建筑材料第一章

1、 土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具备哪些性能土木工程材料如何满足性能要求？本章内容u第一节 材料的组成和结构u第二节 材料的物理性质u第三节 材料与水有关的性质u第四节 材料的力学性质u第五节 材料的热工性质u第六节 材料的耐久性与环境协调性 第一节第一节 材料的化学组成与结构材料的化学组成与结构u (一）材料的组成一）材料的组成包括化学组成与矿物组成 决定材料各种性质的最基本因素。u材料的化学组成材料的化学组成 指构成材料的基本化合物或化学元素的种类与数量。 表示方法：表示方法

2、： 无机非金属建筑材料的化学组成：以各种氧化物的百分含量的百分率形式表示； 金属材料：以其元素的百分含量来表示； 有机材料：各化合物含量。作用作用：决定着材料的化学性质，影响着物理性质和力学性质。u材料的矿物组成材料的矿物组成：矿物组成矿物组成无机非金属材料中由一种或几种化学组成经过一定的生产工艺过程，形成具有一定结构特征的单质或化合物作用作用决定材料的许多重要性质的主要因素。生料SiO2CaO化合反应8001450800左右分解反应Al2O3Fe2O32CaOSiO23CaOSiO23 CaO Al2O34 CaOAl2O3Fe2O3生料（二）材料的结构（二）材料的结构 分宏观、微观、细观结

3、构 作作 用用决定材料各种性质的重要因素。1.微观结构微观结构 指用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来分析研究材料的原子分子原子分子层次的结构特征，其尺寸范围在 10-1010-6m。 作用作用决定材料的许多物理、力学性质，如强度、硬度、导热性、导电性等。 u 微观结构的主要形式：主要形式：晶体、玻璃体、胶晶体、玻璃体、胶体体 （1）晶体）晶体：材料的质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体称为晶体。 特点特点：具有特定的几何外形；具有各向异性；具有固定的熔点和化学稳定性；强度高、硬度大，机械性能较好。 一般晶体越细，分布越均匀的晶体材料的强度越高。微观结构玻璃体玻璃体玻璃体玻璃体

4、：指高温熔融物在急速冷却时形成的无定形体。如粉煤灰、普通玻璃等。特征特征：化学活性高；无固定的熔点；力学性质各向同性。微观结构胶体胶体胶体胶体：指物质以极微小的质点分散在介质中所形成的结构， 其粒径为10-910-7m。 特征特征：能保持稳定性；具有黏结性；具有较大的流动性，也就是变形较大。 2.宏观结构宏观结构 即材料的构造。 材料在宏观可见层次上的组成形式 。u宏观分类：宏观分类：（1）按孔隙特征分： 致密构造致密构造 多孔构造多孔构造 微孔构造微孔构造u致密构造致密构造这类材料的孔隙率很低或趋近于零、结构致密的材料。特征特征：密度较大，吸水性低，抗渗性好，强度较高；u多孔构造多孔构造指材

5、料内部有粗大孔隙的结构。特征特征：密度较小，吸水率高，抗渗性差，但绝热、吸声性好。u微孔构造微孔构造指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构。 特征：特征：一般密度较小，吸水率高，抗渗性差，绝热、吸声性好。u（2）按构造特征或存在状态分类）按构造特征或存在状态分类： 颗粒状构造颗粒状构造纤维构造纤维构造层状构造层状构造散粒状结构散粒状结构纹理结构纹理结构u（2）按构造特征或存在状态分）按构造特征或存在状态分： 颗粒状构造颗粒状构造分为聚集构造与散粒构造。分为聚集构造与散粒构造。 固体颗粒的聚集体。如砂、石、混凝土、砂浆、沥青混凝土。 纤维构造纤维构造由纤维状物质构成的材料。 （2）按构造特征或存

6、在状态分）按构造特征或存在状态分： 层状结构层状结构天然形成或采用人工黏结等方向将材料叠合而成层状的结构。叠合结构。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。 纹理结构纹理结构天然材料在生长或形成过程中自然造就天然纹理，如木材、大理石、人造花岗岩板材、瓷质彩胎砖等。 宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观结构较易改变结构较易改变两种结构的关系：两种结构的关系：组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土；同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土；组成及微观结构不同

7、，宏观结构相同，物理性质相组成及微观结构不同，宏观结构相同，物理性质相似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加气混凝土）似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加气混凝土）总之总之，建筑材料的组成决定了材料的化学性质，微观结构决定了材料的物理性质，宏观结构决定了其工程性质，它们三者互相联系，互相制约。第二节第二节 材料的物理性质材料的物理性质（重点内容）（重点内容） 指材料与其各种物理过程（水、热作用）有关的性质。 一、与质量有关的性质 二、与水有关的性质 三、与热有关的性质 一、建筑材料的孔隙一、建筑材料的孔隙u 孔隙材料实体内部被空气所占据的空间。u 孔隙状况对建筑各种基本性质具有重要的影响。u产生原因：自然与人为

8、因素。u表示指标：孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径 （1）孔隙率：孔隙在材料体积中所占的比例 。（2）孔隙直径：分粗大孔、毛细孔、极细微孔三类孔隙。（3）连通性：连通孔和封闭孔 。建筑材料的孔隙：（一）孔隙形成的原因（1）水分子的占据作用（2）外加的发泡作用（3）火山爆发作用（4）焙烧作用（二）孔隙的分类（1）按大小分类（2）按形状分类（3）按常压进水与否分类开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分可进入建筑材料的孔隙：（三）孔隙对材料性质的影响（孔隙增多）（1）材料的体积密度减小；（2）材料受力的有效面积减小，强度降低；（3）导热系数和热容量减小；（4）透气性、透水性、吸声性、吸湿性、

9、吸水性变大；（5）对抗冻性、抗渗性，要视孔隙大小和形态而定。有些孔隙能提高抗冻性、抗渗性。连通孔开口孔隙封闭孔闭口孔隙材料所处状态：材料在不同状态下的体积构成。1.单体材料的状态：2.堆积材料的状态1.材料的密度材料的密度、表观密度表观密度、体积密度体积密度、堆积密度堆积密度 （1）密度密度：材料在绝对密实状态下绝对密实状态下单位体积的质量。密度, g/cm3 或 kg/m3 ； m材料的质量，g 或 kg； V材料的绝对密实体积，cm3 或 m3 。 vm密度试验：密度试验：测试时测试时，材料必须是绝对干燥状态绝对干燥状态。a、绝对密实状态下的体积绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的固体

10、物质部分的体积，也称实体积。实体积。b、对于测定可研磨的非密实材料的密度，要磨成细粉，干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定体积，采用排开液体的方法来测定其体积， 材料麿得越细，测得的数值就越接近绝对密实体积。李氏瓶天平（2）表观密度、体积密度、视密度）表观密度、体积密度、视密度u表观密度表观密度（俗称“容重”）材料在自然状态下，单位体积的质量。 式中 V/材料的表观体积，cm3 或 m3总结总结：材料的表观体积表观体积是指包括内部孔隙内部孔隙在内的体积。u通常所指的表观密度，是指干燥状态下的表观密度干燥状态下的表观密度。/Vm （3）堆积密度）堆积密度散粒状（粉状、颗料状、纤维状）材料在自然堆积状态下

11、，单位体积的质量称为堆积密度。00Vm0，材料的堆积密度, g/cm3 或 kg/m3m 材料的质量，g 或 kgV0材料的堆积体积，cm3 或 m3 测定散粒状材料的堆积密度时，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体积。 u总结总结： 散粒状材料在自然堆积状态下的体积，散粒状材料在自然堆积状态下的体积，是指含有孔隙在内的散粒状材料的总体积与是指含有孔隙在内的散粒状材料的总体积与颗粒之间空隙体积之和。颗粒之间空隙体积之和。 u在建筑工程中，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。总结：密度Vm00Vm0

12、0Vmu2、材料的密实度与孔隙率、材料的密实度与孔隙率（1）密实度）密实度_指材料的内部固体物质填充的程度。D_材料的密实度V材料的绝对密实体积，也即干燥材料在绝对密实状态下的体积也即干燥材料在绝对密实状态下的体积，cm3 或 m3V0材料的自然状态下的体积，cm3 或 m30材料的自然密度, g/cm3 或 kg/m3密度, g/cm3 或 kg/m3 000mmVVD（二）孔隙率、空隙率材料孔隙示意图材料孔隙示意图 000100%) 100%VVPV(1-u物理意义物理意义：材料的孔隙率孔隙率与密实度密实度从两个不同的侧面来反映材料的致密程度致密程度。 其关系为P+D=1， 但通常用孔隙率

13、直接反映孔隙率大小，孔隙率越大，则密实度越小 。孔隙率与密实度之间有什么关系？材料空隙率示意图材料空隙率示意图00000100%(1) 100%1VVPDV （一）材料的亲水性与憎水性二、材料与水有关的性质 大多数建筑材料都是亲水材料，憎水材料有沥青、石蜡、某些高分子材料等。憎水材料不仅可作为防水材料，还可用于处理亲水材料的表面，以降低材料的吸水性，提高材料的防水防潮性能。 问题：亲水性材料能做防水材料吗？ 孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较好的防水性好的防水性，防潮性，仍可作为防水或防潮材料使用，如水泥砂浆、水泥混凝土、琉璃瓦等；（二）吸水性u定义：吸水性是

14、指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。 %100 mmmWbmu影响吸水性的因素：u材料的孔隙率；u材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；u孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等 。质量吸水率体积吸水率（三）吸湿性100%m-mmWshu定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。 u材料的孔隙率；u材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；u孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；u周围空气的温度和湿度 。 影响吸湿性的因素：平衡含水率（四）材料的耐水性u定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：gbRffK u软化系数越小，说

15、明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 软化系数对经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其KR0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其KR0.75； 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表示。H六个试件中三个渗水时的水压力，MPa。 AtHQdKs影响材料抗渗性的因素有哪些？（六）材料的抗冻性u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。u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%。u冻融破坏的原因及过程：孔隙及孔隙水孔隙水

16、结冰材料开裂饱水程度增加开裂加剧材料冻融破坏三、材料的热工性质三、材料的热工性质导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（）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） 一、 强度的概念 指材料在外力(荷载)作用下，抵抗破坏的能力 。二、 强度的种类 根据受力形式 (如图2.2所示) 分为抗拉强度、 抗压强度、抗剪强度、抗弯（折）强度等四种 。三、 强度的计算 1.抗压强度、抗拉强度、抗剪强度计算公式如下

17、 ： 式中 f - 材料的抗压、抗拉、抗剪强度，Pa 或 MPa。 F - 试件破坏时的最大荷载，N 。 A - 试件面积，m2 或 mm2 。 强度、比强度AFfmax2.2.抗弯强度的计算抗弯强度的计算材料的抗弯材料的抗弯 ( (折折) ) 强度与材料的受力情况、截面形状及支承条强度与材料的受力情况、截面形状及支承条件等关。件等关。 一般试验方法是将条形试件放在两支点上，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：2max23bhLFfm 式中 fm-材料的抗弯强度， MPa Fmax-材料受弯破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2L-两支点的间距，mmb、h-试件横截

18、面的宽及高，mm比强度 几种材料的强度比较材料的比强度 衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，选用比强度大的材料对增加建筑高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义。即：0f比强度2、弹性与塑性 卸载后材料的变形行为：u变形可完全恢复u变形不可恢复或部分恢复一、弹性和塑性一、弹性和塑性1. 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。具备这种变形特征的材料称为弹性材料 。 2. 材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。 3. (1) 完全弹性材料是没有的； (2)一些材料在一定外力作用的范围内表现为弹性变形，当超过一定限度后表现为塑性变形。如，建筑钢材； (3)一些材料弹性变形和塑性变形同时 (或先后) 发生，当外力取后，弹性变形恢复，而塑性变形不能消失，如，混凝土。u弹性 当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢复原来变形的性质称为弹性形的性质称为弹性； 具有这种性质的材料称为弹性材料； 根据其应力应变曲线，有:线弹性和非线弹性