土木工程材料建材基本性質(zhì)第3講

1、問(wèn)題：一滴水是怎樣停留在固體表面的？ 材料與水有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)的性質(zhì)潤(rùn)濕是水在材料表面被吸附的過(guò)程，材料被水潤(rùn)濕的程度可用潤(rùn)濕角表示，如圖1.1所示。 一般認(rèn)為，潤(rùn)濕角90（如圖1.1（a）所示）的材料為親水性材料。反之，90時(shí)，表明該材料不能被水潤(rùn)濕，稱為憎水性材料(如圖1.1（b）所示)。 1.1.2 材料與水有關(guān)的性質(zhì)材料與水有關(guān)的性質(zhì) 親水性與憎水性親水性與憎水性圖1.1材料的潤(rùn)濕示意圖 (a)親水性材料；（b）憎水性材料 SV = SL + LVcos由它可以預(yù)測(cè)如下幾種潤(rùn)濕情況：1）當(dāng)=0，完全潤(rùn)濕；2）當(dāng)90，部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕；3）當(dāng)=90，是潤(rùn)濕與否的分界線；

2、4）當(dāng)90，不潤(rùn)濕；5）當(dāng)=180，完全不潤(rùn)濕。(1) 吸水性吸水性材料在浸水狀態(tài)下吸入水分的能力稱為吸水性。吸水性的大小，以吸水率表示，有兩種表示方法：質(zhì)量吸水率和體積吸水率。 質(zhì)量吸水率材料吸水達(dá)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，可表示為： 吸水性與吸濕性吸水性與吸濕性100%mmWm干濕質(zhì)干體積吸水率是指材料體積內(nèi)被水充實(shí)的體積。即材料吸水達(dá)飽和時(shí)，所吸收水分的體積占干燥材料自然體積的百分率，可按下式計(jì)算：00V1100%=100%VVmmW水干濕體水質(zhì)量吸水率與體積吸水率有如下的關(guān)系： 001WWW體質(zhì)質(zhì)水(2) 吸濕性吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的

3、性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小可用含水率表示。材料所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率，稱為材料的含水率，可用下式計(jì)算： 100%mmWm干含含干材料長(zhǎng)期在飽和水作用下而不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。一般材料隨著含水量的增加，會(huì)減弱其內(nèi)部的結(jié)合力，強(qiáng)度也會(huì)不同程度地降低。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，可按下式計(jì)算： 耐水性耐水性Kff飽軟干材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性（或不透水性），可用滲透系數(shù)K表示。材料的透水性可用達(dá)西定律來(lái)描述，即在一定時(shí)間內(nèi)，透水材料試件的水量與試件的斷面積及水頭差（液壓）成正比，與試件的厚度成反比?？捎孟率奖硎荆? 抗?jié)B性抗

4、滲性W K100%hhWKAtdAth或滲透系數(shù)反映了材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。對(duì)于混凝土和砂漿材料，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)S表示。材料抗?jié)B性的好壞與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān) 。 101SH抗凍性是材料抵抗凍融循環(huán)作用，保持其原有性能的能力。對(duì)結(jié)構(gòu)材料，主要指保持強(qiáng)度的能力，并以抗凍標(biāo)號(hào)來(lái)表示?？箖鰳?biāo)號(hào)是用材料在吸水飽和狀態(tài)下（最不利狀態(tài)），經(jīng)凍融循環(huán)作用，強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失均不超過(guò)規(guī)定值時(shí)，所能抵抗的最多凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)表示，記作D25、D50、D100、D150等。 抗凍性抗凍性材料抗凍性的高低決定于材料的吸水飽和程度和材料對(duì)結(jié)冰體積膨脹所產(chǎn)生的

5、壓力的抵抗能力。抗凍性常作為考查材料耐久性的一個(gè)指標(biāo)。 材料的強(qiáng)度愈高，耐水性愈好，其抗凍性愈好。 材料傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱能力的大小可以用導(dǎo)熱系數(shù)（）表示。導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于厚度為1m的材料，當(dāng)其相對(duì)兩側(cè)表面的溫度差為1K時(shí)，經(jīng)單位面積（1m2）單位時(shí)間（1s）所通過(guò)的熱量。1.1.3 材料的熱工性質(zhì)材料的熱工性質(zhì) 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性材料的導(dǎo)熱系數(shù)除與其本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、密度有關(guān)外，還與材料的含水率及環(huán)境溫度等有關(guān)。 21()QAt TT可用下式表示： 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因數(shù)無(wú)機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于有機(jī)材料無(wú)機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于有機(jī)材料晶體的導(dǎo)熱系數(shù)大于無(wú)定形體的熱導(dǎo)系數(shù)

6、晶體的導(dǎo)熱系數(shù)大于無(wú)定形體的熱導(dǎo)系數(shù)材料的孔隙率愈大材料的孔隙率愈大, ,即空氣愈多即空氣愈多, ,導(dǎo)熱系數(shù)愈小同類材料的孔隙率是隨體導(dǎo)熱系數(shù)愈小同類材料的孔隙率是隨體積密度的件小而增大積密度的件小而增大, ,則導(dǎo)熱系數(shù)隨體積密度的件小而減小則導(dǎo)熱系數(shù)隨體積密度的件小而減小導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙形態(tài)特征的關(guān)系導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙形態(tài)特征的關(guān)系, ,認(rèn)為有微細(xì)而封閉孔隙組成的材料認(rèn)為有微細(xì)而封閉孔隙組成的材料, ,導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)小熱系數(shù)小, ,反之大反之大材料的含水率增加材料的含水率增加, ,導(dǎo)熱系數(shù)也增加導(dǎo)熱系數(shù)也增加大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加導(dǎo)熱系數(shù)越小，絕熱性能

7、越好，差別很大，一般在0.035-3.5W（mk）之間。材料的孔隙率大，導(dǎo)熱系數(shù)小，但如孔隙粗大而且聯(lián)通，由于對(duì)流作用，材料的導(dǎo)熱系數(shù)反而高。材料受潮后導(dǎo)熱系數(shù)增大，因?yàn)樗捅谋瓤諝獾拇?，因此絕熱材料應(yīng)經(jīng)常處于干燥狀態(tài)。材料加熱或冷卻時(shí)，吸收或放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量。熱容量的大小用比熱容（也稱熱容量系數(shù)，簡(jiǎn)稱比熱）表示，比熱容表示1g材料，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量，或降低1K時(shí)放出的熱量。材料吸收或放出的熱量和比熱，可用下式計(jì)算： 比熱容比熱容21()Qcm TT21()Qcm TT比熱是反映材料的吸熱或放熱能力大小的物理量。 。 比熱是反映材料的吸熱和放熱能力的理量。

8、不同材料的比熱不同，它對(duì)保持建筑物內(nèi)部溫度溫度有很大的意義，比熱大的材料，能在熱流變動(dòng)或采暖設(shè)備供熱不均勻時(shí)，緩和室內(nèi)的溫度波動(dòng)。表表1.2幾種典型材料的熱工性質(zhì)指標(biāo)幾種典型材料的熱工性質(zhì)指標(biāo) 材料 導(dǎo)熱系數(shù)(W/（mK）) 比熱容(J/（gK）) 鋼材580.48銅材3700.38花崗巖3.490.92混凝土1.510.84燒結(jié)普通磚0.80.88松木0.170.362.72泡沫塑料0.031.30冰2.202.05水0.64.19密閉空氣0.0231.003. 3. 材料的保溫隔熱性能：熱阻和傳熱系數(shù)材料的保溫隔熱性能：熱阻和傳熱系數(shù) 熱阻是材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過(guò)的能力，

9、熱阻的定義及計(jì)算式為： /，式中 材料層熱阻，（m2K）/W； 材料層厚度，； 材料的導(dǎo)熱系數(shù)，(K) 熱阻的倒數(shù)稱為材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻都是評(píng)定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標(biāo)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱阻越大，則材料的保溫隔熱性能越好。常將0.175W/（mK）的材料稱為絕熱材料。 v4. 4. 材料的溫度變形材料的溫度變形材料的單向線膨脹量或線收縮量計(jì)算公式為：L =（t2 - t1） L式中L-線膨脹或線收縮量 （mm 或 cm）(t2-t1）-材料升（降）溫前后的溫度差（）-材料在常溫下的

10、平均線膨脹系數(shù)() L-材料原來(lái)的長(zhǎng)度（或）聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)稱為材料的吸聲性，用吸聲系數(shù)(吸收聲功率與入射聲功率之比)表示。吸聲系數(shù)越大，材料的吸聲性越好。吸聲系數(shù)與聲音的頻率和入射方向有關(guān)。通常使用的六個(gè)頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz。 1.1.4 材料的聲學(xué)性質(zhì)材料的聲學(xué)性質(zhì) 吸聲性吸聲性一般將上述6個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)0.20的材料稱為吸聲材料。最常用的吸聲材料大多為多孔材料。影響材料吸聲效果的主要因素有： (1) 材料的孔隙率和體積密度 (2) 材料的孔隙特征 (3) 材料的厚度 (1) 隔空氣聲隔空氣聲透

11、射聲功率與入射聲功率的比值稱為聲透射系數(shù)，用表示，該值越大則材料的隔聲性越差。材料的隔聲能力用隔聲量R（R=10lg(1/)來(lái)表示，單位為dB。與聲透射系數(shù)相反，隔聲量越大，材料的隔聲性能越好。 隔聲性隔聲性(2) 固體隔聲固體隔聲固體聲是由于振源撞擊固體材料，引起固體材料受迫振動(dòng)而發(fā)聲，并向四周輻射聲能。固體聲在傳播過(guò)程中，聲能的衰減極少。彈性材料如地毯、木板、橡膠片等具有較高的隔固體聲的能力。 1.2 材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性能，就是指材料在外力（荷載）作用下，抵抗破壞和變形的能力。 1.2.1 材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度材料因抵抗外力（荷載）作用而引起破壞的最大

12、能力，即為該材料的強(qiáng)度。其值是以材料受力破壞時(shí)單位面積上所承受的力表示。計(jì)算式為： FfA材料在建筑物上所承受的力，主要有拉力、壓力、彎曲力及剪應(yīng)力等。材料抵抗上述外力破壞的能力，分別稱為抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度。靜力強(qiáng)度的分類和計(jì)算公式見(jiàn)表1.3。大部分建筑材料，根據(jù)極限強(qiáng)度的大小，可劃分為若干不同的強(qiáng)度等級(jí)。 材料的強(qiáng)度與材料本身的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等有很大關(guān)系。鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度都很高，如表1.4所示。 表表1.3靜力強(qiáng)度分類靜力強(qiáng)度分類 強(qiáng)度類別 舉例 計(jì)算式 附注 抗壓強(qiáng)度f(wàn)c(MPa) fc=F/AF破壞荷載(N)A受荷面積(mm2) l跨度(mm) b斷面寬度(mm)h斷面高度

13、(mm) 抗拉強(qiáng)度f(wàn)t(MPa) ft=F/A抗剪強(qiáng)度f(wàn)v(MPa) fv=F/A抗彎強(qiáng)度f(wàn)tm(MPa) ftm=3Fl/(2bh2)表表1.4 鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較 材料 表觀密度0（kg/m3） 抗壓強(qiáng)度f(wàn)c（MPa） 比強(qiáng)度f(wàn)c/0 普通混凝土 240029.40.012低碳鋼 78604150.053松木 50034.3(順紋)0.069材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)，稱為彈性。這種當(dāng)外力取消后瞬間即可完全消失的變形，稱為彈性變形。 這種變形屬于可逆變形，其數(shù)值的大小與外力成正比。其比例系數(shù)E稱為

14、彈性模量。 1.2.2 材料的彈性和塑性材料的彈性和塑性在彈性變形范圍內(nèi)，彈性模量E為常數(shù)，其值等于應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即： 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，但不破壞，并且當(dāng)外力停止作用后，不能自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)，稱為塑性。這種不能消失的變形稱為塑性變形或不可恢復(fù)變形。 E在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞而又無(wú)明顯的塑性變形的性質(zhì)，稱為脆性。在沖擊、震動(dòng)荷載作用下，材料能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不致破壞的性質(zhì)，稱為韌性。韌性值可用材料受荷載達(dá)到破壞時(shí)所吸收的能量來(lái)表示，即： 1.2.3 材料的脆性和韌性材料的脆性和韌性kkAA硬度是材料表面抵抗其他物體壓入或刻劃的能力。硬度的測(cè)定方法有刻劃法和壓入法。 按刻劃法，材料的硬度可劃分為110級(jí)(莫氏硬度)。木材、混凝土、鋼材等的硬度常用鋼球壓入法測(cè)定（布氏硬度HB）。 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力，常用磨損率表示： 1.2.4 材料的硬度和耐磨性材料的硬度和耐磨性12mmBA1.3 材料的耐久性材料的耐久性材料長(zhǎng)期抵抗各種內(nèi)外破壞因素或腐蝕介質(zhì)的作用，保持其原有性質(zhì)的能力稱為材料的耐久性。材料的耐久性是材料的一項(xiàng)綜合性質(zhì)，一般包括耐水