模塊1 建筑材料的基本性質(zhì)

1、建 筑 材 料理論知識篇理論知識篇建筑材料的基本性質(zhì)建筑石材無機膠凝材料水泥混凝土建筑砂漿建筑鋼材防水材料模塊模塊1 1 建筑材料的基本性質(zhì)建筑材料的基本性質(zhì)1.3材料的耐久性1.1 材料的物理性質(zhì)1.2材料的力學性質(zhì) 掌握描述材料物理性質(zhì)的相關參數(shù)的含義、影響因素及其工程意義。 會根據(jù)物理參數(shù)值推斷或評價材料的力學性質(zhì) 和耐久性能。 掌握強度、比強度的含義和工程意義。 了解耐久性的含義，掌握評價耐久性的指標。 知識目標知識目標模塊模塊1 1 建筑材料的基本性質(zhì)建筑材料的基本性質(zhì)1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)1.1.材料的微觀體積構成材料的微觀體積構成 如圖1-1(a)所示，從微

2、觀角度分析，塊狀材料的體積包括礦質(zhì)實體體積、閉口孔隙（不與外界連通）體積和開口孔隙（與外界連通）體積三個部分，各部分的體積與質(zhì)量關系如圖1-1(b)所示。1.1.1材料與質(zhì)量和體積有關的性質(zhì)1 1）塊狀材料）塊狀材料1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)圖1-1 材料微觀結(jié)構示意圖1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 如圖1-2所示，堆積起來的散粒狀或粉狀材料的微觀體積包括顆粒的實體體積、顆粒的開口孔隙體積、顆粒的閉口孔隙體積和顆粒間間隙體積四個部分。由于顆粒的開口孔隙與顆粒間縫隙通常是貫通的，因此，散粒狀或粉狀材料的堆積體積可以理解為由顆粒的總表觀體積與顆粒間總空隙構成。2 2

3、）散粒狀或粉狀材料）散粒狀或粉狀材料1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)圖1-2 堆積體積(堆積體積顆粒體積空隙體積)1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)2.2.反映材料質(zhì)量與體積關系的參數(shù)反映材料質(zhì)量與體積關系的參數(shù) 密度是材料在絕對密實狀態(tài)下（不含任何孔隙），單位體積的礦質(zhì)實體所具有的質(zhì)量。密度用表示，按式（1-1）計算。=m/Vs（1-1） 式中，為密度（g/cm3）；m為材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；Vs為絕對體積或礦質(zhì)實體體積（cm3）。 1 1）密度）密度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 表觀密度是材料單位表觀體積（實體體積+閉口孔隙體積）所具有的質(zhì)量，

4、用a表示，按式（1-2）計算。a=m/（Vs+Vn） （1-2） 式中，a為材料的表觀密度（g/cm3）；Vn為材料閉口孔隙的體積（cm3）。 表觀密度與材料結(jié)構組成中孔隙的多少和孔隙的含水程度密切相關?？紫对蕉?，表觀密度越??；當孔隙中含有水分時，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化。2 2）表觀密度）表觀密度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 材料在自然狀態(tài)下，單位體積（礦質(zhì)實體+閉口孔隙+開口孔隙）所具有的質(zhì)量為毛體積密度，以b表示，按式（1-3）計算。 b=m/(Vs+Vi+Vn) （1-3) 式中，b為材料的毛體積密度（g/cm3）；Vi為材料開口孔隙的體積（cm3）。 因為Vs+Vi+V

5、nV，故式（1-3）可以改寫為b=m/V （1-4） 式中,V為材料總體積（cm3）。 3 3）毛體積密度）毛體積密度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 堆積密度是指散粒狀或粉末狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積（礦質(zhì)實體+閉口孔隙+開口孔隙+顆粒間間隙的體積）具有的質(zhì)量，用0表示，按式(1-5)進行計算。0=mV0 (1-5) 式中，0為材料的堆積密度（kg/m3）；m為材料的質(zhì)（kg）；V0為材料的自然堆積體積(礦質(zhì)實體+閉口孔隙+開口孔隙+顆粒間間隙的體積)，如圖1-2所示，也即盛裝材料的容器的容積（m3）。4 4）堆積密度）堆積密度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1

6、-1 常用建筑材料的密度、表觀密度、堆積密度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)3.3.表征材料結(jié)構密實性的參數(shù)表征材料結(jié)構密實性的參數(shù) 孔隙率是指材料中孔隙體積（閉合孔+開口孔）占材料總體積（礦質(zhì)實體+閉口孔隙+開口孔隙）的百分率，以P表示，按式（1-6）進行計算。P=(V-Vs)/V100%=(1-b/)100% （1-6） 式中，P為孔隙率；Vs為材料的絕對密實體積（cm3或 m3）；V為材料的自然體積（cm3或m3）。 孔隙率反映了材料內(nèi)部構造的致密程度?？紫堵试酱?，材料結(jié)構密實性越差，質(zhì)地越疏松。1 1）孔隙率）孔隙率1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 密實度是材料

7、固體部分的體積（礦質(zhì)實體體積）占材料總體積（礦質(zhì)實體體積+閉合孔體積+開口孔體積）的百分率，以D表示，按式(1-7)進行計算。D=Vs/V100%=b/100% (1-7) 式中，D為材料的密實度。 含有孔隙的材料的密實度均小于1。材料的b與越接近，D越趨近于1，材料結(jié)構就越密實。2 2）密實度）密實度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)4.4.表征材料堆積緊密程度的參數(shù)表征材料堆積緊密程度的參數(shù) 空隙率是指散?；蚍蹱畈牧项w粒之間的空隙體積占總體積的百分率，用P表示，按式(1-8)計算。P=(V0-V0)/V0100%=(1-0/a)100% (1-8) 式中，P為材料的空隙率；V0為

8、材料的自然堆積體積（cm3或m3）；V0為材料的表觀體積（cm3或m3）。 空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒間互相填充的緊密程度?？障堵士勺鳛榭刂苹炷良霞壟渑c計算含砂率的依據(jù)。 1 1）空隙率）空隙率1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 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D表示，即D=V0/V0100%=0/a100%=1-P （1-9）2 2）填充率）填充率1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)1.1.親水性與憎水性親水性與憎水性 當水與建筑材料在空氣中接觸時，會出現(xiàn)兩種不同的現(xiàn)象。如圖1-3所示，表面能被水潤濕，即水能在其表面鋪展開的材料為親水性

9、材料；表面不能被水潤濕，即水不能在其表面鋪展開的材料稱為憎水性材料。1.1.2材料與水有關的性質(zhì)1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)圖1-3 水在不同材料表面作用的情形1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 材料的親水性或憎水性通常以潤濕角大小劃分。潤濕角是在材料、水和空氣的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。如圖1-4所示，潤濕角90 的材料為親水性材料；潤濕角90 的材料為憎水性材料。潤濕角越小，材料越易被水潤濕。圖1-4 材料的潤濕角1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)2.2.吸水性與吸濕性吸水性與吸濕性 材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力稱為吸水性。材

10、料的吸水性通常用質(zhì)量吸水率表示，即材料在吸水飽和時，所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率，按式（1-10）進行計算。W質(zhì)=(m濕-m干)/m干100% (1-10) 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）。1 1）吸水性）吸水性1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 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。材料的吸濕性用含水率表示，即材料所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分數(shù)，按式（1-13）計算。W含(m含-m干)/m干100 (1-13) 式中，W含為材料的含水率；m含為材料含水時的質(zhì)量（g）；m干為材料干燥至恒

11、重時的質(zhì)量（g）。2 2）吸濕性）吸濕性1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 平衡含水率 材料的含水率隨空氣濕度的不同而改變。在不同濕度的空氣中，材料既能在空氣中吸收水分，又可向空氣中擴散水分，最后與空氣濕度達到平衡，此時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)境中，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。知知識識拓拓展展1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)3.3.耐水性耐水性 耐水性是材料長期處于水飽和狀態(tài)下而不被破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)表示。軟化系數(shù)是指材料在吸水飽和狀

12、態(tài)下的抗壓強度與其在干燥狀態(tài)下的強度的比值，按式（1-14）計算。K軟=f飽/f干 （1-14） 式中，K軟為材料的軟化系數(shù)；f飽為材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）；f干為材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。軟化系數(shù)的取值介于01之間。軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后強度降低得越多，耐水性越差。1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 1.某材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度是258 MPa；吸水飽和后的抗壓強度是246 MPa。此材料可否用于潮濕環(huán)境的重要結(jié)構？ 2.軟化系數(shù)是評價材料（ ）水性的指標，軟化系數(shù)的取值范圍是（ ）。軟化系數(shù)為0.8的材料，表明其在水飽和狀態(tài)下的抗壓強度為

13、干燥狀態(tài)下的（ ）%，即在吸水飽和狀態(tài)下強度降低了（ ）%。跟跟蹤蹤自自測測1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)4.4.抗凍性抗凍性 抗凍性是指材料在含水狀態(tài)下抵抗多次凍融循環(huán)而不被破壞，強度也無顯著降低的性質(zhì)。按照國家標準規(guī)定，材料的抗凍性可采取快凍和慢凍兩種試驗方法測定，分別用抗凍等級或抗凍標號表示其抗凍性能的大小。實際工程中選擇材料抗凍等級時要綜合考慮工程種類、結(jié)構部位、使用條件和氣候條件等諸多因素。對處于冬季室外溫度低于-10 的寒冷地區(qū)，建筑物的外墻及露天工程中使用的材料必須進行抗凍性檢驗。如橋梁工程用的石料在一月份平均氣溫低于-10 的地區(qū)，除氣候干旱地區(qū)的不受凍部分外，應

14、符合表1-2的抗凍指標要求。1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1-2 橋涵用石料抗凍性指標1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)5.5.抗?jié)B性抗?jié)B性 如圖1-5所示，材料在壓力水作用下透過水量的多少遵守達西定律。即在一定時間t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。達西定律可用式（1-15）表示。K=Wd/Ath （1-15） 式中，K為滲透系數(shù)（cm/h）；W為透過材料試件的水量（cm3）;A為透水面積(cm2 )；h為材料兩側(cè)的水壓差(cm)；d為試件厚度(cm)；t為透水時間(h)。 材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強。1

15、1）滲透系數(shù)）滲透系數(shù)1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)圖1-5 材料透水1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 抗?jié)B等級是以28 d齡期的標準試件，按標準試驗方法進行試驗時所能承受的最大水壓力來確定的。材料抗?jié)B性與材料的親水程度、孔隙率及孔隙特征有關。憎水性材料、孔隙率小而孔隙封閉的材料具有較高的抗?jié)B性；親水性材料、具有連通孔隙和孔隙率較大的材料的抗?jié)B性較差。 地下建筑防水工程通常使用防水混凝土，要求其應具有較高的密實性、憎水性和抗?jié)B性，抗?jié)B等級大于或等于P6，即最小抗?jié)B壓力為0.6 MPa。地下工程防水技術規(guī)范(GB 501082008)規(guī)定：對于、級圍巖（土層及軟弱圍巖）

16、防水混凝土，設計抗?jié)B等級應符合表1-3的規(guī)定。2 2）抗?jié)B等級）抗?jié)B等級1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1-3 防水混凝土設計抗?jié)B等級1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)1.1.導熱性導熱性 熱導率的取值通常為0.023400 W/(mK)。熱導率值越小，材料的導熱性能越差，保溫隔熱性能越好。材料的熱導率受以下因素影響。 （1）材料的化學組成和物理結(jié)構。 （2）孔隙率與孔隙特征。 （3）含水狀況及導熱時的溫度。1.1.3材料與熱有關的性質(zhì)1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)2.2.熱容量熱容量 材料在受熱時吸收熱量、冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。熱容量的大

17、小用比熱容（c）表示。比熱容為單位質(zhì)量(1 g)材料溫度升高或降低(1 )所吸收或放出的熱量，按式（1-17）計算。c=Q/m(T2-T1)(1-17) 式中，c為材料的比熱容J/(gK)；Q為材料吸收或放出的熱量（J）；m為材料的質(zhì)量（g）；T2-T1為材料受熱或冷卻前后的溫差（K）。常見建筑材料的熱導率和比熱容見表1-4。1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1-4 常用建筑材料的熱導率和比熱容指標1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)3.3.耐火性與耐燃性耐火性與耐燃性 耐火性又稱耐熱性，是指材料在火焰和高溫的長時間作用下，保持其結(jié)構或形狀不破壞、性能不明顯下降的能力。通常

18、材料在高溫作用下會發(fā)生以下兩種變化。 （1）受熱變形。材料受熱后要發(fā)生熱膨脹導致形狀或體積的改變，嚴重時會引起結(jié)構的破壞。 （2）受熱變質(zhì)。一些材料長期在高溫作用下會發(fā)生性質(zhì)的改變。 常見材料的極限耐火溫度見表1-5。1 1）耐火性）耐火性1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1-5 常見材料的極限耐火溫度1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 耐燃性是指在發(fā)生火災時，材料可否燃燒以及燃燒的難易程度的性質(zhì)。按耐燃性的不同將材料分為非燃燒材料、難燃燒材料和燃燒材料三類。（1）非燃燒材料，即在空氣中受高溫作用不起火、不微燃、不炭化的材料。（2）難燃燒材料，即在空氣中受高溫作用難起火、

19、難微燃、難炭化，當火源移走后燃燒會立即停止的材料。（3）燃燒材料，即在空氣中受高溫作用會自行起火或微燃，當火源移走后仍能繼續(xù)燃燒或微燃的材料，如木材及大部分有機材料。 不同耐火等級的建筑物所用構件的燃燒性能和耐火極限見表1-6。2)2)耐燃性耐燃性1.1 1.1 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)表1-6 建筑物構件（部分）的燃燒性能和耐火極限1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)1.1.強度強度 強度是材料在應力（荷載）作用下抵抗破壞的最大能力。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有抗壓、抗拉、抗剪、抗彎或抗折強度等。工程上，材料的強度值大多在特定條件下,采用標準試件靜力破壞試驗法來測定。即將預

20、先制作的標準試件放置在材料試驗機上，施加外力(荷載)直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞時的荷載值，計算出材料的強度。各種狀態(tài)下的受力特點和計算方法見表1-7。1.2.1強度、強度等級、比強度1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)表1-7 材料靜力強度示意圖及計算公式1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì) 材料的礦物組成成分、組成構造或構造中的裂隙分布等不同，材料將具有不同的強度特性，如混凝土、石材、磚等的抗壓強度高而抗拉強度相對較小，這類材料不適于做受彎構件；而鋼材的抗壓和抗拉強度則近乎相等，工程中主要用作結(jié)構材料和鋼筋混凝土的配筋，有著良好的工程適用性。 此外，材料的強度還受試驗條件的

21、影響。常用建筑材料的強度值見表1-8。1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)表1-8 常用建筑材料的強度值1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)2.2.強度等級強度等級 強度等級是人為地將材料按強度特性所進行的分級。在結(jié)構中主要承受壓力的材料通常以抗壓強度來劃分強度等級，如水泥混凝土、建筑砂漿；在建筑物中主要承受拉力的材料通常以屈服強度來劃分強度等級。 1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)3.3.比強度比強度 比強度是指按單位質(zhì)量計算的材料強度，其值等于材料的強度與其表觀密度之比。比強度是衡量材料輕質(zhì)高強的主要指標，比強度大則表明材料輕質(zhì)高強，優(yōu)質(zhì)的材料必須具有較高的比強度

22、。通常在高層建筑結(jié)構、大跨度結(jié)構、軟土地基結(jié)構中，宜選用比強度大的建筑材料。工程上幾種常用材料的比強度見表1-9。1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)表1-9 常用材料的比強度1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)1.1.彈性彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質(zhì)稱為彈性，在彈性變形范圍內(nèi)產(chǎn)生的變形稱為彈性變形或瞬時變形，變形值的大小與外力成正比，即=/E (1-18) 式中，為材料的應變；為材料的應力（MPa）；E為材料的彈性模量（MPa）。彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標，E值越大，材料越不易變形。1.2.2彈性和塑性1.2 1.2 材

23、料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)2.2.塑性塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，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，這種不能恢復的變形稱為塑性變形或永久變形。具有上述變形特征的材料稱為彈塑性材料，其應力應變?nèi)鐖D1-6所示，圖中ab表示可恢復的彈性變形，aO表示不可恢復的塑性變形。圖1-6 彈塑性材料變形曲線1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)1.1.脆性脆性 材料在外力作用下達到一定值時，突然發(fā)生破壞并且無明顯的塑性變形的性質(zhì)稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強度通常要高于其抗拉和抗折強度數(shù)倍甚至數(shù)十倍，抵抗沖擊或振動荷載的能力很差。大部分無機非金屬材料如天然石材，陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等均屬脆性材料，其只適用于承受靜壓力作用的工程部位，如基礎、墻體、墩座等。 1.2.3脆性和韌性1.2 1.2 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)2.2.韌性韌性 材料在沖擊或動力荷載作用下，能吸收較多能量而產(chǎn)生較大塑性變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性或沖擊韌性，以試件破壞時單位面積所消耗的功表示。 韌性材料的抗拉強度接近或高于其抗壓強度，如建筑鋼材、瀝青混合料等屬于韌性材料。建筑工程中，對于有承受沖擊荷載和抗震要求的結(jié)構，如路面、橋梁、吊車梁等使用的材料，均應具有較高的韌性。1.2 1.2 材料的力