材料的基本物理性质.ppt

1.2.1材料与质量有关的性质 密度、表观密度、堆积密度 孔隙率、空隙率与密实度、填充率 1.2.2 材料与水有关的性质 亲水性与憎水性、吸水性与吸湿性、耐 水性、抗渗性、抗冻性 1.2 材料的物理性质 一、密度 1、定义： 材料在 绝对密实状态 下单位体积的质量。 m V 式中 材料的密度， g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重）， g； V 材料在绝对密实状态下的体积 ， cm3。 2、计算公式： 1.2.1材料与质量有关的性质 绝对密实状态下的体积：不包括材料内部孔隙 的固体物质的实体积。 对近于绝对密实的材料：如金属、 玻璃等，量测几何体积称重代入 公式中计算。 对有孔隙的材料：如砖、混凝土磨 成细粉（通过 0.2mm或 900孔 /cm2方 孔筛），用 李氏密度瓶 测量 V（排水 法 ）。 (实验 ) 3、密度的测定 二、表观密度 1、定义： 材料在 自然状态 下，单位体积的质量。 m V 式中 0 材料的表观密度， kg/m3 或 g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重）， kg或 g； V0 材料在 自然状态下的体积 或表观体积； 2、计算公式： 自然状态下的体积 ： 包括材料实体积和内部 孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。 测定方法 ： 材料在包含孔隙条件下的体积可 采用 排液置换法 或 水中称重法 测量 。 0 op c lV =V+ V +V 3、表观密度的测定 (实验 ) 对形状规则的材料：烘干量测几何体积称 重代入公式计算 对形状不规则的材料： 三、 堆积密度 (实验 ) 1、定义： 粉状或粒状材料在堆积状态下，单位体积的 质量。干堆积密度、湿堆积密度 0 0 m V 式中 0 堆积密度， kg/m3； m 材料的质量， kg； V0 材料的堆积体积 ， m3。 V0 V+Vbk+Vkk V空 2、计算公式： 工程意义： 建筑工程中在计算材料用量、构件自重、配料、 材料堆场体积或面积以及计算运输材料的车辆等时，均需要 用到材料的上述状态参数。具体来说，可用来计算材料的孔 隙率、进行混凝土的配合比计算，表观密度建立了材料自然 体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重、 确定材料堆放空间等。 密度、表观密度、堆积密度的大小关系： 三个密度之间的大小关系及工程意义 00 四、密实度与孔隙率 1、密实度 1）定义：材料自然状态体积内被固体物质充实的程度。 2）计算公式： 2、孔隙率 1）定义：材料的孔隙体积占表观体积的百分比 2）计算公式： 0 *100%VD V 或 0 *100%D %100*)1(1 0 00 0 V V V VVP D+P=1 二者关系：？ 3、开口孔隙率 (Pk)和闭口孔隙率 (Pb) 1）开口孔隙率 (Pk) ：材料在常温、 20 mm Hg真空条件下 能被水进入的孔隙体积与材料自然状态体积之比的百分数。 2 1 0 - 1 100% k HO mmP V m1-材料真空条件下，达到吸水饱和面干时的质量； m-材料干燥状态下的质量。 bkP P P 2）闭口孔隙率 (Pb)： 材料内部孔隙构造分： 连通的 与 封闭的 两种。连通孔 隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼 此不连通而且与外界隔绝。 孔隙按尺寸分： 极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙 孔隙率的大小、分布及特征 直接反映材料的致密程度， 对材料的物理、力学性质均有影响。 1）定义： 散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。 2、空隙率 1）定义： 散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体 积所占的比例。 2）计算公式： 0 0 100%VD V 0 100%D 或 0 0 0 0 00 1 0 0 % 1 1 0 0 % ( 1 ) 1 0 0 %V V VP VV 五、填充率与空隙率 2）计算公式： 1、填充率 二者关系： D+P=1。 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。混凝土施工中采用空隙率较 小的砂、石骨料可以节约水泥，提高混凝土的密 实度使混凝土的强度和耐久性得到提高。 常用材料的密度、表观密度、堆积密度及空隙率 如 P11表 1.1所示 材料名称 密度（ g/cm3） 表观密度 kg/m3 堆积密度 kg/m3 钢 7.85 7850 花岗岩 2.80 2500 2900 碎石 （ 石灰石 ） 2.65 1400 1700 砂 2.63 1450 1700 粘土 2.60 1600 1800 水泥 3.10 1100 1300 烧结普通砖 2.70 1600 1900 烧结空心砖 （ 多 孔砖 ） 2.70 800 1480 红松木 1.55 400 800 泡沫塑料 20 50 玻璃 2.55 普通混凝土 2100 2600 表 1-1 常用建筑材料的密度、表观密度 和堆积密度 亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性 耐水性 抗冻性 抗渗性 1.2.2 材料与水有关的性质 润湿角（ a）亲水性材料： 0 90 1、定义：当材料与水接触时被水湿润的性质。 一、亲水性与憎水性 演示实验： 实验证明 : 当 90 时，材料表面吸附水，材料能被水润 湿而表现出亲水性，这种材料称 亲水性 材料。 当 90 时，材料表面不吸附水，称 憎水性 材 料。 当 = 0 时，表明材料完全被水润湿，称为 铺展 。 1、吸水性： 1）定义：材料 在水中 能吸收水分的性质。 2）度量指标： 吸水率 3）吸水率：材料 在没有压力的水中吸水达到饱和面干 状态时的含水率 质量吸水率、体积吸水率 1 100%mm m 式中： -材料质量吸水率， %； m- 材料干燥状态下质量， g; m1- 材料吸水饱和面干状态下质量。 质量吸水率 ：材料吸入水的质量占材料干燥状态下质 量的百分率 二、吸水性与吸湿性 封闭孔隙较多的材料， 吸水率不大时通常用质量吸 水率公式进行计算； 对一些轻质多孔材料， 如加气混凝土、木材等，由 于质量吸水率往往超过 100%, 故用体积吸水率计算。 体积吸水率 ： 材料吸入水的体积占材料自然状态体积 的百分率 2 1 0 1 100% HO mm V 4）材料的饱水率 定义： 材料在常温、 20 mm Hg真空条件下，在水中吸至 饱和面干时的含水率。 度量指标： 质量饱水率、体积饱水率 饱水系数： 体积吸水率与体积饱水率的比。 K 饱 饱 体积吸水率与体积饱水率与孔隙率的关系？ 5）材料的吸水性与孔隙的关系 材料的 吸水性 与材料的 孔隙率 和 孔隙特征 有关。对于细微 连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不 能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能 润湿孔壁，所以吸水率仍然较低。 各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水 率只有 0.5 0.7，混凝土的吸水率为 2 3，粘土 砖的吸水率达 8 20，而木材的吸水率可超过 100 2、吸湿性 1）定义：材料在一定温度和 湿度下 吸附水分的能力 2）度量指标： 含水率 3）含水率：材料所含水的质量与干燥状态下材料的质量之 比。 式中： - 材料含水率， %; m1-材料含水时的质量， g； m-材料干燥状态下的质量 ,g。 100%mmm 1 材料吸湿性作用一般是 可逆 的，材料的吸 湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改 变，当空气湿度较大且温度较低时，材料 的含水率就大，反之则小。 材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的 含水率，称为 平衡含水率 1、定义：材料抵抗水破坏作用的性质。 2、度量指标： 软化系数 ，即 式中： K软 -材料的软化系数； f饱 -材料在吸水饱和状态下的抗压强度 ,MPa f干 -材料在干燥状态的抗压强度， MPa 。 f K f 饱软 干 三、耐水性 K软 值越小，材料的耐水性？ 材料的软化系数的范围在 0 1之间。 通常 软化系数大于等于 0.85的材料称为 耐水材料 用于 水中、潮湿环境 中的重要结构材料，必须选用 软化系数不低于 0.85的材料； 用于 受潮湿较轻或次要结构 的材料，则不宜小于 0.70 0.85。 1、定义 ：材料抵抗压力水渗透的性质。 2.工程意义 ：当材料两侧存在不同水压时，一切破坏因素 (如腐蚀性介质 )都可通过水或气体进入材料内部，然后 把所分解的产物带出材料，使材料逐渐破坏，如地下建 筑、基础、压力管道、水工建筑等经常受到压力水或水 头差的作用，故要求所用材料具有一定的抗渗性，对于 各种防水材料，则要求具有更高的抗渗性。 四、抗渗性 3、材料的抗渗性指标： 渗透系数 。 4、渗透系数的 测定 ：在一定时间 t内，透过材料试件的水量 Q，与试件的渗水面积 A及水头差成正比，与渗透距离 (试 件的厚度 )d成反比。 演示实验 : 式中 K材料的渗透系数 ,cm h； Q渗透水量 ,cm3； d材料的厚度 ,cm； A渗水面积 ,cm2； t渗水时间 ,h； H静水压力水头 ,cm。 K值愈大，表示材料渗透的水愈多，即抗渗性愈差。抗渗 性是决定 材料耐久性 的主要指标。 A t H QdK 5、工程度量指标： 抗渗等级 抗渗等级：试件在透水前所能承受的最大水压力。 表示方式：以符号“ P”和材料透水前的最大水压力 的 0.1MPa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。用公式表示： S=10H-1 式中： S-抗渗等级； H -试件开始渗水时的压力， MPa. 6、 材料的抗渗性 与其 孔隙率 和 孔隙特征 的关系： 细微连通的孔隙，水容易渗入，故这种孔隙愈多，材料 的抗渗性愈差。闭口孔隙，水不能渗入，因此闭口孔隙率 大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔，水最易渗入， 故其抗渗性最差。 材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，憎水性 材料的抗渗性优于亲水性材料。 材料的耐久性与材料抗渗性的有着密切的关系。 1、定义 ： 材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环，保持其 原有性质或不明显降低原有性质的能力。 2、工程度量指标 ： 抗冻标号 3、试验测试指标 ： 质量损失率 (不超过 5%)， 强度损失率 (不超过 25 )。 用符号“ Dn”表示，其中 n即为最大冻融循环次数， 如 D25、 D50等。 五、抗冻性 4、材料抗冻标号的选择 ：根据结构物的种类、使 用条件、气候条件等来决定的。 烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料， 一般要求其抗冻标号为 D15或 D25； 用于桥梁和道路的混凝土应为 D50、 D100或 D200 。 水工混凝土要求高达 D500。 5、材料受冻融破坏主要原因 ：孔隙中的水结冰所致。 水结冰时体积增大约 9，若材料孔 隙中充满水，则结冰膨 胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时， 孔壁将产 生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重 材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。 1）如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有足够的自由空间， 则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。 2）极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大， 吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在 般负温下不会结冰。 3）粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作 用。 4）闭口孔隙水分不能渗入；而毛细管孔隙既易充满水分，又 能结冰 ,故其对材料的冰冻破坏作用影响最大。 另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温 度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。 环境温度愈低、 降温愈快、冻融愈频繁、则材料受冻破坏愈严重。 冻融破坏的大坝坝面 使用 20年的高速公路桥梁