1. 建筑材料基本性质.ppt

1、建筑材料的基本性质,内容： 补充知识1:材料的组成、结构、构造及其与材料性质的关系 1.2 基本状态参数(与质量有关的性质) 1.3 材料的基本力学性质 1.4 材料与水有关的性质 1.5 材料的热工性质 1.6 料的耐久性,补充知识1 材料的组成、结构、构造及其与材料性质的关系,一、材料的组成 二、材料的结构 三、材料结构,一、材料的组成,（一）化学成分：组成材料的化学元素 材料的组成既决定材料的化学性质，也决定着材料的物理力学性质。在生产使用时，可根据对材料性能的要求，调整或改变其化学组成，以及根据材料的组成来选用材料 （二）矿物成分：有一定化学成分和结构特征的化合物或单质 （三）其它概念

2、：如组分,二、材料的结构,结构指材料的 微观组织状态 分为：晶体结构（1nm）、 玻璃体结构 胶体结构（1100nm）。,（一）晶体结构 1、定义：内部质点在三维空间是按一定周期性重复排列的固体，或者是具有各自构造的固体。,2、举例： 钢和铝合金；石膏；水泥中的矿物,3、结合方式： 离子晶体 共价键晶体 金属晶体 分子晶体,4、共有特点： 单晶体：各向异性；多晶体：各向同性； 固定熔点 内能最小 破坏时有解理面,（二）非晶体结构（玻璃体） 1、定义：质点排列杂乱无章的固体。 晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化,2、举例：粉煤灰；普通玻璃；部分矿渣,3、特点： 各向异性 无固定熔点 具有化学活

3、性 破坏时无解理面,（三）胶体结构 1、定义一些细小的固体离子（直径约1100nm）分散在介质中所形成的 结构。一般属非晶体。,3、特点： 1）粘结力大：胶体质点微小，总表面积很大，吸附能力很强。,2、举例： 新拌水泥桨、石灰、石膏、沥青等材料,2）凝胶具有触变性：凝胶由部分胶粒一范德华力结合，故再外部剪力作用下，结构会破坏，取消外力，结构重新恢复的性质。 新拌水泥桨、石灰、石膏、沥青等材料均具有触变性粘结力大,材料的结构和构造,（1）宏观结构；（2）细观结构；（3）微观结构,（1）宏观结构：用肉眼或放大镜能够分辨的毫米级以上的粗大组织；,四、 材料的孔隙,孔隙与空隙 孔-（材料实体内部的空间

4、）空-材料实体之间 孔隙特征：形状、开口、封闭、连通 孔隙空大小 孔隙的直径 粗大孔 mm级 影响 密度；强度 矿渣 毛细孔 m-mm级 影响 吸水；抗冻 石膏 细微孔 m级 影响 吸水；抗冻 瓷器；细陶,1.2 材料基本状态参数 (与质量有关的性质),内容： 1.2.1 材料的密度、视密度（表观）、体积密度和堆 积密度 1.2.2 材料的孔隙和空隙,1.2.1 基本状态参数(与质量有关的性质),1、实际密度（密度）材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 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）,实际密度的测

5、量,绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙在内的体积。 实际密度的测量： 1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等 量测几何体积称重代入公式 2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材 磨成细粉 李氏比重瓶法测试,表观密度（视密度）,视密度材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 表观密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V=V+Vb散粒材料在自然状态下不含开口孔隙的体积（cm3）如:砂；石,2、体积密度（容重）材料在自然状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 o体积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） Vo材料在自然状态下的

6、体积（cm3） Vo V Vp Vp Vb Vk,体积密度的测量,自然状态下的体积 Vo是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况 体积密度的测量： 1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材 烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料： 烘干蜡封浮力天平,3、堆积密度（松散容重）散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 公式： 式中 /o堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V/o材料的堆积体积（cm3）,堆积密度的测量,堆积体积是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。 堆积密度的测量：

7、1）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 2）自然堆积法： 堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式,常用材料的状态参数,见教材,1.2.2 孔隙和空隙,1、密实度指材料体积内被固体物质所充实的程度。反映材料的致密程度。 公式 影响材料的： 强度 吸水性 耐久性 导热性,2、孔隙率指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。 公式 孔隙率与密实度的关系 P+D=1 孔结构孔隙率孔径尺寸开口形状 影响材料的：强度、 吸水性、耐久性、 导热性,3、填充率指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。反映散粒材料堆积的致密程度。 公式,4、空隙率散粒材料在某容器的堆积

8、体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率。 公式 空隙率与填充率的关系 P/+D/=1,例题,1已知卵石的体积密度为2.6 g/cm3，把它装入一个2m3 的车厢内，装平时共用3500kg。求该卵石的空隙率为多少?若用堆积密度为1500kg/m3的砂子，填充上述车内卵石的全部空隙，共需砂子多少kg? 解： /o =3500/2=1750kg/m3 P=（1- /o/0）100%=（1-1.75/2.6) 100%=32.7% mS=232.7%1500=980.8 kg,例1-2 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、体积密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此

9、石子的孔隙率与空隙率？ 解 石子的孔隙率P为：,石子的空隙率P，为：,1.4、材料与水有关的性质,1.4.1 亲水性与憎水性 材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角表示。 亲水性材料 90 憎水性材料 90,润湿角,润湿角示意图,1.4.2、吸水性,1.4.2、吸水性材料在浸水情况下吸入水分的能力。用吸水率表示。 公式 式中 Ww材料的质量吸水率（） m湿材料吸水饱和后的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g）,影响吸水率大小的因素： a) 材料的本性亲水性或憎水性材料 b)材料的孔结构孔径大小、开口与 否、孔隙率大小等 吸水性对材料的影响：

10、 a)导热性增大、热阻降低对围护结构材料不利 b)强度降低、体积膨胀,与水有关的性质,吸湿性材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。 公式 式中 W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的质量（g） m干材料烘干到恒重的质量（g）,影响含水率大小的因素： a)材料的本性亲水性或憎水性材料 b)环境温度、湿度气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高 吸水性对材料的影响： 导热性增大、热阻降低对围护结构材料不利 体积膨胀对木结构和木制品不利 湿胀干缩 与周围环境平衡的平衡含水率,1.4.4 耐水性,1.4.4 耐水性材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。 公

11、式 式中K软材料的软化系数（K软01） f饱材料在饱水状态下的抗压强度（MPa） f干材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）,材料软化系数的要求,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。 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软0.75； K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。,例1-3 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

12、0.85，故该石材可用于水下工程。,1.4.5 抗渗性,5、抗渗性材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。 依达西定律 式中K材料的渗透系数（ml/cm2.s） W透过材料试件的水量（ml）(或者用Q表示) t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm）或者水头差 d试件的厚度（cm）,抗渗等级,渗透系数越大，材料的抗渗性越差。 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S或P)表示： S=10H1 H试件开始渗水时的水压力（MPa） 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。,1

13、.4.6 抗冻性,抗冻性材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。用抗冻等级F表示。,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水 水冰体积膨胀9，结冰压力高达100MPa 结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂 裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度 饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏 反复多次进一步加剧最终材料崩溃 严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏,冻融破坏的桥梁,海上钻井平台,大贝尔特海峡工程（Denmark 丹 麦）,Highway Bridge in Service of 20 Years 使用20年

14、的高速公路桥梁,热工性质,1.5.1 热容量材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。大小用比热容（比热）表示 公式 Q=cm(T2T1) 式中 Q材料吸收或放出的热量（J） c材料的比热(J/g.K) m材料的质量（g） (T2T1) 材料受热或冷却前后的温差（K),比热的建筑物理意义,材料的 比热对保持建筑物内部温度稳定有很大关系，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不匀时，缓和室内温度的波动。 常见材料的比热（单位 J/g.K ） 钢材 c=0.48 空气 c=1.00 木材 c=2.72 水 c=4.18,1.5 材料的热工性质,1.5.2 导热性材料传导热量的能力称为

15、导热性。其大小用热导率（）表示。 公式 式中 热导率（W/m.K） 热阻 R=1/ Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） 材料的厚度（m）或用d表示 t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K）,热工性质,材料的热导率(导热系数)越小，绝热性能越好。 影响热导率的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使降 材料的含水情况含水、结冰使增 常见热导率参数： 泡沫塑料 0.035 水 0.58 大理石 3.5 冰 2.2 钢材 58 空气 0.024 混凝土 1.51 松木 1.170.35,材料的热工要求,保温防止室内热量的散失 隔热防止外部热量的进入 统称为绝热 为构筑舒适的室内空间，

16、对材料要求 热阻（R1/）要大，即热导率要小 比热要大 窑洞（生土建筑）,1.5.3 热变形性,3、热变形性 定义：材料随温度变化其尺寸的变化 指标： -材料在常温下的平均线膨胀系数 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）,土木工程中，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。 注意：隔热、

17、保温材料要防潮、防冻。,1.3 材料的基本力学性质,内容： 1.3.1 材料的强度、比强度 1.3.2 材料的弹性与塑性 1.3.3 材料的脆性与韧性 1.3.4 材料的硬度与耐磨性,材料从理论上分析，所能承受的最大应力，称为理论强度，它是克服固体内部结合力，形成两个新表面能所需的力。材料的宏观强度是通过实际测定得出的，又称为实际强度。 实际强度远远低于理论强度，因为实际工程所用材料都有某些缺陷。因而减少材料的缺陷（如降低孔隙率）是提高材料强度的一条有效途径。,1.3.1 (1)强度的微观概念*,理论抗拉破坏原因：拉力造成结合键断裂； 理论剪力破坏原因：剪力造成质点间的滑移； 理论压力破坏原因

18、：不可能发生。 实际抗拉强度 理论抗拉强度 实际压力破坏是因压应力引起拉压力、剪应力引起,1.3.1 (2) 强度宏观概念*,强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。 依受力形式有： 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度等 不同材料的承载特点是不同的： 混凝土、石材、砖抗压强度高 钢材、各类纤维抗拉强度高,材料的力学性质,一、材料的强度：,1，材料的强度,材料的强度是指材料在外力作用下 不破坏时所能承受的最大应力；,(3) 强度等级与比强度,建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。 如 混凝土按抗压强度划分为 C7.5C60 水泥按抗压和抗拉强度划分为32.57

19、2.5 砂浆按抗压强度划分为M2.5M20六个等级 热轧钢筋按屈服强度划分、级,比强度f/,1.3.2 材料的弹性与塑性,弹性材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 弹性模量 E=/ 塑性材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。,低碳钢的曲线,分段的弹性变形和塑性变形,混凝土的曲线,同时进行的弹性变形和塑性变形,1.3.3 材料的脆性与韧性,脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材

20、）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。 韧性在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑 等都要考虑其材料韧性,徐变 材料在长期不变荷载载作用下，变形随 着时间的延长而逐渐增长的现象称为徐变。,1.3.4 . 材料的硬度与耐磨性,硬度是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划产生塑性变形的能力。 莫氏硬度（10级） 1滑石 2石膏 3方解石 4 萤石 5磷石灰 6正长石 7 石英 8黄玉 9刚玉 10金刚石 肖氏硬度 布氏硬度（HB）,耐磨性,耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。常用磨损率（B）表示。 公式 式中 m1、m2试件被

21、磨损前后的质量（g） A试件受磨损的面积（cm2） 道路、地面、踏步、水库泄洪道、缢流面等,自测题 一、填充题 1、材料的密度是指材料在（）状态下单位体积的质量；材料的容重是指材料在（）状态下单位体积的质量。 2、材料的吸水性大小用（）表示，吸湿性大小用（）表示。 3、材料的耐水性是指材料在长期（）作用下，（）不显著降低的性质。 4、材料的耐水性可以用（）系数表示，其值=（）。该值越大，表示材料的耐水性（）。 5、同种材料的孔隙率越（），其强度越高。当材料的孔隙一定时，（）孔隙越多，材料的保温性能越好。 6、影响材料强度试验结果的主要因素有（）、 （）、（）、（）和（）等。,1.6 材料的耐久

22、性,定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。 破坏作用: 1、物理作用：干、湿变化，温度变化，冻融循环； 2、化学作用：酸、碱、盐、气体侵蚀； 3、生物作用：昆虫、菌类的侵蚀作用。 包括： 抗冻性混凝土、砖、石材(D) 抗渗性混凝土、砖、石材(S) 抗碳化性混凝土、砖、石材(T) 耐化学腐蚀金属材料(H) 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材,侵蚀介质,物理介质温度、湿度、冻融、阳光、辐射 化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气 生物介质昆虫、菌类、白蚁 机械介质荷载、冲击、震动、磨损、磨耗 如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等,耐久性的特点,长期性、后期加剧作用； 多种介质同时作用； 材料劣化结构失效服务寿命降低,西直门桥,冻融破坏的水库坝面,冻融破坏的桥梁,二、选择题：