建筑材料基本性质

,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,第二章 建筑材料基本性质,材料的基本物理性质,1,材料的力学性质,2,材料的耐久性,3,材料与质量有关的性质,材料的密度,材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。,按下式进行计算：,式中：,密度,单位是,kg/m,3,；,m,绝对干燥状态下的质量，单位是,kg,；,V,绝对密实状态下的体积，单位是,m,3,。,对于固体块状材料而言，绝对密实状态下的体积指的是不包括孔隙在内的体积；对于固体散粒材料则指的是不包括其空隙在内的体积。这种材料实际上是不存在的。为了研究问题方便起见,常将密实度较高的材料,如钢材、玻璃和,4,的水看成是绝对密实的。绝对密实状态的近似值称为视密度。,材料的表观密度,(,又称作体积密度,),表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。,按下式进行计算：,式中：,0,表观密度,单位是,kg/m,3,；,m,绝对干燥状态下的质量，单位是,kg,；,V,0,自然状态下的体积，单位是,m,3,。,材料在自然状态下的体积,若只包括孔隙在内而不含有水分,此时计算出来的表观密度称为干表观密度,;,若既包括材料内的孔隙,又包括孔隙内所含的水分,则计算出来的表观密度称为湿表观密度。,材料的密度和表观密度常用来计算材料的密实度、孔,(,空,),隙率、材料和构件自重、运输量以及在一定空间中不同材料的堆放量等。,材料与质量有关的性质,材料的堆积密度,堆积密度是指粉状或粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量，,按下面公式进行计算：,式中：,0,堆积密度,单位是,kg/m,3,；,m,绝对干燥状态下,的质量，单位是,kg,；,V,0,堆积状态下的体积，单位是,m,3,。,对于同一种材料，由于材料内部存在孔隙和空隙，一般密度大于表观密度，表观密度大于堆积密度。,值得注意的是，,密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积；自然状态下的体积是指固体物质的体积与全部孔隙体积之和；堆积体积是指自然状态下的体积与颗粒之间的空隙之和。,材料与质量有关的性质,材料的密实度,密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。,按下式进行计算：,式中：,D,材料的密实度,常以百分比表示。,凡具有孔隙的固体材料,其密实度都小于,1,。材料的密度与表观密度越接近,材料就越密实。材料的密实度大小与其强度、耐水性和导热性等很多性质有关。,例,普通粘土砖,0,=1900kg/m,3,=2500kg/m,3,试求砖的密实度。,解：,故普通粘土砖的密实度为,76%,。,材料与质量有关的性质,材料的孔隙率,材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。,按下式进行计算：,式中：,P,材料的孔隙率,以百分比表示。,材料的孔隙率和密实度是从两个不同的角度来说明材料的同一性质。对于散粒材料,如砂、石子等,，,也可用上式计算其空隙率,，,即材料颗粒间的空隙,而不是材料颗粒的内部孔隙率。,例,仍为上题之普通粘土砖,求其孔隙率,P,为多少？,解：,故普通粘土砖的孔隙率为,24%,。,材料与质量有关的性质,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所占的比例。,按下式进行计算：,材料的空隙率,材料与质量有关的性质,式中：,0,材料的体积密度；,0,材料的堆积密度。,空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。,材料的吸水性,材料与水有关的性质,材料的吸水性指的是材料能吸收水分的能力。,材料吸水性的大小用吸水率来表示。,式中：,W,质,材料的质量吸水率,;,W,体,材料的体积吸水率,;,m,饱,材料吸水饱和后的质量,kg;,m,干,材料烘干到恒重时的质量,kg;,V,0,材料在自然状态下的体积,m,3,;,W,水的密度,kg/m,3,。,材料与水有关的性质,材料的吸湿性,材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。,材料吸湿性的大小用含水率来表示。,式中：,W,含,材料的含水率,;,m,含,材料含水时的质量,kg;,m,干,材料烘干到恒重时的质量,kg,。,材料可以从湿润空气中吸收水分,也可以向干燥的空气中扩散水分,最终使自身的含水率与周围空气湿度持平,此时材料的含水率称为平衡含水率。,材料与水有关的性质,材料的耐水性,式中：,K,饱,材料的软化系数,;,f,饱,材料在饱和状态下的抗压强度,MPa;,f,干,材料在干燥状态下的抗压强度,MPa,。,材料的软化系数范围在,0,1,之间,当软化系数大于,0,.,80,时,便认为该材料是耐水的。在潮湿的环境及浸泡在水中的构件,应选用软化系数大的材料,因为软化系数越大,意味着材料的耐水性能越好。,材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。,衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数,K,软,：,材料与水有关的性质,材料的抗渗性,材料的抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。,材料的抗渗性可用,抗渗等级,来表示,即用材料抵抗压力水渗透的最大水压力值来确定,其抗渗等级越高,则表明材料的抗渗性能越好。,材料的抗渗性还可用,渗透系数,K,表示,渗透系数的计算方法如下式,:,式中,:,K,渗透系数,m/h;,Q,透水量,m,3,;,d,试件厚度,m;,A,透水面积,m,2,;,t,时间,h;,H,静水压力水头,m,。,材料的渗透系数越大,表明材料的透水性越好,抗渗性越差。,建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。,材料与水有关的性质,材料抗渗性能的好坏,主要决定于材料本身孔隙率的大小及孔隙的特征。密实材料,具有封闭口孔或极微细孔的材料,一般是不会透水的,;,具有较大孔隙率,且孔径大并且开口连通孔的材料,其抗渗性往往较差。,材料的抗冻性,材料与水有关的性质,材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。,抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。,抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为,抗冻等级,。材料的抗冻等级可分为,D,15,、,D,25,、,D,50,、,D,100,、,D,200,等，分别表示此材料可承受,15,次、,25,次、,50,次、,100,次、,200,次的冻融循环。,材料受到冻融循环作用次数越多,所遭受的损害也越严重,。,材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。,材料与温度有关的性质,材料的导热性,当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。,用导热系数,表示。,材料的导热系数,越小,则材料的绝热性能越好。,材料传热能力主要与传热面积、传热时间、传热材料两面温度差及材料的厚度、自身的导热系数大小等因素有关,可用下面公式计算,:,式中,:,材料的导热系数,W/(mK);,Q,材料传导的热量,J;,d,材料的厚度,m;,A,材料导热面积,m,2,;,t,材料传热时间,s;,T,2,-,T,1,传热材料两面的温度差,K,。,材料与温度有关的性质,材料的热容量,材料加热时吸收热量,冷却时释放热量的性质称为热容量,材料单位质量的热容称为比热容,c,可用下式进行计算,:,式中,:Q,材料吸收或放出的热量,J;,m,材料的质量,kg;,c,比热容,J/K;,T,2,-,T,1,材料受热或冷却前后的温度差,K,。,导热系数、热容量系数综合表示材料的热工性能,对于建筑物的保温、隔热,实现建筑节能具有重要意义。,材料的力学性质,材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。,通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。在工程上，通常采用,破坏试验法,对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。,材料的强度,材料的抗拉、抗压、抗剪强度可按下式进行计算,:,式中,:,f,抗拉、抗压、抗剪强度,MPa;,P,材料受拉、压、剪破坏时的荷载,N;,A,材料的受力面积,mm,2,。,材料的力学性质,材料的抗弯强度,(,抗折强度,),与材料受力情况有关,试验时将试件放在两支点上,中间作用一集中力,对矩形截面的试件,其抗弯强度可按下式进行计算,:,式中,:f,max,材料的抗弯强度,MPa;,P,材料受弯时的破坏荷载,N;,L,试件受弯时两支点的间距,mm;,b,、,h,材料截面宽度、高度,mm,。,不同材料具有不同的抵抗外力的特性,混凝土、砖、石材等抗压强度较高,钢材的抗拉、抗压强度都很高,在建筑设计中选择材料时应了解清楚不同材料所具有的不同强度特性。材料的强度大小主要决定于其本身的成分、构造。一般情况下,材料的表观密度越小、孔隙率越大、越疏松,其强度就越低。,材料的力学性质,弹性与塑性,材料在外力作用下产生变形,外力去掉后,变形能完全消失的性能称为,弹性。,材料在外力作用下产生变形,外力去掉后,变形不能完全恢复、并且材料也不即行破坏的性质,称为,塑性。,材料不能恢复的残留变形,叫,塑性变形。,荷载,变形,(a),弹性变形,荷载,变形,(b),塑性变形,材料的力学性质,应该说明,在外力作用下工程材料中单纯的弹性变形是不存在的。一些材料在外力不大的情况下,外力与变形成正比,，,产生弹性变形；当外力超过一定数值后,接着便出现塑性变形,如建筑钢材中的低碳钢；也有些材料受到外力作用后,，,弹性变形和塑性变形同时发生,，,如混凝土。,上图说明混凝土材料受力后弹性、塑性变形共生,去掉外力后弹性变形,ab,可以恢复,其塑性变形,ob,则要保留。,o,b,a,荷载,变形,混凝土材料的弹性变形和塑性变形曲线,材料的力学性质,脆性与韧性,材料在外力作用下未发生显著变形就突然破坏的现象称为脆性,，,如石材、砖、混凝土等。脆性材料的抗压强度大大地高于其抗拉强度。,材料在动荷载的作用下产生较大的变形尚不致破坏的性质称为韧性,，,也叫冲击韧性。如钢材、木材等。,冲击韧性指标系指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功。其计算公式为,：,式中,:,K,材料的冲击韧性指标，单位是,J,mm,2,；,A,K,试件破坏时所消耗的功，单位是,J,；,A,试件受力净截面积，单位是,mm,2,。,材料的耐久性,材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。,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。,物理作用,可有干湿变化、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。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。,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。,材料的耐久性,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。,影响处在建筑物各部位材料的耐久性的因素是多方面的,，,从实际意义上讲,材料的耐久性是一项综合的技术性质,，,它包括抗渗性、抗冻性、抗风化性、耐热性、耐蚀性、抗老化性以