建筑材料培训教材78P

1、第一章 建筑材料的基本性质,2010年建筑材料培训教材,问题导入？,选择结构材料关注什么？ 选择保温材料关注什么？ 选择防水材料关注什么？,教学目标,通过本章的学习，了解在不同使用环境下，各类建筑材料的基本性质，并掌握各性质的涵义，影响这些性质的因素。并能联系工程中的实际应用研究和改进材料的性质，对后面具体材料的学习作一个很好的铺垫。,本章内容,第一节 材料的组成、结构及构造 1.1 材料的组成 1.2 材料的结构与构造 第二节 材料的基本物理参数 2.1 基本物理性质 2.2 材料与水有关的性质 2.3 材料与热有关的性质 第三节 材料的力学性质 3.1 强度与比强度 3.2 弹性与塑性 3

2、.3 韧性与脆性 3.3 硬度与耐磨性 第四节 材料的耐久性与环境协调性 4.1 耐久性 4.2 环境协调性,第一节 材料的组成、结构及构造,1. 材料的组成 1.1 化学组成 无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来 表示。 金属材料以元素含量来表示。 化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力 学性质。 1.2 矿物组成 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着 材料的许多重要性质。 矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。 1.3 相组成 材料中结构相近性质相同的均匀部分。,2.材料的结构与构造 2.1 宏观结构（构造）材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨

3、的粗大组织。其尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。宏观构造，按孔隙尺寸可以分为： （1）致密结构，基本上是无孔隙存在的材料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。 （2）多孔结构，是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质材料等。 (3）微孔结构，是指微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。,（4）纤维结构，是指木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。 （5）层状结构，采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填充料的塑料制品等。 （6）散粒结构，是指松散颗粒状结构。比如混凝土骨料、用作绝

4、热材料的粉状和和粒状的添充料。,2.2 微观结构 微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。材料的微观结构，基本上可分为晶体，非晶体与胶体结构。 晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列，具有固定的熔点和化学稳定性 。 非晶体也称玻璃体或无定形体，如无机玻璃。玻璃体是化学不稳定结构，容易与其它物体起化学作用。,胶体结构 粒径为10-7 10-9m的固体微粒（分散相），均匀分散在连续相介质中所形成的分散体系称为胶体。当介质为液体时，称此种胶体为溶胶体；当分散相颗粒极细，具有很大的表面能，颗粒能自发相互吸附并形成连续的空间网状结构时，称此种胶体为凝胶体。 溶胶结构

5、具有较好的流动性，液体性质对结构的强度及变形性质影响较大；凝胶结构基本上不具流动性，呈半固体或固体状态，强度较高，变形性较小。,第二节 材料的基本物理参数,2.1 基本物理性质 2.1.1 材料的体积构成及含水状态 2.1.1.1 材料的体积构成 自然界中的材料，由于其单位体积中所含孔隙形状及数量不同，因而其基本的物理性质参数单位体积的质量也由差别。 块状材料在自然状态下的体积是由固体物质体积及其内部孔隙体积组成的。材料内部的孔隙按孔隙特征又分为开口孔隙和闭口孔隙。闭口孔隙不进水，开口孔隙与材料周围的介质相通，材料在浸水时易被水饱和。见图1-1。 散粒材料是指具有一定粒径材料的堆积体，如工程中

6、常用的砂、石子等。其体积构成包括固体物质体积、颗粒内部孔隙体积及固体颗粒之间的空隙体积。见图1-2。,2.1.1.2 材料的含水状态 材料在大气中或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况，将材料的含水状态分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态及湿润状态4种，见图13。材料的含水状态会对材料的多种性质产生一定影响。,密度： 定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。 表达式： p=m/v （g/cm3 ） m材料干燥时的质量（g） v材料在绝对密实状态下的体积（cm3 ） 即不包括任何孔隙在内的体积。 意义：反映材料的结构状态，例如：用密度控制玻璃的生产。 V的测定： a. 比较密实的材料

7、，如玻璃、钢材等，通常认为其处于绝对密实状态下，直接测其体积； b. 一般多孔材料，如砖，应磨成细粉（粒径小于0.2mm）排除其内部孔隙，用密度瓶测其实际体积；,是否存在绝对密实的材料？,2.1.2 密度、表观密度与堆积密度,表观密度 定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。 表达式： （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，也称表观体积(cm3 或 m3 )。包括材料孔隙在内的体积，既包括开口孔隙，也包括闭口孔隙。 意义：反映材料轻重的量，也与材料的强度有关，是选择结构材料和承重材料的依据。 V0的测量：对形状规则的材料，直接测量； 对形状

8、不规则的材料，蜡封后用排水法测量。,堆积密度 定义：堆积密度指粉状、粒状、或纤维状材料在堆积状态下，单位体积的质量。 表达式： （kg/m3 ） m材料的质量（kg） 堆积体积（m3 ） 的特点：包括了材料间的空隙体积。 的测定：用既定容积的容器测定。,实验1 土木工程材料基本物理性质实验,(1) 实验目的通过材料密度的测试，计算出材料的孔隙率，了解材料的构造特征。(2) 试样制备将试样研磨，用孔径0.2 mm筛子筛分除去筛余物，并放到105110 的烘箱中，烘至恒重。将烘干的粉料放入干燥器中冷却至室温待用。 (3) 实验步骤密度的测定 点击图标演示动画A 在李氏瓶中注入煤油至突颈下部，记下刻

9、度数。将李氏瓶放在盛水的容器中，在试验过程中保持水温为20。B 称取6090 g试样，用漏斗将试样逐渐送入李氏瓶内，使液面上升至接近20 cm3的刻度为止。再称剩下的试样，计算送入李氏瓶中的试样质量m(g)。将注入试样后的李氏瓶液面的读数，减去未注前的读数，得试样得绝对体积V(cm3)。体积密度的测定 点击图标演示动画 A 称取试样质量m及蜡封试件在空气的质量m1，并对试样表面涂蜡。B 在容量瓶中加入适量的水，记录水的体积数V1。C 将试样放入容量瓶中，记录水的体积数V2。,密实度 定义：在材料体积内，固体物质的体积占总 体积的比例。 表达式：,2.1.3.1,孔隙率 定义：材料体积内，孔隙体

10、积占总体积的比例。 表达式： 孔隙率与密实度的关系？ 孔隙率与材料性质的关系？ 材料的强度、材料的表观密度、吸水率、抗渗性、抗冻性、保温性能等。 两个孔隙率相同的同种同体积的材料吸水率是否一定相同？,材料的性质除了与孔的多少有关外，还与孔的特征、孔的形状有关。,孔的特征：包括开口孔和闭口孔，孔隙尺寸的大小、孔的形状、孔隙在材料内部的分布均匀程度等。,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。请问选择何种材料？,A,B,讨论：,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

11、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。,某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前往墙上浇水，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。,案例分析,分析：,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。,填充率,空隙率,填充率 定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比例。 表达式：,2.1.3.2,填充率,空隙率,空隙率 定义

12、：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积的空隙占总体积的比例。 表达式：,试题练习,石膏能否用于砌筑桥墩、大坝？ 建筑红砖能否用作防水材料？ 长期与水接触的建筑部位和潮湿部位对建筑材料有哪些要求？ 与水有关的性质包括：亲水性和憎水性；吸水性和吸湿性；耐水性；抗渗性和抗冻性。,2.2 材料与水有关的性质,2.2.1 亲水性与憎水性 根据材料在空气中与水接触时，能否被润湿分为 亲水性材料：润湿角90 憎水性材料：润湿角90180,建筑中大部分材料属于亲水材料，沥青、石蜡、塑料等属于憎水材料可用作防水材料，也可用于亲水材料的表面处理。,2.2.2 吸水性与吸湿性,材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性，

13、用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。,吸水性,材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。,材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。 对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。 吸水率对材料性质的影响（强度、保温性、抗渗性、抗冻性），例如：瓷砖的吸水率越大，抗冻性越差。 各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸

14、水率可超过100。,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）。 材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。,吸湿性,材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。 材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。 选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？,2.2.3 耐水性,耐水性是指材料长期在饱和水作用下，而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。,一般材料吸水后，强度降低，但降低的程度不同，例如：石膏和混凝土。 因为水分会分散在材料内微粒的

15、表面，削弱其内部结合力，则有不同程度的。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。 软化系数的范围波动在01之间，当软化系数大于0.80时，认为是耐水性的材料。受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物，则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造.,材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗性。 用渗透系数或抗渗等级表示（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），抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pi”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标（抗冻性和抗侵蚀性）。

16、材料的抗渗性与材料内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性优于亲水性材料。 地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。,2.2.4 抗渗性,材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏强度又不显著下降的性质。 用抗冻等级表示。抗冻等级Fi，i表示冻融循环的次数。,2.2.5 抗冻性,思考题:孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？,抗冻性实验通常是将规定的标准试件浸水饱和后，在零下15条件下冻结一定时间，然后在室温的水中融化，进行反复冻融

17、，试件强度降低及质量损失不超过规定值（质量损失不大于5%，强度损失不大于25%），材料表面不明显损伤，所对应的最大循环次数，定为该材料的抗冻等级。,材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。,冻融循环,冻融破坏的表现：表面出现剥落、裂纹、质量损失，强度降低。 冻融破坏的原因：孔隙中水结冰体积膨胀，对孔壁造成压力。,厨房的瓷砖有剥落现象，试分析原因，如何解决？,孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是

18、开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻性不会差。,能源紧缺是一个世界性的问题，建筑行业是个耗能大户，国家规定高层建筑必须采用节能建筑材料，其中包括墙体节能、屋面节能和门窗节能。,2.3 材料的热工性质,建筑节能,保温材料,热工性质,导热性,热容量,定义：材料传导热量的能力（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）。 表示方法：用导热系数表示，导热系数的物理意义是：厚度为1 m的材料

19、，当温度每改变1 K时，在l h时间内通过1 m2面积的热量。用公式表示为 式中 材料的导热系数，w/（mK）；Q 传导的热量，J；a 材料的厚度，m；A 材料传热的面积，m2；Z 传热时间，h；（t1-t2）材料两侧温度差，K 在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（ 越大，传热越快，保温性越差）。,2.3.1 导热性,棉袄浸水后保暖性变差？ 孔多的材料保温性能好？,各种材料的导热系数差别很大，常见建筑材料的导热系数范围是0.0353.5 W(mK)，工程中通常把0.23 W(mK)的材料称为绝热材料（保温和隔热材料）。,常用建筑材料的热工性质指标,影响导热性的因素： 材料的化学组成与结

20、构 化学组成不同的材料，其导热系数不同，所以不同材料的导热系数也不同。 如：一般情况下，导热系数的大小为： 金属材料非金属材料 有机材料 孔隙率和空隙构造特征 一般来说：P，导热性，原因是静止空气的一般材料的。 P一定时，随着连通孔和粗孔的增多，因为若孔隙粗大或贯通，对流作用加强，。 材料的湿度和温度 材料受潮后，导热性，保温隔热性（水空气）。材料受潮后再受冻,进一步，保温隔热性进一步(冰水)。,棉袄浸水后保暖性变差？ 孔多的材料保温性能好？,复习思考题,1.中空玻璃为什么比同厚度的实心玻璃保温性能好？,2.保温材料为什么保持干燥状态保温效果较好？,2.3.2 热容,定义：材料温度升高（或降低

21、）1K时，所吸收（或放出）的热量，称为材料的热容量，1kg材料的热容量，称为材料的比热容（简称比热）。 在建筑工程中的作用：大比热容的材料对保持室内温度的相对稳定有很大影响。,3.1 强度与比强度,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。 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。,第三节 材料的力学性质,根据外力作用方

22、式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。如下图所示：,材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：,f-材料强度， MPaFmax-材料破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2,材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：,式中 fw-材料的抗弯强度， MPaFmax-材料受弯破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2L-两支点的间距，mmb、h-试件横截面的宽及高，mm,常见建筑材料的强度/MPa,比强度 比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料在断裂点的

23、强度（通用拉伸强度）与其表观密度之比（f /0）。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。是反映材料轻质高强的力学参数。 在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。这类轻质高强的材料，也是未来土木建筑材料发展的主要方向。,几种主要材料的比强度,3.2 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到原始形状的性质称为弹性。 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。 弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。,弹性变形的大小与外力成正比，比例系数E成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式表示：,

24、式中 材料的应变; 材料的应力，MPa; E材料的弹性模量 E表示材料抵抗变形的指标，E越大，材料越不容易变形，抵抗变形的能力就越强。,3.3 脆性与韧性,脆性： 材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。 砖、石材、玻璃、混凝土等都是脆性材料。,韧性： 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。 建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材料。 路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。,3.4 硬度与耐磨性,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

25、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。莫氏硬度，适用与矿物。 钢球压入法：布氏硬度HB，适用于木材，混凝土，钢材等。,摩氏硬度 矿物的硬度是指矿物抵抗外来机械作用力(如刻画、压入、研磨等)侵入的能力。 早在1822年，Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级： 1、滑石 2、石膏 3、方解石 4、萤石 5、磷灰石 6、正长石 7、石英 8、黄玉 9、刚玉 10、金刚石,各级之间

26、硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。 操作方法： 选择被测样品的尖锐位置。 在已知硬度的平面型矿物硬度计平面进行刻划，刻划硬度的测试由低至高依次进行。 观察硬度计平面有无刻面，轻擦平面，以防被测样品的粉末留在硬度计上，使判断失误。 若硬度计平面有划痕，则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高一级的硬度计，直至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为止。 结果表示：摩氏硬度计所测的相对硬度用 1 10 数字表示，根据实测情况，可分别用等于、大于、小于某硬度级别，表示样品摩氏硬度值或范围。,矿物硬度怎样鉴别呢？矿物抵抗外来机械作用（刻划、压入、研磨）的能力，称为硬度。它和矿物的化学成分

27、及晶体构造有关。在肉眼鉴定矿物时，通常采用刻划法确定其硬度，并以“摩氏硬度计”中所列举的十种矿物作为对比的标准。例如某矿物能被石英所刻动，但不能被长石所刻动，则矿物的硬度必介于67之间，可以确定为6.5。但必须指出，摩氏硬度只是相对等级，并不是硬度的绝对数值，所以不能认为：金刚石比滑石硬十倍。另外，有些矿物在晶体的不同方向上，硬度是不一样的。例如蓝晶石，沿晶体延长方向的硬度为4.5，而垂直该方向的硬度为6.5。岩石类大多数的硬度比较固定，所以摩氏硬度计具有重要的鉴定意义。 相互刻划的矿物，可利用指甲（2-2.5度）、小刀（5-5.5度）、玻璃（6度）、钢锉（7度）来测定矿物的硬度。,课堂讨论,

28、大理石和玻璃谁更坚硬？,大理石,玻璃,耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：,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）,第四节 材料的耐久性与环境协调性,材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性。 耐久性是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。 要根据材料所处的结构部位和使用

29、环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。,4.1 耐久性,砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。 金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。 木材等有机质材料常因生物作用而破坏。 沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。,各种建筑材料受到的主要破坏,材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。,4.2 环境协调性,材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高可回收率。 为了保障人

30、民群众的身体健康和人身安全，国家制订了GB 6566-2001建筑材料放射性核素限量以及关于室内装饰装修材料有害物质限量等10项国家标准，提出了有关控制要求，并已于2002年1月1日开始实施。,烧结普通砖的尺寸为240mm115mm53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2487g，浸水饱和后质量为2984g。求该砖的密度、干表观密度、吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。,质量为3.4kg，容积为10L的容量筒装满绝干石子后的总质量为18.4kg。待石子吸水饱和后，若向筒内注入水，为注满此筒功注入水4.27kg。将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为18.6kg（含筒重）。求该石子的吸水率，表观密度，堆积密度，开口孔隙率。,解：石子的质量为m18.4-3.415.0(kg)石子的堆积体积为Vo10L，石子所吸水的量为mw18.6-18.40.2(kg)，水的体积为0.2L开口孔隙体积为石子吸收水的量，即Vk0.2L注入筒内的水的