第一章-建筑材料的基本性质 1

1、,第一章 材料的基本性质,1-1材料的基本物理性质,一、材料的密度、表观密度与堆积密度,1.密度 指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算： 式中：实际密度，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。(指不包含材料孔隙在内的体积.)测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。,2.表观密度 材料在自然状态下,单位体积的质量。按下式计算： 式中： 表观密度， kg/m3； m 材料的质量， kg； V0 材料在自然状态下的自然体积， m3。材料在自然状态下的体积是指包括内部孔隙在内的体积。因

2、为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关,3.堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算： 式中：0材料的体积密度, kg/m3； m 材料的质量， kg； V0材料的自然(松散)体积(包括材料颗粒体积和颗粒之间空隙的体积)， m3。,粉状或粒状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容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。 在土木建筑工程中，计算材料用量

3、、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。,二 材料的密实度与孔隙率,1.密实度 密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下： 式中： 密度； 0材料的表观密度。 对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或100%。对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。,2.孔隙率 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。孔隙率P按下式计算： 式中：V材料的绝对密实体积，cm3 或 m3； V0材料的表观体积，cm3 或 m3； 0材料的表观密度, g/cm3 或 kg/m3； 密度, g

4、/cm3 或 kg/m3。 D+P=1或密实度+孔隙率=1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度,它对材料的物理力学性质均有影响,三 材料的填充率和空隙率,1 空隙率 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。空隙率 按下式计算： 式中：0材料的表观密度； 材料的堆积密度。 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。,2填充率 填充率指散粒材料堆积体积中,颗粒填充的程度.,孔隙率与空隙率的区别,1-2材料与水有关的性质,一 材料的亲水性与憎水性,与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿

5、的性质称为憎水性。 具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。,（）亲水性材料 （）憎水性材料,工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿角愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角 时，为亲水性材料；当材料的润湿角 时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管

6、中.,二 材料的吸水性和吸湿性,1.材料的吸水性 材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。 吸水性的大小以吸水率来表示。 （1） 质量吸水率 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，并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为： 式中： mb材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）； mg材料在干燥状态下的质量（g或kg）。,（2） 体积吸水率 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为： 式中:mb材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；mg材料在干燥状态下的质量（g或kg）。V0 材料在自然状态下的

7、体积，（cm3 或 m3）；w 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3）， 常温下取 w =1.0 g/cm3。,（3）影响材料吸水性的因素 材料的本性亲水性或憎水性材料 材料的孔结构孔径大小、开口与 否、 孔隙率大小等. 材料的吸水率与其孔隙率有关，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： 导热性增大、热阻降低对围护结构 材料不利。 强度降低、体积膨胀,2.材料的吸湿性 材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率含表示，其计算公式为： 式中：m含材料含水时的质量,g; m材料在

8、干燥状态下的质量,g. 当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。,影响含水率大小的因素：,材料的本性亲水性或憎水性材料 环境温度、湿度气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高 吸水性对材料的影响： 导热性增大、热阻降低对围护结构材料不利 体积膨胀对木结构和木制品不利 湿胀干缩 与周围环境平衡的平衡含水率,吸水率与含水率的区别,材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数Kp表示： 式中： Kp 材料的软化系数； fw 材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）； f 材

9、料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,三 材料的耐水性,软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。 一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。 软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。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0.75 。,例: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、165 MPa，求该石材的

10、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。,五材料的 抗冻性与抗渗性,1.抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。 材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。 抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。 材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50

11、、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,影响抗冻性的因素 1.材料的密实度（孔隙率） 密实度越高则其抗冻性越好。 2.材料的孔隙特征 开口孔隙越多则其抗冻性越差。 3.材料的强度 强度越高则其抗冻性越好。 4.材料的耐水性 耐水性越好则其抗冻性也越好。 5.材料的吸水量大小 吸水量越大则其抗冻性越差。,冻融破坏的水库坝面,冻融破坏的桥梁,Highway Bridge in Service of 20 Years 使用20年的高速公路桥梁,2.材料的抗渗性 抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。 （1）渗

12、透系数 材料的渗透系数K可通过下式计算: 式中：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）。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,（2） 抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。 （3）影响材料抗渗性的因素 材料亲水性和憎水性 通

13、常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料； 材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高； 材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。,大贝尔特海峡工程（Denmark 丹 麦,海上钻井平台,1-3材料的基本力学性质,一 材料的强度,材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。 根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。,抗压,抗拉,抗剪,抗弯,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算： 式中：f材料强度， MPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； A试件受力面积，mm2。,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： 式中：fw材料

14、的抗弯强度， MPa；Fmax材料受弯破坏时的最大荷载，N；A试件受力面积，mm2；L 、b 、 h 两支点的间距，试件横截面的宽及高， mm。,-,二 弹性和塑性,1弹性 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）。,2塑性 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）。,三.脆性和韧性,材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。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

15、砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。,四、硬度和耐磨性,1硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。 刻划法用于天然矿物硬度的划分，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。 回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。,2耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公

16、式如下： 式中： G 材料的磨耗率， （g/cm2）；m1材料磨损前的质量，（g）；m2 材料磨损后的质量，（g）； A材料试件的受磨面积 （cm2）。 道路、地面、踏步、水库泄洪道、缢流面等 材料的耐磨性与材料的组成、成分、结构、 、强度、硬度有关,1-4材料的热工、声学、光学性质及耐水性,一、材料的热工性质,1.材料的导热性 材料传导热量的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数表示： 式中：导热系数，W/（mK）； Q传导的热量，J； d材料厚度，m； A热传导面积，m2； t热传导时间，h；（T2T1）材料两面温度差，K。 物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时

17、间（1s）内通过单位面积（1 m2 ）的热量。,材料的导热系数越小，绝热性能越好。 影响导热系数的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使降 材料的含水情况含水、结冰使增 常见导热系数参数： 泡沫塑料 0.035 水 0.58 大理石 3.5 冰 2.2 钢材 58 空气 0.023 混凝土 1.51 松木 1.170.35,2. 材料的 热容量比热 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。用热容量系数或比热表示。比热的计算式如下所示： 式中：C材料的比热，J/（gK）； Q材料吸收或放出的热量(热容量)； m材料质量，g； （T2 T1）材料受热或冷却前后的温差，K。,比热

18、的建筑物理意义,材料的 比热对保持建筑物内部温度稳定有很大关系，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不匀时，缓和室内温度的波动。 常见材料的比热（单位 J/g.K ） 钢材 c=0.48 空气 c=1.00 木材 c=2.72 水 c=4.18,3.热阻和传热系数 热阻是材料层（墙体或其它围护结构）抵抗热流通过的能力，热阻的定义及计算式为： / 式中： R材料层热阻，（m2K）/W； d材料层厚度，m； 材料的导热系数，W/（mK）。 热阻的倒数称为材料层（墙体或其它围护结构）的传热系数。传热系数是指材料两面温度差为1时，在单位时间内通过单位面积的热量。,4.材料的温度变形性 材料的温度变

19、形是指温度升高或降低时材料的体积变化。用线膨胀系数表示。 L =（t2 t1） L 式中：L线膨胀或线收缩量 ，mm 或 cm；（t2t1）材料前后的温度差，K； 材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K； L材料原来的长度，mm或m。 材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。,5耐然性 建筑物失火时,材料能经受高温与火的作用不破坏,强度不严重下降的性能,称为材料的耐然性.根据耐然性 可分为三大类材料: (1)不燃烧类 (2)难燃烧类 (3)燃烧类,6耐火性 材料长期高温作用下,保持不熔性并能工作的性能称为材料的耐火性.按耐火性高低可将材料分为三类: (

20、1)耐火材料-耐火度不低于1580的材料,如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖等. (2)难熔材料-耐火度为13501580的材料,如难熔粘土砖、耐火混凝土等. (3)易熔材料-耐火度低于1350,如普通粘土砖.,材料的热工要求,保温防止室内热量的散失 隔热防止外部热量的进入 统称为绝热 为构筑舒适的室内空间，对材料要求 热阻（R1/）要大，即热导率要小 比热要大 窑洞（生土建筑）,二 、材料的声学性质,1、吸声性 声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性.评定材料的吸声性能好坏的主要指标为吸声系数( ), 吸声系数越大,材料的吸声效果越好. 影响材料吸声效果的因素有:材料的表观密度和声速,材料

21、的孔隙结构,材料的厚度等.,2 、隔声性,材料的隔声与吸声不同,不能简单地把吸声材料作为隔声材料使用. 声波在建筑结构中传播主要通过空气和固体来实现,因而隔声可分为隔空气声和隔固体声两种,两者隔声方法是不同的. 隔声量,又称传声损失,是表示材料的隔绝空气声的能力,是在标准隔声试验实内测出的其单位为分贝(dB),R越大,隔声效果越好.,三 、材料的光学性质,光是以电磁波形式传播的辐射能.电磁波辐射的波长范围很广,波长为380760nm的这部分辐射才能引起光视觉,称为“可见光”. 材料的与光的性质关系到材料的光泽透明度表面组织形状尺寸和立体造型. 总之,一幢建筑物(或)建筑群体,除了满足物理力学性

22、能外,还要充分利用自然光线为室内采光,建筑的立面要充分利用光线形成凹凸的光影效果,强烈的明暗对比,使建筑物矗立在大地上栩栩如生,色泽鲜明,立体感强,美观大方.,四、材料的耐久性,定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。 包括：抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材 耐化学腐蚀金属材料,材料经受的环境作用,物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。 化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。 机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。 生物作用包括菌类、昆虫等

23、的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,耐久性的特点,长期性、后期加剧作用； 多种介质同时作用； 材料劣化结构失效服务寿命降低,西直门桥,冻融破坏的水库坝面,冻融破坏的桥梁,1-5材料的组成、结构与构造及其对材料性能的影响,一材料的组成及对材料性质的影响,1 化学组成无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。 金属材料以元素含量来表示。 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 材料中的元素和化合物以特定的矿物形式存在并决定着材料的许多重要性质。 矿物组成是无机非金属材料中化合物存在的基本形式。 3 相组成 材料中结构相近性质相同的均匀部分。 化学成分（或组成

24、）是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。,二材料的微观结构,微观结构是指材料在原子、分子层次的结构。固体材料的微观结构，基本上可分为晶体、玻璃体、胶体。 晶体结构的特征是其内部质点（离子、原子、分子）按照特定的规则在空间周期性排列。 玻璃体，如无机玻璃。玻璃体是化学不稳定结构，容易与其它物体起化学作用。 胶体物质以极微小的质点分散在质中形成的结构称为胶体。因此，胶体具有较强的粘结力。,三、宏观构造及其对材料性质的影响,材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。宏观构造，按孔隙尺寸可以分为： 1。密实构造，基本上是无孔隙存在的材

25、料。 特点：强度和硬度较高，吸水性小，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。例如钢铁、致密天然石材、玻璃等。,2。多孔构造 是指其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相相通的孔隙，含孔率较高，关系分大孔和徽孔。其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况。 特点：强度较低，抗渗性和抗冻性较差，吸水性较大，绝热性较好。 如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。,3.纤维构造 纤维结构是指木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。 特点：性质具有方向性，一般平行纤 维方向的强度高，导热性较好。 4层状构造 采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。可以提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，

26、扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板等。,5.散粒构造 是指松散颗粒状结构。分密实颗粒与轻质多孔颗粒。前者如砂子石子等，因其致密强度高，用作承载的混凝土骨料。后者如陶粒膨胀珍珠岩等，因其具有多孔结构，用作绝热材料的粉状和和粒状的添充料.,6.纹理结构 天然材料在生长或形成过程中，自然形成有天然纹理，如木材、大理石花、岗石等板材。人工制造材料时可特意造成各种纹理。如人造花岗石。 特点：具有良好的装饰性。,本章总结：,材料的基本物理性质； 材料与水有关的性质 材料的基本力学性质； 材料的热工、声学、光学性质及材料的耐久性。 材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响,例1-1 某工地所用卵石材料的

27、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？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集体积中, 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1-2 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

28、 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。,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。,例1-4、某材料密度为2.6g/cm3,干燥表观密度为1600kg/m3,现将一重954g的该材料侵入水中，吸水饱和后取出称重为1086g，试求该材料的孔隙率、重量吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。 解: 孔隙率: 重量吸水率: 开口孔隙率: 闭口孔隙率:P闭=P开- P闭=38.5%-22%=16.5%,自测题,一、填充题 1、材料的密度是指材料在（）状态下单位体积 的质量；材料的容重是指材料在