建筑材料科学基础及工程性质

第二章建筑材料科学基础及工程性质第一节材料的组成与结构及其对性能的影响一.材料的组成

一.材料的组成是决定材料的性质的内在因素之(一)化学组成(二)矿物组成二.材料的结构(一).宏观结构指用肉眼或放大镜能观察到的结构,它分为散粒结构,聚集结构,多孔结构,致密结构,纤维结构,层状结构

宏观结构1.散粒结构由单独的颗粒组成2.聚集结构材料中的颗粒通过胶结材料彼此牢固地结合在一起3.多孔结构材料中含有大量的,大的,或微小的均匀分布的孔隙4.致密结构材料在外观上和结构上都是致密的5.纤维结构是木材,玻璃纤维制品所特有的结构6.层状结构是板材常见的结构显维结构和微观结构(二).显微观结构指借助关学显微镜和电子显微镜观察到的结构,它可分为结晶和无定型两种.结晶和无定型是同一物质的不同状态,晶体呈稳定状态,而无定型则具有化学活性(三).微观结构指原子排列结构,根据质子间键的特性分为原子晶体,离子晶体,分子晶体第三节材料的物理性质密度1、密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3。公式：ρ=m/v式中ρ－实际密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）材料密度的大小取决于材料的组成及微观结构，因此相同组成及微观结构的材料其密度为一定值。

在建筑材料中，除金属、玻璃等少数材料外，都含有一些孔隙。为了测得含孔材料的密度，应把材料磨成细粉，除去孔隙，经干燥后用密度瓶测定其实体积。材料磨得越细，所测得的体积越接近绝对体积。表观密度2.材料的表观密度

表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。

按下式计算：

式中 ρ0—材料的表观密度,kg/m3

m—材料的质量，kg

V0—材料的表观体积，m3在自然状态下，材料内往往含有水分，其质量将随含水程度而改变，故测定体积密度时应注明其含水程度。一般指的是材料在气干状态下的体积密度，干燥材料的体积密度称为干体积密度。

材料的体积密度主要取决于材料的密度、宏观结构以及含水程度。3、堆积密度

堆积密度是散粒材料(粉状、颗粒状）在堆积状态下单位体积的质量。

材料的堆积体积包括所有颗粒的体积以及颗粒之间的空隙体积，堆积密度有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为240Ｘ115Ｘ53mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62cm3。试计算该砖的密度、表观密度、密实度。有一块标准砖，在吸水饱和状态下重2500g，其绝干质量为1600g。经干燥并磨成细粉后取100g，用排水法测得绝对密实体积为28.62cm3。试计算该砖的密度、表观密度、密实度、孔隙率。建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的致密程度有关。这些性质除取决于孔隙率的大小外，还与孔隙的构造特征密切相关。孔隙特征主要指孔隙的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及孔的分布等。实际上绝对的闭口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常温、常压下水能否进入孔中来区分开口与闭口。因此，开口孔隙率（Pk）是指常温常压下能被水所饱和的孔体积（即开口孔体积Vk）与材料体积之比。闭口孔隙率（PB）便是总孔率P与开口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征对材料的工程性质有不同的影响，因此常采用改变材料的孔隙率及孔隙特征的方法来改善材料的性能，例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂，引入一定数量的闭口孔，都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。空隙率空隙率－散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率公式：P’—散粒材料的空隙率ρ/o—散粒材料的堆积密度ρo--材料的体积密度空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂，引入一定数量的闭口孔，都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。在材料体积内，孔隙体积所占的比例在颗粒装材料的堆积体积内，颗粒间空隙体积所占的比例名称定义及表达式说明孔隙率许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性于材料的孔隙有关。且取决于孔隙率的大小与构造特征（孔的种类、孔径的大小及分布）空隙率用来评定颗粒材料在堆积体积内疏密程度的参数。计算混凝土中粗骨料空隙时表观密度按视密度计算思考题：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1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？习题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1680kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？二、材料与水有关的性质1、亲水性与憎水性亲水性——材料在空气中与水接触时，容易被水润湿的性质，称材料的亲水性。如砖、混凝土等。憎水性——材料不易被水润湿的性质，称为憎水性。如沥青、石油等。润湿角为在材流料、水云和空气块的交点铸处，沿亭水滴表点面的切好线与水添和固体嫂接触面帽所成的潜夹角。θ为润湿波角θ≤90岛°亲水贪性材料θ＞欧90姓°憎于水性材尼料2材料零的吸水性允与吸湿性（1）辫.吸水译性材料在水甜中能吸收御水分的性偿质称吸水性。材料的条吸水性用皱吸水率表听示，有质量吸摩水率与体积吸小水率两种表示制方法。质量吸水配率质量吸旧水率是指材料倚在吸水饱桌和时，内茧部所吸水报分的质量然占材料干啊燥质量的纪百分率，丛用下式计牙算：材料吸水雪饱和后的姨质量，g0材料在干靠燥状态下闲的质量，侍g材料的锣吸水率玻：花岗岩的影吸水率：谣0.5%毁~0.7朴%；混凝土亡的吸水孙率：2扁%~3纺%；粘土砖的讽吸水率：计8%~2犯0%；木材的偶吸水率摇：可超妄过10捞0%。花岗岩体积吸水准率体积吸水诉率是指材歇料在吸非水饱和蕉时，其谣内部所朽吸水分够的体积惨占干燥浆材料自厉然体积拜的百分搏率。用岸公式表规示如下式中wv——材料矮的体积吸丙水率（％经）；V0——干燥鸡材料在自办然状态下植的体积（印cm3）；ρw——水愉的密度剪（g/绸cm3）常温下取朴ρw愧=1.0拣g/c郑m3工程用建缩慧筑材料一糟般采用质敲量吸水率傍，质量吸泄水率与体樱积吸水率小的关系密实在及只有闭口孔的材料不吸水具有粗大孔的材料不易吸满水分，吸水率常小于孔隙率孔隙率较大，且具有细小开口连通的亲水性材料具有较大的吸水率材料吸水兵率的大小析主要取决软于材料的称孔隙率及蜘孔隙特征（2）批.吸湿击性材料在潮孤湿空气中屡吸收水分动的性质称折为吸湿性。潮湿材料莲在干燥的渐空气中也徒会放出水汗分，此称还湿性。材料的嚷吸湿性句用含水捕率表示裁。含水率系指材料联内部所含虏水的质量制占材料干雷燥质量的尸百分率。雪用公式表辅示为材料含朽水后，们不但可阴使材料悉的质量遣增加，搏而且会泥使强度听降低，登保温性驻能下降甩，抗冻皇性能变亡差，有档时还会夺发生明室显的体始积膨胀贸。可见狸材料中芹含水对姨材料的右性能往功往是不走利的。例：某架立方体缸岩石试捐件，外飞形尺寸压为50狱mm×钳50m说m×5苍0mm倚，测得供其在绝昌干、自档然状态岛及吸水根饱和状构态下的孝质量分谋别为3断25g忠，32臂5.3丽g，3变26.葵1g，秘并测得星该岩石侧的密度盆为2.坐68g轰/cm3。试求兼该岩石雁的体积突吸水率布、质量松吸水率蓄、质量肆含水率落、绝干袋表观密葱度、孔礼隙率。=1-捏2.6汁/2.绞68=斧2.9作8%1.1畅/12臂5=0架.88怕%=0.3笑/325扮=0.0悉92%=325庸/125详=2.6揉g/c皱m3解：V0＝5×5清×5＝1僻25cm3m含＝32归5.3拴gm干＝325范gm饱＝326驼.1gρw＝柴1g/cm33.材料喊的耐水性材料的耐赤水性是指缎材料长期探在饱和水唯的作用下抓不破坏，落强度也不拳显著降低瓣的性质。赏衡量材料湖耐水性的网指标是材悔料的软化项系数KR：—材岸料的软歪化系数—材爱料吸水夜饱和状夜态下的国抗压强陪度—材料幼在干燥状请态下的抗裤压强度软化系挺数的范领围在0屯—1之波间。软弯化系数切越高，明表面材洗料耐水蜡性越好沾。潮湿环境沉中的重要么建筑物或套部位，目软化系数潮k=0.遣85-0饱.9受潮较崖轻或次末要的建旁筑物，珠软化系墙数k=眨0.7允-0.手85某石材在层气干、绝魂干、水饱许和情况下追测得的抗统压强度分越别为17可4、17告8、16沸5MPa粒，求该石映材的软化却系数，并秆判断该石太材可否用兆于水下工顺程。4、抗渗剧性材料抵抗荣压力水渗胀透的性质牵称为抗渗煮性。砼的抗渗骡强度等级如P4、宅P6、P馒8、P1暖0…等，在表示试件身能承受逐知步增高至讨0.4M畏Pa、0哈.6MP林a、0.垮8MPa受、1.0香MPa…弹的水压而闹不渗透。5、抗冻喝性材料在吸回水饱和状流态下，经忙多次冻融蜻循环而不狗破坏．或芝强度不显客著降低的黄性质称为鞭抗冻性。材料的抗绝冻性用抗定冻强度等疏级F（f协reez疾e）表示盈。如F25表示材料壳能抵抗冻摊融循环2桥5次。如果经士过规定农次数的岸反复冻赠融循环应后，质怕量损失凤不大于奏5％，中强度降弹低不超匙过2诵5％时储，通常恒认为材供料是抗晓冻的。三、苗材料稳的热工恰性质1、导费热性材料传导海热量的性贞质称为导嚷热性。材料导热适性用导热摇系数λ表梦示。影响导热面系数的因央素无机材料搞的导热系锻数大于有金机材料；材料的孔合隙率愈大帜,即空气雨愈多,导油热系数愈种小同类材天料的孔隙辩率是随体渣积密度的降件小而增卸大,则导穗热系数随誉体积密度家的减小而黑减小；导热系冬数与孔趴隙形态诉特征的您关系,奔认为有蓬微细而备封闭孔袋隙组成仇的材料裳,导热关系数小刮,反之熄大；材料的含特水率增加香,导热系封数也增加载。2、比热伤容定义：材料在加毛热时吸收说热量，冷庙却时放出礼热量的性藏质，称为栏热容量。质量为闷1g材被料温度银升高l哈K所需粮的热量尿或温度兆降低1碑K时放稍出的热台量，称他为材料晕的比热芝容。比热是反柴映材料的白吸热和放猛热能力的架理量。不浙同材料的乐比热不同漂，它对保刑持建筑物益内部温度高温度有很怖大的意义泻，比热大沉的材料，修能在热流陷变动或采猪暖设备供业热不均匀绵时，缓和允室内的温缸度波动。第四节拜材料的连力学性质一、强度材料在珍外力(源荷载)必作用下逮，抵抗界破坏的督能力，挑称为强情度材料主尤要有抗困拉、抗朝压、抗伸剪、抗朵弯四种标强度。通常抗咬拉强度排可表示材为ft、抗压强孝度可表示袭为fc、抗剪强滤度可表示备为fv.抗弯强度fm2、比强度比强度=殖材料的强万度/表观快密度可以对不鸽同的材料饿进行对比泳。比强度驻是衡量症材料轻仆质高强脚性能的臣重要指文标，优章质的结炼构材料烤，必须岗具有较婆高的比贺强度。二、材思料的弹执性与塑古性弹性：在有外力作用级下产生均变形，当俩外力消失哑时，材料愁的变形即填可消失并棉能完全恢钢复原来形音状的性质缩慧。塑性：材击料在外力狡作用下产摄生变形，那如果外力这取消后，蜓仍能保持强变形后的侄形状和尺屠寸，并且描不产生裂美缝的性质塞。弹性变形揭与塑性变超形三、材料惕的脆性和恋韧性脆性：外较力达到一筒定限度后革，突然破直坏无明显速塑性变形赚的性质。鸦脆性材料嗓抗动载能绕力差，但暑抗压强度泪高。如砖诱、混凝土烤、玻璃等碧。韧性：在鹅冲击或震中动荷载作有用下，能凤吸收较大羽能量，产督生一定的灭变形而不疑致被破坏突的性能。处建筑钢材成、木材、华沥青混凝女土等属于恋韧性材料浑。用作路颤面、桥梁源、吊车梁档以及有抗硬震要求的类结构都要元考虑材料程的韧性。愤材料的韧沉性用冲击彩试验来检些验。四、硬评度和耐磨绳性①硬度项材点料的硬制度是材马料表面迅的坚硬叼程度，墨是抵抗孟其它硬轮物刻划土、压入浙其表面妄的能力医。通常召用刻划总法，回其弹法和弟压入法猴测定材同料的硬鞭度。刻划法笑用于天恰然矿物喝硬度的续划分，遍按滑石姿、石膏座、方解艺石、萤耀石、磷仍灰石、猴长石、贯石英、只黄晶、赶刚玉、乱金刚石累的顺序沈，分为镜１０个川硬度等辫级。②耐磨性环耐磨堵性是材料删表面抵抗绳磨损的能丸力。材料伙的耐磨性补用磨耗率恳表示回弹法蔬用于测伟定混凝若土表面组硬度，牌并间接狱推算混讲凝土的宅强度；板也用于伞测定陶现瓷、砖甲。砂浆阶、塑料合、橡胶司、金属室等的表妈面硬度辜并间接衬推算其舱强度。原理：量回弹仪夏的弹击摇锤被一踢定的弹狭力打击示在混凝婚土表面随上，其船回弹高富度（钞通过回械弹仪读弟得回弹胁值）与窄混凝土等表面硬州度成一杏定的比起例关系在。回弹仪第五节懂材料识的耐久产性1.能概念材料的耐袄久性是指用于闹建筑物的翼材料，在拜环境的多堪种因素作体用下不变匪质、不破宵坏，长久她地保持其旁使用性能紧的性质。耐久性是持材料的一距种综合性竿质，诸如益抗冻性、若抗风化性尺、抗老化送性、耐化月学腐蚀性碑等均属耐司久性的范载围。此外，材蜡料的强度妙、抗渗性顶、耐磨性芬等也与材俊料的耐久承性有密切答关系。2.洽环境影黑响因素材料在建态筑物使用绢过程中长评期受到周规围环境和都各种自然占因素的破麻坏作用，地一般可分骆为物理作硬用、化学码作用、机寨械作用、雕生物作用堤等。干湿变化物理作用温度变泽化冻融变化英(寒冷地妙区)这些作用沸将使材料家发生体积的按胀缩，或导致苗内部裂缝嫁的扩展。赌时间长久值之后即会攻使材料逐烟渐破坏。化学作用包括大仿气、环般境水以