第2章建筑材料的基本性质.

材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质第2章建筑材料的基本性质张高展二0一四年二月材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.1材料的组成、结构与性能2.2材料的物理性质2.3材料的力学性质2.4材料的耐久性材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.1材料的组成、结构与性能核心关系其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质组织结构材料性能材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质•材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志；•成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础；•材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据；•服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为材料设计的最终目标。合成与制备材料特性成分与组织结构服役行为与寿命材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质贯穿全课程的“纲”化学成分组成制备加工工艺组织结构性能结构、性能检测工作条件材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.1.1材料的组成•组元：组成材料最基本、独立的物质。•相：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。•组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。•固溶体：溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。•聚集体：由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，对处于这类状态的材料称之为聚集体。•复合体：由一系列分子（复杂有机物、无机化合物）以及单质相互结合组成的具有一定（生理、化学）功能或明显（物化）特性的集合体。在无机非金属材料领域比较常见，如陶瓷、混凝土等材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质1.化学组成2.矿物组成3.相组成建筑材料Si、Al、Ca、Fe、O；CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等3CaO·SiO2－C3S；2CaO·SiO2－C2S；3CaO·Al2O3－C3A；4CaO·Al2O3·Fe2O3－C4AF骨料颗粒（骨料相）+水泥浆基体（基相）+两相分界面（界面相）材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质材料的结构和构造是决定材料性质的重要因素。材料的结构是指的组织状况，可分为宏观结构、细观结构和微观结构。2.1.2材料的结构1.宏观结构：＞1mm致密结构纤维结构多孔结构层状结构散粒结构材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.细观结构：＞10-3mm3.微观结构：＞10-6mm细观结构是指用光学显微镜能观察到的材料微米（μm，尺寸范围在10-3mm以上）组织。主要研究组成物质的单个粒子（如晶粒、胶粒）的形貌。如分析水泥水化产物中C－S－H粒子、AFt（水化硫铝酸盐）相生长的情况、形状、大小等。微观结构是指用高倍显微镜、电子显微镜或X射线衍射仪等手段来研究材料的结构，其分辨尺寸范围在纳米（nm，10-6mm）以上，材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶体。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质晶体：雪花晶体锡石晶体晶体的规则外形材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质玻璃体材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质胶体：材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质无机非金属材料的结构金属元素和非金属元素的化合物。金刚石型结构、硅酸盐型结构（链状结构、层状结构和网状结构）、玻璃结构基本结构单元[SiO4]四面体Si-O平均距离0.160nm（r++r-）Si-O键并非纯离子键结合相当高共价键成分离子键和共价键约各占一半材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质[SiO4]可以相互孤立地存在或通过共顶相互连接，不共棱、不共面（结构不稳定性）OSi—O的结合键不是一条直线，而是一折线(~145°)除了硅和氧以外，还含有其他阳离子多达50多种，其结构十分复杂。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质硅氧骨架结构岛状三方环四方环六方环链状结构材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质层状硅酸盐矿物滑石高岭土白云母蛇纹石材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质网状结构特征：[SiO4]四个顶角氧都与相邻的[SiO4]共有[SiO4]排列成具有三维空间的网络结构材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质硅氧骨架结构长石架状石英架状层状材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质架状硅酸盐矿物长石沸石材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质玻璃结构2.2材料的结构基础材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质粗观（mm）细观（或称亚微观um）微观（nm）混凝土硬化水泥浆体水泥水化物原子、分子的堆积，键合性质和能量水泥石集料级配粒形表面密实度（气孔空隙率）水泥水化物未水化颗粒孔界面过渡区空间分布填充状况级配数量组成形貌混凝土结构材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.2材料的基本物理性质▲本节的学习目标•1）掌握密度、表观密度以及堆积密度之间的区别•2）掌握孔隙率及孔的形状对材料性能的影响。•3）掌握与水有关的性质•4）了解材料的热工性质材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质1.密度：材料在绝对密实状态下，固体物质本身的干质量。（不包括开口和闭口孔隙体积）vmVV02.2.1材料与质量有关的性质材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.表观密度：材料单位表观体积（闭口孔隙+开口孔隙+固体物质本身）的干质量。KBVVVmVm00VV0材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质两种密度异同：m为材料的烘干质量；体积不同，为实体体积，表观体积。密度表观密度材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质3.堆积密度：散粒状材料在自然状态下单位堆积体积（开口+闭口+实体+空隙）的质量。反映散粒堆积的紧密（压实）程度及可能的堆放空间。00BKJmmVVVVV材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质•颗粒材料的密度为ρ，表观密度为ρ0，堆积密度ρ0’，则三种密度的关系？A.ρ＞ρ0＞ρ0'B.ρ＞ρ0'＞ρ0C.ρ0＞ρ＞ρ0'D.ρ0＞ρ0'＞ρ材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质孔隙的特征•（1）按孔隙尺寸大小，可把孔隙分为微孔、细孔和大孔三种•（2）按孔隙之间是否相互贯通，把孔隙分为孤立孔、连通孔。•（3）按孔隙与外界之间是否连通，把孔隙分为开口孔、封闭孔。孔隙对材料的影响：（1）孔隙的多少（孔隙率）（2）孔隙的特征4.孔隙率和空隙率材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质1.固体（实体）2.闭口孔隙3.开口孔隙材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质孔隙率和密实度0000100%100%(1)100%VVPV孔隙体积总体积000100%100%100%1VDPV实体体积总体积▲孔隙率密实度孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率。密实度是指材料的体积被固体物质充实的程度。VV0材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质空隙率与填充率——散粒状材料''0'000'00100%100%(1)100%VVpV空隙体积堆积体积空隙率00000100%100%100%1VDpV颗粒体积堆积体积填充度空隙率是指散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积占总体积的百分率。填充率是指散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质2.2.2材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性•湿润边角：在材料、水和空气的三向交叉点处沿水滴表面做切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为湿润角。亲水性材料：润湿角θ≤90°（表现为亲水性）水分子间内聚力＜水分子与材料分子间吸引力憎水性材料：润湿角θ＞90°（表现为憎水性）水分子间内聚力＞水分子与材料分子间吸引力材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质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——饱水状态（吸水饱和）质量吸水率：材料饱水状态,所吸水分质量占干质量的百分率。体积吸水率：材料饱水状态,所吸收水分体积占干体积百分率。000100%100%100%bgbgVwggwmmmmVwWVmm0/Vm100%bgmgmmWm材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质思考：•质量吸水率和体积吸水率可以大于100%吗？•材料的孔隙率越大，吸水率越大，对吗？材料的吸水性不仅与材料的亲水性或憎水性有关，而且与孔隙率的大小和孔隙特征有关。对于孔特征相近的材料，一般孔隙率越大，吸水性也越强。具有粗大孔隙的材料，虽然水分容易渗入，但仅能润湿孔壁表面而不易在孔内存留，因而吸水率不高；密实材料以及仅有封闭孔隙的材料是不吸水的，开口细微连通且孔隙率大，吸水性强。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质（2）吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质——自然状态含水率：自然状态，材料所含水分质量占其干质量的百分率100%sghgmmWm材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质•有一块砖重2625g，其含水率为5%，该湿砖所含水量为多少？•解：gxxxmmmWsh125%5%1002625%100材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质吸水率与含水率的异同：•材料的吸水率反映了材料在标准测试方法之下吸收水分的能力的大小，是恒值。•材料的含水率反映材料在自然状态下含水的状态，不一定已经达到吸水饱和，当材料与空气湿度达到平衡时就不再吸收空气中水分，此时含水率称为平衡含水率。是变值。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质3.材料的耐水性材料长期在水的作用下既不破坏，强度又不显著降低的性质称为耐久性。指标：软化系数•原因：随含水量增加，减弱其内部结合力，导致强度下降。KR的范围在0~1之间。•KR0.85，称为耐水材料dbRffKfb——材料饱水状态抗压强度，MPafd——材料干燥状态抗压强度，MPa材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质4.材料的抗渗性——抵抗压力水渗透的性质（1）渗透系数（2）抗渗等级：抗渗等级越高，其抗渗性越好。指石料、砼或砂浆所能承受的最大水压力。如：最大承水压力为0.2MPa，表示为P2，另有P4、P6、P8、P10…渗透系数：AtHQdKSKs的意义：抗渗系数越小，表明抗渗性能越好。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质5.材料的抗冻性•抗冻性——材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏，强度又不显著降低的性质。•抗冻等级：能经受冻融循环的最大次数，•记为F50、F100、F200、F300…思考：孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？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。材料工程检测技术无机非金属材料工程系——建筑材料的基本性质1.热容量•热容量是指材料在温度变化时吸收或放出热量的能力。其大小用比热容来表示。•比热容的大小直接影响建筑内部空间的温度变化