工学建筑材料第一章课件

1、 第一章 材料的基本性质（ ） 复习：1、GB175最新版本号，名称2、孔隙率增大，材料的_降低。 A、密度 B、表观密度 3、材料的孔隙率增大时，其性质保持不变的是_。 A、表观密度B、密度第1页，共63页。 1.1材料的基本物理性质本节主要讨论以下4个问题一、材料的结构特征参数： 密度、表观密度、堆积密度熟练掌握建筑筑材料的基本物理性质二、密实度、孔隙率、空隙率、填充率 三、材料与水有关的性质四、材料的热工性质 第2页，共63页。一、材料的密度、表观密度、堆积密度 材料的密度表 观 密 度堆 积 密 度第3页，共63页。 材料在绝对密实状态下单位体积的重量。 = m/v （kg/m3） 式

2、中 密度 m 材料的质量，kg。 v 材料在绝对密实状态下的体积，m3。 测定方法：李氏瓶法、排水法、几何法。 材料的密度表 观 密 度堆 积 密 度一、材料的密度、表观密度、堆积密度第4页，共63页。一、材料的密度、表观密度、堆积密度 1、块体材料在自然状态下单位体积的重量。 。 = m/v。 式中 。 表观密度，kg/m3。 m 材料的质量，kg。V。 材料在自然状态下的体积，m3。 材料的密度堆 积 密 度表 观 密 度第5页，共63页。一、材料的密度、表观密度、堆积密度 散粒材料在堆积状态下单位体积的重量。 。 = m/v。 （kg/m3） 式中 。 堆积密度 m 材料的质量，kg。

3、v。 材料在堆积状态下的体积，m3。 材料的密度表 观 密 度堆 积 密 度第6页，共63页。一、材料的结构特征参数：1、密度：定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（比重）测定：除钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有孔隙，一般进行磨细，干燥后用李氏瓶测其体积（砖、石材）；另外，用排液置换法测量卵石等致密材料近似密度。特点：不变值 材料的质量（干燥至恒重），g 材料在绝对密实状态下的体积，cm3 第7页，共63页。2、表观密度（俗称容重） 定义：材料在自然状态下单位体积的质量（重量）测定：与材料含水情况有关，故测表观密度时，应注明含水情况，通常指标在气干状态（长期在空气中状态）下的表观

4、密度，在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。特点：变化值 测定：形状规则，直接量尺寸，不规则，排液置换，表面涂腊。第8页，共63页。3、堆积密度（松散容重） 定义：散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。测定：包含了颗粒之间的空隙特点：变化值 含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积自然堆积密度：散粒材料的堆积方式松散紧密堆积密度：散粒材料捣实的堆积方式第9页，共63页。材料名称 密 度g/cm3 表观密度g/cm3 堆积密度kg/m3 钢 材 7.85松 木 1.550.40 0.80水 泥 2.803.20900 1300砂 2.662.651450 1650碎石（石灰石） 2.

5、60 2.802.601400 1700普通混凝土 2.601.95 2.50普通黏土砖 2.601.60 1.90常用材料的密度、表观密度，堆积密度第10页，共63页。二、密实度 孔隙率 空隙率 填充率 1、密实度：材料体积内被固体物质充实的程度（物质占比例）2、孔隙率：孔隙的多少（孔隙所占比例）第11页，共63页。二、密实度 孔隙率 空隙率 填充率3、空隙率：散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率 P反映了散粒材料的颗粒互相填充的密实程度 4、填充率：散粒材料在某堆积体积中被颗粒填充的程度空隙率考虑的是材料颗料间的空隙，这对填充和粘结散粒材料时，研究散粒状材料的空隙结构和计算

6、胶结材料的需要量十分重要 第12页，共63页。解石子的孔隙率P为：石子的空隙率P，为：评注 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。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。计算式中密度；0材料的表观密度；，材料的堆积密度。例1-1 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？第13页，共63页。三、材料与水有关的性质 1、亲水性、憎水性2、材料的含水状态3、材料的吸水性与吸湿性4、材料的耐水性 5、材料的抗渗性 6、材料的抗冻性 材料与水接触时由于水在固体表面润

7、湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质；材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸湿性与吸水性；材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质；抗渗性指材料抵抗压力水不渗透的性质；抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。 第14页，共63页。1、材料的亲水性与憎水性1、亲水性与憎水性：当材料与水接触时，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。 润湿边角：材料被水湿润的情况可用润湿边角表示。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

8、润湿边角 越小，材料亲水性越强，越易被水湿润=0时，表示材料完全被水湿润（）亲水性材料；（）憎水性材料第15页，共63页。1、材料的亲水性与憎水性亲水性材料：当90时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。 例如：砖、木、混凝土等。憎水性材料：当90时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。 例如：沥青、石蜡等。 当= 0时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。第16页，共63页。2、材料的含水状态（亲水性材料）(a)干燥状态-材料的孔隙中不含水或含水极微(b)气干状态-材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡(c)饱和面干-材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和(d)湿润状态-

9、材料不仅孔隙中含水饱和,而且表面上为水湿润附有一层水膜基本含水状态：第17页，共63页。3、材料的吸湿性和吸水性1）吸湿性：用含水率表示亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性：亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。含水率影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率材料在吸湿状态下的质量 材料在干燥状态下的质量 第18页，共63页。3、材料的吸湿性和吸水性2）吸水性：材料在水中吸水的性质。用吸水率表示吸水性：质量吸水率、体积吸水率质量吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率：体积吸水率：材料吸水饱和时，吸收的

10、水分体积占材料干燥时体积的百分率：质量吸水率与体积吸水率关系：第19页，共63页。3、材料的吸湿性和吸水性 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大如花岗岩的吸水率只有0.5-0.7混凝土的吸水率为2-3粘土砖的吸水率达8-20木材的吸水率可超过100材料的吸水性与什么有关？第20页，共63页。 例1-2 有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为24011553mm，经干燥并磨成细

11、粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62 cm3 。试计算该砖的吸水率、密度、孔隙率解该砖的吸水率为该砖的密度为表观密度为孔隙率为评注 质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比。第21页，共63页。KR 在0-1之间钢材、玻璃、沥青 KR =1黏土KR =04、材料的耐水性定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显下降的性质。软化系数：式中：K软材料的软化系数; 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。第22页，共63页。材料软化系数的要求软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越

12、差。 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第23页，共63页。例1-3 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、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。解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。评注 软化系数为材料吸水饱和状态下的抗压强度与材料在绝对干燥状态下的抗压强度之比。与材料在气干状态下的抗压强度无关。 第24页，共63页。5、材料的抗渗性定义：材

13、料抵抗压力水渗透的性质渗透系数一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标式中: K 渗透系数, m/ h ; Q 透水量, m3 ; d 试件厚度, m; A 透水面积, m2 ; t 时间, h; H 静水压力水头, m。第25页，共63页。5、材料的抗渗性影响因素： 孔隙率及孔隙特征开口的连通大孔越多抗渗性越差闭口孔隙率大的材料抗渗性仍可良好抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力（MPa）来确定，材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水压力：抗渗性是决定材料耐久性的主要指标第26页，共63页。6、材料的

14、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环，强度不明显降低的性质。抗冻等级（Fn）：混凝土F50含义：混凝土标准试件经28d标准养护后，浸水4d吸水饱和, 在-15Co- -20Co条件下冻6h,在10-20oC水中融6h，一冻一融为一次冻融，经50次的冻融循环后，质量损失不大于5%，强度损失不超过25%也无明显损坏和剥落，则该混凝土达到F50。冻融破坏：材料吸水后，在负温度下，水在毛细管内结冰，体积膨胀约9，冰的动胀压力造成材料的内应力，使材料遭到局部破坏，随着冰冻、融化的循环作用，对材料的破坏加剧，这种破坏即为冻融破坏。第27页，共63页。讨论：材料与水有关的性质主要和

15、哪些因素有关？1、材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。2、材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。3、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。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。4、材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。5、从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料

16、受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。 第28页，共63页。四、材料的热工性质 1、热容性 2、导热性 3、热变形性 4、耐燃性材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。 材料的热容性指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化耐燃性指材料对火焰和高温度抵抗

17、能力。第29页，共63页。1、热容性热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。用热容量来比较材料热容性差别材料的比热，kJ(kgK)。 材料受热或冷却前后的温度差，K 材料的热容量，kJ 材料的质量，kg 材料比热的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。用公式表示为 第30页，共63页。2、导热性导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为 ：当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。材料的导热性可用导热系数来表示 材料的导热

18、系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，工程中通常把0.23 W(mK)的材料称为绝热材料。 材料的导热系数，W/（mK）a 材料的厚度，m Z-传热时间，h A 材料传热的面积，m2；第31页，共63页。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 常用土木工程材料的热工性质指标第32页，共63页。3、热变形性用线膨胀系数

19、表示热变形性：热变形性:指材料在温度变化时的尺寸变化4、耐燃性：材料对火焰和高温度的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项因素。可把建筑材料分为三类：非燃烧材料：在空气中受到火烧或高温高热作用不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。 难燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材和刨花板。可燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。 第33页，共63页。1.2材料的力学性质 本节共讨论以下四个问题一、材料的强度 强度等级

20、比强度 理论强度二、材料的的弹性与塑性 三、材料的脆性与韧性 四、材料的硬度和耐磨性 材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。 第34页，共63页。一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度1、强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力 材料在外力作用下破环时能承受的最大应力。()抗压()抗拉()抗弯()抗剪抗弯强度抗压强度、抗拉强度、抗剪强度：第35页，共63页。影响材料强度的因素自身因素 材料的组成和结构 材料的孔隙率 含水率 试件尺寸大小 受力形式和受力方向 试件表面平整度等第36页，共63页

21、。材 料抗 压抗 拉抗 弯花岗岩1002505 810 14普通黏土砖7.5 301.6 4.0普通混凝土7.5 601 9松木（顺纹）30 5080 12060 100建筑钢材240 1500240 1500常用材料的强度（Mpa）第37页，共63页。一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度2、强度等级：材料按其强度的大小分为若干不同的等级划分等级的作用：（1）掌握材料性质，合理选用材料（2）正确进行设计（3）控制工程质量等混凝土：C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80第38页，共63页。一、材料的强度 强度等级 比强

22、度 理论强度3、材料的比强度：单位体积重量的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比。优质的结构材料，应具有较高的比强度（mpa/cm3g） 衡量材料是否轻质高强的指标玻璃增强塑料：450/2=225高强度钢丝：1100/7.85=140普通混凝土:40/2.4=17轻骨料混凝土:40/1.8=22烧结普通砖:15/1.7=9第39页，共63页。一、材料的强度 强度等级 比强度 理论强度4、理论强度：从材料内部结构的理论上来分析材料所能承受的最大应力 实际强度：通过试验实际测定的例：材料的理论抗拉强度公式：ft：理论抗拉强度 paE：弹性模量N/m2r：固体表面能d：原子间距离，平均 210-1

23、0m材料的理论强度实际强度钢:理论强度3000mpa 碳素钢：400mpa 高强度钢丝：1800mpa第40页，共63页。二、材料的弹性和塑性（使用时受力性质） 1、弹性：这种完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）2、塑性：这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）（a）弹性变形曲线 （b）塑性变形曲线 实际上，单纯的弹性材料是没有的，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。 第41页，共63页。三、材料的脆性与韧性（破坏时的性质）1、脆性：材料受力达到一定程度，突然发生破坏，且破坏时无明显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 脆性特点：受

24、力达到破坏荷载值时变形值很小，不利于受震动冲击，抗拉强度抗压强度2、韧性（冲击韧性） ：在冲击、震动荷载作用下，材料能吸收较大能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。例如：硅、石材、陶瓷、玻璃。例：吊车梁、桥梁、路面等结构具有很好的冲击韧性第42页，共63页。四、材料的硬度和耐磨性 1硬度:是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。反映了材料的耐磨性和加工的难易程度。 测量方法：压入法，刻划法。压入法：常用测定金属材料等的硬度，根据压痕的面积或 深度测定材料硬度。刻划法：用硬度不同的材料对被测材料的表面进行刻划，通过它们对材料的划痕来确定材料的硬度。称为莫氏硬度。 刻划法：常用来测定天然矿物

25、的硬度。按照材料的硬度分为10个等级：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。第43页，共63页。四、材料的硬度和耐磨性2耐磨性：材料抵抗磨损的能力。磨损：材料与其他物质由于表面摩擦作用使质量和体积减小的现象。耐磨性用磨损率来表示：M：磨损率，g/cm2m0:磨前质量，gm1:磨后质量，g A：试样受磨面积，cm2第44页，共63页。1.3 材料的耐久性 本节讨论以下问题：一、耐久性定义；二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素；三、研究材料耐久性的重要意义第45页，共63页。一、耐久性：指材料在长期使用条件下，受各种内在或外在因素作用，能长期不被破坏不失去原有性能，仍能正常使用的特性。二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素破坏因素的种类：物理作用、机械作用、化学作用、生物作用等。第46页，共63页。内因第47页，共63页。外因第48页，共63页。3、研究材料耐久性的重要意义1、耐久性是材料的一项重要技术性质：目前各个行业的发展都离不开材料的耐久性，建筑的发展，使用期限的延长更与耐久性有关。2、研究耐久性具有明确的经济意义 1、节约材料、降低成本2、减少维修费用3、延长土木工程结构使用寿命第49页，共63页。冻融破坏的桥梁第50页，共63页。大贝尔特海峡工程（Denmark 丹 麦）