第一章建筑材料概述

建筑材料与检测主讲人：虞波第一章建筑材料的基本性质第一节建筑材料的分类及发展趋势建筑材料的分类–按材料的化学成分分类–按材料在建筑物中的功能分类–按使用部位分类–按来源分类无论按什么方式分，建筑材料应同时满足两个基本要求：技术性能要求和经久耐用。按化学组成分类建筑材料无机材料有机材料复合材料金属材料黑色金属：钢、铁、不锈钢有色金属：铝、铜等及其合金非金属材料天然石材：毛石、料石、石板、砂、石烧土制品：烧结砖（瓦）、陶瓷熔融制品：玻璃、岩棉、铸石胶凝材料：石灰、石膏、各种水泥混凝土类：混凝土、砂浆、硅酸盐制品植物材料：木材、竹材等沥青材料：石膏沥青、煤沥青及其制品合成高分子材料：塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等金属与非金属复合：钢纤维混凝土有机与无机复合：玻璃纤维增强度塑料、沥青混凝土、聚合物混凝土、水泥刨花板按功能分类建筑材料结构材料：构成基础、梁、板、柱等承重系统的材料。如：混凝土、钢材、木材、石材、砖等墙体材料：构成建筑物或构筑物承重墙体及非承重墙体的材料。如：砖类、砌块类、墙板类等功能材料：不用于承受荷载，但具有某种特殊功能的材料。装饰材料（涂料、玻璃、陶瓷等）光学材料（镭射玻璃、镜面玻璃等）如声学材料（吸声石膏板、纤维织物等）防水材料（防水卷材、防水涂料、防水油膏等）保温隔热材料（膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫塑料等）按使用部位分类基础材料结构材料墙体材料屋面材料地面材料饰面材料其他建筑材料的发展趋势高强，减少结构尺寸、降低结构自重轻质，减轻建筑物自重具有多功能性，如保温、隔热、吸声等适应于机械化施工综合利用第二节建筑材料的基本性质（一）密度1.密度2.表观密度3.堆积密度(二)材料的密实度与孔隙率(三)材料的填充率与空隙率一、与质量有关的性质（一）密度1.密度:定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。计算：Vm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（不含任何孔）的体积，cm3。密度测定方法在测定有孔隙材料（如砖、石等）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。它等于被粉末排出的液体体积。材料磨得越细，测得的密实体积数值就越精确。•相对密度–相对密度又称比重，是用材料的质量与同体积水（4℃）的质量的比值表示，无单位。（一）密度2.表观密度定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。计算：00Vm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（含内部所有孔）体积，m3或cm3。注：同种材料，由于含水状态不同，而有不同的表观密度值。(a)材料的自然体积构成(b)材料的堆积体积构成材料的体积构成（一）密度3.堆积密度定义：散粒材料（如粉状、颗粒状材料等）在堆积状态下，单位体积的质量。计算：00''Vm式中ρ0′——材料的堆积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；V0′——材料的堆积体积，m3。材料密度（g/cm3）表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）石灰岩花岗岩碎石（石灰岩）砂粘土普通粘土砖粘土空心砖水泥普通混凝土钢材木材泡沫塑料2.602.60～2.802.602.602.602.50～2.802.503.10—7.851.55—1800～26002500～2900———1600～18001000～1400—2100～26007850400～80020～50——1400～17001450～16501600～1800——1200～1300————附表1-1:常用建筑材料的密度、表观密度与堆积密度选择题：１、单个块状材料的密度和表观密度之间的关系：a:密度大于表观密度；b：密度大于或等于表观密度；c：密度小于表观密度；d：密度小于或等于表观密度。２、散状堆积材料的视密度和堆积密度之间的关系：a：视密度大于堆积密度；b：视密度大于或等于堆积密度；c：视密度小于堆积密度；d：视密度小于或等于堆积密度。小结：不论材料构造形式如何，可把材料分为两大类：•单个块状材料：其总体积V0=V开+V闭+V固，单个块状材料的密度≥表观密度；•散状堆积材料：其总体积V’=V开+V闭+V固+V空，散状堆积材料的视密度＞堆积密度。注：视密度——散状堆积材料用排水法测体积（近似密实状态下的体积——视体积），单位体积的质量。（二）材料的密实度与孔隙率•1.密实度定义：材料体积内被固体物质充实的程度，即材料的密实体积与总体积之比。计算：•注：含孔的固体材料D＜1；D越接近1，材料越密实%100%10000VVD（二）材料的密实度与孔隙率•2.孔隙率定义：材料体积内孔隙体积所占的比例，即材料的孔隙体积与总体积之比。计算：1%100)1(%100000PDVVVP（三）材料的填充率与空隙率•1.填充率定义：散粒材料在堆积状态下被固体颗粒所填充的程度。计算：%100%10000''0'0VVD（三）材料的填充率与空隙率2.空隙率定义：散粒状材料在堆积体积状态中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。计算：11001100''0'0'00'0'DPVVVP％）（％小结：•1、D+P=1即密实度+孔隙率=1D’+P’=1即填充率+空隙率=1•2、孔隙率的大小反映了材料本身的致密程度；空隙率的大小反映了材料堆积的紧密程度。二、与水有关的性质（一）亲水性与憎水性（二）吸水性与吸湿性（三）耐水性、抗渗性和抗冻性θθ(a)亲水性材料(b)憎水性材料（一）亲水性与憎水性亲水性材料是指当润湿边角θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，这种材料称为亲水性材料。例：水泥制品、玻璃、陶瓷、金属材料、石材等无机材料和部分木材。憎水性材料是指当润湿边角θ＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子间的吸引力，则材料表面不会表面不会被水浸润，这种材料称为憎水性材料。例：沥青、油漆、塑料、防水油膏等。（二）吸水性与吸湿性1.吸水性定义：材料在水中吸入水分的能力。指标：吸水率—材料中所含水的质量与绝干状态下材料的质量之比。计算：%100001mmmW式中Ｗ——材料的吸水率，%；m0——材料在绝干状态下的质量，g；m1——材料含水状态下的质量，g。（二）吸水性与吸湿性1.吸水性质量吸水率（1）吸水率体积吸水率注：轻质材料如海绵、塑料泡沫，一般用体积吸水率表示，因可吸收水分的质量大于干燥材料的质量。（2）材料吸水，一般对材料的使用性能不利。如强度降低，表观密度、导热性增大，保温性差，有些材料吸水发生化学反应变质。（3）细微开孔材料、粗大开孔材料和闭孔材料哪个吸水率大？对开孔材料和闭孔材料来说，哪个对耐久性有害？哪个保温、隔热好？哪个吸音好？注意：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。（二）吸水性与吸湿性•2.吸湿性定义：材料在空气中吸入水分的能力。指标：含水率—材料中所含水的质量与绝干状态下材料的质量之比。计算：式中Ｗ′——材料的含水率，%；m0——材料在绝干状态下的质量，g；m1——材料潮湿状态下的质量，g。%100001/mmmW（二）吸水性与吸湿性2.吸湿性（1）材料中所含水分与空气湿度相平衡时的含水率—平衡含水率。（2）材料吸湿，一般对材料的使用性能也不利。如强度降低，堆密度、导热性增大，体积膨胀。（3）含水率是一个非常重要的指标，在配合比以及最佳含水率和最大干密度中会涉及到。（三）耐水性、抗渗性和抗冻性1.耐水性定义：材料长期在饱和水作用下不破坏,其强度也不显著降低的性能。指标：软化系数计算：耐水材料是指软化系数大于0.80的材料。受水浸泡或长期处于潮湿环境的重要建筑物或构筑物所用材料的软化系数不应低于0.85。ganbaoruanffK（三）耐水性、抗渗性和抗冻性2.抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质。指标：渗透系数或抗渗等级计算：AtHQdKs式中KS——渗透系数，cm/h；Q——透水量，cm3；d——试件厚度，cm；A——透水面积，cm2；t——时间，h；H——水头高度（水压），cm。（三）耐水性、抗渗性和抗冻性•对于混凝土,抗渗性常用抗渗等级P表示,共有P4、P6、P8、P10、P12，表示混凝土能抵抗0.4Mpa、0.6Mpa、0.8Mpa、1.0Mpa、1.2Mpa的静水压力而不渗透。•渗透系数越小或抗渗等级越高，材料的抗渗性越好。3.抗冻性定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度又不显著降低的性质。指标：抗冻等级Fn，抗冻等级也是衡量材料耐久性的指标。混凝土的抗冻等级以符号F表示，n表示所能承受的最大冻融循环次数，记为F10、F15、F25、F100等。如：F15表示所能承受的最大冻融循环（在-15℃的温度下冻结后，再在20℃的水中融化，为一次冻融循环）次数不少于15次，这时强度损失率不超过25%，质量损失不超过5%。（三）耐水性、抗渗性和抗冻性（三）耐水性、抗渗性和抗冻性（三）耐水性、抗渗性和抗冻性冻融循环对材料的损害材料表面将出现裂纹、剥落等现象，造成重量损失、强度降低。原因：材料内部孔隙中的水分结冰时体积增大对孔壁产生很大的压力，冰融化时压力又骤然消失所致。抗冻性影响因素强度：材料强度越高，抗冻性越好；孔隙特征：开口孔隙越多材料的抗冻性能越差。孔隙大小：封闭大孔材料的抗冻性较小孔材料的抗冻性好。因材料孔隙中有一定的空间，可缓解冰冻的破坏作用。小结：材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境(如冷库)的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出—定的抗冻性要求。冻融破坏的大坝坝面使用20年的高速公路桥梁三、与热有关的性质（一）导热性（二）热容量（三）热变形性（一）导热性定义：导热性是指材料传递热量的能力。指标：导热系数λ导热系数的物理意义在稳定传热条件下，当材料层单位厚度内的温差为1℃时，在1h内通过1m2表面积的热量。T2T1tTTAdQ)(12（一）导热性绝热材料通常将导热系数λ≤0.175W/m·K的材料称为绝热材料。保温隔热——绝热两个相反的概念导热导热系数λ小，保温隔热好；如闭孔导热系数λ大，导热好（一）导热性•影响材料导热系数的因素有：–（1）材料组成•金属材料＞非金属材料＞有机材料–（2）孔隙率：大，表观密度小，导热系数小–（3）孔隙特征•细小闭孔＜粗大闭孔或连通孔–（4）含水率•由于水的导热系数λ=0.58W/m·K，远大于空气，所以材料含水率增加后其导热系数将明显增加，若受冻（冰λ=2.33W/m·K，）则导热能力更大。（二）热容量定义：热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。指标：比热（或热容量系数）C，单位为kJ/(kg·K)式中Q——材料吸收或放出的热量，kJ；m——材料的质量，kg；(T2-T1)——材料受热或冷却前后的温差，K。)(12TTmQC小结：•选用围护结构材料时，要达到保温隔热效果，就选用导热系数小，热容量大的材料。（三）热变形性•材料的热变形性是指材料在温度变化时其尺寸的变化•常用长度方向变化的线膨胀系数表示。)(21ttLL第三节建筑材料的力学性质内容一、强度与比强度二、弹性和塑性三、脆性和韧性四、硬度和耐磨性一、强度与比强度（一）强度是指材料抵抗外力（荷载）破坏的能力。不同材料的破坏可能出现两种情况：1.应力达到一定值时出现较大的不可恢复变形而导致破坏，如钢材的屈服；2.应力达到其极限值而出现断裂，几乎所有的脆性材料都属于这种。