正文二 建筑材料基本性質(zhì)

1、建筑物中，建筑材料要經(jīng)受各種不同的作用，因而要求建筑材料具有相應(yīng)的不同性質(zhì)。例如，用于建筑結(jié)構(gòu)的材料要承受各種外力的作用，因此，選用的材料應(yīng)具有所需要的力學(xué)性能。又如，根據(jù)建筑物不同部位的使用要求，有些材料應(yīng)具有防水、絕熱、吸聲等性能；對于某些工業(yè)建筑，要求材料具有耐熱、耐腐蝕等性能。此外，對于長期暴露在大氣中的材料，要求能經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、雨淋、冰凍而引起的溫度變化、濕度變化及反復(fù)凍融等的破壞變化。為了保證建筑物的耐久性，要求在工程設(shè)計(jì)與施工中正確地選擇和合理地使用材料，因此，必須熟悉和掌握各種材料的基本性質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi)容：本章主要學(xué)習(xí)材料的物理性能、力學(xué)性能和耐久性。

2、材料的物理性能包括與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)、與水有關(guān)的性質(zhì)等；力學(xué)性能包括強(qiáng)度、變形性能、硬度以及耐磨性。2.1.1 材料的組成材料的組成材料的組成包括化學(xué)組成和礦物組成。1.化學(xué)組成 化學(xué)組成是指構(gòu)成材料的化學(xué)成分。不同化學(xué)組成的材料其性質(zhì)不同。如碳素鋼隨含碳量的增加，其強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性將發(fā)生變化；碳素鋼容易生銹，在鋼中加入鉻、鎳等化學(xué)分就生產(chǎn)出不銹鋼。2.礦物組成 許多無機(jī)非金屬材料是由各種礦物組成的。礦物是具有一定化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征的單體和化合物。某些建筑材料，其礦物組成是決定其材料性質(zhì)的主要因素。水泥因所含的熟料礦物不同或其含量不同，表現(xiàn)出來的水泥性質(zhì)就不同。 2.1材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與

3、構(gòu)造材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 2.1.2 材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)可分為宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。它是決定材料各種性質(zhì)的最重要因素。 1.宏觀結(jié)構(gòu)指用肉眼或是放大鏡能夠分辨的毫米級以上的粗大組織稱為宏觀結(jié)構(gòu)。主要由以下類型：致密結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、微孔結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)和散粒結(jié)構(gòu)。2.1材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 按孔隙分：致密結(jié)構(gòu)：如鋼鐵、玻璃、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等多孔結(jié)構(gòu)：如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料等微孔結(jié)構(gòu)：如石膏制品、燒粘土制品等加氣混凝土石膏制品燒粘土制品玻璃按存在狀態(tài)分：纖維結(jié)構(gòu)：如木材、玻璃鋼、巖棉等

4、層狀結(jié)構(gòu)：如膠合板、紙面石膏板等散粒結(jié)構(gòu)：如混凝土骨料、膨脹珍珠巖等膠合板混凝土骨料木材2.1.2 材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.細(xì)觀結(jié)構(gòu) 指用光學(xué)顯微鏡所觀察到得微米級組織結(jié)構(gòu)稱為細(xì)觀結(jié)構(gòu)，又稱為亞微觀結(jié)構(gòu)或顯微觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布等。如天然的巖石可以分為礦物、晶體顆粒、非晶體組織2.1材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的基本組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 3.微觀結(jié)構(gòu) 用電子顯微鏡、X射線衍射儀等手段來研究的材料原子、分子級的微觀組織稱為微觀結(jié)構(gòu)如材料可以分為晶體、玻璃體、膠體2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)2.2.

5、1材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)1.與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)自然界的材料，由于其單位體積中所含孔(空)隙程度不同，因而其基本的物理性質(zhì)參數(shù)單位體積的質(zhì)量也有差別，現(xiàn)分述如下。2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)密度密度是指材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算： 式中： 密度，g/cm3； m 材料的質(zhì)量，g； V 材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積，Vm材料的密度大小取決于組成物質(zhì)的原子量大小和分子結(jié)構(gòu)，原子量越大，分子結(jié)構(gòu)越緊密，材料的密度則越大。建筑材料中除少數(shù)材料(鋼材、玻璃等)接近絕對密實(shí)外，絕大多數(shù)材料內(nèi)部都包含有一些孔隙。在自然狀態(tài)下，含孔塊體的體積V0是由固

6、體物質(zhì)的體積(即絕對密實(shí)狀態(tài)下材料的體積)V和孔隙體積Vk兩部分組成的。圖21 材料組成示意圖1空隙 2固體物質(zhì)2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表觀密度：表觀體積是指材料的實(shí)體積與閉口孔隙體積之和材料單位表觀體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算： 式中： 材料的表觀密度，g/cm3 或 kg/m3 材料的質(zhì)量，g 或 kg 材料在自然狀態(tài)下的表觀體積，cm3 或 m3。00Vm0m0V表觀體積是指材料的實(shí)體積與閉口孔隙體積之和。測定表觀體積時(shí)，可用排水法測定。表觀密度的大小除取決于密度外，還與材料閉口孔隙率和孔隙的含水程度有關(guān)。材料閉口孔隙越多，表觀密度越??；當(dāng)孔隙中含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積均有所變化

7、。因此在測定表觀密度時(shí)，須注明含水狀況，沒有特別標(biāo)明時(shí)常指氣干狀態(tài)下的表觀密度，在進(jìn)行材料對比試驗(yàn)時(shí)，則以絕對干燥狀態(tài)下測得的表觀密度值(干表觀密度)為準(zhǔn)。 3. 體積密度 材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為體積密度，可按下式計(jì)算： 式中：材料的體積密度，g/cm3或kg/m3； m在自然狀態(tài)下材料的質(zhì)量，g或kg； V0材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m3。02.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)000mV在自然狀態(tài)下，材料內(nèi)部的孔隙可分為兩類：有的孔之間相互連通，且與外界相通，稱為開口孔；有的孔互相獨(dú)立，不與外界相通，稱為閉口孔，如圖1-2所示。大多數(shù)材料在使用時(shí)其體積為包括內(nèi)部所有孔隙

8、在內(nèi)的體積，即自然狀態(tài)下的外形體積(V0)，如磚、石材、混凝土等。圖1-2 顆粒的氣孔與孔隙的類型在自然狀態(tài)下，材料內(nèi)部常含有水分，其質(zhì)量隨含水程度而改變，因此體積密度應(yīng)注明其含水程度。干燥材料的體積密度稱為干體積密度?？梢姡牧系捏w積密度除決定于材料的密度及構(gòu)造狀態(tài)外，還與含水程度有關(guān)。2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)4堆積密度是指散?；蚍蹱畈牧?，在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。 式中： 材料的堆積密度，kg/m3； 材料的質(zhì)量，kg； 材料的自然堆積體積，包括顆粒的體積和顆粒之間空隙的體積(見圖)，也即按一定方法裝入容器的容積，m3。00Vm00Vm顆 ?？?隙v圖22 散粒材料堆積

9、及體積示意圖(堆積體積顆粒體積空隙體積)v1固體物質(zhì) 2空隙 3孔隙材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測定時(shí)材料的裝填方式和疏密程度。松堆積方式測得的堆積密度值要明顯小于緊堆積時(shí)的測定值。工程中通常采用松散堆積密度，確定顆粒狀材料的堆積空間。 1) 孔隙率 孔隙率是指材料中孔隙體積占材料總體積的百分率。以P表示，可用下式計(jì)算： 式中：P孔隙率，%； V材料的絕對密實(shí)體積，cm3 或 m3； 材料的自然體積，cm3 或m3。000100%1100%VVPV0V2.2材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，其大小取決于材料的組成、結(jié)構(gòu)以及制造工藝。材料的許多工程性質(zhì)如

10、強(qiáng)度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性、吸聲性等都與材料的孔隙有關(guān)。這些性質(zhì)不僅取決于孔隙率的大小，還與孔隙的大小、形狀、分布、連通與否等構(gòu)造特征密切相關(guān)?？紫兜臉?gòu)造特征，主要是指孔隙的形狀和大小。材料內(nèi)部開口孔隙增多會(huì)使材料的吸水性、吸濕性、透水性、吸聲性提高，抗凍性和抗?jié)B性變差。材料內(nèi)部閉口孔隙的增多會(huì)提高材料的保溫隔熱性能。根據(jù)孔隙的大小，分為粗孔和微孔。一般均勻分布的密閉小孔，要比開口或相連通的孔隙好。不均勻分布的孔隙，對材料性質(zhì)影響較大。2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)b密實(shí)度密實(shí)度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度。也就是固體物質(zhì)的體積占總體積的比例。以D表示，密實(shí)度的計(jì)算式

11、如下： 式中：D 材料的密實(shí)度，。%100%10000VVD材料的與越接近，即越接近于1，材料就越密實(shí)。密實(shí)度、孔隙率是從不同角度反映材料的致密程度，一般工程上常用孔隙率。密實(shí)度和孔隙率的關(guān)系為：2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 空隙率與填充率 a空隙率 空隙率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒之間的空隙體積占其自然堆積體積的百分率，用表示，按下式計(jì)算： 式中： 材料的空隙率，； 自然堆積體積，cm3或 m3； 材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3 或 m3。 %1001%10000000VVVPPV0V空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞木o密程度?？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計(jì)算含砂率的依據(jù)。

12、2.2.1材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)b填充率填充率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒體積占其自然堆積體積的百分率，用表示。 空隙率與填充率的關(guān)系為 。由上可見，材料的密度、表觀密度、孔隙率及空隙率等是認(rèn)識材料、了解材料性質(zhì)與應(yīng)用的重要指標(biāo)，常稱之為材料的基本物理性質(zhì)。%100%1000000VVD1PD某一塊狀材料的烘干質(zhì)量為100g，自然狀態(tài)下的體積為40cm3，絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積為30cm3，試計(jì)算其密度、體積密度、密實(shí)度和孔隙率。思考題2.3材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì) 1. 材料的親水性與憎水性 工程實(shí)際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤濕角的大小劃分。潤濕角為在材料、水和空氣

13、的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線()與水和固體接觸面()所成的夾角。其中潤濕角愈小，表明材料愈易被水潤濕。當(dāng)材料的潤濕角90 時(shí)，為親水性材料；當(dāng)材料的潤濕角90 時(shí)，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細(xì)管作用自動(dòng)將水吸入材料內(nèi)部；水在憎水性材料表面不僅不能鋪展開，而且水分不能滲入材料的毛細(xì)管中 大多數(shù)建筑材料，如石料磚混凝土木材等都屬于親水性材料，表面都能被水潤濕。瀝青石蠟等屬于憎水性材料，表面不能被水潤濕。該類材料一般能阻止水分滲入毛細(xì)管中，因而能降低材料的吸水性。憎水性材料不僅可用作防水材料，而且還可用于親水性材料的表面處理，以降低其吸水性。2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)

14、材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)吸水性材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率來表示，吸水率有兩種表示方法。質(zhì)量吸水率體積吸水率2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)a質(zhì)量吸水率：材料吸水飽和時(shí)，其所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥時(shí)質(zhì)量的百分率，按下式計(jì)算： 式中： W質(zhì)為質(zhì)量吸水率，%； m濕為材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g； m干為材料在絕對干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。 %100干干濕質(zhì)mmmW2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)b體積吸水率：材料吸水飽和時(shí)，吸入水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。 式中： 體積吸水率，； 干燥材料在自然狀態(tài)下的體積，c

15、m3； 水的密度，常溫下取1g/cm3。 體積吸水率與質(zhì)量吸水率的關(guān)系 式中： 材料在干燥狀態(tài)下的表觀密度。 %1001%100OH002VmmVVW干濕水體體W0VOH200WW體質(zhì)材料吸水率的大小不僅取決于材料本身是親水的還是憎水的，而且與材料的孔隙率的大小及孔隙特征密切相關(guān)。一般孔隙率愈大，吸水率也愈大；孔隙率相同的情況下，具有細(xì)小連通孔的材料比具有較多粗大開口孔隙或閉口孔隙的材料的吸水性更強(qiáng)。2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)3. 吸濕性材料在潮濕的空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。含水率為材料所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)?？砂聪?/p>

16、式計(jì)算：2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì) 式中： 材料的含水率，； 材料含水時(shí)的質(zhì)量，g； 材料干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量，g。干干含含100mmmW含W含m干m材料的含水率大小，除與本身的成分組織構(gòu)造等有關(guān)外，還與周圍的溫度濕度有關(guān)。氣溫越低，相對濕度越大，材料的含水率也就越大。材料隨著空氣濕度的大小，既能在空氣中吸收水分，又可向空氣中擴(kuò)散水分，最后與空氣濕度達(dá)到平衡，此時(shí)的含水率稱為平衡含水率。木材的吸濕性隨著空氣濕度變化特別明顯。例如木門窗制作后如長期處在空氣濕度小的環(huán)境，為了與周圍濕度平衡，木材便向外散發(fā)水分，于是門窗體積收縮而致干裂。2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料

17、與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)4.耐水性一般材料吸水后，水分會(huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強(qiáng)度則有不同程度的降低。當(dāng)材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時(shí)(如石膏、石灰等)，吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。材料長期在飽和水作用下而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示。2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)式中： 材料的軟化系數(shù)； 材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa； 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。干飽軟ffK軟K飽f干f軟化系數(shù)一般在01之間波動(dòng)，軟化系數(shù)越大，耐水性越好。對于經(jīng)常位于水中或處于潮濕環(huán)境中的重要建筑物所選用的材料要求其

18、軟化系數(shù)不得低于0.85；對于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)所用材料，軟化系數(shù)允許稍有降低但不宜小于0.75。工程上將軟化系數(shù)大于0.85的材料定義為耐水材料。2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)a. 滲透系數(shù) 材料在壓力水作用下透過水量的多少遵守達(dá)西定律，即在一定時(shí)間內(nèi)，透過材料試件的水量W與試件的滲水面積A及水頭差h成正比，與試件厚度d成反比，如圖15所示 圖24 材料透水示意圖2.2.2材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)有關(guān)的性質(zhì)式中：K 滲透系數(shù)，cm/h W 透過材料試件的水量，cm3 A 透水面積，cm2 h 材料兩側(cè)的水壓差，cm d 試件厚度，cm t 透水時(shí)間， hAt

19、hWdK （1）某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測得的抗壓強(qiáng)度分別為174Mpa、178Mpa、165Mpa，判斷該石材能否用于水下工程。（2）有一塊普通燒結(jié)磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2900g，其絕干質(zhì)量為2550g。磚的尺寸為240mm115mm53mm，經(jīng)干燥并磨成細(xì)粉后取50g，有用排水法測得絕對密實(shí)體積為18.62cm。試計(jì)算該磚的質(zhì)量吸水率、密度、表觀密度。案例案例2-3解解（1）：該石材的軟化系數(shù)為由于該石材的軟化系數(shù)為0.93，大于0.85，故該石材可用于水下工程?！驹u注】軟化系數(shù)為材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與材料在絕對干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比，與材料在氣干狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度無關(guān)。

20、93.0178163gbsffk案例案例2-3案例案例2-3 解解（2）： 該磚的質(zhì)量吸水率為 該磚的密度為 表觀密度為 【評注】質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比。0000100255025002900100ggbmmmmw369.262.1850cmgVm3074.13.55.11252550cmgVm2.3.1 材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是材料在應(yīng)力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內(nèi)部的應(yīng)力多由外力(或荷載)作用而引起，隨著外力增加，應(yīng)力也隨之增大，直至應(yīng)力超過材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)所能抵抗的極限，即強(qiáng)度極限，材料發(fā)生破壞。在工程上，通常采用破壞試驗(yàn)法

21、對材料的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測。將預(yù)先制作的試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)上，施加外力(荷載)直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞時(shí)的荷載值，計(jì)算材料的強(qiáng)度。2.3材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)2.3材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)材料強(qiáng)度的大小理論上取決于材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的強(qiáng)弱，實(shí)際上與材料中存在的結(jié)構(gòu)缺陷有直接關(guān)系。組成相同的材料其強(qiáng)度取決于其孔隙率的大小。見圖18。2.3材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)不僅如此，材料的強(qiáng)度還與測試強(qiáng)度時(shí)的測試條件和方法等外部因素有關(guān)。為使測試結(jié)果準(zhǔn)確，可靠且具有可比性，對于強(qiáng)度為主要性質(zhì)的材料，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行靜力強(qiáng)度的測試。 表表13 鋼材、木材、混凝土和紅磚的強(qiáng)度比較鋼材

22、、木材、混凝土和紅磚的強(qiáng)度比較材料在極限應(yīng)力作用下會(huì)被破壞而失去使用功能，在非極限應(yīng)力作用下則會(huì)發(fā)生某種變形。彈性變形與塑性變形反映了材料在非極限應(yīng)力作用下兩種不同特征的變形。2.3.2材料的彈性和塑性材料的彈性和塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。材料在沖擊或動(dòng)力荷載作用下，能吸收較大能量而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時(shí)單位面積所消耗的功表示。如木材、建筑鋼材等屬于韌性材料。韌性材料的特點(diǎn)是塑性變形大，受力時(shí)產(chǎn)生的抗拉強(qiáng)度接近或高于抗壓強(qiáng)度。2.3.3 材料的脆性和韌性材料的脆性和韌性E材料受力達(dá)到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的