第一章建筑材料基本性质

第一章建筑材料的基本性质本章主要内容材料的基本性质材料的力学性质与水有关的性质材料的热性质材料的耐久性第一章材料的基本性质•基本性质的概念•基本性质的内容：基本物理性质力学性质材料与水有关的性质材料的热工性质材料的耐久性不同材料，同种材料不同使用条件，基本的、共有的性质。一、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(二)矿物组成二、材料的结构（一）、宏观结构（二）、细观结构（三）、微观结构第一节建筑材料的组成(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1、致密结构材料在外观上和结构上都是致密的2、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3、微孔结构材料中存在微细空隙（加入大量拌合水形成）4、纤维结构是木材,玻璃纤维制品所特有的结构5、层状结构是板材常见的结构6、散粒结构由单独的颗粒组成(二)、细观（显维）结构指借助光学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,分子晶体绝对体积（真体积）堆积体积表观体积第二节材料的基本性质一、材料的密度、表观密度与堆积密度体积一、材料的密度、表观密度与堆积密度名称定义计算公式单位材料在绝对密实状态下，单位体积的质量g/cm3材料在自然状态下，单位体积的质量㎏/m3材料在堆积状态下，单位体积的质量㎏/m3绝对密度表观密度堆积密度vmvom0'00vm密度的测量•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，或称实体积孔隙在内的体积。•实际密度的测量：•1）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•2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材•磨成细粉－排水法求的体积即为密实态体积名称定义计算公式指材料总体积内，固体物质所占的比例D=v/v0×100%=（ρ0/ρ）×100%指材料内孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率P=[(v0-v)/v0]=[1-v/v0]=(1-ρ0/ρ)×100%孔隙率和密实度的关系D+P=1二、密实度与孔隙率密实度孔隙率名称定义计算公式指散粒材料堆积体积内，固体颗粒所占的比例D’=v0/v’0×100%=（ρ’0/ρ0）×100%指散粒材料堆积体积内，固体颗粒之间空隙所占的比例P=[(v’0-v0)/v’0]=(1-ρ’0/ρ0)×100%孔隙率和密实度的关系D’+P’=1三、填充率与空隙率填充率空隙率一、亲水性与憎水性1.原因:水分子间的内聚合和材料与水分子间的分子亲合力,亲水性材料与水分子之间的分子亲合力,大于水本身分子间的内聚力,憎水性材料与水分子之间的亲合力,小于水本身分子间的内聚力。2.判断:在材料、水和空气三相交点处，沿水滴表面作切线，此切线和水与材料接触面所成的夹角θ称为“润湿角”。润湿角θ≤90°时，材料表现为亲水性。润湿角θ＞90°时，材料表现为憎水性。3.意义:憎水材料具有较好的防水性、防潮性、抗渗性，常用作防潮防水材料,也可用于亲水性材料的表面处理。第三节材料与水有关的性质润湿角二、吸水性1.概念:指材料在水中吸收水分的性质。2.表达式:用质量吸水率Wm或体积吸水率Wv表示。Wm=[(mb-mg)/mg]×100%Wv=[(mb-mg)/v0/ρw]×100%式中mb---材料吸水饱和时的质量(g或kg)mg---材料干燥状态时材料的质量(g或kg)v0---干燥材料自然状态下的体积(cm3或m3)ρw---水的密度(g/cm3或kg/m3)3.质量吸水率和体积吸水率的关系Wv=ρ0×Wm三、吸湿性1.概念指材料在空气中吸收水气的性质。2.表达式用含水率Wm表示Wm=mw/m×100%式中mw---材料在空气中吸收水分的量,kg。m---材料干燥时的质量,kg。3.注意:材料在与空气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率,建筑材料在正常状态下,均处于平衡含水率状态。四、耐水性1.概念：材料长期在水的作用下，保持其原有性质不变的能力,用软化系数KR表示。2.表达式：KR=fb/fg式中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）。3.意义：工程中将KR0.85的材料称为耐水材料。经常位于水中或受潮严重的重要结构，KR≮0.85；受潮较轻或次要结构所用材料，KR≮0.75。五、抗渗性1、概念：指材料抵抗压力水(或其它液体)渗透的性质。2、表达式：工程上(混凝土、砂浆等)常用抗渗等级来表示抗渗性。以符号Pn表示,其中n为该材料所能承受的最大水压(0.1Mpa)如P2、P4、P6、P8等分别表示材料最大能承受0.2、0.4、0.6、0.8MPa的水压力而不渗水。六、抗冻性1、概念:材料吸水饱和状态下，能够经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性能。2、表达式:用抗冻等级(Fn)表示。其中n为材料在吸水饱和状态下,经冻融循环作用,强度损失和质量损失均不超过规定值时所能承受的冻融循环次数。如F25、F50、F100等。3、材料在冻融循环作用下破坏的原因:由于材料内部毛细孔中的水结冰时体积膨胀（约9%）,对材料孔壁产生巨大压力，使材料内部产生微裂缝，循环往复以致强度下降。冻融破坏的桥梁HighwayBridgeinServiceof20Years使用20年的高速公路桥梁一、导热性1.概念:指材料传导热量的性质。2.表达式:用导热系数λ表示。λ=Qd/(T2–T1)At式中λ---导热系数，w/(m.k)。Q---传递的热量，J。d---材料的厚度，m。T2–T1---材料两侧的温差，k。A---材料传热面的面积，㎡。t---传热的时间，s或h。3.意义:通常把λ0.23W/(m·k)的材料称为绝热材料，在运输、存放、施工及使用过程中，须保持干燥状态。第四节材料的热性质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件小而增大,则导热系数随体积密度的件小而减小•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•大多数材料的导热系数随温度升高而增加二、热容量1.概念:指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。2.表达式:用比热C表示,又称比热容或热容量系数,其表达式为：C=Q/m(T2-T1)式中C---材料的比热容，J/(kg.K)Q---材料吸收（或放出）的热量，Jm---材料的质量，kg(T2-T1)---材料受热（或冷却）前后的温度差，K•耐燃性•耐火性一、强度的概念指材料在外力(荷载)作用下，抵抗破坏的能力。二、强度的种类根据受力形式(如图所示)分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度、抗剪强度等4种。抗拉抗剪抗弯抗压第三节材料的力学性质三、强度的计算抗压强度、抗拉强度、抗剪强度计算公式f=F/A式中f---材料的抗压、抗拉、抗剪强度(PaMPa)。F---试件破坏时的最大荷载(N)。A---试件面积（m2或mm2）。材料的抗弯(折)强度与材料的受力情况、截面形状及支承条件等有关。对矩形截面,在两端支承,中间作用一集中荷载的情况，其抗弯（折）强度用下式计算：f=3FL/2bh2四、强度等级为便于应用，按材料强度值高低划分的若干等级。脆性材料主要抗压强度来划分，如水泥、混凝土、砖等，塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度来划分，如钢材等。强度等级：混凝土：C15、C20、C25等烧结砖：MU10、MU15、MU20等水泥：32.5级、42.5级等砂浆：M5.0、M7.5、M10等钢材：Q235、HRB335、HRB400五、比强度比强度是指材料强度与体积密度的比值（f/ρ0）。是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。六、变形性能1、弹性：材料完全能恢复的变形称为弹性变形。具备这种变形特征的材料称为弹性材料。2、塑性：材料不能恢复的变形称为塑性变形。具有塑性变称为塑性材料。3.脆性：材料在荷载作用下，没有明显预兆，表现为突发性破坏的性质。4.韧性：韧性又称冲击韧性，是材料在冲击、振动荷载作用下,能承受很大变形而不发生突发性破坏的性质。七、硬度材料抵抗硬物压入或刻划的能力。洛氏硬度：以金刚石圆锥或圆球的压痕深度计算。布氏硬度：以金刚石圆锥或圆球的压痕直径计算。莫氏硬度：矿物相互刻划的相对硬度：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石八、耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。一定尺寸材料，在一定压力下，磨一定周数的磨损率（％）：121mmmG一、概念指材料在长期使用过程中抵抗各种破坏因素的作用,保持其原有性质的能力。二、内容材料的耐久性是一项综合性能,包括有抗渗性、抗冻性、耐腐性、抗老化性、耐磨性、耐光性等。三、影响因素内部因素是造成材料耐久性下降的根本原因。内部因素包括材料的组成、结构与性质等。外部因素是影响耐久性的主要因素。外部因素有：各种酸、碱、盐及其水溶液，各种腐蚀性气体等具有化学腐蚀作用。第五节材料的耐久性冻融破坏的水库坝面习题例1-1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？•解石子的孔隙率P为：••石子的空隙率P，为：•[评注]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。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。%51.165.261.211%100000VVVP%63.3561.268.1111%100000VVVVVP例1-2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240×115×53mm，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。试计算该砖的吸水率、密度、孔隙率。•该砖的吸水率为•该砖的密度为•表观密度为••孔隙率为%100255025502900%100ggbmMMMW3/69.262.1850cmgVm300/74.13.55.11252550cmgVm%3.3569.274.1110P例1-3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。•该石材的软化系数为•由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。•[评注]软化系数为材料吸水饱和状态下的抗压强度与材料在绝对干燥状态下的抗压强度之比。与材料在气干状态下的抗压强度无关。93.0178165gbRffK例1-5选择题：选择正确的答案填在括号内。•当材料的润湿边角θ为（）时，称为憎水性材料。•a.90ºb.≤90ºc.0º•解答:b:90º•[评注]材料的润湿边角θ≤90º为亲水性材料；材料的润湿边角θ90º时为憎水性材料。