1项目一建筑材料的基本性质4课时

项目一建筑材料的基本性质教学目标：本项目通过了解建筑材料的组成和结构掌握建筑材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度、孔隙率和密实度、空隙率和填充率的概念与计算，理解材料与水有关性质、材料与热有关性质、材料的力学性质和耐久性。教学要求：能力要求知识要点权重（1）会计算材料的密度、表观密度体积密度、堆积密度。（2）会计算材料的孔隙率、空隙率。（3）能根据材料的孔隙率、空隙率判断材料的与水、热有关象征性，力学性质及耐久性。材料的组成和结构20%材料与水有关性质20%材料与热有关性质20%材料的力学性质20%材料的耐久性20%学习参考标准：•《烧结金属摩擦材料密度测定》•GB/T10421-2002•《密封垫板材料密度试验方法》•GB/T22308-2008提纲材料与水有关的性质2材料的组成和结构1材料的力学性质4材料与热有关的性质3材料的基本性质检测6材料的耐久性51.1.1材料的组成和结构1、材料的化学组成材料的化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。材料的化学组成的不同是导致其性能各异的主要原因。例如不同种类合金钢的性质不同，主要是由于其所含的化学元素碳C、硅Si、锰Mn、钒V、钛Ti的不同所致。硅酸盐水泥不适用于海洋工程，主要原因就是因为硅酸盐水泥石中的Ca(OH)2与海水中的盐(Na2SO4、CaCl2等)会发生化学反应，生成体积膨胀或结构疏松的产物所致。2.材料的矿物组成材料的矿物组成是指化学元素组成相同，但分子组成形式各异的现象。材料的矿物组成是其化学组成确定的条件下决定材料现在的主要因素，如：常用水泥的主要化学组成都是（CaO·SiO2）等，但由于形成的矿物熟料有硅酸三钙(3CaO·SiO2)与硅酸二钙(2CaO·SiO2)之分，前者强度增长快、放热量大，后者强度增长慢、放热量小。1.宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够辨的粗大组织。按照材料的宏观状态的不同可分为以下类型：（1）、致密结构：指完全没有或基本没有孔隙的结构1.1.2材料的结构玻璃钢材特点：具有该种结构的材料一般密度大，强度和硬度高，吸水性小，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好。（2）多孔状结构:指具有较多粗大孔隙的结构。泡沫塑料泡沫铝特点：该种结构的材料都为轻质材料，具有较好的保温隔热和隔声吸声性能，同时具有较高的吸水性。•（3）微孔状结构：指具有众多直径微小孔隙的结构。石膏板烧结砖特点：该种结构的材料通常密度和导热系数较小，具有良好的隔声吸声性能，抗渗性较差。（4）微粒状结构：指由松散粒状物质所形成的结构。如砂、石、粉煤灰和膨胀珍珠岩等。这种结构的材料可由胶凝材料粘结成整体，也可单独以填充状态使用。（5）纤维状结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。木材岩棉特点：该种结构的材料具有良好的保温和吸声性能。（6）层状结构：指由天然形成或人工粘贴等方法将材料叠合而成的双层或多层结构。2.细观结构•材料的细观结构（也称亚微观结构）是指可用光学显微镜观察到的结构。建筑材料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行分类研究。例如：混凝土可分为基相、集料相、界面相；木材可分为木纤维、导管髓线、树脂道。3．微观结构材料的微观结构主要指材料在原子、分子、离子层次上的组织形式。材料的许多性质与其微观结构都有密切关系。建筑材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃体和胶体三类。（1）、晶体特点：是组成物质的微观粒子在空间的排列有确定的几何位置关系。南非发现了5颗超大钻石，总重507克，最大一颗重136克钻石碳一般来说，晶体结构的物质具有强度高、硬度较大、有确定的熔点、力学性质各向异性的共性。建筑材料中的金属材料（如钢和铝合金）和非金属材料中的石膏及水泥石中的某些水化产物（氢氧化钙、水化铝酸三钙）等都是典型的晶体结构。如：硫酸钠晶体（2）玻璃体特点：是组成物质的微观粒子在空间的排列呈无序混沌状态。玻璃体结构的材料具有化学活性高、无确定的熔点、力学性质各向同性的特点。粉煤灰、建筑用普通玻璃都是典型的玻璃体结构。（3）胶体胶体是建筑材料中常见的一种微观结构形式，通常由极细的固体颗粒均匀分布在液体中形成。当胶体成分散结构形式时——溶胶（如水玻璃）当胶体成网状结构形式时——凝胶（如琼脂）1.1.3材料的结构状态参数1.材料的体积体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的结构状态，因而表现出不同的体积。包含：绝对密实体积表观体积自然堆积体积堆积体积紧堆松堆材料的绝对密实体积是指干材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部没有孔隙时的体积，或没有包括内部闭口孔隙的体积，一般以V表示。对于绝对密实而外形规则的材料如钢材、玻璃等，V可采用直接测量外形尺寸计算的方法求得。对于可研磨的非密实材料如烧结砖、石膏等，V可采用研磨成细粉，再用密度瓶排水法求得。材料的表观体积是指材料在自然状态下不含开口孔隙的体积，即包含少量的闭口孔隙的外观体积，一般以V＇表示。对于自身较为密实（含有少量的闭口孔隙）的颗粒堆积材料，如配置混凝土所用的砂、石等材料，可不必磨成细粉，直接用颗粒排水法测得的体积即为表观体积。材料的自然体积是指材料在自然状态下（包含所有孔隙）的体积，一般以V0表示。材料自然体积的测量，对于外形规则的材料，如烧结砖、砌块，可采用直接测量外形尺寸计算的方法求得。对于外形不规则的材料，在堆积状态下经涂蜡处理后才可用排水法求得。材料的堆积体积是指粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。根据其堆积状态不同，同一材料表现得体积大小可能不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。材料的堆积体积一般以V0＇表示。常采用已知容积的容器测量法求得。2.材料的密度、表观密度、体积密度和堆积密度（1）密度。材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。（1-1）式中ρ—材料的密度，g/cm3或kg/m3；m—材料的干质量，g或kg；V—材料在绝对密实状下的体积，cm3或m3。mV（2）表观密度。表观密度是指材料在自然状态下不含开口孔隙时单位体积的质量。（1-2）式中ρ＇—材料的表观密度，g/cm3或kg/m3；m—材料的干质量，g或kg；V＇—材料的表观体积，cm3或m3。''mV（3）体积密度。体积密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。可按下式计算（1-3）式中ρ0—材料的体积密度，g/cm3或kg/m3；m—材料的质量，g或kg；V0—材料的自然体积，cm3或m3。00mV材料的体积密度，通常是指干燥状态的体积密度（干体积密度）。但在自然状态下的材料，常含有一些水分，会影响体积密度的值，这时应标明含水状态。（4）堆积密度。堆积密度是指粉末状、颗粒状或纤维状在堆积状态下单位体积的质量，可按下式计算（1-4）式中ρ0＇—材料的堆积密度，g/cm3或kg/m3；m—材料的质量，g或kg；V0＇—材料的堆积体积，cm3或m3。'0'0mV堆积密度是颗粒材料松装状态的密度，如果颗粒材料按规定方法颠实后，其单位体积的质量称为紧密密度。在建筑工程中，计算材料用量、构建自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、表观密度、体积密度和堆积密度等数据。3.材料的密实度和孔隙率（1）密实度。密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，用D表示。密实度的计算式如下（1-5）也可用材料的密度和体积密度计算（1-6）对于绝对密实材料，因V=V0，故密实度D=1或100%。对于大多数建筑材料，因V＜V0，故密实度D＜1或D＜100%。000/100%/VmDVm（2）孔隙率。孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，用P表示。孔隙率的计算式如下（1-7）可由式（1-5）与式（1-7），导出（1-8）000011(1)100%VVVpDVV1PD上式表示材料自然体积由绝对体积和孔隙构成。材料的孔隙率是反映材料孔隙状态的重要指标，与材料各项物理、力学性能有密切关系。如图1-4(a)大孔隙率海绵,1-4(b)视为绝对密实的钢材。大孔隙率海绵绝对密实的钢材2019/8/637材料名称ρ（g/cm3）ρ0（kg/m3）ρ0＇（kg/m3）P(%)石灰岩2.601800～2600—0.2花岗岩2.60～2.802500～2800—＜1普通混凝土2.602200～2500—2.60～2.80碎石2.60～2.70—1400～1700—砂2.60—1350～1650—粘土空心砖2.501000～1400—20～40水泥3.10—1000～1100（疏松）—木材1.55——55～75钢材7.85——0铝合金2.70———0泡沫塑料1.04～1.0720～50——表1-1常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度和孔隙率表1-1注：习惯上ρ的单位采用（g/cm3），ρ0、ρ0＇的单位采用（kg/m3）。4.材料的填充率和空隙率（1）填充率。填充率是指散粒状材料在其堆积体积中，被颗粒实体填充的程度，用D＇表示。填充率的计算式如下（1-9）（2）空隙率。空隙率是指散粒状材料在其堆积体积中，颗粒之间空隙所占的比例，用P＇表示。空隙率的计算式如下'''0''0100%100%VDV（1-10）由式（1-9）和（1-10）可导出（1-11）''''''00'''00(1)100%1(1)100%VVVPDVV''1PD空隙率反映了散粒状材料的颗粒之间的相互填充的致密程度，空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。对于混凝土的粗、细骨料，空隙率越小，说明其颗粒大小级配的搭配越合理，用其配置的混凝土越密实，越节约水泥。1.2材料与水有关的性质建筑材料在使用过程中，材料不可避免会受到自然界的雨、雪、地下水和冻融等作用的影响，故要特别注意建筑材料与水有关性质。材料与水有关的性质包括材料的亲水性与憎水性，以及材料的吸水性与吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、霉变性与腐朽性等。1.2.1材料的亲水性与憎水性材料与水接触时，首先遇到的问题就是材料能否被水所湿润。湿润是水被材料表面吸附的过程，它与材料本身性质有关。当水与材料在空气中接触时，将出现图1-5所示情况。在材料、水和空气交界处，沿水滴表面作切线，此切线和水与材料接触面所形成的夹角θ，称为润湿角。若润湿角θ≤90°，如图1-5(a)所示，说明材料与水之间的作用力（吸附力）要大于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面吸附水分，即材料被水所湿润，称该材料是亲水性材料。若润湿角θ＞90°，如图1-5(b)所示，说明材料与水之间的作用力（吸附力）要小于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面不吸附水分，即材料不被水所湿润，称该材料是憎水性材料。图1-5材料的湿润示意图(a)材料的亲水性；(b)材料的憎水性亲水材料易被水所湿润，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部（如木材、烧结砖等）。憎水材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。像沥青一类的憎水性材料常用来做防水材料。1.2.2材料的吸水性与吸湿性1.吸水性材料的吸水性是指材料在水中吸收水分达到饱和的能力，吸水性用吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表达方式，分别以Ww和Wv表示，计算式如下（1-12）（1-13）式中Ww—质量吸水率，%；Wv—体积吸水率，%；m2—材料在吸水饱和状态下的质量，g；m1—材料在绝对干燥状态下的质量，g；Vw—材料所吸收水分的体积，cm3；ρ0—水的密度，常温下可取1g/cm3。211100%VmmWm21001.100%wVWVmmWVV对于质量吸水率大于100%的材料，如木材等通常用体积吸水率，而对于大多数材料，经常采用质量吸水率。两种吸水率存在以下关系（1-14）0.VwWW这里ρ0是干燥体积密度，单位采用g/cm3。影响材料吸水性的主要因素有材料本身的化学组成、结构和构造状况，尤其是孔隙状况。一般来说，材料的亲水性越强，孔隙率越大，连通的毛细孔隙越多，其吸水率越大。不同的材料吸水率变化范围很大，花岗岩为0.5%～0.7%，内墙釉面砖为12%～20%，普通混凝土为2%