建筑材料的基本性質課件

材料的基本性質

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材料的基本性質

材料的基本性質，是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時，通常必須考慮的最基本的、共有的性質。因為土木建筑材料所處建（構）筑物的部位不同、使用環(huán)境不同、人們對材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性質也就有所不同。

第一節(jié)材料的組成與結構材料的組成

1.1化學組成

無機非金屬建筑材料的化學組成以各種氧化物含量來表示。 金屬材料以元素含量來表示。 化學組成決定著材料的化學性質，影響其物理性質和力學性質。

2.材料的結構與構造

2.1宏觀結構（構造）

材料的宏觀結構是指用肉眼和放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小，以及更大尺寸的構造情況。宏觀構造，按孔隙尺寸可以分為：

（1）致密結構，基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。（2）多孔結構，是指具有粗大孔隙的結構。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造輕質材料等。

(3）微孔結構，是指微細的孔隙結構。如石膏制品、粘土磚瓦等。

(4）纖維結構，是指木材纖維、玻璃纖維、鋼纖維所具有的結構。

（5）層狀結構，采用粘結或其他方法將材料迭合成層狀的結構。瀝青混凝土路面是典型的層狀結構。

(6）散粒結構，是指松散顆粒狀結構。比如混凝土骨料、用作絕熱材料的粉狀和和粒狀的添充料。

2.3亞微觀結構

亞微觀結構也稱作細觀結構，是介于微觀結構和宏觀結構之間的結構形式。如金屬材料晶粒的粗細及其金相組織，木材的木纖維，混凝土中的孔隙及界面等。

從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的結構上來研究土木工程材料的性質，才能深入其本質，對改進與提高材料性能以及創(chuàng)制新型材料都有著重要的意義。

第二節(jié)材料的狀態(tài)參數(shù)和結構特征1.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。1.1材料的絕對密實體積：干材料在絕對密實狀態(tài)下的體積。即材料內部沒有孔隙時的體積，或不包括內部孔隙的材料體積。一般以Ｖ表示材料的絕對密實體積1.2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（含內部孔隙和水分）。一般以V0表示材料的表觀體積。

1.3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，同一材料表現(xiàn)的體積大小可能不同，松散堆積下的體積較大，密實堆積狀態(tài)下的體積較小。材料的堆集體積一般以來表示。

3.材料的表觀密度

表觀密度（俗稱“容重”）是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0—材料的表觀密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0—材料的表觀體積，cm3或m3

材料的表觀體積是指包括內部孔隙在內的體積。因為大多數(shù)材料的表觀體積中包含有內部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質量（有時還影響其表觀體積）。因此，材料的表觀密度除了與其微觀結構和組成有關外，還與其內部構成狀態(tài)及含水狀態(tài)有關

4.材料的堆積密度

堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0，—材料的堆積密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0，—材料的堆積體積，cm3或m3

5.材料的密實度

密實度是指材料體積內被固體物質充實的程度。密實度的計算式如下：

對于絕對密實材料，因ρ0=ρ，故密實度D=1或100%。對于大多數(shù)土木工程材料，因ρ0〈

ρ，故密實度D?1或D

?

100%。

ρ—密度；ρ0—材料的表觀密度6.孔隙率

材料的孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料總體積的百分率。孔隙率P按下式計算：V—材料的絕對密實體積，cm3或m3V0—材料的表觀體積，cm3或m3ρ0—材料的表觀密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m3

7.空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆集體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率P，按下式計算：

ρ0—材料的表觀密度;ρ0，—材料的堆積密度空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞壟渑c計算含砂率的依據(jù)。工程實際中，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。其中潤濕角θ愈小，表明材料愈易被水潤濕。當材料的潤濕角θ＜９０?時，為親水性材料；當材料的潤濕角θ＞９０?時，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細管作用自動將水吸入材料內部；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管中，見圖1-1圖1－1材料潤濕示意圖

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料2.材料的吸水性

材料能吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。吸水的大小以吸水率來表示。

2.1質量吸水率

質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質量百分比，并以ｗm表示。質量吸水率ｗm的計算公式為：

式中mb——材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥狀態(tài)下的質量（ｇ或kg）。

材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。3.材料的吸濕性

材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。干燥的材料處在較潮濕的空氣中時，便會吸收空氣中的水分；而當較潮濕的材料處在較干燥的空氣中時，便會向空氣中放出水分。前者是材料的吸濕過程，后者是材料的干燥過程。由此可見，在空氣中，某一材料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。4.材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質。衡量材料耐水性的指標是材料的軟化系數(shù)KR：式中KR——材料的軟化系數(shù)

fb—材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。

fg—材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）

軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。

材料耐水性限制了材料的使用環(huán)境，軟化系數(shù)小的材料耐水性差，其使用環(huán)境尤其受到限制。軟化系數(shù)的波動范圍在0至1之間。工程中通常將ＫＲ＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75。5.抗凍性

材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨漲所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。抗凍性以試件在凍融后的質量損失、外形變化或強度降低不超過一定限度時所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級。

材料的抗凍等級可分為Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。材料的抗凍性與材料的強度、孔結構、耐水性和吸水飽和程度有關。

6.材料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。土木建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當材料兩側的水壓差較高時，水可能從高壓側通過內部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側。這種壓力水的滲透，不僅會影響工程的使用，而且滲入的水還會帶入能腐蝕材料的介質，或將材料內的某些成分帶出，造成材料的破壞。

6.1滲透系數(shù)

材料的滲透系數(shù)可通過下式計算:

式中K—滲透系數(shù),（cm/h）;

Q—滲水量，（cm3）

A—滲水面積,（cm2）

H— 材料兩側的水壓差，（cm）

d—試件厚度（cm）

t—滲水時間（h）

材料的滲透系數(shù)越小，說明材料的抗?jié)B性越強。6.2抗?jié)B等級

材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透。

二.材料的熱工性質

1.導熱性

當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù)λ表示。導熱系數(shù)的定義和計算式如下所示：式中

λ——導熱系數(shù)，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－傳導的熱量，Ｊ

ｄ—材料厚度，ｍ；

Ｆ——熱傳導面積，m2

Ｚ一熱傳導時間，h；

（t2-t1）－材料兩面溫度差，K

在物理意義上，導熱系數(shù)為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1Ｋ時、在單位時間(1s)內通過單位面積(1㎡)的熱量。

2.熱容量和比熱

材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為材料的熱容量。單位質量材料溫度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計算式如下所示：式中

C---材料的比熱，J/（g·K）

Q--材料吸收或放出的熱量(熱容量)

m---材料質量，g

（t2-t1）--材料受熱或冷卻前后的溫差，K3.熱阻和傳熱系數(shù)

熱阻是材料層（墻體或其它圍護結構）抵抗熱流通過的能力，熱阻的定義及計算式

為：

Ｒ＝ｄ/λ式中Ｒ——材料層熱阻，（m2·K）/W；

ｄ——材料層厚度，ｍ；

λ——材料的導熱系數(shù)，Ｗ／(ｍ·K)

熱阻的倒數(shù)１／Ｒ稱為材料層（墻體或其它圍護結構）的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)是指材料兩面溫度差為1Ｋ時，在單位時間內通過單位面積的熱量。

4.材料的溫度變形性

材料的溫度變形是指溫度升高或降低時材料的體積變化。

除個別材料以外，多數(shù)材料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。這種變化表現(xiàn)在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮，相應的技術指標為線膨脹系數(shù)（α）。材料的單向線膨脹量或線收縮量計算公式為：

ΔL=（t2-t1）·α·L

式中

ΔL--線膨脹或線收縮量（mm或cm）

(t2-t1）--材料升（降）溫前后的溫度差（Ｋ）

α--材料在常溫下的平均線膨脹系數(shù)(１／Ｋ)

L---材料原來的長度（ｍｍ或ｍ）

土木工程中，對材料的溫度變形大多關心其某一單向尺寸的變化，因此，研究其平均線膨脹系數(shù)具有實際意義。材料的線膨脹系數(shù)與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。第四節(jié)材料的力學性質1.材料的強度

材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內部的應力多由外力（或荷載）作用而引起，隨著外力增加，應力也隨之增大，直至應力超過材料內部質點所能抵抗的極限，即強度極限，材料發(fā)生破壞。

在工程上，通常采用破壞試驗法對材料的強度進行實測。將預先制作的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，計算材料的強度。

根據(jù)外力作用方式的不同，材料強度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強度的計算式如下：

式中 f------材料強度，MPa

Fmax--材料破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2-材料的抗彎強度與受力情況有關，一般試驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：式中 fw------材料的抗彎強度，MPa

Fmax---材料受彎破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2

L------兩支點的間距，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

2.彈性和塑性

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稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。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)生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。3.脆性和韌性

材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。

材料在沖擊或動力荷載作用下，能吸收較大能量而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時單位面積所消耗的功表示。計算公式如下：式中ak-----材料的沖擊韌性，J/mm2

Ｗk-----試件破壞時所消耗的功，J；

A-------材料受力截面積。（mm2）4.硬度和耐磨性

①硬度

材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定材料的硬度。

刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為１０個硬度等級。

回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強度。②耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下：式中G------材料的磨耗率，（g/cm2）

m1----材料磨