第一章建筑材料的基本性质

建筑材料--基本性质第一章建筑材料的基本性质内容：材料的组成与结构材料的物理性质材料的力学性质材料的声学性质材料的装饰性质材料的耐久性学习目的和要求本章为全书的重点章节之一。通过本章内容的学习，熟悉本课程经常涉及的与材料性质有关的基本概念，为学好以后各章节具体材料创造条件。要求了解材料的组成、结构，以及它们与材料性质的关系；掌握:材料的物理性质、力学性质、与水有关的性质、热工性质的概念及表示方法，并能较熟练地应用。要求了解材料的声学性质及耐久性的基本概念。建筑材料--基本性质1.1材料的组成、结构与性质的关系一.材料的组成材料的组成是决定材料的性质的内在因素之一(一)化学组成(化学成分)无机非金属材料各氧化物含量表示方法金属材料化学元素含量有机材料各化合物含量(二)矿物组成(是由一种或几种化学组成经过一定的生产工艺过程，形成具有一定结构特征的单质或化合物，如水泥)建筑材料--基本性质二.材料的结构按尺寸大小分三个层次来研究结构与性质的关系(一)微观结构（原子级和分子级结构）晶体：质点按一定规律排列的固体，固定的几何外形和熔点。非晶体:熔融物在急冷过程中得到的，内部质点无序排列的固体或液态固体，无固定的熔点、各向同性(二)显微结构（um）：主要研究内部的晶粒、颗粒的大小形态、界面、孔隙、微裂纹的大小、形状及分布。特点:材料内部的晶粒越细小，分布越均匀，则材料的受力越均匀，强度越高，脆性越差，耐久性越高；界面粘结越好，强度和耐久性越高。建筑材料--基本性质(三)宏观结构（mm）：主要研究材料中的大孔隙、裂纹、不同材料的组合与复合方式、各组成材料的分布。1.单一材料致密结构：高强，不透水（钢材、玻璃、沥青）多孔结构：轻质、保温（泡沫玻璃、泡沫塑料）纤维结构：高抗拉（木材、纤维）聚集结构:强度较高（陶瓷、砖）建筑材料--基本性质2.复合材料：两种或两种以上组成材料以适当的方式结合而成的新材料（普通混凝土，钢筋混凝土，胶合板）优点：取长补短，使材料具有多种功能（如强度、防水、装饰、保温）或具有某些特殊功能。粒状聚集结构：综合性能好、价格较低廉（混凝土）纤维聚集结构：轻质、保温、吸声或抗拉（纤维板)多孔结构：轻质、保温（加气混凝土）叠合结构:综合性能好（胶合板）建筑材料--基本性质宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观结构较易改变。三种结构的关系组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土）组成及微观结构不同，宏观结构相同，物理性质相似（泡沫玻璃、泡沫塑料、加气混凝土）建筑材料--基本性质三.结构中的孔隙与性质的关系(一)孔隙形成的原因(1)水分子的占据作用。建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论上的用水量,多余的水分占据的空间即为孔隙。(2)外加的发泡作用。如生产加气混泥土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量的孔隙。(3)火山爆发作用。火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的孔隙。(4)焙烧作用。材料中掺入的可燃材料在高温下燃烧掉而形成孔隙；由于某些成分的作用产生气体而形成孔隙建筑材料--基本性质(二)孔隙的分类1.按大小.微细孔隙（对于无机非金属材料而言,＜20nm的为无害孔隙，）、毛细孔隙、较粗大孔隙、大孔2.按形状.球形、片状（裂纹）、管状、尖角状3.按常压进水与否.开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分也可进入建筑材料--基本性质(三)孔隙对材料性质的影响(孔隙增多)(1)材料的体积密度减小。(2)材料受力的有效面积减小,强度降低。(3)体积密度减小,导热系数和热容随之减小。(4)透气性,透水性,吸水性变大。(5)对抗冻性、抗渗性,要视孔隙大小和形态而定,有一些能提高抗冻性、抗渗性。(6)吸声性、吸湿性、吸水性增强。建筑材料--基本性质材料的物理性质材料的基本物理性质材料与水有关的性质材料与热有关的性质建筑材料--基本性质1.2材料的基本物理性质一.不同状态下的各种密度密度视密度体积密度堆积密度建筑材料--基本性质1.密度－材料在绝对密实状态下单位体积的质量。公式：ρ=m/V式中:ρ－实际密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V－材料在绝对密实状态下的体积(cm3）绝对密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积，或称实体积，不含孔隙在内的体积。建筑材料--基本性质建筑材料--基本性质2.视密度－材料在自然状态下不含开口孔隙时，单位体积的质量。公式：ρ′=m/V′式中ρ′－视密度（g/cm3）m－材料的质量（g）V′－材料在自然状态下不含开口孔隙时的体积,可用排水法求得的体积（cm3）Vb－材料内部闭口孔隙的体积V′=V+Vb建筑材料--基本性质3.体积密度－材料在自然状态下单位体积的质量。公式：ρo=m/Vo=m/(V+Vb+Vk)式中ρo－表观密度（kg/cm3）m－材料的质量（kg）Vo－材料在自然状态下的体积（m3）Vk－材料内部开口孔隙的体积（m3）材料的质量可以是任意状态下的，但必须说明含水情况。通常所指的体积密度是材料在气干状态下的,称为气干体积密度，简称体积密度。材料在绝干状态时，则称为绝干体积密度，以P0d表示(P0d＝m／V0)。Vo=V+Vb+Vk材料的孔隙率越大，含水率越小，则材料的体积密度越小。建筑材料--基本性质4.堆积密度－散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度。公式:ρo′=m/Vo′=m/(Vo+Vv)式中ρo′－堆积密度（kg/m3）m－材料的质量（kg）Vo′－材料的堆积体积（m3）Vv－颗粒之间空隙的体积（m3）同一材料:ρρ′ρoρo′建筑材料--基本性质二.材料的孔隙率与密实度1.孔隙率－指材料中孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。公式：P=Vp/Vo×100%式中P—孔隙率Vp—材料中全部孔隙的体积,Vp=Vb+VkVo—材在自然状态下的体积P=(Vo–V)/Vo×100%=(1-ρod/ρ)×100%建筑材料--基本性质2.开口孔隙率:是指材料中开口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。公式:PK=(m2-m1)/(v0·ρw)×100%式中m1—干燥状态下材料的质量,gm2—水饱和状态下材料的质量,gρw—水的密度，常温下可取1g/cm33.与闭口孔隙率:是指材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。pb为总空隙率与开口孔隙率之差。即PB=P-PK建筑材料--基本性质4.密实度----是指材料在自然状态下，材料体积内固体物质的充实程度。公式:D=V/V0×100%=ρod/ρ×100%三、空隙率空隙率:是指材料在自然堆积状态下，颗粒间的体积占堆积体积的百分率。公式:P′=VV/V0′×100%=(1-ρod′/ρod)×100%对于致密材料，如普通砂、石，可用视密度ρ′近视替代绝干体积密度ρod。在配制混凝土时，宜选用空隙率小的砂、石。建筑材料--基本性质1.3材料的力学性质一、材料的受力变形1.弹性变形2.塑性变形3.徐变二、材料的强度材料在外力或应力作用下，抵抗破坏的能力称为材料的强度，并以材料在破坏时的最大应力值来表示。(一)材料的理论强度(二)材料的强度材料的实际强度，常采用破坏性试验来测定，根据受力形式分有抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪强度等。建筑材料--基本性质*影响强度的因素：内因：组成与结构外因：试验条件试件形状试件尺寸加荷速度表面粗糙程度含水程度温度建筑材料--基本性质三、脆性与韧性1.脆性是材料在荷载作用下，在破坏前无明显的塑性变形，而表现为突发性破坏的性质。脆性材料的特点是塑性交形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大。无机非金属材料多属于脆性材料。2.韧性又称冲击韧性，是材料抵抗冲击振动荷载的作用，而不发生突发性破坏的性质；或是在冲击振动荷载作用下，吸收能量、抵抗破坏的能力。韧性材料的特点是塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。木材、建筑钢材、橡胶等属于韧性材料。※有冲击振动荷载时须考虑材料的韧性。建筑材料--基本性质四、强度等级、标号为便于合理使用材料，对于以强度为主要指标的材料，通常按材料强度值的高低划分为成若干等级，称为材料的强度等级或标号。脆性材料主要以抗压强度来划分，塑性材料和韧性材料主要以抗拉强度来划分。五、比强度是材料强度与体积密度的比值。比强度是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。比强度越大，则材料的轻质高强性能越好。六、硬度与耐磨性硬度是材料抵抗较硬物体压入或刻划的能力。采用钢球或钢铁(圆锥或角铁)压入法来测定，有时也用刻划法(又称莫氏硬度)测定，并划分有十级。耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，以磨损前后单位表面的质量损失，即磨损率表示。建筑材料--基本性质1.4材料与水有关的性质一、材料亲水性与憎水性1.亲水性:材料与水接触后，水可以在材料表面上铺展开，亦即材料表面可以被水所润湿或浸润。此种性质称为材料的亲水性，具备这种性质的材料称为亲水性材料。2.憎水性:材料与水接触后，苦水不能在材料的表面上铺展开，即材料表面不能被水所润湿或浸润，则称为憎水性，此种材料称为憎水性材料。3.表示方法：润湿角θ。θ≤90o时，材料表现为亲水性；θ＞90o时，材料表现为憎水性。※憎水性材料常用作防水材料，也可用于对亲水性材料进行表面处理，以降低吸水率，提高抗渗性。建筑材料--基本性质二、吸水性与吸湿性(一)吸水性1.吸水性是材料在水中吸收水分的性质。2.表示方法：质量吸水率Wm，或体积吸水率WV.质量吸水率：Wm=(m2-m1)/m1×100%式中Wm—质量吸水率，%;m1—材料在绝对干燥状态下的质量,g或Kg;m2—材料在浸水饱和状态下的质量,g或Kg.建筑材料--基本性质体积吸水率Wv=(m2-m1)/V0×ρw×100%=PK体积吸水率与质量吸水率的关系为：Wv=Wm×ρod吸水率主要与材料的孔隙率，特别是开口孔隙率有关，并与材料的亲水性和憎水性有关。由于封闭孔隙不吸水(常压下)，而是开口孔隙吸水，因此可以认为当材料吸水饱和时，材料所吸水的体积与开口孔隙的体积相等，可得:Pk＝Wv。建筑材料--基本性质(二)吸湿性吸湿性是材料在空气中吸收水蒸气的性质。表示方法：含水率含水率是指材料所含水的质量mw与材料绝干质量m的百分比。(三)含水对材料性质的影响(1)材料吸水或吸湿后，引起强度下降.(2)材料的体积密度和导热性增加.(3)几何尺寸略有增加.(4)而使材料的保温性、吸声性下降，并使材料受到的冻害、腐蚀等加剧.※由此可见含水使材料的绝大多数性质下降或变差.建筑材料--基本性质三、耐水性1.耐水性—材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。2.表示方法：软化系数Kp（结构材料）公式:KP=fW/f式中KP－材料的软化系数f－材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）fW－材料在浸水饱和状态下的抗压强度（MPa）Kp越小，耐水性越差。Kp≥0.85-----耐水性材料3.选用经常受到潮湿或水作用的结构，须选用KP＞0.75的材料，重要结构须选用KP＞0.85的材料。建筑材料--基本性质四、抗渗性1.抗渗性--指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质。2.表示方法：渗透系数K或抗渗等级Pn渗透系数越大，材料的抗渗性越差。抗渗等级越大，材料的抗渗性越好。如P4、P6分别表示可抵抗0.4、0.6MPa的水压力。3.影响因素（1）亲水性与憎水性（2）孔隙率，特别是开口孔隙率建筑材料--基本性质4.抗渗性与耐久性的关系一般面言，材料的抗渗性越高，水及各种腐蚀性液体或气体越不易进入材料内部，则材料的其它耐久性越高。※地下建筑及水工建筑等所用材料应具有一定的抗渗性，对于防水材料则应具有很好的抗惨性。五、抗冻性1.抗冻性--材料抵抗冻融循环作用，保持其原有性质的能力。2.表示方法：抗冻等级。抗冻等级用材料在吸水饱和状态下(最不利状态)