第二章建筑材料科学基础及工程性质

第二章建筑材料科学基础及工程性质第一节材料的组成与结构及其对性能的影响一.材料的组成一.材料的组成是决定材料的性质的内在因素之(一)化学组成(二)矿物组成二.材料的结构(一).宏观结构指用肉眼或放大镜能观察到的结构,它分为散粒结构,聚集结构,多孔结构,致密结构,纤维结构,层状结构宏观结构1.散粒结构由单独的颗粒组成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4.致密结构材料在外观上和结构上都是致密的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显维结构和微观结构(二).显微观结构指借助关学显微镜和电子显微镜观察到的结构,它可分为结晶和无定型两种.结晶和无定型是同一物质的不同状态,晶体呈稳定状态,而无定型则具有化学活性(三).微观结构指原子排列结构,根据质子间键的特性分为原子晶体,离子晶体,分子晶体第三节材料的物理性质密度1、密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3。公式：ρ=m/v式中ρ－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）材料密度的大小取决于材料的组成及微观结构，因此相同组成及微观结构的材料其密度为一定值。在建筑材料中，除金属、玻璃等少数材料外，都含有一些孔隙。为了测得含孔材料的密度，应把材料磨成细粉，除去孔隙，经干燥后用密度瓶测定其实体积。材料磨得越细，所测得的体积越接近绝对体积。表观密度2.材料的表观密度表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：00Vm式中ρ0—材料的表观密度,kg/m3m—材料的质量，kgV0—材料的表观体积，m3在自然状态下，材料内往往含有水分，其质量将随含水程度而改变，故测定体积密度时应注明其含水程度。一般指的是材料在气干状态下的体积密度，干燥材料的体积密度称为干体积密度。材料的体积密度主要取决于材料的密度、宏观结构以及含水程度。3、堆积密度堆积密度是散粒材料(粉状、颗粒状）在堆积状态下单位体积的质量。材料的堆积体积包括所有颗粒的体积以及颗粒之间的空隙体积，堆积密度有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为240Ｘ115Ｘ53mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62cm3。试计算该砖的密度、表观密度、密实度。有一块标准砖，在吸水饱和状态下重2500g，其绝干质量为1600g。经干燥并磨成细粉后取100g，用排水法测得绝对密实体积为28.62cm3。试计算该砖的密度、表观密度、密实度、孔隙率。建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的致密程度有关。这些性质除取决于孔隙率的大小外，还与孔隙的构造特征密切相关。孔隙特征主要指孔隙的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及孔的分布等。实际上绝对的闭口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常温、常压下水能否进入孔中来区分开口与闭口。因此，开口孔隙率（Pk）是指常温常压下能被水所饱和的孔体积（即开口孔体积Vk）与材料体积之比。闭口孔隙率（PB）便是总孔率P与开口孔隙率Pk-之差。由于孔隙率的大小及孔隙特征对材料的工程性质有不同的影响，因此常采用改变材料的孔隙率及孔隙特征的方法来改善材料的性能，例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂，引入一定数量的闭口孔，都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。空隙率空隙率－散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率公式：P’—散粒材料的空隙率ρ/o—散粒材料的堆积密度ρo--材料的体积密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。例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂，引入一定数量的闭口孔，都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。%100)1(%10000'0'00''VVVP%100)1(%100000VVVP%100)1(%10000'0'00''VVVP在材料体积内，孔隙体积所占的比例在颗粒装材料的堆积体积内，颗粒间空隙体积所占的比例名称定义及表达式说明孔隙率许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性于材料的孔隙有关。且取决于孔隙率的大小与构造特征（孔的种类、孔径的大小及分布）空隙率用来评定颗粒材料在堆积体积内疏密程度的参数。计算混凝土中粗骨料空隙时表观密度按视密度计算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1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？习题1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1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？二、材料与水有关的性质1、亲水性与憎水性亲水性——材料在空气中与水接触时，容易被水润湿的性质，称材料的亲水性。如砖、混凝土等。憎水性——材料不易被水润湿的性质，称为憎水性。如沥青、石油等。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固体接触面所成的夹角。θ为润湿角θ≤90°亲水性材料θ＞90°憎水性材料2材料的吸水性与吸湿性（1）.吸水性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表示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。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：1m材料吸水饱和后的质量，gm0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（cm3）；ρw——水的密度（g/cm3）常温下取ρw=1.0g/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%1001010wwvVmmVVW密实在及只有闭口孔的材料不吸水具有粗大孔的材料不易吸满水分，吸水率常小于孔隙率孔隙率较大，且具有细小开口连通的亲水性材料具有较大的吸水率材料吸水率的大小主要取决于材料的孔隙率及孔隙特征（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。用公式表示为材料含水后，不但可使材料的质量增加，而且会使强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀。可见材料中含水对材料的性能往往是不利的。例：某立方体岩石试件，外形尺寸为50mm×50mm×50mm，测得其在绝干、自然状态及吸水饱和状态下的质量分别为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、质量吸水率、质量含水率、绝干表观密度、孔隙率。%100干干含含mmmW00Vm%100)01(%10000VVVP=1-2.6/2.68=2.98%1.1/125=0.88%=0.3/325=0.092%=325/125=2.6g/cm3解：V0＝5×5×5＝125cm3m含＝325.3gm干＝325gm饱＝326.1gρw＝1g/cm33.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KR：—材料的软化系数—材料吸水饱和状态下的抗压强度—材料在干燥状态下的抗压强度软化系数的范围在0—1之间。软化系数越高，表面材料耐水性越好。潮湿环境中的重要建筑物或部位，软化系数k=0.85-0.9受潮较轻或次要的建筑物，软化系数k=0.7-0.85ffK1K1ff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、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。4、抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。砼的抗渗强度等级如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。5、抗冻性材料在吸水饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏．或强度不显著降低的性质称为抗冻性。材料的抗冻性用抗冻强度等级F（freeze）表示。如F25表示材料能抵抗冻融循环25次。如果经过规定次数的反复冻融循环后，质量损失不大于5％，强度降低不超过25％时，通常认为材料是抗冻的。三、材料的热工性质1、导热性材料传导热量的性质称为导热性。材料导热性用导热系数λ表示。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。2、比热容定义：材料在加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。质量为1g材料温度升高lK所需的热量或温度降低1K时放出的热量，称为材料的比热容。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均匀时，缓和室内的温度波动。第四节材料的力学性质一、强度材料在外力(荷载)作用下，抵抗破坏的能力，称为强度材料主要有抗拉、抗压、抗剪、抗弯四种强度。通常抗拉强度可表示为ft、抗压强度可表示为fc、抗剪强度可表示为fv.抗弯强度fm2、比强度比强度=材料的强度/表观密度可以对不同的材料进行对比。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。二、材料的弹性与塑性弹性：在外力作用下产生变形，当外力消失时，材料的变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。塑性：材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。弹性变形与塑性变形三、材料的脆性和韧性脆性：外力达到一定限度后，突然破坏无明显塑性变形的性质。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：在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大能量，产生一定的变形而不致被破坏的性能。建筑钢材、木材、沥青混凝土等属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。材料的韧性用冲击试验来检验。四、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１０个硬度等级。②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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。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。回弹仪第五节材料的耐久性1.概念材料的耐久性是指用于建筑物的材料，在环境的多种因素作用下不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。耐久性是材料的一种综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有密切关系。2.环境影响因素材料在建筑物使用过程中长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用，一般可分为物理作用、化学作用、机械作用、生物作用等。干湿变化物理作用温度变化冻融变化(寒冷地区)这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展