第1章基本性质

1、本章教学目标 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第一节 材料的基本物理性质材料的基本物理性质1 . 1 . 材料的体积材料的体积体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。材料的绝对密实体积：干材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部没有孔隙时的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以表示材料的绝对密实体积材料的表观体积：材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0 表示材料的表观体积。材料的堆积体积： 粉状或粒状材料，在堆集状态下的总体外观体积。根据其堆积状态不同，同一表材料现

2、的体积大小可能不同，松散堆积下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。材料的堆集体积一般以 来表示。0V 表观密度是指多孔固体材料质量与其表观体积之比。也指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，其计算式为： 表观体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。对外形规则的材料，其几何体积即为表观体积；对外形不规则的材料，可用排水法测定。 00mV一、材料与质量有关的基本物理性质1、材料的表观密度（一）材料的密度、表观密度与堆积密度 一般所指的表观密度，是以干燥状态下的测定值为准。 材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积。因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少

3、，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关2、材料的实际密度一、材料与质量有关的基本物理性质 材料在绝对密实状态下（内部不含任何孔隙），单位体积的质量称为材料的实际密度，以表示。其计算式为：绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的真实体积。mV实际密度测定动画 堆积密度，是指散状（粉状、粒状或纤维状）材料在自然堆积状态下单位体积（包含了颗粒内部的孔隙即颗粒之间的空隙）所具有的质量。其计算式为： 常用建筑材料的基本物理参数见表1-1。一、材料与质量有关的基本物理性质3、材料的堆积密度00mV 粉

4、状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。 在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。名称定义表达式单位备注密度表观密度堆积密度00vmvmvom04、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材料在绝对密实状态下材料在绝对密实状态下, ,单位体积的质量。单位体积的质量。材料在自然状态下，单材料在自然状态下，单位体积的质量。位体积的质量。材料在堆积状态下，单材料在堆积状态下，单位体积的质量。位体积的质量。g/cmg/

5、cm3 3/m/m3 3/m/m3 3或或g/cmg/cm3 3（二）密实度与孔隙率图图1-1 1-1 材料孔隙率示意材料孔隙率示意图图 00100%100%VDV（二）密实度与孔隙率图图1-1 1-1 材料孔隙率示意材料孔隙率示意图图 000100%) 100%VVPV(1-1PD例例普通粘土砖普通粘土砖0 = 1900kg/ m3 ,= 2500kg/ m3 , 试求砖的密实度和孔隙率。试求砖的密实度和孔隙率。解：解：%76%1002500190000VVD故普通粘土砖的密实度为故普通粘土砖的密实度为76%。%24%76%100100DVVVP故普通粘土砖的孔隙率为故普通粘土砖的孔隙率为2

6、4%。（二）密实度与孔隙率1PD 材料的总体积是由该材料的固体物质与其所包含的孔隙所组成的。建筑材料的许多性能如强度、吸水性、耐久性、导热性等均与材料的孔隙有关。孔隙按其尺寸大小又可分为微孔、细孔和大孔。 几种常用建筑材料的孔隙率见表1-1。（三）填充率与空隙率 图图1-2 1-2 材料空隙率示意图材料空隙率示意图0000100%100%VDV 图图1-2 1-2 材料空隙率示意图材料空隙率示意图00000100%(1) 100%1VVPDV （三）填充率与空隙率（三）填充率与空隙率空隙率的大小反映了散粒状材料的颗粒之间相互填充的致密程度。 1PD填充率与空隙率的关系为： 润湿是水在材料表面被

7、吸附的过程，材料被水润湿的程度可用润湿角表示，如图所示。 一般认为，润湿角90（如图（a）所示）的材料为亲水性材料。反之，90时，表明该材料不能被水润湿，称为憎水性材料(如图（b）所示)。 二、材料与水有关的性质（一）材料的亲水性与憎水性（一）材料的亲水性与憎水性 二、材料与水有关的性质（二）吸水性 定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。 有两种表示方法：质量吸水率和体积吸水率。 质量吸水率材料吸水达饱和时，其所吸收水分的质量占材料干燥时质量的百分率，可表示为： %100 干干湿质mmmW体积吸水率是指材料体积内被水充实的体积。即材料吸水达饱和时，所吸收水分的体积占干燥

8、材料自然体积的百分率，可按下式计算：00V1100%=100%VVmmW水干湿体水质量吸水率与体积吸水率有如下的关系： 001WWW体质质水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； 孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等 。（三）吸湿性 定义：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小可用含水率表示。 材料所含水的质量占材料干燥质量的百分率，称为材料的含水率，可用下式计算： 100%mmWm干含含干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

9、温度和湿度 。（四）材料的耐水性 定义：材料在长期饱和水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。 其衡量指标为：干饱软ffK 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。 一般材料随着含水量的增加，会减弱其内部的结合力，强度也会不同程度地降低。材料软化系数的要求材料软化系数的要求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； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软0.75； K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。实例：实例：某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔

10、的红砖，见下图所示。请分析原因。 未烧透的红砖未烧透的红砖 分析与讨论分析与讨论：砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降原因：这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。 越大，材料的抗渗性越差。(五)材料的抗渗性QAdH 对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(P)表示： P=10H1 H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 P4,P6,P8 指 0.4Mpa,0.6Mpa,0.8Mpa 地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等

11、均要求较高的抗渗性。 （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，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%。对结构材料，主要指保持强度的能力，并以抗冻等级来表示。抗冻等级是用材料在吸水饱和状态下（最不利状态），经冻融循环作用，强度损失和质量损失均不超过规定值时，所能抵抗的最多冻融循环次数来表示，记作F25、F50、F100、F150等。 冻融破坏的原因冻融破坏的原因 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

12、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、跨海大桥等均需考虑冻融破坏。三、材料的热工性质导热性三、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。其大小用热导率（）表示。 12QdA TTt12(T -T ) AQdt At2t1Q 式中 导热系数（W/m.K） Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） d材料的厚度（m） t热传导时间（s） (T2-T1)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

13、的热量。 材料的组成与结构 孔隙率及孔隙特征 含水情况影响材料导热系数的因素有：思考某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，请问选择何种材料？ A B保温层的目的是减少外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，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材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。第二节第二节 材料的力学性质材料的力学性质变化变化破坏：破坏：当外力超过材料的承受当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。使用功能的变化。变形：变形：在外力的作用下，材料在外力的作

14、用下，材料通过形状的改变来吸收能量。通过形状的改变来吸收能量。弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形脆性材料脆性材料韧性材料韧性材料第二节 材料的力学性质 一、 材料的强度 强度 材料抵抗外力破坏的能力 1.1.几种强度：材料受力动画 （1 1）抗压强度、抗拉强度、抗剪强度三种受力方式三种受力方式第二节 材料的力学性质 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度表示公式 （MPaMPa） F F破坏时的最大荷载，N N A A受力截面面积，mmmm2 2 1MPa=1N/mm2AFf第二节 材料的力学性质（2）抗弯强度（抗折强度）（对于矩形断面和条形断面）223bhFLf 单点加荷：单点加荷： 三分点加荷：三分点

15、加荷： 2bhFLf L L/2/2L L/2/2第四种受力方式第四种受力方式混凝土路面砖抗压强度试验混凝土路面砖抗折强度试验EBrittle and ductile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，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材、纤维等。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。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。脆性与韧性破坏动画Hardness and wearresistance测定方法：刻划法、回弹法、压入法。 1.硬度指材料表面的坚硬

16、程度，是抵抗其他物体刻划、压入其表面的能力。硬度试验 2.耐磨性材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。12mmNA磨损率m1试件磨损前的质量（g）；m2试件磨损后的质量（g）；A试件受磨面积（cm2）。第三节第三节 材料的耐久性材料的耐久性第三节第三节 材料的耐久性材料的耐久性 Durability材料长期抵抗各种内外破坏因素或腐蚀介质的作用，保持其原有性质的能力称为材料的耐久性。材料的耐久性是材料的一项综合性质，一般包括耐水性、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、耐热性、耐溶蚀性、耐磨性等多项性能。破坏作用一般可分为物理作用、化学作用和生物作用等。 n 物理作用包括干湿交替、冻融循环、光、电、热、温度差、湿度差等，这些都将引起材