材料的基本物理性质

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 。 mV 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 v 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 。mV 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； V 0 材 料 在 自 然 状 态 下 的 体 积 或 表 观 体 积 ； 2、 计 算 公 式 ： v 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 。v 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 clV =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 0mV 式 中 0 堆 积 密 度 ， kg/m3； m 材 料 的 质 量 ， kg； V 0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0 0 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 0000 VVV 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 。 21 0- 1 100%k H Om mP 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 。b kP 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 ： 00 100%VD V 0 100%D 或 0 0 0 0 0 0100% 1 100% (1 ) 100%V V VP V V 五 、 填 充 率 与 空 隙 率2） 计 算 公 式 ：1、 填 充 率 v 二 者 关 系 ： D+P=1。v 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 。v 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 F 亲 水 性 与 憎 水 性F 吸 水 性 与 吸 湿 性 F 耐 水 性 F 抗 冻 性F 抗 渗 性 1.2.2 材 料 与 水 有 关 的 性 质 润 湿 角 （ a） 亲 水 性 材 料 ： 0 901、 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 :v 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 。v 当 90 时 ， 材 料 表 面 不 吸 附 水 ， 称 憎 水 性 材料 。v 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%m mm 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%H Om mV 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v 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 。v 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 ， %; m 1-材 料 含 水 时 的 质 量 ， g； m-材 料 干 燥 状 态 下 的 质 量 ,g。100%m mm 1 v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 。v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 。fK 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 。v 通 常 软 化 系 数 大 于 等 于 0.85的 材 料 称 为 耐 水 材 料v 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 ；v 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 。AtHQdK 5、 工 程 度 量 指 标 ： 抗 渗 等 级v 抗 渗 等 级 ： 试 件 在 透 水 前 所 能 承 受 的 最 大 水 压 力 。v 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 ：v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 。v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 。v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 。v 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；v 用 于 桥 梁 和 道 路 的 混 凝 土 应 为 D50、 D100或D200 。v 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 。v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v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 。v 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