建筑材料的相关知识0

1.1.3与水有关的性质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。亲水性与憎水性材料的特征：水在憎水性材料的表面有自动收缩成珠的趋势，不能润湿材料的表面。对工程防水有利。水在亲水性材料的表面是自动散开和铺展，并自发地润湿表面。材料被水湿润的情况可用润湿角θ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θ，称为润湿角。亲水性憎水性当θ≤90°，称亲水性材料。当θ＞90°，称憎水性材料。当θ=0°时，称为铺展。θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。材料的亲水性与憎水性主要取决于材料的组成与结构：有机材料一般是憎水性，无机材料都是亲水性上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。。材料的吸水性与吸湿性吸水性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，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。A:质量吸水率W质B：体积吸水率W体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。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。吸水性与孔隙率和孔隙特征的关系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。如果材料有很多的开口贯通的毛细孔隙，在毛细孔作用下材料的吸水率就很大。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％。吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，吸湿作用一般可逆。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。用公式表示为：式中Wh——材料的含水率，％；ms——材料在吸湿状态下的重量，g；mg——材料在干燥状态下的重量，g。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。材料的耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，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：式中KR——材料的软化系数；fb——材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；fg——材料在干燥状态的抗压强度，MPa。KR的大小表明材料在浸水饱和强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低，软化系数介于0～1之间。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力所致。工程中将KR＞0.80的材料，通常认为是耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR＞0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。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。用公式表示为式中Ks——材料的渗透系数,cm／h；Q——渗透水量,cm3；d——材料的厚度,cm；A——透水面积,cm2；t——透水时间,h；H——静水压力水头差,cm。Ks值愈大,表示材料渗透的水愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。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。材料的抗渗性与材料的耐久性有着密切的关系。地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。材料的抗冻性材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏、强度不显著降低（不大于25%）、质量不显著减少（不大于5%）的性质，称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级表示材料吸水饱和后的材料经过规定的冻融循环次数，其试件的质量损失或相对动弹性模量下降符合有关标准规范的规定值。混凝土的抗冻等级以符号“Fn”表示，其中“n”即为最大冻融循环次数，如F25：表示材料经过25次冻融循环而未超过规定的损失程度。材料受冻融破坏主要是因其毛细孔中的水结冰所致，水结冰时体积增大约11.1％，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，致使材料局部破坏。融化时，则是由外向内逐层进行的，在内外层之间形成压力差和温度差，从而加速了材料的破坏。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，即远未达饱和，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。闭口孔隙水分不能渗入。毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰，故其对材料的冰冻破坏作用影响最大。练习1、含水率10%的100克湿砂，其中干砂的质量为多少克？2、一烧结普通粘土砖，其尺寸符合标准尺寸，烘干后质量为2500克，吸水饱和质量为2900克，再将该砖磨细，过筛烘干后取50克，用密度瓶测定其体积为18.5cm3试求该砖的吸水率、密度、表观密度、孔隙率。3、某岩石在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为172、178、168MPa。求该岩石的软化系数，并指出该岩石可否用于水下工程？1.1.4材料的热工性质热容量和比热材料的热容量指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力，可用下式表示：式中Q——材料的热容量，kJ；m——材料的重量，kg；t1-t2——材料受热或冷却前后的温度差，K；C——材料的比热，kJ／(kg·K)。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：导热性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。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：式中λ——材料的导热系数，w/(m·K)；Q——传导的热量，J；a——材料的厚度，m；A——材料传热的面积，m2；Z——传热时间，h；(t1-t2)——材料两侧温度差，K。材料名称导热系数W/(m·K)比热J/(g·K)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0.17～0.352.51泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.604.19静止空气0.025表1-1常用建筑材料的热工性质指标材料的导热系数愈小，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λ＜0.23W／(m·K)的材料称为绝热材料。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。1.2材料的力学性质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。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。1.2.1强度定义：材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。从本质上来说，材料的强度应是其内部质点间结合力的表现。受外力作用时，在材料内部便产生应力，此应力随外力的增大而增大，当应力增大到材料内部质点间结合力所能承受的极限时，应力再增加便会导致内部质点间的断开，此极限应力值就是材料的极限强度，通常简称为强度。根据所受外力的作用形式不同，材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯(抗折)强度、抗剪强度等材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：f=F/A式中:f—材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；F—材料破坏时的最大荷载，NA—受力截面面积，m2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：fm=3FL/2bh2若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载（F/2），抗弯强度按下式计算：fm=FL/bh2fm—材料的抗弯(抗折)强度，MPa；F—材料破坏时的最大荷载,N；b，h—试件横截面的宽和高，mm。比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比（f/ρ0）,是反映材料轻质高强的力学参数.结构材料在土木工程中的主要作用，就是承受结构荷载，对大部分建（构）筑物来说，相当一大部分的承载能力用于承受材料本身的自重。因此，欲提高结构材料承受外荷载的能力，一方面应提高材料的强度；另一方面应减轻材料本身的自重，这就要求材料应具备轻质高强的特点。如下表：松木比低碳钢的轻质高强性能更显著。材料表观密度/(kg/m3)强度/MPa比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹抗拉）500340.068玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）1700100.006表1-3几种主要材料的比强度1.2.2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。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。弹性与塑性的区别弹性变形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。弹性变形与塑性变形的区别在于：弹性变形为可逆变形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。非线性特征：应力～应变曲线不是直线而是曲线应力与应变之比——弹性模量不是常数线弹性特征：应力与应变成正比；应力～应变曲线是一条直线应力与应变之比(直线斜率)是弹性模量，为常数。1.2.3韧性与脆性材料受外力作用，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。1.2.4硬度与耐磨性材料另一个重要的力学性能是硬度。它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。1.3材料的耐久性与环境协调性1.3.1材料的耐久性材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性。耐久性是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。环境对材料的破坏作用物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或