第1章基本性質(zhì)

1、本章教學(xué)目標(biāo) 本章內(nèi)容 第一節(jié) 材料的基本物理性質(zhì) 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 第三節(jié) 材料的耐久性第一節(jié)第一節(jié) 材料的基本物理性質(zhì)材料的基本物理性質(zhì)1 . 1 . 材料的體積材料的體積體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。材料的絕對(duì)密實(shí)體積：干材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積。即材料內(nèi)部沒有孔隙時(shí)的體積，或不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。一般以表示材料的絕對(duì)密實(shí)體積材料的表觀體積：材料在自然狀態(tài)下的體積，即整體材料的外觀體積（含內(nèi)部孔隙和水分）。一般以V0 表示材料的表觀體積。材料的堆積體積： 粉狀或粒狀材料，在堆集狀態(tài)下的總體外觀體積。根據(jù)其堆積狀態(tài)不同，同一表材料現(xiàn)

2、的體積大小可能不同，松散堆積下的體積較大，密實(shí)堆積狀態(tài)下的體積較小。材料的堆集體積一般以 來(lái)表示。0V 表觀密度是指多孔固體材料質(zhì)量與其表觀體積之比。也指材料在自然狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量，其計(jì)算式為： 表觀體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。對(duì)外形規(guī)則的材料，其幾何體積即為表觀體積；對(duì)外形不規(guī)則的材料，可用排水法測(cè)定。 00mV一、材料與質(zhì)量有關(guān)的基本物理性質(zhì)1、材料的表觀密度（一）材料的密度、表觀密度與堆積密度 一般所指的表觀密度，是以干燥狀態(tài)下的測(cè)定值為準(zhǔn)。 材料的表觀體積是指包括內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的表觀體積中包含有內(nèi)部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少

3、，均可能影響其總質(zhì)量（有時(shí)還影響其表觀體積）。因此，材料的表觀密度除了與其微觀結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)外，還與其內(nèi)部構(gòu)成狀態(tài)及含水狀態(tài)有關(guān)2、材料的實(shí)際密度一、材料與質(zhì)量有關(guān)的基本物理性質(zhì) 材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下（內(nèi)部不含任何孔隙），單位體積的質(zhì)量稱為材料的實(shí)際密度，以表示。其計(jì)算式為：絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括材料內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)的真實(shí)體積。mV實(shí)際密度測(cè)定動(dòng)畫 堆積密度，是指散狀（粉狀、粒狀或纖維狀）材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積（包含了顆粒內(nèi)部的孔隙即顆粒之間的空隙）所具有的質(zhì)量。其計(jì)算式為： 常用建筑材料的基本物理參數(shù)見表1-1。一、材料與質(zhì)量有關(guān)的基本物理性質(zhì)3、材料的堆積密度00mV 粉

4、狀或粒狀材料的質(zhì)量是指填充在一定容器內(nèi)的材料質(zhì)量，其堆積體積是指所用容器的容積而言。因此，材料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙。 在土木建筑工程中，計(jì)算材料用量、構(gòu)件的自重，配料計(jì)算以及確定堆放空間時(shí)經(jīng)常要用到材料的密度、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。名稱定義表達(dá)式單位備注密度表觀密度堆積密度00vmvmvom04、材料的密度、表觀密度與堆積密度一、材料與質(zhì)量有關(guān)的基本物理性質(zhì)材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下, ,單位體積的質(zhì)量。單位體積的質(zhì)量。材料在自然狀態(tài)下，單材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。位體積的質(zhì)量。材料在堆積狀態(tài)下，單材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。位體積的質(zhì)量。g/cmg/

5、cm3 3/m/m3 3/m/m3 3或或g/cmg/cm3 3（二）密實(shí)度與孔隙率圖圖1-1 1-1 材料孔隙率示意材料孔隙率示意圖圖 00100%100%VDV（二）密實(shí)度與孔隙率圖圖1-1 1-1 材料孔隙率示意材料孔隙率示意圖圖 000100%) 100%VVPV(1-1PD例例普通粘土磚普通粘土磚0 = 1900kg/ m3 ,= 2500kg/ m3 , 試求磚的密實(shí)度和孔隙率。試求磚的密實(shí)度和孔隙率。解：解：%76%1002500190000VVD故普通粘土磚的密實(shí)度為故普通粘土磚的密實(shí)度為76%。%24%76%100100DVVVP故普通粘土磚的孔隙率為故普通粘土磚的孔隙率為2

6、4%。（二）密實(shí)度與孔隙率1PD 材料的總體積是由該材料的固體物質(zhì)與其所包含的孔隙所組成的。建筑材料的許多性能如強(qiáng)度、吸水性、耐久性、導(dǎo)熱性等均與材料的孔隙有關(guān)。孔隙按其尺寸大小又可分為微孔、細(xì)孔和大孔。 幾種常用建筑材料的孔隙率見表1-1。（三）填充率與空隙率 圖圖1-2 1-2 材料空隙率示意圖材料空隙率示意圖0000100%100%VDV 圖圖1-2 1-2 材料空隙率示意圖材料空隙率示意圖00000100%(1) 100%1VVPDV （三）填充率與空隙率（三）填充率與空隙率空隙率的大小反映了散粒狀材料的顆粒之間相互填充的致密程度。 1PD填充率與空隙率的關(guān)系為： 潤(rùn)濕是水在材料表面被

7、吸附的過(guò)程，材料被水潤(rùn)濕的程度可用潤(rùn)濕角表示，如圖所示。 一般認(rèn)為，潤(rùn)濕角90（如圖（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（b）所示)。 二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)（一）材料的親水性與憎水性（一）材料的親水性與憎水性 二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)（二）吸水性 定義：吸水性是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)，其大小用吸水率表示。 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： %100 干干濕質(zhì)mmmW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

8、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)水影響吸水性的因素影響吸水性的因素： 材料的孔隙率； 材料的本身的性質(zhì)，如親水性或憎水性； 孔隙構(gòu)造特征，如孔徑大小、開口與否等 。（三）吸濕性 定義：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(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干含含干影響吸濕性的因素影響吸濕性的因素： 材料的孔隙率； 材料的本身的性質(zhì)，如親水性或憎水性； 孔隙構(gòu)造特征，如孔徑大小、開口與否等； 周圍空氣的

9、溫度和濕度 。（四）材料的耐水性 定義：材料在長(zhǎng)期飽和水作用下，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)，稱為耐水性。 其衡量指標(biāo)為：干飽軟ffK 軟化系數(shù)越小，說(shuō)明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低越多，其耐水性越差。 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。材料軟化系數(shù)的要求材料軟化系數(shù)的要求工程對(duì)材料軟化系數(shù)的要求 對(duì)經(jīng)常處于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物（如地下構(gòu)筑物、基礎(chǔ)、水工結(jié)構(gòu)）的材料，其K軟0.85； 受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其K軟0.75； K軟0.80的材料，一般稱為耐水的材料。實(shí)例：實(shí)例：某地發(fā)生歷史罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔

10、的紅磚，見下圖所示。請(qǐng)分析原因。 未燒透的紅磚未燒透的紅磚 分析與討論分析與討論：磚浸水后強(qiáng)度下降磚浸水后強(qiáng)度下降原因：這些紅磚沒有燒透，磚內(nèi)開口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。 越大，材料的抗?jié)B性越差。(五)材料的抗?jié)B性QAdH 對(duì)于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)(P)表示： P=10H1 H試件開始滲水時(shí)的水壓力（MPa） 影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征 P4,P6,P8 指 0.4Mpa,0.6Mpa,0.8Mpa 地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結(jié)構(gòu)、防水材料等

11、均要求較高的抗?jié)B性。 （六）材料的抗凍性 定義：材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。 衡量指標(biāo)：抗凍性指標(biāo)用抗凍等級(jí)Fn表示，表示經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)次數(shù)后，質(zhì)量損失不超過(guò)5%，強(qiáng)度損失不超過(guò)25%。對(duì)結(jié)構(gòu)材料，主要指保持強(qiáng)度的能力，并以抗凍等級(jí)來(lái)表示?？箖龅燃?jí)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F25、F50、F100、F150等。 凍融破壞的原因凍融破壞的原因 材料有孔且孔隙含水； 水冰，體積膨脹9，結(jié)冰壓力高達(dá)100MPa， 結(jié)冰壓力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材

12、料開裂； 裂縫的增加也進(jìn)一步增加了材料的飽水程度， 飽水程度的增加進(jìn)一步加劇了凍融破壞； 反復(fù)多次加劇破壞，最終材料崩潰； 嚴(yán)寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺(tái)、跨海大橋等均需考慮凍融破壞。三、材料的熱工性質(zhì)導(dǎo)熱性三、材料的熱工性質(zhì)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。其大小用熱導(dǎo)率（）表示。 12QdA TTt12(T -T ) AQdt At2t1Q 式中 導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K） Q傳導(dǎo)的熱量（J） A熱傳導(dǎo)面積（m2） d材料的厚度（m） t熱傳導(dǎo)時(shí)間（s） (T2-T1)材料兩側(cè)溫差（K） 導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：表示單位厚度的材料，當(dāng)兩側(cè)溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積

13、的熱量。 材料的組成與結(jié)構(gòu) 孔隙率及孔隙特征 含水情況影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素有：思考某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面，請(qǐng)問(wèn)選擇何種材料？ A B保溫層的目的是減少外界溫度變化對(duì)住戶的影響，材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結(jié)構(gòu)，B材料為密實(shí)結(jié)構(gòu)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，適于作保溫層材料。第二節(jié)第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)變化變化破壞：破壞：當(dāng)外力超過(guò)材料的承受當(dāng)外力超過(guò)材料的承受極限時(shí)，材料出現(xiàn)斷裂等喪失極限時(shí)，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化。使用功能的變化。變形：變形：在外力的作用下，材料在外力的作

14、用下，材料通過(guò)形狀的改變來(lái)吸收能量。通過(guò)形狀的改變來(lái)吸收能量。彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形脆性材料脆性材料韌性材料韌性材料第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 一、 材料的強(qiáng)度 強(qiáng)度 材料抵抗外力破壞的能力 1.1.幾種強(qiáng)度：材料受力動(dòng)畫 （1 1）抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度三種受力方式三種受力方式第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度表示公式 （MPaMPa） F F破壞時(shí)的最大荷載，N N A A受力截面面積，mmmm2 2 1MPa=1N/mm2AFf第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì)（2）抗彎強(qiáng)度（抗折強(qiáng)度）（對(duì)于矩形斷面和條形斷面）223bhFLf 單點(diǎn)加荷：?jiǎn)吸c(diǎn)加荷： 三分點(diǎn)加荷：三分點(diǎn)

15、加荷： 2bhFLf L L/2/2L L/2/2第四種受力方式第四種受力方式混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)EBrittle and ductile脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗沖擊或震動(dòng)荷載的能力很差。 2.韌性在沖擊、震動(dòng)荷載的作用下，能吸收較大能量而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。如鋼材、木材、纖維等。1.脆性在外力作用下，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)。橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等處所用的材料須有較好的韌性。脆性與韌性破壞動(dòng)畫Hardness and wearresistance測(cè)定方法：刻劃法、回彈法、壓入法。 1.硬度指材料表面的堅(jiān)硬

16、程度，是抵抗其他物體刻劃、壓入其表面的能力。硬度試驗(yàn) 2.耐磨性材料表面抵抗磨損的能力。用磨損率表示。12mmNA磨損率m1試件磨損前的質(zhì)量（g）；m2試件磨損后的質(zhì)量（g）；A試件受磨面積（cm2）。第三節(jié)第三節(jié) 材料的耐久性材料的耐久性第三節(jié)第三節(jié) 材料的耐久性材料的耐久性 Durability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)，一般包括耐水性、抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性、抗老化性、耐熱性、耐溶蝕性、耐磨性等多項(xiàng)性能。破壞作用一般可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用等。 n 物理作用包括干濕交替、凍融循環(huán)、光、電、熱、溫度差、濕度差等，這些都將引起材