建筑材料基本性质

一、材料的组成材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成对材料的性质起决定性作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。例：金刚石/石墨相组成。第一节材料的组成、结构与构造Ａ、Ｂ为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ则为0.2％～0.4％，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而Ｂ则强度较高。AB①微观结构材料的微观结构与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体形式。（1）晶体—材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。（2）玻璃体—熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体。特点：质点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等二、材料的结构粉煤灰玻璃体（3）胶体—作为分散相的粒子(粒径在1～100m)，分散在分散介质中形成的分散体系。分散介质可以是气体、液体和固体，相应形成气溶胶、溶胶和凝胶。如油漆、涂料等为溶胶；混凝土为凝胶。溶胶失水后成为具有一定强度的凝胶结构，可以把材料中的晶体或其他固体颗粒粘结为整体。胶体因比表面积大，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等）。混凝土的强度和变形性质与水泥水化形成的凝胶体有很大的关系。水泥凝胶体②宏观结构材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。建筑材料常见的构造形式有：大理岩的致密表面1.密实结构密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。2.纤维结构纤维构造的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。竹的纤维构造3.多孔结构多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高。具有多孔构造的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况，一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。加气砼砌块的多孔构造4.层状结构层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后可以提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。各向异性:材料在各方向的力学和物理性能呈现差异的特性。胶合板的层状构造5.散粒构造散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。陶粒的粒状构造6.纹理构造天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。大理石的纹理结构开口孔隙与闭口孔隙的概念第二节材料的密度、表观密度和孔隙率一、密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。ρ=m/V式中ρ—材料的密度，kg/m3或g/cm3；m—材料的质量（干燥至恒重），kg或g；V—材料在绝对密实状态下的体积，m3或cm3。注：ρ由微观结构和组成所决定，与其所处的环境或状态无关。密度的测量：1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃、建筑塑料等，量测几何体积－称重－代入公式2）除了钢材，玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。例如：砖、混凝土、石材、粉煤灰、矿物细粉等，在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。密度的测定在李氏瓶中注入煤油至突颈下部，记下刻度数。将李氏瓶放在盛水的容器中，在试验过程中保持水温为20℃。称取60～90g经烘干的试样，用漏斗将试样逐渐送入李氏瓶内，使液面上升至接近20cm3的刻度为止。再称剩下的试样，计算送入李氏瓶中的试样质量m(g)。将注入试样后的李氏瓶液面的读数，减去未注前的读数，得试样得绝对体积V(cm3)。二、表观密度质量。ρ0=m/V0式中ρ0——材料的表观密度，kg/m3或g/cm3；m——材料的质量，kg或g；V0——材料在自然状态下的体积，m3或cm3。自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。需注明含水情况。否则当其是求干表观密度。表观密度的测量：1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材：烘干－量测几何体积－称重－代入公式2）对形状不规则的材料：可用封蜡排液法测得。三、散粒材料的堆积密度堆积密度是指散粒或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量，可按式ρ0′=m/v0′计算。材料的堆积表观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。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。自然堆放状态下体积的测量：1）容器法：散粒材料装入容器－量测体积－称净重－代入公式2）自然堆积法：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料体积颗粒材料空隙四、孔隙率和密实度材料的孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分率。孔隙率的计算公式为：P=(V0－V)/V0×100%式中P——材料孔隙率，％；V0——材料在自然状态下的体积，cm3或m3；V——材料的绝对密实体积，cm3或m3。孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率的大小、孔隙特征对材料的性能如吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度等影响较大。练习：某种标准水泥砌块其密度为2.85g/cm³，表观密度为2180kg/m³，求该砌块的密实度和孔隙率。空隙率空隙率是指散粒状材料颗粒之间空隙体积所占的比例。P′=(V0′－V0)/V0′×100%式中P′——散粒材料空隙率，％；V0′——散粒材料在自然状态下体积cm3或m3；V——散粒材料的绝对密实体积，cm3或m3。空隙率的大小反映了散粒材料颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制砼骨料级配和计算合理砂率的依据。练习：某砂料在标准试验状态下测得其密度为3.05g/cm³，表观密度为2.58g/cm³，堆积密度为2100kg/m³，求该材料的填充率和空隙率。某砂料在标准试验状态下测得其堆积密度为2100kg/m³，已知材料空隙率为35%，求该材料的表观密度。某砂料堆积密度为1780kg/m³，填充率为75.4%，求该材料的空隙率。几种密度的比较比较项目实际密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实自然状态堆积状态材料体积固V开闭固VVV空开闭固VVVV第二节材料与水有关的性质一、亲水性和憎水性接触角θ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θ，称为接触角，θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。θθ（ａ）亲水性材料（ｂ）憎水性材料9090亲水性材料（θ≤90°），如砖、石材、砼、钢材、木材等,这些材料内部存在着孔隙，因此水很容易沿着材料表面的连通孔隙进入材料内部。憎水性材料（θ＞90°），如沥青、石蜡等，水分不容易进入材料内部，这类材料适合作防水材料，还可用于处理亲水材料的表面。二、吸水性吸水性——材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水过程一般是可逆的，最后与空气湿度达到平衡，平衡时的含水率称为平衡含水率。平衡含水率随环境温度、湿度的改变而改变－气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高。材料吸水饱和时的含水率称为吸水率。质量吸水率Ww=(G1－G)/G×100%式中Ww——质量吸水率，％；G1——材料在吸水饱和状态下的质量，g；G——材料在绝对干燥状态下的质量，g；体积吸水率Wv：式中V0——材料自然状态下的体积，cm3；%100V01水GGWv例有一块烧结普通砖，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。试计算该砖的质量吸水率、密度、表观密度、孔隙率。质量吸水率为密度为表观密度为孔隙率为%100255025502900%1001MMMWm3/69.262.1850cmgVm300/74.13.55.11252550cmgVm%3.3569.274.1110P材料的吸水性除了与材料的本性－亲水性或憎水性材料有关外，还与材料的孔隙率有关，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：自重增加，体积与尺寸、形状变化，保温隔热性能降低，强度下降等问题，影响使用功能。例如木材制品由于含水量变化会出现尺寸变化或变形，湿胀干缩。故其与周围环境达到平衡含水率非常重要。多孔材料吸收水分后，保温隔热性降低，导热系数增大，对围护结构材料不利；石膏制品、粘土砖、木材等材料吸水后强度和耐久性均有不同程度降低。某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见图。请分析原因。未烧透的红砖砖浸水后强度下降这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。三、耐水性材料在长期饱和水的作用下，不破坏、强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：Kr=fb/fd式中Kr—软化系数；fb—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；fd—材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将Kp＞0.80的材料认为是耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时(如地下构筑物、基础、水工结构)，必须选用Kp＞0.85的建筑材料。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0.70。例某石材在绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为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。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。93.0178165gbRffK四、抗渗性抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。（1）抗渗系数抗渗性通常用渗透系数k表示。渗透系数的物理意义是：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。依达西定律式中：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）。k值愈大，抗渗性愈差。AtHQdK影响材料抗渗性的因素通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；密实度高的材料其抗渗性也较高；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。五、材料的抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环，不破坏、强度也不显著降低的性质。冻融破坏的主要原因：材料有孔且孔隙含水；水→冰体积膨胀9％，结冰压力高达100MPa；结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度；饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；反复多次——进一步加剧——最终材料崩溃。严