建筑材料基本性能.

第一章建筑材料的基本性质第一节材料的物理性质一、材料的基本物理性质建筑材料的基本物理性质是表示材料与其质量、构造状态有关的物理状态参数。(一)与质量有关的性质1.密度指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。用下式表示。Vm2．表观密度指材料在自然状态下，单位体积的质量。用下式表示：式中ρ0—材料的表观密度，亦称体积密度；m—材料的质量，g；V0—材料在自然状态下的体积，简称自然体积或表观体积(包括材料的实体积和所含孔隙体积)，cm3。00Vm3．堆积密度指散粒材料或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。用下式表示：式中——材料的堆积密度，kg／m3；m——材料的质量，kg；——材料的自然(松散)堆积体积(包括颗粒体积及颗粒之间空隙的体积)m3,也即按一定方法装入一定容器的容积。'0'0Vm'0V'0(二)与构造状态有关的性质1．孔隙率与孔隙特征孔隙率是指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。用下式表示：式中P——材料的孔隙率，％，——材料的自然体积，cm3或m3；V——材料的绝对密实体积，cm3或m3；%10001%10001%10000VVVVVP'0V2．空隙率空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。用下式表示：式中——材料的空隙率，％，——材料的自然堆积体积，cm3或m3，——材料的颗粒体积，cm3或m3。%1001%1001%100'00'0'0'0'00VVVVVP'P'0V0V二、材料与水有关的性质(一)亲水性与憎水性亲水性材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料。大多数的建筑材料，如砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料。憎水性材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料。如石蜡、沥青等。材料的亲水性与憎水性可用润湿角θ来说明，θ越小，表明材料易被水湿润。实验证明，当润湿角θ≤900时，这种材料称为亲水性材料，如图1-2a所示；当润湿角θ900时，这种材料称为憎水性材料，如图1—2b所示。图1—2材料的润湿示意图(a)亲水性材科；(b)憎水性材料图1—3亲水性材料与憎水性材料的毛细管作用(a)亲水性材料；(b)增水性材料(二)吸水性与吸湿性1．吸水性(1)质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸水量占材料绝干质量的百分率。用公式表示如下：式中wm—材料的质量吸水率，％；msw—材料吸饱水时所吸入的水量，g或kg；m1—材料吸饱水时质量，g或kg；m—材料的绝干质量，g或kg。%100%1001mmmmmwswm(2)体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占绝干材料自然体积的百分率。用公式表示为：式中wv——材料的体积吸水率，％；Vsw——材料吸饱水时所吸入的水的体积，cm3或m3；V0——绝干材料在自然状态下的体积，cm3或m3；—水的密度，g／cm3。常温下取＝1g／cm3。%1001%100010wswvVmmVVww质量吸水率与体积吸水率的关系为：式中为材料的干表观密度，g/cm3。wv可用来说明材料内部孔隙被水充满的程度，而在材料中，只有开口孔隙能吸水，故体积吸水率即为材料的开口孔隙率。体积吸水率概念比较清楚，但为方便起见，在工程应用上常用质量吸水率表示材料的吸水性。由于材料的吸水率是表示材料吸收水分的能力，所以是一固定值。00mwmv02．吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性常以含水率表示。可用以下公式表示：式中w’——材料的含水率，％；mw——材料含水时的质量，g或kg；m——材料的绝干质量，g或kg。含水率表示材料在某一时间的含水状态，不是固定值，它随环境温度和空气湿度的变化而改变。当与大气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率(或称气干含水率)。%100'mmmww(三)耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算：式中Kp—材料的软化系数；fsw—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；fd—材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。dswpffK软化系数的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般材料随着含水量的增加，其质点间的结合力有所减弱，强度会有不同程度的降低。软化系数值一般在0～1之间。软化系数愈小，表明材料的耐水性愈差。根据Kp大小可以判断各种材料的使用场合，所以Kp值常成为处于水中或潮湿环境中选择材料的依据。工程上，通常将Kp≥0.85的材料称为耐水性材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，必须选用Kp≥0.85的材料。对于处于受潮较轻或次要结构的材料，其Kp不应小于0.75。（四）抗渗等级建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土等材料，其抗渗性能常用抗渗等级来表示。抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定的，用符号“P”和材料透水前所能承受的最大水压力的（MPa）数值表示。如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水压而不渗水。所以，抗渗等级愈高，材料的抗渗性能愈好。(五)抗冻性材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。水在材料孔隙中结冰时，体积约增大9％，如此时孔隙内充满水(吸水饱和状态)，当水变成冰时将会给孔壁造成很大的静水压力(称为冰晶压力)，该压力可高达100MPa，可使孔壁开裂。工程上材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是将材料吸水饱和后，按规定方法进行冻融循环试验，以质量损失不超过5％、强度下降不超过25％时，所能经受的最大冻融循环次数来确定的，用符号“F”和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100等。抗冻等级愈高，材料的抗冻性愈好。三、材料与热有关的性质(一)导热性与热阻当材料两侧存在温度差时，热量从温度高的一侧向温度低的一侧传导的性质称为导热性，材料的导热性常用导热系数“λ”表示。匀质材料导热系数的计算公式为：(1-13)式中:λ——材料的导热系数，W／(m·K)；Q——总传热量，J；a——材料厚度，m；T1-T2——材料两侧绝对温度之差，K；A——传热面积，m2；Z——传热时间，s。AZTTQa21(二)热容量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。墙体、屋面或其它部位采用高热容量材料时，可以长时间保持室内温度的稳定。热容量大小用比热(也称热容量系数)表示。比热表示单位质量的材料温度升高1K时所吸收的热量(J)或降低lK时所放出的热量(J)。12ttmQc比热是反映材料吸热或放热能力大小的物理量。不同材料的比热不同，即使是同一材料，由于所处物态不同，比热也不同。例如水的比热是4.19J／(g·K)，而结冰后的比热是2.05J／(g·K)。材料的导热系数和比热是设计建筑物围护结构(墙体、屋盖)、进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。（三）耐热性与耐燃性1．耐热性材料长期在高温作用下，不失去使用功能的性质称为耐热性，亦称耐高温性或耐火性。一些材料在高温作用下会发生变形或变质。耐火材料的耐火性是指材料抵抗融化的性质，用耐火度来表示，即材料在不发生软化时所能抵抗的最高温度。耐火材料一般要求材料能长期抵抗高温或火的作用，具有一定的高温力学强度、高温体积稳定性、抗热震性等。2．耐燃性在发生火灾时，材料抵抗或延缓燃烧的性质称为耐燃性（或称防火性）。材料的耐燃性是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。建筑材料按其燃烧性质分为四级：（1）不燃性材料（A）。即在空气中受高温作用不起火、不微燃烧、不炭化的材料。（2）难燃性材料（B1）。即在空气中受高温作用难起火、难微燃、难炭化，当火源移开后燃烧会立即停止的材料。（3）可燃性材料（B2）。在空气中受高温作用会自行起火或微燃，当火源移开后仍能继续燃烧或微燃的材料。（4）易燃性材料（B3）。在空气中容易起火燃烧的材料。第三节材料的力学性质一、材料的强度材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示。根据受力方式不同，可分为：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯(折)强度等抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算公式如下：式中f——材料的强度，MPa；F——破坏时的最大荷载，N；A——材料的受力面积，mm2．AFf材料的抗弯强度与材料受力情况、截面形状及支承条件等有关。对矩形截面的条形试件(或小梁)，在两端支承，中间作用集中荷载的情况下，抗弯强度按下式计算：式中f——抗弯强度，MPa；F——受弯时破坏荷载，N；——两支点间的距离，mm；b、h——材料截面宽度、高度,mm．223bhFlfl材料的强度和它的成分、结构等因素有关。不同种类的材料，有不同的抵抗外力的力。同一种材料随其孔隙率及结构特征不同，强度也有较大差异。一般情况下，材料的表观密度愈小、孔隙率愈大，其强度愈低。材料的强度值还与测试条件有很大关系，具体说来就是与试件的形状、尺寸、表面状态、含水程度、温度及加载速度等因素有关。因此，国家规定了试验方法，测定强度时应严格遵守。测定强度的标准试件强度等级：为便于合理使用材料，对于以强度为主要指标的材料，通常按材料强度值的高低划分为若干个等级，称为材料的强度等级。脆性材料主要以抗压强度来划分，塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度来划分。比强度：是材料强度与表观密度的比值。比强度是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。二、弹性与塑性(一)弹性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能完全恢复到原来状态的性质称为材料的弹性。明显具备这种特性的材料称为弹性材料。受力后材料应力与应变的比值称为材料的弹性模量。值愈大，材料受外力作用时越不易产生变形。(二)塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍保持变形后的形状且不产生破裂的性质称为材料的塑性。具备较高塑性变形的材料称为塑性材料。实际上，单纯的弹性或塑性材料都是不存在的，各种材料在不同应力下，表现出不同的变形性质。三、脆性与韧性(一)脆性材料受外力作用，在无明显塑性变形的情况下即突然破裂的性质。如天然石材、混凝土、普通砖等。脆性材料的抗压能力很强，抗拉强度则比抗压强度小很多倍。脆性材料抗振动、冲击荷载的能力差，因而脆性材料常用于承受静压力作用的建筑部位，如基础、墙体、柱子、墩座等。(二)韧性材料在冲击、振动荷载作用下，能承受很大的变形而不致发生突发性破坏的性质称为韧性(或冲击韧性)。如建筑钢材、沥青混凝土等。韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。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。第四节材料的耐久性一、材料的耐久性定义:料在使用环境中，长期在各种破坏因素的作用下，不破坏、不变质，而保持原有性质的能力称为材料的耐久性。耐久性是材料的一项综合性质，它包括材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、抗碳化性、耐热性、耐磨性等。二、影响材料耐久性的因素材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还会受到物理、化学和生物作用而被坏。金属材料易被氧化腐蚀；无机非金属材料因碳化、溶蚀、热应力、干湿交替而破坏；木材、竹材等其他有机材料，常因生物作用而遭受破坏；沥青等材料因受阳光、空气和热应力的作用而逐渐老化。三、提高材料耐久性的措施1.提高材料本身对外界作用的抵抗能力(如提高密实度、改变孔隙构造、改变成分等