建筑材料的基本性质课件教学

1、建筑材料的基本性质 1.2 材料的物理性质1.3 材料的力学性质1.4 材料的耐久性1.1 材料的组成和结构 组成 化学组成 矿物组成 结构宏观结构细观结构微观结构1.1 材料的组成和结构 1. 化学组成材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。 如钢材Fe、C、Cr、Mn、Ni等； 生石灰CaO，熟石灰Ca(OH)2； PVC塑料PVC树脂（-CHCHCl-n）、二丁酯、CaCO3等。 2. 矿物组成：有一定化学组成和结构特征的化合物或单质。水泥熟料：硅酸三钙、硅酸二钙 铝酸三钙、铁铝酸四钙钢材：奥氏体、铁素体 渗碳体、珠光体化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。

2、矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。1.1.1 材料的组成1.1.2 材料的结构1）宏观结构(构造)用肉眼能观察到的外部和内部结构。常见有：大理石1. 密实构造内部基本无孔隙，结构致密;如钢材、石材、玻璃、玻璃钢等;性质: 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。2.多孔构造内部存在均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。性质:强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。加气砼砌块3.纤维构造内部组成有方向性，纵向紧密而横向疏松，相当多的孔隙， 如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。性质: 明显方向性，平行纤维方向强度较高

3、，导热性较好。竹的纤维构造玻璃纤维竹材4.层状构造片材胶合成整体。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。 性质:叠合后获得平面各向同性，显著提高强度、硬度等性质。胶合板细木工板5.散粒构造松散颗粒状的材料，分为密实颗粒和轻质多孔颗粒。 前者如砂、石子等，适合做承重混凝土骨料； 后者如陶粒、膨胀珍珠岩等适合做绝热材料。 陶粒 卵石2 ） 细观结构 材料内部组织结构和各物相堆积结构，尺寸范围为10-6m10-3m。细观上分析，材料是由多物相和多晶体构成的。如：钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体； 岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相的堆积结构等； 高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。木材钢材岩石

4、3） 微观结构尺寸范围10-10m10-6m，化合物或矿物的组织状态，分子、原子与离子排列、连接的结构状态。按排列有序与无序，微观结构分为： 晶体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体 1. 晶体结构特点：质点(离子、原子或分子)作三维空间有序堆积、周期重复，构成点阵格子结构(晶格)。 类型: 按质点(离子、原子或分子)间结合键不同：1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等；2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等；3）分子晶体 分子键结合，如：减水剂、液晶等；4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。 聚合物大分子链结构 金属晶体结构 硅酸盐结构 2. 玻璃体

5、 (Vitrifiable body)：熔融物质迅速冷却(急冷)形成的物质结构，又称无定形体。如玻璃、琉璃、釉、塑料等。 质点排列 “近程有序”，无固定外形；各向同性；无固定熔点。 化学不稳定，存在化学潜能，在一定条件下，易与其它物质发生化学反应。如炉渣、火山灰、粒化高炉矿渣等。硅酸钠玻璃结构，Na、Si和O离子无序堆积分散粒子一般带电荷(正电或负电)，介质带有相反的电荷，保持稳定。3. 胶体 (colloid)：物质以极微小的质点(粒径1100m)分散在介质中所形成的结构。如水泥凝胶、沥青、塑料。胶体的质点很微小，总表面积很大，因而表面能(surface enegy)很大，有很强的吸附力，所

6、以胶体具有较强粘结力。 1）溶胶(sol)：胶粒较少，液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响 较大，流动性较大。如建筑涂料。 2）凝胶(gel)：胶粒数量较多，在表面能作用下凝聚，或因物理化学作用联成空间网络结构；固态或半固态，强度大，变形性能减小；具有触变性，搅拌或振动后又能变成溶胶。水泥凝胶体凝胶脱水则硬化成干凝胶，具有固体的性质，产生强度。如硅酸盐水泥的水化产物。 1.2 材料的物理性质 建筑材料的物理性质是指与密度、孔隙特征、水、热等有关的性质。1.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度1.密度(Density):绝对密实状态下单位体积的质量。 密度，g/cm3； m 干质量，g； V

7、绝对密实状态下的体积，cm3。李氏瓶*材料在致密状态下的体积指的是不包含材料内部孔隙的实体积；对于致密材料（如钢材、玻璃等）而言，内部是不含孔隙的，故体积很容易测定；但是对于绝大多数材料而言，在自然状态下材料是含有一些孔隙的；有孔隙材料的体积测定方法： 一般采用李氏瓶测定有孔材料的实体积？思考题： 如何测量有孔隙材料的密度？1) 李氏瓶放在盛水容器中(20)，注入煤油至突颈下部，记下初始刻度；2) 称6090g干试样装入瓶内，使液面升至约20cm3刻度，计算瓶中试样的质量m；3) 前后液面读数之差，即为绝对体积V。测定方法:排液(水)法2表观密度：指的是材料在自然状态下，单位体积的干质量；表观

8、密度的计算公式为：上式中， 表观密度（kg/m3)m材料在干燥状态下的质量（kg）；vo材料在自然状态下的体积（m3);*自然状态下的体积vo= 密实状态下的体积v +孔隙体积v孔思考题：比较密度和表观密度的大小？思考题：如何 测定材料的表观密度？取材料样品磨 细烘 干烘箱1050C1100C冷却到室温干燥器称量质量 m天平一、测定材料的干质量m:二、测定材料的自然体积Vo，分两种情况：（1）对于形状规则的材料，如砖、石块等：用游标卡尺可定材料的自然体积；对于六面体，测定长、宽、高；对于圆柱体，测定其直径和高；（2）对于形状不规则的材料，如卵石、碎石等，采用排液法确定其自然体积；*排液法测定不

9、规则材料自然体积V石：三、计算材料的表观密度 ：3 堆积密度： 指的是颗粒状或粉状材料在堆积状态下，单位体积的质量； * 计算公式为： 堆积密度（kg/m3) m材料在干燥状态下的质量（kg）； 材料在堆积状态下的体积（m3);？思考题：如何测定砂和石子的堆积密度？（1）首先采用前述方法测定其干质量m;（2）然后采用容量升来测定砂子、石子的堆积体积 ，方法如下： a）砂子采用1L、5L的容量升来测堆积体积； b）石子采用10L、20L、30L的容量升来 测定其堆积体积；（3）利用公式计算堆积密度：1.2.2 材料的孔隙率与密实度1）孔隙率是指材料内部孔隙体积占其自然状态下总体积的百分率。按下式

10、计算： (1.4)式中：P材料的孔隙率，%。2）密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，与孔隙率相对应。按下式计算： (1.5)式中：D材料的密实度，%。 1.2.3材料的空隙率和填充率1）空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。按下式计算：(1.6)式中： 材料的空隙率，%。空隙率大小反映散粒状材料颗粒间互相填充的致密程度。2）填充率是指散粒状材料堆积体积中被颗粒填充的程度，与空隙率相对应。按下式计算：(1.7) 式中： 材料的填充率，%。表1.2 常用材料的密度、表观密度及堆积密度(P10)材料名称密度/g/cm3表观密度/kg/m3堆积密度/kg/m3钢7

11、.857850花岗岩2.8025002900碎石2650275014001700砂2630270014501700粘土2.6016001800水泥3.1011001300烧结普通砖2.7016001900烧结空心(多孔)砖2.708001480红松木1.55400800泡沫塑料2050玻璃2.55普通混凝土21002600例1 某工地所用卵石密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680kg/m3，计算石子孔隙率与空隙率？ 石子的空隙率：解：石子的孔隙率：1.2.4 与水有关的性质 1) 亲水性与憎水性 (Hydrophilic and Hydrophobic Pr

12、operties) 材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作水滴表面的切线，与材料和水接触面的夹角，称为润湿角。 愈小，表明材料愈易被水润湿。（1）亲（憎）水性： 材料在空气中与水接触时，能被水湿润的，称为亲水性，否则为憎水性；（2）亲（憎）水性材料： 具有亲水性的材料称为亲水性材料，如木材、砖、混凝土、石等；反之为憎水性材料，如沥青，石蜡、塑料等； ？思考：1）材料亲水和憎水的原因是什么？ 2）防水防潮材料应优先选用哪种材料？憎水性材料：90 180时，表面不能被水湿润。根据润湿角的大小，有： 亲水性材料：0 90，表面可被水湿润。材料的表面，水自动收缩成珠，对工程防水有利。材料的

13、表面水自动散开和铺展，并自发地润湿表面。有机材料一般憎水，无机材料都亲水。 2、材料的吸水性和吸湿性（1）含水率 是指材料中所含水的质量占其干质量的百分率，用W h表示； 计算公式如下：（2）吸水率 是指材料与水接触吸收水分的性质，吸水性的大小用吸水率表示，吸水率用两种表示方式。1）质量吸水率：2）体积吸水率： 材料在吸水饱和状态下，所吸收水的体积占材料自然体积的百分率。思考：材料的亲水性和吸水性有什么区别？3)材料的吸湿性吸湿性是指材料吸收空气中水分的性质；干燥的材料吸收空气中的水分潮湿的材料平衡含水率平衡含水率：当材料中所含水分与空气湿度达到相对平衡时的含水率释放水分3、材料的耐水性耐水性

14、：是指材料长期在水的作用下，其强度也没有显著下降的性质；一般用软化系数表示： 4、抗渗性抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质； 思考： 1. 为什么房屋一楼潮湿？ 答：地下水沿材料毛细管上升，然后在空气中挥发。2. 如何解决？答：阻塞毛细通道，对材料中毛细管壁进行憎水处理1.2.5 热工性质(Thermal roperties)1.热容量(heat capacity)：材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。 2.导热性 (heat conduction)：材料两侧存在温差时，热量由高温侧传递到低温侧的传导能力。金属非金属； 密实材料多孔材料； 连通孔隙封闭孔隙愈小，绝热性能愈好。绝热材料：0.

15、23 W(mK)材料名称导热系数W/(mK)比热J/(gK)钢550.46铜3700.38花岗岩3.490.92普通混凝土280.88水泥砂浆0.930.84普通粘土砖0.810.84粘土空心砖0.640.92松木0.170.352.51泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.604.19静止空气0.025表1.3 常用建筑材料的热工性质指标(P13)【讨论】：孔隙对材料性质的影响 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？ 1.3 材料的力学性质(Mechanical property )1.3.1 强度和强度等级1）强度(strength)：材料抵抗静荷载的

16、破坏能力，以极限应力值表示。分为抗压强度、抗拉强度、抗弯(抗折)强度、抗剪强度等。 常见材料的强度 /MPa材料抗压强度抗拉强度抗弯强度花岗岩100250581014普通烧结砖7.5301.84.0普通混凝土7.56014松木(横纹)30508012060100建筑钢材235160023516002）强度等级 (strength grade)材料的强度与其组成及结构有关。孔隙率愈大，强度愈低。同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。强度与孔隙率的关系强度 孔隙率 按强度值的大小划分为若干个强度等级。硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为6个强度等级；普通混凝土按其抗压强度分为14

17、个强度等级。 3）比强度(specific strength): 反映材料轻质高强的力学参数。单位体积质量材料强度，强度与表观密度之比（f /0）。材料表观密度 /kg/m3强度 /MPa比强度低碳钢7 8504200.054普通混凝土/抗压2 400400.017松木/顺纹抗拉5001000.200玻璃钢2 0004500.225烧结普通砖/抗压1 700100.006几种主要材料的比强度1.3.2 材料的弹性与塑性(Elastic and Plastic)弹性(elastic)：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复原状的性质，可逆。塑性(plastic)：外力去除后，一部分变形

18、不能恢复的性质，不可逆。材料的弹性变形（a）和塑性变形（b）曲线弹性变形大小与外力成正比，比例系数称弹性模量E(elastic modulus)，材料在弹性变形范围内，E为常数。即： 衡量材料抵抗变形能力的指标，愈大，愈不易变形，结构设计的重要参数。低碳钢的弹性模量约210GPa，普通混凝土的弹性模量是变值，一般取(2238)GPa。 1.3.3 材料的韧性与脆性(Brittleness and Toughness) 材料受外力作用达一定值时，发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性(brittleness) 。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而

19、不破坏，这种性质称为韧性(toughness)。 脆性材料如玻璃、陶瓷、花岗岩、大理石、粘土砖、砼等。抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数十倍；抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差；只适合用作承压构件。 韧性材料如木材、建筑钢材、塑料、橡胶等。承受冲击载荷和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。1.3.4 材料的硬度和耐磨性(Hardness and wearability ) 1）硬度(hardness): 材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料: 压入法(布氏硬度)，单位压痕面积上所受的压力；陶瓷等材料:刻划法(莫氏硬度,20级)；硬度大的材料强度高、耐磨性

20、较强，但不易加工；工程中用硬度间接推算材料的强度，如混凝土回弹仪。 2）耐磨性(wearability)：材料抵抗磨损的能力。 指标：磨损率： 式中，m1、m2试件被磨损前、后的质量（g）； A试件受磨损的面积（cm 2）。用于道路、地面、踏步等部位的材料(地砖、导盲砖 )均应考虑硬度和耐磨性。1.4 材料的耐久性(Durability) 耐久性：材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质。物理作用干湿交替、温度变化、冻融循环等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩，或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏；化学作用酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀，材料的组成成分发生质变，引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等；生物作用虫蛀或菌类的腐朽而产生的破坏。如木材常会受到这种破坏作用的影响。1.4.1 耐水性 材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。 材料的耐水性常以软化系数表示，按下式