一章建筑材料的基本质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,JIANZHUCAILIAO,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一章建筑材料的基本质,第一章 建筑材料的基本性质,主要内容：,材料的基本物理性质,材料的力学性质,材料的耐久性,1.1 材料的基本物理性质,1.材料与质量有关的性质,2.材料与水有关的性质,3.材料与热有关的性质,1.1.1 与质量有关的性质,密度,表观密度,堆积密度,密实度与孔隙率,空隙率与填充率,1.1.1、材料与质量有关的性质,1、密度材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。,密度，g/cm,3,m 材料的质量，g,V材料在绝对密实状态下的体积,cm,3,绝对密实状态下的体积是不包含孔隙在内的体积。密实材料的体积为绝对密实体积，如钢材、玻璃等。一般材料内部均含有孔隙，在测定有孔隙的材料密度时，应将材料磨成粉末，干燥后，用李氏瓶测定其体积。,=,m,V,什么叫近似密度（视密度）？,对于砂、石子，内部有少量闭口孔，直接以排液法测得的体积称为近似体积（视体积），计算所得的密度称为近似密度（视密度），以,a表示。,1.1.1、材料与质量有关的性质,2、表观密度,材料在自然状态下，单位体积的质量。,0,密度，g/cm,3,m 材料的质量，g,V,0,材料在自然状态下的体积，cm,3,测定材料表观密度时，外形规则材料可通过直接度量外形尺寸，按几何计算体积；,对于外形不规则的不吸水材料，可直接用排水法测定材料的体积，对于吸水材料，用封蜡法测定材料的体积。,0,=,m,V,0,1.1.1、材料与质量有关的性质,3、堆积密度散粒材料或粉末材料在自然堆积状态下，,单位体积的质量。,m,0,V,0,0,堆积密度，kg/m,3,m 材料的质量，kg/m,3,V,0,材料的自然堆积体积，m,3,1.1.1、材料与质量有关的性质,表13 常用建筑材料的密度、视密度、体积密度、堆积密度数值,材料名称,密度,（g/cm,3,),表观密度,0,（g/cm,3,),堆积密,0,（g/cm,3,),钢材,7.85,7.85,-,花岗岩,2.6-2.9,2.6-2.85,-,石灰岩,2.6-2.8,2.4-2.7,-,玻璃,2.5-2.6,2.5-2.6,-,烧结普通砖,2.5-2.7,1.5-1.8,-,建筑陶瓷,2.5-2.7,1.8-2.5,-,普通混凝土,2.6-2.8,2.3-2.5,-,建筑用砂,2.6-2.8,2.55-2.75,1450-1700,碎石,2.6-2.9,2.55-2.85,1400-1700,木材,1.55,0.4-0.8,-,泡沫塑料,1.0-2.6,0.01-0.05,-,名称,定义,表达式,单位,备注,密度,表观密度,堆积密度,小结：材料的密度、表观密度与堆积密度,材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。,材料在自然状态下，单位体积的质量。,材料在堆积状态下，单位体积的质量。,g/cm,3,/m,3,/m,3,或g/cm,3,1.1.1、材料与质量有关的性质,4、结构中的孔隙构造及孔隙尺寸与材料性质的关系,1）、孔隙分类,按孔隙的尺寸大小分为：,细微孔隙、细小孔隙、,较粗大孔隙、粗大孔隙。,按孔隙构造分为：,开口孔隙（连通孔隙）（常压水能进入）,闭口孔隙（封闭孔隙）（常压水不能进入）,按孔隙的形状分为：,球状孔隙、片状孔隙、,管状孔隙、尖角孔隙。,开口孔隙,封闭孔隙,片状孔隙,尖角孔隙,球状孔隙,固体物质,1.1.1、材料与质量有关的性质,2）、孔隙的来源与产生原因,a、天然形成：木材内部的孔隙是木材生长需要而产生的，岩石中,的孔隙是造岩运动时产生的。,b、人为形成：泡沫塑料、加气混凝土。,c、制造缺陷：玻璃中的气泡、粘土砖、混凝土和钢材中的裂纹。,d、生产工艺和组成要求产生：混凝土、砂浆、石膏等凝结硬化后,由于水分蒸发产生的孔隙。,3）、孔隙对材料性质的影响,孔隙率越高，则材料的表观密度、堆积密度、强度越小，保温性、隔声性、吸水性越强。,孔隙构造、形状、大小对材料的性质也有很大影响。球状孔隙对强度的影响小于片状、尖角孔隙，开口孔隙对材料的吸水性的影响大于闭口孔隙，对保温性的影响较小。,加气混凝土砌块吸水分析,某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、表观密度仅700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。,原因分析：,加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，,或闭口孔结构,，,毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材料的吸水性不仅要看孔隙率大小，还需看孔的结构特征。,1.1.1、材料与质量有关的性质,5、密实度与孔隙率,1）、密实度材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度。,V,0,D, 100 100,V,0,密实度D值反映了材料的密实程度，钢材、玻璃的密实度 D = 1。,2）、孔隙率,材料在自然状态下，孔隙体积占材料总体积的百分率。,V,P,V,0,- V,P, 100 (1D),V,0,V,0,P+D=1,开口孔隙率P,K,材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 P,K,V,K,/V,0,闭口孔隙率P,b,材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 P,B,V,B,/V,0,V,P,=V,K,+V,B,P=P,K,+P,b,1.1.1、材料与质量有关的性质,6、空隙率与填充率,1）、空隙率,散粒材料在堆积状态下，颗粒间空隙体积占材料堆积体积的百分率。,V,S,V,0,- V,0,0,P, （1 ） 100,V,0,V0,0,2）填充率,散粒材料在堆积状态下，颗粒体积占材料堆积体积的百分率。,V,0,0,D, 100,V,0,0,1P,D+P=1,V,0,V,0,V,s,V,V,p,V,K,V,B,1.1.1、材料与质量有关的性质,例：,普通粘土砖的尺寸为24011553mm，测得其干重为2600g，,吸水饱和后的质量为2900g（假设开口孔吸水后全部存留孔中而不流出），将其磨细烘干后取50g，用李氏瓶 测得体积19.23cm,3,，计算该砖的密度、表观密度、密实度、孔隙率、开口孔隙率、闭口孔隙率。,密实度 D= ,0,/ =1.777 / 2.6 = 0.683= 68.3%。,孔隙率 P=1- D =1 0.683= 0.317 =31.7%。,开口孔隙率 P,K,=（29002600）/ (2411.55.3）=0.205=20.5%,闭口孔隙率 P,b,P - P,K,=31.7 % -20.5 % = 11.2 % 。,解：密度,V,m,表观密度 2600/(2411.55.3）1.777g/cm,3,。,0,m,V,0,50 / 19.23 = 2.6 g / cm,3,。,1.1.2、材料与水有关的性质,1.亲水性和憎水性,2.吸水性与吸湿性,3.耐水性,4.抗渗性,5.抗冻性,1.1.2 材料与水有关的性质,一、材料的亲水性与憎水性,亲水材料：,水分子间的内聚力小于水分子与固体材料分子间的吸引力时，材料表面容易被水浸润，该材料为亲水材料。 90,0,。大多数材料为亲水材料，如混凝土、粘土砖、木材等。,憎水材料,水分子间的内聚力大于水分子与固体材料分子间的吸引力时，材料表面不能被水浸润，该材料为憎水材料。 90,0,。如沥青、塑料等。,憎水材料,具有良好的防水性能，可作为防水材料使用，或亲水材料的表面处理。对于保温隔热及吸声等多孔材料应进行憎水处理，避免性能下降。,固,液,气,憎水性,固,液,气,亲水性,1.1.2 材料与水有关的性质,二、吸水性与吸湿性,1、吸水性：材料在水中吸收水分的性质。,a、,质量吸水率：,材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分比。,W,m,=,m,b,m,g,m,g,100,m,b,材料吸水饱和时所吸水的质量，Kg或g；,mg材料干燥状态下的质量，g或Kg。,材料的质量吸水率W,m,可以大于1，如海绵的质量吸水率大于1。,b、,体积吸水率：,材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然状态下的体积的百分比。,w,水的密度；,V,0,材料干燥状态下的体积，cm,3,或m,3,。,材料的体积吸水率小于1。 W,V,= W,m,0,W,v,= P,K,W,v,=,m,b,m,g,V,0,100,w,1,1.1.2 材料与水有关的性质,2、吸湿性：材料在空气中吸收水分的性质,用含水率表示。,平衡含水率：材料中的水分与空气湿度达到平衡时的含水率叫做平衡含水率。,3、,影响材料吸水率(含水率）的因素：,a、材料的性质（亲水或憎水）。 b、材料的孔隙率和孔隙构造。,4、含水对材料性质的影响：,a、材料质量增加。 b、材料的强度下降。 C、材料的保温性能降低。,d、材料的耐久性下降（易产生冻害、易被腐蚀）。,例题1：含水率5的湿砂多少克烘干后质量为100kg？,解： m,含,m,干,（1w,含,）100（15）105（g）。,例题2：将100g湿砂烘干至恒重后称其质量为95g，该砂的含水率是多少？,解：w,含,（100-95）/955.26%.,1.1.2 材料与水有关的性质,1.1.2 材料与水有关的性质,三、耐水性,材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。,结构材料的耐水性用软化系数K,R,表,f,b,f,g,K,R,f,b,材料在吸水饱和状态下的抗压强度 ，Mpa；,f,g,材料在绝干状态下的抗压强度 ，Mpa。,K,R,0.85时为耐水材料。一般结构，材料的软化系数K,R,0.75；重要结构，材料的软化系数K,R,0.85。,1.1.2 材料与水有关的性质,四、抗渗性,材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。,衡量指标：,渗透系数k，,单位cm/h ，,k,越大，材料的抗渗性越差。,A,d,H,抗渗等级Pn：表示,能抵抗渗透的最大水压力。,eg:P6、P8、P10指能抵抗的最大水压力为0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa,混凝土及砂浆的抗渗性常用抗渗等级表示。,1.1.2 材料与水有关的性质,五、抗冻性,材料在冻融循环作用下，保持其原有性质的能力。,冻融循环：,在15冻结，20的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。,结构材料的抗冻性用抗冻等级表示。如F,25,、F,50,、F,100,、表示材料经25、50、100次冻融循环后仍能满足质量损失5，强度下降25的要求。,影响材料抗冻性的因素：,1、材料的孔隙构造和孔隙率（开口孔隙率）。,2、孔隙的充水程度。,3、材料自身的强度。,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；,裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，,饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；,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、跨海大桥等处在水位升降范围内的混凝土或砖建筑物、构筑物均需考虑冻融破坏。,材料的热容 材料的导热性 材料的热变形性,1.1.3、 材料的热工性质,1、材料的热容性,(1).热容-指材料温度变化时吸收或放出的热量。,(2).比热容-单位质量的材料温度升高1度时所需吸收的热量称为比热容，简称比热，用符号c表示。c可用来表示不同材料的热容性大小。,(3).建筑材料的热容性对于保持建筑物内部温度稳定性具有重要意义。比热容大的材料有利于减少室内温度波动。,2、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,热导率或导热系数（）表示。,A,T,2,T,1,Q,式中 导热系数（W/m.K）,Q传导的热量（J）,A热传导面积（m,2,）,d材料的厚度（m）,t热传导时间（s）,(T,1,-T,2,)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。,1.材料的组成与结构：,金属,无机非金属,有机高分子；,晶体,非晶体,2.孔隙率及孔隙构造,相同材料，P越大，,越小；,P相同时，微孔、封闭孔材料,较小。,3.含水情况,含水率增加，,增大，绝热性下降（原因？）。所以，绝热材料一定要注意防水防潮。,影响材料导热系数的因素有：,常用土木工程材料的热工性质指标,材料名称,导热系数W/(mK),比热J/(gK),钢,55,0.46,铜,370,0.38,花岗岩,3.49,0.92,普通混凝土,28,0.88,水泥砂浆,0.93,0.84,普通粘土砖,0.81,0.84,粘土空心砖,0.64,0.92,松木,0.170.35,2.51,泡沫塑料,0.03,1.30,冰,2.20,2.05,水,0.60,4.19,静止空气,0.025,孔隙对材料性质的影响,某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见图1-2。请问选择何种材料？,孔隙率对材料导热性质的影响,某工程顶层屋面欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，见图1。请问选择何种材料？,图材料剖面,A,B,分析,保温层的目的是尽量减少外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要衡量指标为导热系数，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为较密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。,3、材料的热变形性,1.热变形性-指材料温度变化时的尺寸变化。一般材料“热胀冷缩”。,2.线膨胀系数-,3.土木工程上一般不希望材料的热变形性过大。而且希望相配合材料之间的线膨胀系数相等或差别不大,（为什么？）,-线膨胀系数,L-材料原长,L材料的线变形量,t1,t2-材料前后的温度,1.2 材料的力学性质,一、材料的受力变形,1 、弹性变形,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料的变形立即消失并能完全恢复到原来形状的性质称为弹性。材料的这种变形称为弹性变形。应变和应力成正比，其比值称为材料的弹性模量。E=/（Mpa)。,2 、塑性变形,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍能保持变形后的形状并且不产生裂缝的性质称为塑性。材料的这种变形称为塑性变形。,3 、徐变（蠕变）,材料在恒定外力作用下产生，随着时间而缓慢增长的变形称为徐变变形，简称徐变。,注 意,完全的弹性材料与完全的塑性材料是不存在的，有的材料在低应力作用下，主要发生弹性变形，而在应力接近或高于其屈服强度时则产生塑性变形。例如建筑钢材。,有的材料为弹塑性材料，弹塑性材料-即在外力作用下，既发生弹性变形又发生塑性变形，如混凝土。,b a 变形,荷载,0,A,ab,弹性变形,弹塑性材料的变形曲线,ob,塑性变形,1.2 材料的力学性质,二、材料的强度,1、强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。,2、材料强度的计算,抗拉、抗压、抗剪强度：,f = ,P,A,抗弯强度：f =,3PL,2bh,2,L,b,h,P,P,P,P,P,P,P,1.2 材料的力学性质,常用材料的强度值,单位MPa,材 料,抗压强度,抗拉强度,抗弯强度,比强度（抗压）,花岗岩,100-250,5-8,10-14,0.070,普通粘土砖,7.5-30,-,1.8-4.0,0.006,普通混凝土,7.5-60,1-4,-,0.017,普通低碳钢,200-400,200-400,-,0.054,松木（顺纹）,30-50,80-120,60-100,0.200,3、材料的比强度：,材料强度与表观密度的比值（f/,0,)。是衡量材料轻质高强的主要指标。,三、材料的脆性与韧性,2.韧性在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材等。,桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。,1.脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质,。,脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）具有抗压强度远大于抗拉强度的特点，抵抗冲击或震动荷载的能力很差。工程上适宜用在受压部位，如基础、柱、墙体等。,1.2 材料的力学性质,请看材料脆性、韧性破坏动画演示,1.2 材料的力学性质,四、硬度和耐磨性,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,。,测定方法：刻划法、回弹法、压入法。,请看压入法硬度实验动画,1.2 材料的力学性质,2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力,。,用磨损率表示。,m,1,试件磨损前的质量（g）；,m,2,试件磨损后的质量（g）；,A试件受磨面积（cm,2,）。,楼梯踏步、路面、地面等部位材料应有一定耐磨性。,1.2 材料的力学性质,1.3 材料的耐久性,一、概念,材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的或外来因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原有性能不影响使用的性质。这是一个综合性指标。,二、材料耐久性的影响因素,1、内因-材料自身的内部因素因：,材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH),2,、挥发份、杂质等；,材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。,2、外因-材料服役环境因素：,材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用等。,材料耐久性的影响因素,物理作用-有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。,化学作用-包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。,机械作用-包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。,生物作用-包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,材料耐久性的影响因素,砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。,材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。,三、提高耐久性的措施,1.减轻介质对材料的破坏作用,2.提高材料密实度,3.对材料进行憎水或防腐处理,4.在材料表面设置保护层,第1章小节,本章学时：讲课4，实验2,主要内容：材料的基本物理性质、力学性质、耐久性等。,重点：,掌握密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、密实度、空隙率、填充率的概念、计算公式、测试方法及其相互关系；,掌握强度公式、计算及实验方法；,掌握亲水性（憎水性）、吸水性（吸湿性）、耐水性的概念、吸水率的计算公式。,