建筑材料基本性质

1、一、 材料的组成n材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。q材料组成对材料的性质起决定性作用。q材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。q例：金刚石/石墨q相组成。第一节第一节 材料的组成、结构与构造材料的组成、结构与构造n、为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.2和则为0.20.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。 AB微观结构n材料的微观结构与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。n材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体形式。（1）

2、晶体材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。（2）玻璃体熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体。s特点：质点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等二、 材料的结构粉煤灰玻璃体 （3）胶体作为分散相的粒子(粒径在1 100 m) ，分散在分散介质中形成的分散体系。s分散介质可以是气体、液体和固体，相应形成气溶胶、溶胶和凝胶。如油漆、涂料等为溶胶；混凝土为凝胶。s溶胶失水后成为具有一定强度的凝胶结构，可以把材料中的晶体或其他固体颗粒粘结为整体。s胶体因比表面积大

3、，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等）。混凝土的强度和变形性质与水泥水化形成的凝胶体有很大的关系。水泥凝胶体 宏观结构宏观结构 材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。建筑材料常见的构造形式有： 大理岩的致密表面1.密实结构n密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。n这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。2.纤维结构n纤维构造的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻

4、璃纤维、石棉等。 竹的纤维构造竹的纤维构造3.多孔结构n多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高。n具有多孔构造的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况，一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。 加气砼砌块的多孔构造4.层状结构n层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后可以提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。各向异性 :材料在各方向的力学和

5、物理性能呈现差异的特性。 胶合板的层状构造胶合板的层状构造5.散粒构造n散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。 陶粒的粒状构造陶粒的粒状构造6.纹理构造n天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。大理石的纹理结构大理石的纹理结构开口孔隙与闭口孔隙的概念第二节第二节 材料的密度材料的密度 、表观密度和孔隙率、

6、表观密度和孔隙率一、一、 密度密度 密度是指材料在绝对密实绝对密实状态下单位体积的质量。=m/V式中 材料的密度，kg/m3或g/cm3 ；m 材料的质量（干燥至恒重）， kg或g ；V 材料在绝对密实状态下的体积， m3或cm3 。注： 由微观结构和组成所决定，与其所处的环境或状态无关。密度的测量： 1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃、建筑塑料等，量测几何体积称重代入公式 2）除了钢材，玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。例如：砖、混凝土、石材、粉煤灰、矿物细粉等，在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。密度的测定n在李氏瓶中注入煤油至突

7、颈下部，记下刻度数。将李氏瓶放在盛水的容器中，在试验过程中保持水温为20。n称取6090g经烘干的试样，用漏斗将试样逐渐送入李氏瓶内，使液面上升至接近20 cm3的刻度为止。再称剩下的试样，计算送入李氏瓶中的试样质量m(g)。n将注入试样后的李氏瓶液面的读数，减去未注前的读数，得试样得绝对体积V(cm3)。二、表观密度表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。 0=m/V0 式中 0 材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； m 材料的质量，kg或g； V0 材料在自然状态下的体积，m3或cm3。 n自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变

8、化。需注明含水情况。否则当其是求干表观密度。n表观密度的测量： 1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材：烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料：可用封蜡排液法测得。三、散粒材料的堆积密度三、散粒材料的堆积密度 堆积密度是指散粒或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量，可按式 0 =m/v0 计算。 材料的堆积表观密度反映散粒构造材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。自然堆放状态下体积的测量： 1）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 2）自然堆积法： 堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式砂堆积密度的测定将容量筒内材将

9、容量筒内材料刮平，容量料刮平，容量筒的容积即为筒的容积即为材料体积材料体积颗粒材料空 隙四、孔隙率四、孔隙率 和密实度和密实度材料的孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分率。 孔隙率的计算公式为： P=(V0V)/V0100% 式中 P 材料孔隙率，； V0材料在自然状态下的体积，cm3或m3； V 材料的绝对密实体积，cm3或m3。n孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率的大小、孔隙特征对材料的性能如吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度等影响较大。练习：n某种标准水泥砌块其密度为2.85g/cm，表观密度为2180kg/m，求该砌块的密实度和孔隙率。空隙率空隙率n空隙率是指散粒状材

10、料颗粒之间空隙体积所占的比例。 P=(V0V0)/V0100% 式中 P 散粒材料空隙率，； V0散粒材料在自然状态下体积cm3或m3； V 散粒材料的绝对密实体积，cm3或m3。n空隙率的大小反映了散粒材料颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制砼骨料级配和计算合理砂率的依据。 练习：n某砂料在标准试验状态下测得其密度为3.05g/cm，表观密度为2.58g/cm，堆积密度为2100kg/m，求该材料的填充率和空隙率。n某砂料在标准试验状态下测得其堆积密度为2100kg/m，已知材料空隙率为35%，求该材料的表观密度。n某砂料堆积密度为1780kg/m，填充率为75.4%，求该材料的空隙率。

11、几种密度的比较比较项目实际密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实自然状态堆积状态材料体积固V开闭固VVV空开闭固VVVV第二节第二节 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 一、亲水性和憎水性一、亲水性和憎水性 n接触角 当材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为接触角，角愈小，表明材料愈易被水润湿。（）亲水性材料 （）憎水性材料9090n亲水性材料（90），如砖、石材、砼、钢材、木材等,这些材料内部存在着孔隙，因此水很容易沿着材料表面的连通孔隙进入材料内部。n憎水性材料（90），如沥青、石蜡等，水分不容易进入材料内部，这类材料适合作防

12、水材料，还可用于处理亲水材料的表面。二、吸水性二、吸水性n吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。n吸水过程一般是可逆的，最后与空气湿度达到平衡，平衡时的含水率称为平衡含水率。n平衡含水率随环境温度、湿度的改变而改变气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高。n材料吸水饱和时的含水率称为吸水率。n质量吸水率 Ww =(G1 G) / G 100% 式中 Ww质量吸水率，； G1材料在吸水饱和状态下的质量，g； G材料在绝对干燥状态下的质量，g；n体积吸水率Wv： 式中V0材料自然状态下的体积，cm3；%100V01水GGWvn例 有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为25

13、50g。砖的尺寸为24011553mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62 cm3 。试计算该砖的质量吸水率、密度、表观密度、孔隙率。n质量吸水率为n密度为n表观密度为n孔隙率为%100255025502900%1001MMMWm3/69.262.1850cmgVm300/74.13.55.11252550cmgVm%3.3569.274.1110P 材料的吸水性除了与材料的本性亲水性或憎水性材料有关外，还与材料的孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。吸水性对材料的影响：

14、吸水性对材料的影响：n自重增加，体积与尺寸、形状变化，保温隔热性能降低，强度下降等问题，影响使用功能。 例如木材制品由于含水量变化会出现尺寸变化或变形，湿胀干缩。故其与周围环境达到平衡含水率非常重要。多孔材料吸收水分后，保温隔热性降低，导热系数增大，对围护结构材料不利；石膏制品、粘土砖、木材等材料吸水后强度和耐久性均有不同程度降低。 n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的红砖，见图。请分析原因。未烧透的红砖未烧透的红砖砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降n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

15、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。 三、耐水性三、耐水性 n材料在长期饱和水的作用下，不破坏、强度也不显著降低的性质称为耐水性。n材料的耐水性用软化系数表示，如下式： Kr= f b / f d 式中 Kr 软化系数； f b材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa； f d 材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。n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。n软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将Kp 0.80的材料认为是耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时(如地下构筑物、基础、水工结构)，必须选用Kp 0.85的建筑材料。

16、用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.70 。n例 某石材在绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为178、165MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。 该石材的软化系数为 由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。93. 0178165gbRffK四、抗渗性四、抗渗性 n抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。 （1 1）抗渗系数）抗渗系数n抗渗性通常用渗透系数k表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。 依达西定律依达西定律 式中：

17、K渗透系数,（cm / h）; Q渗水量， （cm3 ）； A渗水面积,（cm2 ）； H材料两侧的水压差，（cm）； d试件厚度（cm）； t渗水时间 （h）。 k值愈大，抗渗性愈差。AtHQdK影响材料抗渗性的因素影响材料抗渗性的因素通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。五、材料的抗冻性n抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环，不破坏、强度也不显著降低的性质。 冻融破坏的主要原因：n材料有孔且孔隙含水；n水冰体积膨胀9，结冰压力高达100MPa；n结冰压力

18、超过材料的抗拉强度时，材料开裂；n裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度；n饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；n反复多次进一步加剧最终材料崩溃。 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。冻融破坏的桥梁冻融破坏的桥梁冻冻融融破破坏坏的的水水库库坝坝面面海上钻井平台海上钻井平台影响抗冻性的因素影响抗冻性的因素:1.材料的密实度越高则其抗冻性越好。2.材料的开口孔隙越多则其抗冻性越差。3.材料的强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量越大则其抗冻性越差。 一、一、 材料的强度和比强度材料的强度和比强度n材料的强度是指材料在外力

19、作用下抵抗破坏的能力。 n（一）材料的静力强度n根据所受外力的作用形式不同，材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（抗折）强度、抗剪强度等。n不同材料的承载特点是不同的： 混凝土、石材、砖抗压强度高 钢材、各类纤维抗拉强度高（绳子）不同的外力作用形式(a) 受压 (b) 受拉 (c) 受弯 (d)受剪n材料的抗压、抗拉、抗剪强度可统一由下式计算： f =F /An抗弯强度的计算:中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：n材料强度除与材料的组成、结构或构造有关外，还受试件形状、尺寸、表面状态、温湿度及其它试验条件等因素影响。223bhFLft如：n小尺寸试件测试的强度值高于大

20、尺寸试件；n加载速度快时测得的强度值高于加载速度慢的；n立方体试件的测得值高于棱柱体试件；n受压试件与加压钢板间无润滑作用的（如未涂石蜡等润滑物时），测得的强度值高于有润滑作用。强度等级：依据国家标准规定，材料按强度的高低，划分为若干等级，即强度等级。例如：混凝土强度等级：C20、C25、C30、C35、C40等；砂浆强度等级：M5、M7.5、M10等。比强度：f/-强度/表观密度反应轻质高强的力学参数。2、弹性变形和塑性变形、弹性变形和塑性变形 n材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到变形前形状的性质称为弹性。可完全恢复的变形称为弹性变形。 n材料在外力作用下产生变形，当外力去除

21、后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。不可恢复的变形称为塑性变形。 n实际上，完全弹性的材料是不存在的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料 。（海绵）弹性变形与塑性变形弹塑性材料的变形曲线 变形荷载0 b a塑性变形弹性变形3、材料的韧性和脆性、材料的韧性和脆性n材料在冲击、振动荷载作用下，能吸收较大的能量产生一定的变形而不破坏，这种性质称为韧性。在工程中使用时可用作承受冲击和震动荷载的构件。如桥梁、吊车梁、电梯井等。材料的韧性韧性用冲击试验来检验。n材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时无明

22、显塑性变形，这种性质称为脆性脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖砖、陶瓷、玻璃、砂浆等。脆性材料的特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时可用作承压构件。4、材料的硬度、磨损及磨耗、材料的硬度、磨损及磨耗 硬度是指材料表面耐较硬物体刻划或压入而产生塑性变形的能力。通常用压入法，刻划法和回弹法测定材料的硬度。n压入法（韧性材料）：布氏硬度值n刻划法用于天然矿物硬度的划分（脆性材料），按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。 路面磨损裂纹路面磨损裂纹 n经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。n路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不够。 出现露石的路面出现露石的路面吸声材料任务四：材料的耐久性任务四：材料的耐久性n耐久性是指材料在长期使用过程中，在内、外部因素的作用下，经久不破坏、不