1-1材料的基本性质.

第1章工程材料1.1工程材料的定义和分类1.1.1工程材料的定义用于土建工程的材料与制品的总称为土木工程材料。（分狭义和广义）1.1.2工程材料的分类材料可按照化学成分、使用功能及材料来源等进行分类。1.按化学成分分类：无机材料：金属材料：黑色金属材料——钢、铁有色金属材料——铝、铜、合金天然石材——大理石、花岗岩、骨料等烧土制品——砖、瓦、卫生陶瓷胶凝材料及制品——石灰、石膏、水玻璃非金属材料：水泥、砂浆、混凝土、灰砂砖、加气混凝土、混凝土砌块玻璃——平板玻璃、特种玻璃无机纤维材料——玻璃纤维、矿物棉有机材料：植物材料——木材、竹材沥青材料——石油沥青、煤沥青、沥青制品高分子材料——塑料、涂料、油漆、胶粘剂复合材料：金属与非金属复合——钢筋混凝土、钢纤维混凝土有机与无机复合——玻璃钢、沥青混凝土、聚合物混凝土有机与金属复合——塑钢、PVC钢板2.按用途（功能）分类结构材料：砖、石材、砌块、钢材、混凝土墙体材料：砖、石材、砌块、混凝土等防水材料：沥青、塑料、橡胶、金属、聚乙烯胶泥饰面材料（装饰）：墙面砖、石材、彩钢板、彩色混凝土吸音材料（隔音）：多孔石膏板、塑料吸音板、膨胀珍珠岩绝热材料（保温）:塑料、橡胶、泡沫混凝土卫生工程材料：金属管道、塑料、陶瓷功能材料1.2工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质，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。因为土木建筑材料所处建（构）筑物的部位不同、使用环境不同、人们对材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性质也就有所不同。1.2.1材料的基本物理性质1.材料的体积与质量的关系体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。材料质量与体积关系示意图普通材料散粒状材料1）材料的实际密度（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：式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV—材料的绝对密实体积，cm3或m3测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。Vm2）材料的表观密度表观密度是指材料在包含其内部闭口孔隙状态下单位体积的质量。按下式计算：式中：ρ，—材料的表观密度,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgVb—材料的表观体积，cm3或m3bmV3）材料的体积密度体积密度（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,g/cm3或kg/m3m—材料的质量，g或kgV0—材料的表观体积，cm3或m34）材料的堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。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材料名称密度g/cm3体积密度g/cm3堆积密度g/cm3钢材7.85————松木1.550.40~0.80——水泥2.80~3.20——900~1300砂2.662.651450~1650碎石（石灰石）2.60~2.802.601400~1700普通混凝土2.601.95~2.50——普通黏土砖2.6016.0~1.90——几种材料的密度指标5）材料的密实度与孔隙率密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。00VVD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。0001VVVP6）材料的填充率与空隙率填充率是指材料在某堆积体积中，被其颗粒填充的程度。填充率的计算式如下：0oooVDV空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：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。0000'00100%(1)100%(1)100%oVVVPVV2.材料与水有关的性质1）材料的亲水性与憎水性与水接触时，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。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。材料润湿示意图（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料θ---润湿边角亲水性材料：θ≤90°憎水性材料：θ＞90°2）材料的吸水性材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。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%bgmgmmWm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）。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：%10010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/cm33）材料的吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，其计算公式为：100%ghgbmmWm式中：mb——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）。平衡含水率：4）材料的耐水性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K：wfKf式中：K——材料的软化系数fw—材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）。f—材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）工程中通常将Ｋ≥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0.75。5）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。渗透系数：pQdKAtH式中：K—渗透系数,（cm/h）;Q—渗水量，（cm3）A—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。抗渗等级（抗渗标号）：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。6）抗冻性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。3.材料与热有关的物理性质1）导热性当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，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：)(12ttFZQd式中：λ——导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ｑ－传导的热量，Ｊｄ—材料厚度，ｍ；Ｆ——热传导面积，m2Ｚ一热传导时间，h；（t2-t1）－材料两面温度差，K绝热材料：λ≤0.1752）热容量和比热材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示：)(12ttmQC式中：C---材料的比热，J/（g·K）Q--材料吸收或放出的热量(热容量)m---材料质量，g（t2-t1）--材料受热或冷却前后的温差，K3）热阻和传热系数热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为：式中：Ｒ——材料层热阻，（m2·K）/W；ｄ——材料层厚度，ｍ；λ——材料的导热系数，Ｗ／(ｍ·K)热阻的倒数１/Ｒ称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1Ｋ时，在单位时间内通过单位面积的热量。dR1.2.2工程材料的力学性质1.材料的强度与比强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的强度的计算式如下：PfA式中f------材料强度，MPaP--材料破坏时的最大荷载，NA------试件受力面积，mm2-2PLfbh弯强度等级:为了掌握材料的力学性质，合理选择材料，将材料按极限强度(或屈服点)划分成不同的等级，即强度等级。如石材、混凝土、红砖等脆性材料主要用于抗压，因此以其抗压极限强度来划分等级，而钢材主要用于抗拉，故以其屈服点作为划分等级的依据。“比强度”:比强度是评价材料是否轻质高强的指标。它等于材料的强度与体积密度之比，其数值大者，表明材料轻质高强。材料抗压抗拉抗弯花岗岩100~2505~810~14普通黏土砖7.5~30——1.6~4.0普通混凝土7.5~601~9——松木（顺纹）30~5080~12060~100建筑钢材240~1500240~1500——几种材料的强度比较2.弹性和塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。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称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。塑性材料3.脆性和韧性材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量而不破坏的性能，称为韧性或冲击韧性。韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。4.硬度和耐磨性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。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。压入法：主要用于测定金属材料的硬度。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，计算公式如下：12mmBA式中：B------材料的磨耗率，（g/cm2）m1----材料磨损前的质量，（g）m2-----材料磨损后的质量，（g）A------材料试件的受磨面积（cm2）1.2.3材料的耐久性材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。1.侵蚀作用的类型材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因