建筑材料的基本性质.ppt

第一章 土木工程材料的基本性质 材料的基本性质： 指材料处于不同的使用条 件和环境时，通常必须考虑的最基本的共有 的性质。 主要包括： 基本物理性质、 基本力学性质、 耐久性等。 本章教学目标 熟悉：主要技术性质的物理意义、影响因素及 对其它性质的影响。 掌握：材料各种基本性质的概念、指标的计算。 了解：材料的各性质在工程实践中的意义 。 本章内容 第一节 材料的基本物理性质 第二节 材料的力学性质 第三节 材料的耐久性 第一节 材料的基本物理性质 （一）材料的密度、表观密度与堆积密度 一、材料与质量有关的基本物理性质 1.密度 材料在绝对密实状态下 ,单位体积的质量。 定义： 表达式 ： v m 密度， g/cm3 ; m 材料在干燥状态的质量， g ； V 材料的绝对密实体积， cm3。 V=材料实体体积 少数密实材料可根据外形尺寸求得体积，再求得密度。 多数有孔隙的材料，应把材料 ， 后用 李氏比重瓶 测定其体积（排开液体法）， 液体应不与材料反应 . 磨成细粉 干燥 测量： 密度试验 2.表观密度 材料在自然状态下，单位体积的质量。 定义： 表达式 ： vo m 0 表观密度， kg/m3 ; m 材料的质量， kg ； V0 材料在自然状态下的体积 (表观体积 )， m3 0 测量： 外形规则的材料，可直接按外形尺寸计算出 体积，按式求得表观密度。 外形不规则的，可加工成规则外形后求得体积或采 用水中称量法测量（如砂子、石子表观密度的测定） V0=材料实体体积 +内部孔隙体积 3.堆积密度 指粒状或粉状材料 (如砂、石、水泥等 )，在 堆积状态下，单位体积的质量。 定义： 表达式 ： v o m 0 测量： 将散粒材料装入一定的容器中，则堆积体积 为容器的体积，材料的质量为填充在此容器内的 材料质量。 V/0=材料实体体积 +内部孔隙体积 +材料间空隙体积 材料的堆积密度， kg/m3； m 材料的质量， kg； V/0 材料的自然堆积体积， m3。 0 （二）密实度与孔隙率 密实度 图 1-1 材料孔隙率示意图 密实度是指材料体 积内，被固体物质 所充实的程度。 0 0 100 % 100 %VD V （二）密实度与孔隙率 孔隙率 图 1-1 材料孔隙率示意图 孔隙率是指材料体 积内，孔隙体积占 总体积的百分率。 00 0 100 % ) 100 %VVP V ( 1- 1 PD 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它 对材料的物理、力学性质均有影响。 （三）填充率与空隙率 填充率 图 1-2 材料空隙率示意图 00 00 100 % 100 %VD V 填充率是指散粒材料堆积 体积中，散粒颗粒填充的 程度，也即散粒材料在自 然堆积状态下，其中的颗 粒体积占整个堆积体积的 百分率。 （三）填充率与空隙率 空隙率 %100)1(%100 0 0 0 00 V VVP 图 1-2 材料空隙率示意图 空隙率是指散粒材料在 其堆积体积中，颗粒之 间的空隙体积占材料堆 积体积的百分率 。 1 PD 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密 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。 （一）材料的亲水性与憎水性 (a) 亲水性材料 (b) 憎水性材料 二、材料与水有关的性质 材料的亲水性与憎水性可用 来说明。 润湿角 （二）吸水性 定义：材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持 水分的性质，其大小用 表示。 %1 0 0 干 干吸表达式： m mm W 吸水率 影响吸水性的因素 影响吸水性的因素： 材料的孔隙率。 材料的本身的性质，如亲水性或憎水性； 孔隙特征。如孔径大小（ 粗大孔隙水分不易 保留 ）、开口与否等（ 闭口孔水分不能渗 入 ）。 孔隙率越大，吸水性越强； 只有 孔隙连通 且 孔径微小 的材料，其 吸水率才较大。 （三）吸湿性 1 0 0 % m- 干 干含 含 m m W 定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性 质，称为吸湿性。其大小用 表示。 含水率 材料 吸湿性 作用一般是 可逆 的， 保温材料 吸收水分后，导热系数将增大， 保温性能 降低。 影响吸湿性的因素 影响吸湿性的因素： 材料的孔隙率； 材料的本身的性质，如亲水性或憎水性； 孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等； 周围空气的温度和湿度 。 （四）材料的耐水性 定义：指材料长期在水的作用下不破坏， 强度也不显著降低的性质称为耐水性， 干燥状态下的抗压强度 强度吸水饱和状态下的抗压 软 K 软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降 低越多，其耐水性越差。 其衡量指标是 软化系数 。 工程对材料软化系数的要求 对经常处于水中或受潮严重的重要结构 物（如地下构筑物、基础、水工结构） 的材料，其 K软 0.85； 受潮较轻的材料，其 K软 0.75； K软 0.85的材料，称为耐水性材料。 处于干燥环境的材料可以不考虑软化系数。 衡量指标： 渗透系数。 对于防潮、防水 材料，如沥青、油毡、瓦 等材料，常用 渗透系数 表 示其抗渗性 。 (五 )材料的抗渗性 定义：材料抵抗压力水渗 透的性质称为抗渗性。 Q A d H 抗渗等级 对于混凝土和砂浆，常用 抗渗等级 表示抗渗 性，如 P6、 P8、 P10等 P=10H 1 H第三个试件开始渗水时的水压力（ MPa） 影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水 工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。 抗渗等级 （六）材料的抗冻性 定义：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，强度也不显著降低 的性质。 衡量指标：抗冻性指标用 抗冻等级 （ Fn）表 示， Fn表示经过 n次冻融循环次数后，质量损 失不超过 5%，强度损失不超过 25%。如 F50、 F100、 F200。 冻融破坏的原因 材料有孔且孔隙含水； 水 冰，体积膨胀 9，结冰压力高达 100MPa， 结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂； 反复多次加剧破坏，最终材料崩溃； 严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上 钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。 材料的 抗冻性 与材料的 强度 、 孔特征 和 吸 水饱和程度 有关。 材料抗冻性影响因素 三、材料的热工性质导热性 导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用 导热系数（ ）表示。 12 Qd A T T t 12( T - T ) AQ d t A T2 T1 Q 式中 导热系数（ W/m.K） Q传导的热量（ J） A热传导面积（ m2） d材料的厚度（ m） t热传导时间（ s） (T1-T2)材料两侧温差（ K） 导热系数 的物理意义： 表示单位厚度的材料，当两侧温差为 1K时，在单位 时间内通过单位面积的热量。 含水情况。材料吸水或受冻后 增大 。 影响材料导热系数的因素有： ，导热性 ，绝热保温 。 工程中通常把 0.23 /(m.k)的材料称为绝热材料。 材料的组成与结构。 金属材料 无机非金属材料 有机材料 。 孔隙率及孔隙特征。孔隙率大且为闭口孔的 小。 第二节 材料的力学性质 第二节 材料的力学性质 一、材料的强度 强度指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。 抗压 抗拉 抗弯 抗剪 22 3 bh FLf 弯 材料的抗弯（折）强度 材料的抗压、抗拉、抗剪强度。 抗压 抗拉 抗剪 A f F 强度单位： Mpa=N/mm2 1.单点集中荷载 2.三分点加荷 2bh FLf 弯 2.不同材料，强度差异较大。如砖、石材、砂 浆、混凝土等脆性材料，抗压强度高，抗拉 及抗弯强度低，主要用于结构的承压部位。 钢材的抗拉、抗压强度都很高，适用各种外 力的结构。 强度的影响因素 1.同种材料，孔隙率 ，强度 。 比强度 二、材料的比强度 比强度 ：材料的强度与其表观密度的比值 0 f 比强度 它是评价材料是否 轻质高强 的指标，比强度越 大，材料越轻质而高强。 强度高 高强 质量轻 轻质 三、弹性与塑性 （一）弹性与弹性变形 材料在外力作用下产生 变形，当取消外力后，材料 能完全恢复原来形状的性质 称为 弹性 。 这种可完全恢复 的变形称为 弹性变形 或 瞬时 变形 。 E 弹性范围内，应力与应变成 正比，两者之比称为 弹性模量 (E) ， E越大，材料越不易变形。 材料的弹性变形曲线 （二） .塑性与塑性变形 材料的塑性变形曲线 材料在外力作用下产生 变形，当取消外力后，仍保 持变形后的形状和尺寸，并 不产生裂缝的性质称为 塑性 。 这种不可恢复的变形称为 塑 性变形 或 永久变形 。 有的材料在低应力表现 为弹性变形，高应力为塑性 变形（如钢材），有的材料 受力后，弹性变形与塑性变 形同时产生（如混凝土 )。 材料的弹塑性变形曲线 四、材料的脆性与韧性 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动 荷载的能力很差。 2.韧性 在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能 量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质称为韧 性。如钢材。 1.脆性 材料在外力作用下，无明显的塑性变形 而突然破坏的性质 。 有冲击、震动荷载的厂房、铁路、桥梁等 所用的材料 须有较好的韧性。 五、硬度和耐磨性 测定方法：刻划法、回弹法、压入法。 1.硬度指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体 刻划、压入其表面的能力 。 陶瓷 混凝土 金属材料 五、硬度和耐磨性 2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力 。 用磨损率表 示。 12mmN A 磨损率 m1试件磨损前的质量（ g）； m2试件磨损后的质量（ g）； A试件受磨面积（ cm2）。 第三节 材料的耐久性 第三节 材料的耐久性 一、耐久性概念 材料在使用过程中，能抵抗自身和环境的长期破坏 作用，保持其原有的性能不变的性质。 1.物理作用 主要有 二 材料的三大自然破坏因素 干湿变化、温度变化 和 冻融变化等。 这些变化使材料的体积产生 膨胀 或 收缩 ， 导致内部裂缝。材料逐渐破坏。 2.化学作用 酸、碱、盐溶液及有害气体的侵蚀，使材料组成 发生质变，引起破坏。 3.生物作用 材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而破坏，如木材 等有机质材料。 有时几种破坏因素共同作用，但又以某一种因素为主。 如： 砖、石、砼等矿物材料 物理和化学作用 建筑金属材料 化学作用 木材等有机质材料 生物作用 三 .耐久性指标 耐久性是材料的一项综合性质，材料所处的环 境不同，其耐久性评价的主要指标也不同。 寒冷环境 抗冻性 压力水作用 抗渗性 高温环境 耐热性， 化学介质环境 抗化学侵蚀 机械力磨损 耐磨性 习题 1.当材料的孔隙率增大时，下表内的其他性质 如何变化？ 孔隙率 密度 表观 密度 强度 吸水率 抗冻性 导热性 不变 2. 含水率为 5%的砂 220kg，干燥后的重量 为多少？ 解 ： m - m 100% m w 干含 干 2 2 0 - m 5 % 1 0 0 % m 干 干 解得： m干 =209.5kg 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 174Mpa、 178Mpa和 165Mpa ，该石材能否 用于水下工程？ （ 材料的四种含水状态 ） 解：软化系数 KR=165/178=0.930.85 所以能用于水下工程 4. 某岩石的密度为 2.75g/cm3，孔隙率为 1.5%，今将 岩石破碎为碎石，测得碎石的堆积密度 1560kg/m3，求 此岩石的表观密度和碎石的空隙率 解得表观密度： 3 0 2 .7 1 /g c m / 1560P ( 1 ) 1 0 0 % 4 2 % 2710 代入数据： 空隙率 ： / / 0 0 P ( 1 ) 1 0 0 % 01 .5 % = ( 1 ) 1 0 0 % 2 .7 5 代入数据： 0P= ( 1 ) 1 0 0 % 解：孔隙率： 材料的四种含水状态： 干燥状态： 不含水分 (绝干 )状态。 气干状态： 孔隙内的含水湿度与大气湿度相平衡。 饱和面干状态： 表面干燥而内部孔隙含水达到饱和。 湿润状态： 内部孔隙充满水，且表面还附有一层水。 干燥状态 气干状态 饱和面干状态 湿润状态 表面水 第三题