材料与构造——第一章 建筑材料基本性质

第一章建筑材料的基本性质材料是构成建筑物的物质基础。直接关系建筑物的安全性、功能性以及使用寿命和经济成本。一般来说，材料的性质可分为四个方面：(1)物理性质包括表示材料物理状态特征及与各种物理过程有关的性质。(2)力学性质指材料在应力作用下,有关抵抗破坏和变形的能力的性质。(3)化学性质指材料发生化学变化的能力及抵抗化学腐蚀的稳定性。(4)耐久性指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力。第一节材料的物理性质一、与质量有关的性质【详解】（一）密度（二）表观密度（三）堆积密度（四）密实度与孔隙率（五）填充率与空隙率二、与水有关的性质【详解】（一）亲水性与憎水性（二）吸水性与吸湿性（三）耐水性（四）抗渗性（五）抗冻性三、与热有关的性质【详解】（一）导热性（二）热容量与比热（三）温度变形性任何材料均有质量和体积，材料根据形状可分为：块状材料，如：砖、石块、混凝土散状材料，如：水泥、砂、石子等一、与质量有关的性质常压下吸不到水，但当水压力较大时，水可通过材料内部的毛细通道进入其中。可见，材料的质量是相对确定的，但体积有多种，因而出现了以下几种密度。（一）材料的体积组成1.材料绝对密实体积V2.材料的孔体积Vp，分为开孔体积VK和闭孔体积VB3.材料在自然状态下的体积V0V0=V+VpVp=VK+VB可见，材料的质量是相对确定的，但体积有多种，因而出现了以下几种密度1.密度（二）材料的密度、表观密度和堆积密度(1)定义：密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。(2)计算公式：(3)测定方法：磨细、烘干、称量、排液法测体积。（g/cm3）2.视密度(表观密度)<通常指气干状态下表观密度>(1)定义：包括闭口孔隙在内的单位体积的质量。(2)计算公式：(3)适用范围及测定方法：已经是粒状的材料，如：砂、石子、水泥等,不再磨细，直接用排水法测定其体积。（4）对于外形规则材料（用尺量测）（5）对于不规则的材料？（g/cm3）3.容重（体积密度）(1)定义：自然状态下单位体积的质量。(2)计算公式：(3)测定方法：规则材料,测量外形尺寸，计算体积;不规则材料表面封蜡，排水法测体积。(g/cm3）绝干状态/气干状态/气水饱和状态4.堆积密度（松散容重）(1)定义：散粒状或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。(2)计算公式：（kg/m3）空隙几种密度的特点：相同点：指单位体积质量。（质量/体积）区别：测试方法不同，获得体积大小不同体积的测试方法：绝对密实体积---李氏比重瓶法(粉末)表观体积（实体＋闭口）体积密度<容重>（实体＋闭口+开口）----规则试件：计算法；不规则试件：涂蜡排水法堆积体积(实体＋闭口＋开口＋间隙)---容积升法反映块状材料密实程度的两个指标密实度和孔隙率1.密实度（三）密实度与孔隙率、填充率与孔隙率（1）定义：密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的绝对密实体积V与总体积V0之比。(2)计算公式：凡含空隙的固体材料的密度均小于1。显然，D+P=1。2.孔隙率P（1）定义：孔隙率是指材料内部空隙（开口的和闭口的）体积所占总体积的比例(2)计算公式：反映散状材料填充程度和空隙率的指标：填充率空隙率3.填充率D'（1）定义：填充率是指颗粒材料的堆积体积中，颗粒体积所占总体积的百分率，它反应了被颗粒所填充的程度(2)计算公式：4.空隙率P'（1）定义：空隙率是指颗粒材料的堆积体积内，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率。(2)计算公式：返回1.亲水性与憎水性二、与水有关的性质亲水性：θ≤90°憎水性：90°<θ<180°润湿角润湿角3、亲水、憎水的界定依据：润湿角θ亲水性材料：润湿角θ≤90°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°水分子间内聚力＞水分子与材料分子间吸引力　大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料；沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料。2.吸水性材料在水中吸收水分的能力，取决于材料的亲水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征。有两种表示方法：(1)质量吸水率材料所吸收的水分的质量占材料干燥质量的百分数。计算公式：(2)体积吸水率指材料体积内被水充实的程度，即材料吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分数。计算公式：一般情况下都有质量吸水率来表示材料的吸水性，但是轻质、吸水率强的材料其质量吸水率常大于100%,而采用体积吸水率表示。思考：吸水率与材料的空隙特征的关系？材料的吸水性主要取决于材料本身的亲水性，同时与孔隙率大小及孔隙特征有关。3.吸湿性材料在潮湿的空气中吸收水分的性质,称为吸湿性。用含水率表，含水率是指材料内部所含水质量占材料干燥质量的百分数。计算式为：影响材料吸湿性的因素有：(1)自身的特性(亲水性、孔隙率和孔隙特征)。(2)周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，材料的含水率就越大。(3)材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，称为平衡含水率。4.耐水性材料长期在饱和水作用下而不破坏,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：软化系数一般在0～1间波动，其值越小，材料耐水性越差。软化系数大于0.85的材料，通常可以认为是耐水材料。材料的耐水性主要取决于其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。k软的应用：选择经常受水作用结构物用材料时，k软较重要。10经常位于水中或受潮严重的重要结构物用材料的k软≮0.85，一般要求k软的大小在0.85~0.90之间。20受潮较轻或次要结构物用材料的k软≮0.70，一般要求k软的大小在0.70~0.85之间。5.抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性(不透水性)。材料的抗渗性可用抗渗等级Pn表示:抗渗等级Pn是指材料在试验方法下进行透水试验,所能承受的最大水压力的10倍数。P越大,材料的抗渗性越好。影响材料抗渗性的因素：与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。6.抗冻性材料在吸水饱和状态下，材料抵抗冻融循环而不破坏，也不显著降低强度的性质，称为抗冻性。（1）冻融循环：通常采用-15℃的温度冻结后，再在20℃的水中融化的过程。(2)冻融循环破坏的原因：材料有孔隙，孔隙中的水在结冰时体积膨胀9%，产生强大的冻胀应力。(3)冻融循环试验破坏的判定：以质量损失超过5%，或强度下降超过25%。(4)抗冻等级：破坏前所能经受的最大冻融循环次数来确定。用符号“Fn”和最大冻融循环次数表示。如F15、F15、F50、F100等。(5)影响材料抗冻性的因素:a.材料的强度b.材料的孔隙率及孔隙特征返回1.导热性三、与热有关的性质材料传导热量的能力称为导热性。导热性的大小用导热系数λ表示:显然，导热系数越小，材料的隔热性能越好。材料的导热系数决定于：(1)材料的化学组成、结构、构造；(2)孔隙率与孔隙特征、含水状况导热时的温度。2.热容量材料加热时吸收热量,冷却时放出热量的性质称为热容量Q。热容量的大小用比热容(J/（kg•℃).)来表示。比热容在数值上等于1g材料，温度升高或降低1K时所吸收或放出的能量Q。中应选用导热系数小、热容大的材料。可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。3.耐火性耐火性是指材料在高热或火的作用下，保持其原有性质而不损坏的性能，用耐火度表示。根据耐火度的不同，可分为三类：（1）耐火材料，耐火度≥1580℃（2）难熔材料，耐火度1350℃～1580℃（3）易熔材料，耐火度≤1350℃4.耐燃性耐燃性是指材料能够经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据材料的耐燃性可分为四类：（1）不燃材料，混凝土，石材等（2）难燃材料，沥青混凝土（3）可燃材料，木材，沥青等（4）易燃材料，纤维植物5.温度变形温度变形是指材料在温度变化时产生体积变化，多数的材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的来解决温度变形问题。第二节材料的力学性质一、理论强度二、强度、比强度三、材料的变形性质材料的力学性质，主要是指在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力和变形的有关性质。一、理论强度固体材料的强度主要取决于结构质点间的相互作用力。理论上来说，材料受外力作用后破坏主要是由于拉力造成质点间的断裂，或者是剪力造成质点间的滑移。材料的理论强度一般都远远大于实际强度。材料受外力作用示意图二、强度、比强度（一）强度材料抵抗外力作用下破坏的性能称为强度。以单位面积上所能承受的荷载大小衡量。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度。　　材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：式中：f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度，MPaF——材料承受的最大荷载，ＮA——材料的受力面积，mm2式中：f——材料的抗弯(折)强度，MPaF——材料承受的最大荷载，Ｎ　L——两支点之间的距离，mmb——材料受力截面的宽度，mmh——材料受力截面的高度，mm　　材料的抗弯强度的计算式为：影响材料强度的主要因素：(1)材料的组成与结构;(2)试件尺寸的大小;(3)试验环境与方法。强度等级、标号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成若干等级，称为材料的强度等级或标号。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。比强度指单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值（f/ρ0），是衡量材料轻质高强特性的技术指标。比强度越大，则材料的轻质高强的性能越好。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。轻质高强的材料也是未来建筑材料发展的主要方向。（二）比强度常见土木工程材料的比强度材料表观密度/(kg/m3)强度/MPa比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹抗拉）5001000.200玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）1700100.006（一）弹性与塑性弹性指外力作用下产生变形，外力消失后，能完全恢复到原来的形状。弹性变形大小与所受应力的大小成正比。所受应力与应变的比值称为弹性模量，用E表示：三、材料的变形性质1.弹性与弹性变形2.塑性与塑性变形外力作用下产生变形，外力取消后，不能恢复的变形为塑性变形。3.弹塑性材料纯弹性和纯塑性材料并不存在。如钢材。随着应力的增大，分别呈弹性、塑性、弹塑性。注意1、不破坏2、不能自动恢复原来形状（二）脆性与韧性1.脆性材料在外力作用下，无明显塑性变形而发生突然破坏。如：天然石材、砖、玻璃、普通混凝土。力学特点：抗压强度远高于抗拉强度，其变形和抵抗冲击或振动载荷的能力差，只适用于承受静压力的结构构件和不变形的部位。2.韧性材料在振动和冲击荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形，而不致破坏的性能。如：木材、建筑钢材、沥青混合料等。力学特点：破坏时能吸收较大的能量，在荷载作用下能产生较大的变形。适用于承受动力荷载的吊车梁等结构构件。（三）硬度与耐磨性1.硬度指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的能力。为保证建筑物性能和外观，对建筑材料的使用有一定硬度要求，如预应力钢筋混凝土锚具、外墙柱面及地面装饰等都要求具有一定的硬度。（1）非金属材料的硬度用摩氏硬度表示。（2）金属材料的硬度等级用压入法测定，2.耐磨性耐磨性指材料表面抵抗磨损的能力。常以磨损率衡量，用G表示耐磨性与材料的组成结构、构造、材料强度和硬度、孔隙率、孔特征、表面缺陷等有关。第三节材料的耐久性P7定义：材料在长期使用的过程中，能够抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。材料本身组分和结构的不稳定、低密实度、各组分热膨胀的不均匀、固相界面上的化学生成物的膨胀等都是其内部因素。使用中所处的环境和条件（自然的和人为的），诸如日光曝晒、介质侵蚀（大气、水、化学介质）、温湿度变化、冻融循环、机械摩擦、荷载、疲劳、电解、虫菌寄生等，都是其外部因素。包括：1.抗冻性抵抗冻融循环的能力2.抗渗性抵抗水等侵蚀性液体及CO2等气体向材料内部渗透的能力3.抗风化性抵抗物理风化、化学风化、生物风化的能力4.抗老化性能材料在大气、阳光、水份等综合作用下性能的降低5.抗腐蚀性化学腐蚀，如酸碱盐类水溶液；生物腐蚀，如菌类、昆虫的侵害金属材料----电化学腐蚀；水泥砂浆、混凝土、砖瓦等无机非金属材料-----干湿循环、冻融循环、温度变化等物理作用，以及溶解、溶出、氧化等化学作用；高分子材料----紫外线、臭氧等所起的化学作用，使材料变质失效；木材----主要是由于腐烂菌引起腐朽和昆虫引起蛀蚀而使其失去使用性能，但环境的温度、湿度和空气又为菌类、虫类提供生存与繁殖的条件。提高材料的耐久性的措施a.首先应根据工程的重要性,所处的环境合理选择材料b.增强自身对外界作用的抵抗能力,如提高材料的密实度等;或采取保护措施,使主体材料与腐蚀环境相隔离c.甚至可以从改善环境条件入手减轻对材料的破坏.1.化学组成化学组成即化学成分，是构成材料的化学元素及化合物的种类和数量，决定材料化学性质、物理性质、力学性质的主要因素。第四节材料的组成、结构、构造与性质含碳量C%1硬度抗拉强度断面收缩率伸长率冲击韧性例：化学元素碳对钢材性质的影响如下图：1.42材料的内部空隙与性质【1】.内部空隙的来源与产生(1)水分子的占据作用。建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论上的用水量,多余的水分占据的空间即为孔隙。(2)外加的发泡剂的作用。如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。(3)火山爆发作用。火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙。(4)焙烧作用。材料中掺入的可燃材料在高温下燃烧掉而形成孔隙；由于某些成分的作用产生气体而形成孔隙(1)按大小.微细孔隙（对于无机非金属材料而言,＜20nm的为无害孔隙）、毛细孔隙、较粗大孔隙、大孔(2)按形状.球形、片状（裂纹）、管状、尖角状(3)按常压进水与否.开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分也可进入【2】.孔隙的分类(1)材料受力的有效面积减小,强度降低。（2）材料的表观密度减小。(3)导热系数和热容减小。(4)透气性,透水性,吸水性变大。(5)对抗冻性、抗渗性,要视孔隙大小和形态而定,有一些能提高抗冻性、抗渗性。(6)吸声性、吸湿性、吸水性增强。3.孔隙对于材料性质的影响(孔隙增多)