第一章建筑材料的基本性质

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,*,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,：,密度，,g/cm,3,;,m,材料在干燥状态的质量，,g,；,V,材料的绝对密实体积，,cm,3,。,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,：,表观密度，,kg/m,3,;,m,材料的质量，,kg,；,V,0,材料在自然状态下的体积,(,表观体积,),，,m,3,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）,V,0,=,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,：,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/m,3,；,m,材料的质量，,kg,；,V,/,0,材料的自然堆积体积，,m,3,。,（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。,（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。,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,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,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。,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。,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,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，,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。,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。,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,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,强度单位：,Mpa,=N/mm,2,1.,单点集中荷载,2.,三分点加荷,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,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,。,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。,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,）。,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,：,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,K,R,=165/178=0.930.85,所以能用于水下工程,4.,某岩石的密度为,2.75g/cm,3,，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/m,3,，求此岩石的表观密度和碎石的空隙率,解得表观密度：,代入数据：,空隙率,：,代入数据：,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,