1建筑材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质主讲：韩建德E-mail:[e-mail]第一章建筑材料的基本性质1.1材料的基本物理性质1.2材料的力学性质1.3材料与水有关的性质1.4材料的耐久性1.5材料的热工性质1.6材料的装饰性质1.7材料的组成、结构和构造1.1材料的基本物理性质密度密实度表观密度孔隙率堆积密度空隙率一、密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算：mV式中ρ——材料的密度，g/cm3；m——材料的质量（干燥至恒重），g；V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。对有孔隙的材料：如砖、混凝土磨成细粉（通过0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量V（排水法）。对近于绝对密实的材料：如金属、玻璃等，量测几何体积－称重－代入公式中计算。视密度：材料在近似密实状态时单位体积的质量。所谓近似密实状态下的体积，是指包括材料内部闭口孔隙体积和固体物质实体积。二、表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：mV0opclV=V+V+V式中ρo——材料的表观密度，kg/m3或g/cm3；m——材料的质量（干燥至恒重），kg或g；Vo——材料在包含内部孔隙条件下的体积（即包含内部闭口孔和开口孔），见图1－2，m3或cm3。所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。通常，材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法或水中称重法测量。自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体积。对形状规则的材料：烘干－量测几何体积－称重－代入公式计算对形状不规则的材料：三、堆积密度是指单位体积（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）物质颗粒的质量，有紧堆积密度及松堆积密度之分。''mV式中ρo’——堆积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V’o——材料的堆积体积，m3。V0'＝V+Vop+Vcl＋V空材料的堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度反映散粒构造材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。其测定方法在实验部分有专门介绍。测定散粒材料的体积可通过已标定容积的容器计量而得。测定砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。密度、表观密度和堆积密度既有联系又有差别。由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，即：ρ＞ρ0＞ρ0’密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率；视密度可用于混凝土的配合比计算；表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等；堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。四、密实度是材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：五、孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：0*100%VDV或0*100%D%100*)1(10000VVVVVP即：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。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响较大。六、填充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算：七、空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算：%100*0''VVD%100*0''　D或%100*)1(10'0'0'0''VVVVVP即：D’+P’=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。常用材料的密度、表观密度、堆积密度及空隙率如表1.1所示1.2材料的力学性质一、材料的强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。a.压力b.拉力c.弯曲d.剪切混凝土路面砖抗压强度试验混凝土路面砖抗折强度试验强度的计算材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：AFfmax式中f——材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；A——受力截面面积，mm2。对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折强度）可用下式计算：2max23bhLFfmfm——抗弯强度，MPa；Fmax——弯曲破坏时的最大荷载,N；b，h——试件横截面的宽和高,mm。L——两支点间的距离，mm。若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载，抗弯强度按下式计算：2maxbhLFfm影响材料强度的因素1.材料的组成、结构与构造：材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不一样。2.孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈大，则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。一般表观密度大的材料，其强度也大。这些是材料的内部因素。还与测试条件和方法等外部因素有关。3.试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的强度值要高于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大试件高。4.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。5.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低。6.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。强度等级：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。如混凝土按抗压强度划分为C15～C80;水泥按抗压和抗折强度划分为32.5~62.5,砂浆按抗压强度划分为M5～M30七个等级,热轧钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。强度和强度等级的区别与联系：区别：a.强度与强度等级的定义不同。强度是实测值，强度等级是人为规定的强度范围。b.强度指的是材料的极限值，是唯一的，每一强度等级则包含一系列强度值。联系：某一材料强度等级的确定必须以其极限强度值为依据。比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/ρo）。用于评价材料是否轻质高强。二、弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性，这种可恢复的变形称弹性变形。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形。弹性与塑性弹性变形为可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数称为弹性模量，材料在弹性变形范围内，弹性模量为常数。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，弹性模量愈大，材料愈不易变形，弹性模量是结构设计的重要参数。塑性变形为不可逆变形。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。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形三、脆性与韧性材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。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不破坏，这种性质称为韧性。脆性与韧性四、硬度和耐磨性硬度：材料表面能抵抗其他较硬物体压人或刻划的能力。1－滑石2－石膏3－方解石4－萤石5－磷石灰6－正长石7－石英8－黄玉9－刚玉10－金刚石布氏硬度（钢球压入法）。耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。压入硬度演示刻划硬度演示1.3材料与水有关的性质亲水性与憎水性吸水性与吸湿性耐水性抗冻性与抗渗性1.材料的亲水性与憎水性当材料与水接触时可以发现，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。润湿角（a）亲水性材料θ≤90º（b）完全亲水材料θ＝0º（c）憎水性材料θ90º演示实验：材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，即%100*1mmmW式中：W---材料质量吸水率，%；m---材料干燥状态下质量，g;m1---材料吸水饱和状态下质量，吸水性也可以用体积吸水率表示，即材料吸入水的体积占材料自然状态体积的百分率2.材料的吸水性与吸湿性封闭孔隙较多的材料，吸水率不大时通常用质量吸水率公式进行计算，对一些轻质多孔材料，如加气混凝土、木材等，由于质量吸水率往往超过100%,故可用体积吸水率进行计算。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％，而木材的吸水率可超过100％材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力称为吸湿性，用含水率表示，即式中：W--材料含水率，%;m含--材料含水时的质量，g；m---材料干燥状态下的质量,g。%100*mmmW含含材料吸湿性作用一般是可逆的，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。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即式中：KP---材料的软化系数；fw---材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPaf---材料在干燥状态的抗压强度，MPa。ffKwp3.材料的耐水性材料的软化系数的范围在0～1之间。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于（≥）0.85的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于0.70～0.85。通常软化系数大于等于0.85的材料称为耐水材料材料的抗冻性:材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。4.材料的抗冻性与抗渗性材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。混凝土共有F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300九个等级。≥F50为抗冻混凝土。常用的两个参数是：质量损失率(不超过5%)，强度损失率(不超过25％)。材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻等级（标号）为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200。水工混凝土要求高达F500。材料受冻融破坏主要原因：其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9％，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远末达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在一般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用。