项目一建筑材料的基本性质

材料试验与质量控制建筑系《建筑材料》建筑施工技术专业材料试验与质量控制建筑系第一章建筑材料的基本性质材料的组成、结构和构造材料的物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性材料试验与质量控制建筑系1.1材料的组成、结构和构造环境是影响材料性质的外部因素，材料的组成和结构是影响材料性质的内部因素。一、材料的组成（一）化学组成指构成材料的基本化学元素或化合物的种类和数量。如水泥的化学组成有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。材料试验与质量控制建筑系（二）矿物组成指构成材料的矿物种类和数量。无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。如水泥熟料的矿物组成有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等。（三）金属材料的晶体组织金属材料多为合金，组成合金的固溶体、化合物以及它们之间的混合物都可以称为一种晶体组织。材料试验与质量控制建筑系二、材料的结构和构造（一）微观结构微观结构是指用高倍显微镜、电子显微镜或X射线衍射仪等手段来研究的结构。其分辨尺寸以纳米为单位。材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶体。材料试验与质量控制建筑系（二）宏观构造宏观构造是指用肉眼或在10～100倍放大镜或显微镜下就可以分辨的粗大级组织，尺寸范围在1mm以上。宏观构造直接影响材料的密度、渗透性、强度等性质。相同组成的材料，如果质地均匀、结构紧密，则强度高，反之则强度低。按照内部孔隙尺寸分为以下几类：（1）致密结构密度和表观密度极其接近的材料，一般可认为是无孔隙或少孔隙的材料，如钢材、玻璃、塑料等。材料试验与质量控制建筑系（2）多孔结构材料中含有均匀分布的孔的结构称为多孔结构。如混凝土，石膏制品等。（3）纤维结构由纤维装物质构成的材料结构。如木材、玻璃棉等。（4）层状结构用机械或粘接等方法把层状结构的材料积压在一起成为整体。如胶合板、纸面石膏板等。（5）散粒结构指松散颗粒状结构，如砂子、卵石、碎石等。材料试验与质量控制建筑系材料内部被空气占据的空间称为孔隙。孔隙分为开口孔隙和闭口孔隙，开口孔隙分为：开口贯通和开口不贯通。另外，孔隙按尺寸大小分为三种：微细孔隙－孔径0.01mm毛细孔隙－0.01mm孔径1.0mm粗大孔隙－孔径1.0mm闭口气孔开口气孔三、材料的孔隙材料试验与质量控制建筑系1.2材料的物理性质一、材料与质量有关的性质（3个密度）（一）表观密度材料在自然状态下单位体积的质量成为表观密度，用ρ0表示。00mVρ0－表观密度，kg/m3；m－材料的质量，kg；V0－材料在自然状态下的体积，m3。自然状态下的体积指包含材料内部孔隙的体积。材料试验与质量控制建筑系（二）实际密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为实际密度，（绝对密实体积指不包括材料孔隙在内的体积）。用ρ表示。mVρ－实际密度，kg/m3；m－材料在干燥状态下的质量，kg；V－干燥材料的绝对密实体积，m3。材料试验与质量控制建筑系钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。大多数有孔隙的材料，在测定材料的实际密度时，应把材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定其体积（排液法）。材料磨的越细，测得的实际密度数值就越精确。砖、石等材料的实际密度即用此法测得。材料试验与质量控制建筑系（三）堆积密度散粒或粉状材料，如砂、石子、水泥等，在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度，用ρ0′表示。ρ0′－堆积密度，kg/m3；m－材料的质量，kg；V0′－材料的自然堆积体积（包括材料颗粒体积和颗粒之间空隙的体积），m3。测定散粒材料的堆积密度时，按一定的方法将散粒材料装入一定的容器中，则堆积体积为容器的容积。00''mV材料试验与质量控制建筑系小结：对于同种材料（如一堆碎石），测得的三种密度的关系？mV00mV00''mV质量一样，而三种体积存在一个关系：V是指实体体积V0=V+Vb+VkV0‘=V+Vb+Vk+V空故，ρρ0ρ0＇材料试验与质量控制建筑系二、与疏密度有关的性质（一）密实度D指材料体积内被固体物质所填充的程度（即密实体积占自然体积的百分率）。00100%100%VDV材料试验与质量控制建筑系（二）孔隙率P指材料的自然体积内，孔隙体积占自然体积的百分率。000100%1100%VVPV孔隙率与密实度的关系：P+D=1材料试验与质量控制建筑系（三）填充率D＇指散粒材料的堆积体积中，被其颗粒填充的程度（即自然体积占堆积体积的百分率）。0000''100%100%'VDV空隙材料试验与质量控制建筑系（四）空隙率P＇散粒材料自然堆积体积中颗粒之间的空隙所占的比例称为散粒材料的空隙率，其计算公式为：00000'''100%1100%'VVPV空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙材料试验与质量控制建筑系三、材料与水有关的性质建筑物中的材料在使用过程中经常会直接或间接与水接触，如水坝、桥墩、屋顶等，为防止建筑物受到水的侵蚀而影响使用性能，有必要研究材料与水接触后的有关性质。材料试验与质量控制建筑系（一）材料的吸水性材料浸入水中吸收水的能力称为材料的吸水性，常用质量吸水率来表示。吸水率包括质量吸水率(Wm)和体积吸水率（Wv）两种。Wm－材料的质量吸水率，％；m干－材料干燥状态下的质量，g；m饱－材料吸水饱和状态下的质量，g。100mmWm干饱m干－＝％1、质量吸水率材料试验与质量控制建筑系Wv－材料的体积吸水率，％；V0－材料干燥状态下的体积，cm3；V水－材料吸水饱和状态下的体积，cm3。0V100100VVmmW干水饱v0水－＝％＝％2、体积吸水率材料试验与质量控制建筑系材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性常用质量含水率来表示。00100%hmmWmWh－材料的含水率，％；m0－材料干燥状态下的质量，g；m－材料含水时的质量，g。材料的吸水性和吸湿性大对材料的性能都是不利的。材料吸水或吸湿后质量增加，体积膨胀，产生变形，影响材料的各种使用性能。（二）材料的吸湿性材料试验与质量控制建筑系（三）材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，且其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。10RfKfKR－材料的软化系数；f0－材料干燥状态下的强度，MPa；f1－材料在吸水饱和状态下的强度，MPa。材料试验与质量控制建筑系材料的软化系数范围在0~1之间,一般材料吸水后,材料内部的结合力有所削弱,造成强度不同程度地降低,软化系数的大小表明材料浸水后强度降低的程度.其值越小,表明材料耐水性越差.KR≥0.85为耐水性材料。KR越小，说明材料吸水后强度下降越多，耐水性越差。对于经常位于水中或受潮严重的重要结构的材料，KR0.85。材料试验与质量控制建筑系练习：1、一质量为8.1Kg的干混凝土试块，体积为150mm×150mm×150mm，质量吸水率为4％，试求混凝土试块的表观密度。解：已知条件：m干＝8100g；V0(自然状态下的体积)＝15cm×15cm×15cm＝3375cm3；Wm＝4％；求：ρ0、Wv303081002.4/3375mggcmVcm干材料试验与质量控制建筑系2、红砖干燥时表观密度为1900Kg/m3，密度为2.5g/cm3，质量吸水率为10％，试求该砖的孔隙率。解：已知条件：ρ0＝1900Kg/m3；ρ＝2.5g/cm3；Wm＝10％；求：P000100%1100%1.91100%24%2.5VVPV材料试验与质量控制建筑系1.3材料的基本力学性质一、材料的强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度，以材料受外力破坏时单位面积上所承受的外力表示。材料在建筑物上所承受的外力主要有拉力、压力、剪力和弯力，材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗剪和抗弯强度。材料的这些强度是采用标准试件，通过试验来测定的。材料试验与质量控制建筑系f－材料的抗拉、抗压、抗剪强度，MPa；F－最大破坏载荷，N；A－受力面积，mm2。1、抗拉、抗压、抗剪强度拉力压力剪力FfA强度公式：PPPPPP材料试验与质量控制建筑系2、抗弯强度Pl抗弯强度的测试有两种方法如图所示:bh试验时将试件放在两个支点上，中间作用一集中载荷P，则抗弯强度公式为：232fFlfbh材料试验与质量控制建筑系3、影响材料强度的因素材料强度的大小与材料的组成、结构、构造及测定强度值的试验条件有关。对于同种材料来说，孔隙率↑，强度↓；对多数材料来说，温度↑，强度↓，含水率↑强度↓。例如：钢材温度升高时，强度会明显降低；砖、木材等含水率增加时，强度会降低。试验条件的不同主要是指试件尺寸以及试验时的加荷速度。试验时应按照相关规范来进行操作。材料试验与质量控制建筑系二、材料的弹性与塑性（一）弹性材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变形能完全恢复的性质称为弹性。这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。具有这种性质的材料称为弹性材料。材料试验与质量控制建筑系（二）塑性材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。这种不可恢复的变形称为塑性变形。材料试验与质量控制建筑系实际上纯的弹性材料和塑性材料是没有的。有的材料受力时先发生弹性变形，再发生塑性变形，如建筑钢材；有的材料在受力后弹性和塑性变形同时发生，这种材料称为弹塑性材料，如混凝土。材料试验与质量控制建筑系三、材料的脆性与韧性材料在一定限度的外力作用下无明显的塑性变形时就突然破坏的性质称为脆性，具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料达到破坏荷载时的变形值很小，受冲击和震动荷载的能力很差，宜做承压构件。如砖、石材、混凝土等。材料在冲击或震动荷载作用下能承受很大的变形也不致破坏的性质称为韧性，具有这种性质的材料称为韧性材料。如低碳钢、低合金钢等属于韧性材料。材料试验与质量控制建筑系1.4材料的耐久性材料的耐久性是指材料在所处环境条件下，抵抗所受破坏作用，在规定的时间内，不变质、不损坏，保持其原有性能的性质。耐久性是衡量材料乃至结构在长期使用条件下的安全性能。材料试验与质量控制建筑系建筑物中材料所受的破坏作用归纳如下：（1）物理作用包括温度变化、干湿交换、冻融循环作用。（2）化学作用包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液的侵蚀和日光、紫外线等对材料的作用。（3）机械作用包括荷载的持续作用，交变荷载对材料引起的疲劳、冲磨、气蚀作用。（4）生物作用主要指菌类、昆虫等危害，导致材料发生腐朽、虫蛀等。材料试验与质量控制建筑系材料的耐久性是一项综合性能，工程中材料常常是发生一种或几种破坏，所以必须针对材料所处的环境来讨论才有实际意义。为提高材料的耐久性，延长建筑物的使用寿命和减少维修费用，可根据实际情况和材料的破坏特点采取相应的措施。如：金属材料主要考虑化学作用而引起的锈蚀；沥青和高分子材料主要是受热、空气、阳光作用氧化而老化变脆；混凝土材料主要发生物理和机械破坏作用；木材最易受生物作用而腐蚀、腐朽。材料试验与质量控制建筑系课堂练习：3、已知甲材料在绝对密实状态下的体积为40cm3，在自然状态下体积为160cm3；乙材料的密实度为80％，求甲、乙两材料的孔隙率，并判断哪种材料较宜做保温材料？解：（1）甲材料的孔隙率P甲＝（V0-V）/V0×100％＝（160－40）/160×100％＝75％（2）乙材料的孔隙率P乙＝1－D＝1－80％＝20％（3）∵P甲＞P乙故甲材料宜做保温材料材料试验与质量控制建筑系4、一边长为200mm的立方体试块，进行抗压强度试验时，破坏荷载为1600KN，试求该试块抗压强度为多少？解：f＝F/A＝1600×103/(200×200)=40.0MPa5、一水泥胶砂抗弯试件，尺寸为40×40×160mm，F＝3.84KN，L＝100mm，求抗弯（抗折）强度。解：f＝3FL/2bh2＝3×3840×100/(2×40×402)＝9.0MPa