建筑材料1建筑材料的基本性质

1建筑材料的基本性能熟悉和掌握材料的基本性质，对于正确选择和合理使用材料至关重要。本章主要介绍了材料的基本物理、力学性质及其有关指标和计算公式。物理性质包括材料与质量有关的性质、与水有关的性质、热工性质，力学性质包括强度、弹性与塑性、脆性与韧性。本章提要本章内容1.1材料的物理性质1.2材料的力学性质1.1材料的物理性质密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。计算式为：绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。1.1.1材料与质量有关的性质1.1.1.1密度mV表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。计算式为：材料的表观体积是指包含孔隙的体积。一般是指材料长期在空气中干燥，即气干状态下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。1.1.1.2表观密度00mV堆积密度是指粉状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。计算式为：砂子、石子等散粒材料的堆积体积，是在特定条件下所填充的容量筒的容积。材料的堆积体积包含了颗粒之间或纤维之间的孔隙。常用建筑材料的有关数据见表1.1。1.1.1.3堆积密度0''0mV表1.1常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率材料密度ρ(kg/m3)表观密度ρ0(kg/m3)堆积密度ρ′0(kg/m3)孔隙率(%)石灰岩2.60~2.802000~2600____花岗岩2.60~2.902600~2800__0.5~3.0碎石(石灰岩)2.60~2.80__1400~1700__砂2.60__1450~1650__粘土2.60__1600~1800__普通粘土砖2.501600~1800__20~40材料密度ρ(kg/m3)表观密度ρ0(kg/m3)堆积密度ρ′0(kg/m3)孔隙率(%)粘土空心砖2.501000~1400____水泥3.10__1200~1300__普通混凝土__2100~2600__5~20木材1.55400~800__55~75钢材7.857850__0泡沫塑料__20~50____(1)密实度密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映材料的致密程度。计算式为：1.1.1.4材料的密实度与孔隙率000100%100%mVDmV例如：某种普通粘土砖ρ0=1700kg/m3，ρ=2.5g/cm3那么其密实度D=ρ0÷ρ×100%=1700÷2500×100%=68%(2)孔隙率孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例。计算式为：孔隙率与密实度的关系为：00001(1)100%VVVPVV1PD如P=（1-ρ0÷ρ)×100%=(1-0.68)×100%=32%材料的密实度和孔隙率是从不同方面反映材根据材料内部孔隙构造的不同，孔隙分为连通的和封闭的两种。几种常用材料的孔隙率列于表1.1。(1)填充率填充率是指散粒材料在某种堆积体积内被其颗粒填充的程度。其计算式为：1.1.1.5材料的填充率与空隙率0000100%100%VDV(2)空隙率空隙率是指散粒材料在某种堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占的比例。计算式为：空隙率与填充率的关系为：00000001(1)100%VVVPVV1PD材料在空气中与水接触时，根据材料表面被水润湿的情况，分亲水性材料和憎水性材料两类当材料分子与水分子间的相互作用力大于水分子间的作用力时，材料表面就会被水所润湿。此时在材料、水和空气的三相交点处，沿水滴表面所引切线与材料表面所成的夹角θ≤90°［图1.1(a)］，这种材料属于亲水性材料。1.1.2材料与水有关的性质1.1.2.1亲水性与憎水性如果材料分子与水分子间的相互作用力小于水本身分子间的作用力，则表示材料不能被水润湿。此时，润湿角90°＜θ＜180°［图1.1(b)］，这种材料称为憎水性材料。大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料，而沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料。图1.1材料润湿边角吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率为材料浸水后在规定时间内吸入水的质量（或体积）占材料干燥质量（或干燥时体积）质量吸水率1.1.2.2吸水性100%mmWm干湿质干体积吸水率00V1100%=100%VVmmW水干湿体水材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙构造特征有关。材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分比。计算式为：1.1.2.3吸湿性100%mmWm干含含干材料在长期饱和水作用下不被破坏，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。计算式为：1.1.2.4耐水性Kff1软0抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性可用渗透系数1.1.2.5抗渗性QKdAtH材料的抗渗性也可以用抗渗等级Pn来表示。例如：某防水混凝土的抗渗等级为P6，表示该混凝土试件经标准养护28d后，按照规定的试验方法在0.6MPa压力水的作用下无渗透现象。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，强度也无显著降低的性能。材料的抗冻性用抗冻等级Fn表示。n表示材料试件经n次冻融循环试验后，质量损失不超过5%，抗压强度降低不超过25%。n的数值越大，材料的抗冻性与材料的密实度、强度、孔隙构造特征、耐水性以及吸水饱和程度有关。1.1.2.6抗冻性材料传导热量的性能称为导热性。材料的导热性用导热系数导热系数的物理意义是指，单位厚度的材料，当两个相对侧面温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。计算式为：材料的导热系数与材料的成分、构造等因素有关。1.1.3材料的热工性质1.1.3.1导热性21()QdAztt材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。热容量用比热表示，1g材料温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量称为比热。比热的计算式为：材料的比热与质量的乘积为材料的热容量值Q容=c·m。1.1.3.2热容量21()Qcmtt1.2材料的力学性质材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度等(图1.2)。1.2.1强度在试验室采用破坏试验法测试材料的强度。按照国家标准规定的试验方法，将制作好的试件安放在材料试验机上，施加外力(荷载)，直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：FfA材料的抗弯强度与试件受力情况、截面形状以及支承条件有关。通常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间作用一集中荷载。材料的抗弯强度的计算式为：232FLfbh材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同。图1.2材料受力示意图(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失，这种性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。不能恢复的变形称为塑性变形。材料的弹性和塑性变形曲线见图1.3。有的材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，如图1.4所示。1.2.2弹性与塑性图1.3材料的弹性和塑性变形曲线图1.4材料的弹塑性变形曲线材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。材料的韧性是用冲击试验来测试的，以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。1.2.3脆性与韧性