之分。 .实际密度(Density) 以前称比重、真实密度(True Density)，简称密度(Density)。 实际密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。,式中： 实际密度（g/cm3） m 材料的质量（g） V 材料在绝对密实状态下的体积（cm3 ）,绝对密实状态下的体积的测定： 近于绝对密实的材料（金属、玻璃等）：直接以排水法测定； 有孔隙的材料（砖、混凝土、石材）：将材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为绝对密实状态下的体积。,.实际密度(Density),李氏瓶,.

3、表观密度 (Apparent Density） 也称容重 ，是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：,式中 0材料的表观密度（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，或称表观体积 （cm3或 m3 ）, 包含内部空隙在内的体积（规则几何形状、松散体积用排液法）,作用：计算构件的自重,3 堆积密度 散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。可用下式表示,式中 0 散粒材料的堆积密度（g/cm3或 kg/m3 ） m 散粒材料的质量（g或 kg） v 0，材料在自然状态下的堆积体积（cm3或 m3 ），它包含内部和颗粒之间的

4、空隙。 思考：实际密度、表观密度和堆积密度之间的大小关系如何？,计算材料的堆放空间,二、 材料的孔隙率与空隙率 1. 密实度（Dense） 密实度是指材料的固体物质部分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，按下式计算：,2.孔隙率（Porosity） 孔隙率材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P）。可用下式表示：,P+D=1 孔隙按大小分为粗孔和细孔，按特征分为连通孔隙和封闭孔隙，它与材料的吸水性、强度、抗渗性、抗冻性等性质有关。 3.空隙率（Interstice ） 散颗材料（如砂、石子）堆积体积（V0）中，颗粒间空隙体积所

5、占的百分率称为空隙率（P），可用下式表示为,二、 材料的孔隙率与空隙率,三、 材料与水有关的性质,（一）亲水性与憎水性 1.概念 亲水性：材料能被水润湿的性质，如砖、混凝土等。 材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水分子之间的亲合力大于水分子之间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲合力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性。憎水性材料如沥青、石油等。 问题： 亲水性材料与憎水性材料在实际工程中有何意义？,当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交界点，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角 。,材料的润湿示意图,2. 润湿边角 材料被水湿润的

6、情况可用润湿边角来表示。,（一）亲水性与憎水性,3.亲水性材料与憎水性材料 用润湿边角来反映 角愈小，表明材料愈易被水润湿。 当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。 90时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。 当=0时，表明材料完全被水润湿。 上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。,材料的润湿示意图 （a）亲水性材料；（b）憎水性材料,（二） 材料的吸水性与吸湿性 1.吸水性(Water Absorption) 材料在水中能吸收水分的性质称吸水性。材料的吸水性用吸水率(Ratio of Water Absorption)表

7、示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。 （1）质量吸水率 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用下式计算：,式中 Wm材料的质量吸水率（）； mb材料在吸水饱和状态下的质量（g）； mg材料在干燥状态下的质量（g）,材料的吸水率： 花岗岩的吸水率：0.5%0.7%； 混凝土的吸水率：2%3%； 粘土砖的吸水率：8%20%； 木材的吸水率：可超过100%。,花岗岩,1.吸水性,（2）体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用公式表示如下,式中 wv材料的体积吸水率（）； V0干燥材料在自然状态下的体积（

8、cm3）； w水的密度（g/cm3） 工程用建筑材料一般采用质量吸水率，质量吸水率与体积吸水率的关系,材料的吸水性与其亲水性、疏水性、孔隙率大小、孔隙特征有关。,2.吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。 潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。 材料的吸湿性用含水率表示。 含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示为,式中 Wh材料的含水率（） ms 一材料含水时的质量（） mg 材料干燥至恒重时的质量（） 材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变。,例：某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm50mm50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态

9、下的质量分别为325g，325.3g，326.1g，并测得该岩石的密度为2.68g/cm3。试求该岩石的体积吸水率、质量含水率、绝干表观密度、孔隙率。,=1-2.6/2.68=2.98%,1.1/125=0.88%,=0.3/325=0.092%,=325/125=2.6 g/cm3,解：,V0555125cm3 m含325.3g m干325g m饱326.1g w1g/cm3,解：因m干=482g,m饱=487g，V=630-452=178cm3 Vo 178+5=183cm3,例：岩石试件经完全干燥后，其质量为482g，将放入盛有水的量筒中，经一定时间岩石吸水饱和后，量筒的水面由原来的45

10、2cm3上升至630cm3。取出岩石，擦干表面水分后称得质量为487g。试求该岩石的密度、表观密度及质量吸水率？(假设岩石内无封闭空隙),故：=m干/V=482/178=2.71g/cm3 o=m干/Vo=482/(178+5)=2.63g/cm3 Wm=(m饱-m干)/m1100% =(487-482)/482100%=1%,思考题： 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？,（三）材料的耐水性(Water Resistance),材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的

11、耐水性用软化系数表示，如下式：,式中: kR 材料的软化系数； fb材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）； fg材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,软化系数KR的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。 一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。 kR小耐水性差。,材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的波动范围在0至1之间。 工程中通常将0.80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 。,（三）材料的耐水性(Water Resistance),关于耐

12、水性不正确的 。 A、有孔材料的耐水性用软化系数表示 B、材料的软化系数在01之间波动 C、软化系数大于0.80的材料称为耐水材料。 D、软化系数小于0.80的材料称为耐水材料。 E、软化系数越大，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差,答案：DE,例： 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。 解 该石材的软化系数为:,由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。,（四）材料的抗渗性(penetration Resistance),材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不

13、透水性。 材料的抗渗性通常用渗透系数表示。 渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为,式中 Ks材料的渗透系数（cm/h）； Q渗透水量（cm3）； d材料的厚度（cm）； A 渗水面积（cm2）； t渗水时间（h）； H静水压力水头（cm）。,实质上就是达西定律,Ks值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。,材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。 抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号Pn表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的MPa数，如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、

14、0.8MPa的水压而不渗水。 材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。,（四）材料的抗渗性(penetration Resistance),我国现行抗渗等级的确定，是以龄期为28d的圆台体试件(高150mm、底面直径185mm、顶面直径175mm)来做抗渗试验，并定出抗渗等级。抗渗圆柱体试件每组为六个，试验时，当试件只有两个试件表面开始发现渗水现象时的水压力值(以MPa计)，就称为该混凝土的抗渗等级，用符号P来表示。,混凝土抗渗仪,混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力。,（四）材料的抗渗性(pen

15、etration Resistance),（五）材料的抗冻性（Frost Resistance）,材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。,材料的抗冻性用抗冻等级表示。 抗冻等级：以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数。 用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。 材料的抗冻等级可分为15、25、50、100、200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,如混凝土抗冻等级15是指所能承受的最大冻融次数是15次(在-1

16、5的温度冻结后，再在20 的水中融化，为一次冻融循环)，这时强度损失率不超过25，质量损失不超过5。,（五）材料的抗冻性（Frost Resistance）,混凝土抗冻等级D15号中的15是指( )。 A承受冻融的最大次数为15次 B冻结后在15C的水中融化 C最大冻融次数后强度损失率不超过15 D最大冻融次数后质量损失率不超过15,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。 材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。,A,（五）材料的抗冻性（Frost Resistance）,四、 材料的热工性质 1. 导热性 当材料两面存在温度差时，热量从材料

17、一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数 表示。导热系数的定义和计算式如下所示：,式中导热系数，（）；传导的热量，材料厚度，；热传导面积，m2一热传导时间，h；（t2-t1）材料两面温度差，K,在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1)的热量。,四、 材料的热工性质,几种典型材料的热工性质指标,四、 材料的热工性质,Return,影响导热系数的因素,无机材料的导热系数大于有机材料； 材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小同类材料的孔隙率是随体积密度的件小而增大,则导热系数随体积密度的减小而减小； 导热系

18、数与孔隙形态特征的关系,认为有微细而封闭孔隙组成的材料,导热系数小,反之大； 材料的含水率增加,导热系数也增加。,四、 材料的热工性质,2. 热容量和比热材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示：,式中C-材料的比热，J/（gK）Q-材料吸收或放出的热量(热容量)m-材料质量，g（t2 - t1）-材料受热或冷却前后的温差，K,四、 材料的热工性质,比热是反映材料的吸热和放热能力的理量。不同材料的比热不同，它对保持建筑物内部温度温度有很大的意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不

19、均匀时，缓和室内的温度波动。,Return,五. 材料的温度变形 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（）。,材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为：L =（t2 - t1） L式中L-线膨胀或线收缩量 （mm 或 cm）(t2-t1）-材料升（降）温前后的温度差（）-材料在常温下的平均线膨胀系数() L-材料原来的长度（或）,建筑工程中，对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化，因此，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。材料的线膨胀系数与材料

20、的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。,第二节 材料的力学性质,一、材料的强度与等级 （一）材料的强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。 根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。,材料的力学性质系指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。,材料的强度分类及受外力作用示意图,（一）材料的强度,（二）材料的等级,建筑材料常按其强度值的大小划分为若干个等级。 如： 烧结普通砖按抗压强度分为六个等级：Mu30、 Mu25、 Mu20、 Mu15、 Mu10、 Mu7.5

21、； 硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个等级：42.5、52.5、62.5、 42.5R、52.5R、62.5R； 普通混凝土按其抗压强度分为十四个等级：C15、C10、C80等 碳素结构钢按其抗拉强度分为五个等级，如Q235等等。,（三）材料的比强度 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。 对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。 比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质的结构材料，必须具有较高的比强度。,（四）材料的弹性与塑性 弹性：外力变形卸外力变形完全恢复 材料的弹性用弹性模量表示 塑性：外力变形卸外力变形不完全恢复,弹塑性材料的变形曲线,软钢

22、的应力应变曲线,砼的应力应变曲线,（五）材料的脆性与韧性 脆性：材料在外力作用下至破坏前无明显塑性变形而突然破坏的性质。脆性材料抗动载能力差，但抗压强度高。如砖、混凝土、玻璃等。 韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能承受很大变形也不致破坏的性能。如钢材、木材等。,（六）硬度和耐磨性 1.硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。 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，分为个硬度等级。,回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。,1.硬度,原理：回弹仪的弹击锤被一定的弹力打击在混凝土表面上，其回弹高度（ 通过回弹仪读得回弹值）与混凝土表面硬度成一定的比例关系。,回弹仪,2.耐磨性 耐磨