第02章建筑材料的基本性质(孙)

第一章建筑材料的基本性质建筑材料所处建（构）筑物的部位不同、使用环境不同，所起的作用就不同，人们对材料性质的要求也就有所不同。建筑材料的基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。第一节材料的组成及结构1.材料的组成材料的组成是决定材料的性质的内在因素之一。(一)化学组成化学组成是指构成材料的化学成分。不同化学组成的材料其性质不同。对于无机非金属材料，常以其各种氧化物的百分含量来表示。(二)矿物组成（晶相）由相同化学成分组成的材料，若其矿物组成不同，材料的性质也是不同的。通常水泥中主要化学成分为SiO2、CaO，而由此形成的矿物则有硅酸三钙与硅酸二钙之分，彼此的性能是不同的。2.材料的结构(一)宏观结构指用肉眼或放大镜能观察到毫米级以上的结构。它分为散粒结构,聚集结构,多孔结构,致密结构,纤维结构,层状结构。1.散粒结构由单独的颗粒组成（砂、石子）2.聚集结构材料中的颗粒通过胶结材料彼此牢固地结合在一起（混凝土、烧结砖）3.多孔结构材料中含有大量的,大的,或微小的均匀分布的孔隙（泡沫材料）4.致密结构材料在外观上和结构上都是致密的（钢材、玻璃）5.纤维结构是木材,玻璃纤维制品所特有的结构6.层状结构是板材常见的结构宏观结构(二)显微结构指借助光学显微镜和电子显微镜观察到的结构。主要有岩相分析和金相分析两种分析方法。透明矿物－偏光显微镜不透明矿物－反光显微镜（金相分析）(三)微观结构指原子（离子或分子）排列结构。根据质子间键的特性分为原子晶体,离子晶体,分子晶体、金属晶体和玻璃体。3.材料的孔隙(一)孔隙形成的原因(1)水分子的占据作用建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论上的用水量,多余的水分占据的空间即为孔隙。(2)外加的发泡作用如用于生产加气混凝土的发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。(3)火山作用火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却时大量水蒸汽或某些气体产生，从而在所得岩石中形成大量的孔隙。(4)焙烧作用：材料中掺有可燃物或高温下产生气体(二)孔隙的类型(1)连通孔隙；(2)封闭孔隙；(3)半封闭孔隙(三)孔隙对材料性质的影响(孔隙增多)(1)材料的体积密度减小；(2)材料受力的有效面积减小,强度降低；(3)体积密度减小,导热系数和热容随之减小；(4)透气性,透水性,吸水性变大；(5)对抗冻性,要试孔隙大小和形态而定,有些孔隙能提高抗冻性。大量的规则的球形微孔,可以缓冲冻融破坏应力,从而改善混凝土的抗冻性。1.材料的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，按下式计算：ρ=m/v式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3m—材料的绝对干燥质量，g或kgV—材料的绝对密实体积，cm3或m3第二节材料的物理性质绝对密实状态下的体积－是指构成材料的固体物质本身的体积，或称实体积。1）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材，磨成细粉（消除材料内部的孔隙）后，用排水法求的体积即为密实态体积；2）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等，直接以排水法作为密实态体积近似值。表观密度是对于密实材料直接以排水法求的体积Vʹ作为密实态体积的近似值所求得的密度。按右式计算：式中ρʹ—材料的表观密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgVʹ—用排水法求得的材料的体积，cm3或m32.材料的表观密度''Vm3.材料的体积密度材料的体积密度是指材料在自然状态下单位体积的质量，按下式计算：式中：ρ0—体积密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV0—材料在自然状态下的体积，cm3或m300Vm自然状态下的体积－是指构成材料的固体物质的体积与全部孔隙体积之和。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。测定含水状态下体积密度时，应注明含水情况。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4.材料的堆积密度堆积密度是指散粒材料，在规定装填条件下单位体积的质量。按下式计算：式中ρ0，—材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV0，—材料的堆积体积，cm3或m3'0'0Vm散粒材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所占用容器的容积。因此，散粒材料的堆积体积包含了材料的颗粒在自然状态下的体积和颗粒之间的空隙体积。在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、体积密度和堆积密度等数据。5.空隙率空隙率是指散粒材料在其堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率Pʹ按下式计算：ρ0—材料的体积密度;ρ0ʹ—材料的堆积密度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。00´´=(1-)100%ρPρ6.孔隙率材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：V—材料的绝对密实体积，cm3或m3V0—材料在自然状态下的体积，cm3或m3ρ0—材料的体积密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m30001VVVP开口孔隙率是指材料中能被水所饱和的孔隙体积与材料在自然状态下的体积百分率：PK=(m2-m1)/V0×(1/ρw)×100%式中：m1—干燥状态下材料的质量,gm2—水饱和状态下材料的质量,gρw—水的密度，常温下可取1g/cm3闭口孔隙率pB为总孔隙率与开口孔隙率之差即PB=P-PK第三节材料与水有关的性质与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。一.材料的亲水性与憎水性工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和材料接触面所成的夹角。润湿角θ愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角θ＜90˚时，为亲水性材料；当材料的润湿角θ＞90˚时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中。见图２-1图２－1材料润湿示意图（ａ）亲水性材料；（ｂ）憎水性材料二.材料的吸水性材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性以吸水率来表示。1、质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以ｗm表示。质量吸水率ｗm的计算公式为：%100ggbmmmmW式中mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。2、体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：%1001·0WgbVVmmW式中mb——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）。V0—材料在自然状态下的体积，（cm3或m3）ρw—水的密度,（g/cm3或kg/m3），常温下取ρw=1.0g/cm3材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。吸水率增大将导致体积膨胀，导热性增大，强度、抗冻性下降等不良影响。三.材料的吸湿性材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的。材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以Wh表示，其计算公式为：%100ggshmmmW式中ms——材料吸湿状态下的质量（ｇ或kg）mg——材料在干燥状态下的质量（ｇ或kg）显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿过程和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。通过比较可知，材料的吸水率就是该材料的最大含水率。四.材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数Kp：gbpffK式中Kp—材料的软化系数fb—材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）fg—材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。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，造成强度的严重下降。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Ｋp＞0.85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0.70∽0.85。五.材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。5.1渗透系数材料的渗透系数K可通过下式计算:FtHQdK式中K—渗透系数,（cm/h）;Q—渗水量，（cm3）F—渗水面积,（cm2）H—材料两侧的水压差，（cm）d—试件厚度（cm）t—渗水时间（h）材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。5.2抗渗等级材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa……的水压而不渗透。六、材料的抗冻性材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀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。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200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。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。1、导热性当材料两侧存在温度差时，热量从材料一侧通过材料传导至另一侧的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示。导热系数的定义和计算式如下所示：)(12TTAtQ第四节材料的热工性质)(12TTAtQ—导热系数，W/(m·K)；Q—传导的热量，J；δ—材料厚度，m；A—热传导面积，m2；t—热传导时间，h；(T2-T1)—材料两侧温度差，K在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两侧温度差为1Ｋ时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1㎡)的热量。影响导热系数的因数•无机材料的导热系数大于有机材料•晶体的导热系数大于无定形体的热导系数•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减小而增大,则导热系数随体积密度的减小而减小•导热系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