建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)及工程性質(zhì)

建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)及工程性質(zhì)第二章建筑材料科學(xué)基礎(chǔ)及工程性質(zhì)第一節(jié)材料的組成與結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響一.材料的組成

一.材料的組成是決定材料的性質(zhì)的內(nèi)在因素之(一)化學(xué)組成(二)礦物組成二.材料的結(jié)構(gòu)(一).宏觀結(jié)構(gòu)指用肉眼或放大鏡能觀察到的結(jié)構(gòu),它分為散粒結(jié)構(gòu),聚集結(jié)構(gòu),多孔結(jié)構(gòu),致密結(jié)構(gòu),纖維結(jié)構(gòu),層狀結(jié)構(gòu)

宏觀結(jié)構(gòu)1.散粒結(jié)構(gòu)由單獨(dú)的顆粒組成2.聚集結(jié)構(gòu)材料中的顆粒通過(guò)膠結(jié)材料彼此牢固地結(jié)合在一起3.多孔結(jié)構(gòu)材料中含有大量的,大的,或微小的均勻分布的孔隙4.致密結(jié)構(gòu)材料在外觀上和結(jié)構(gòu)上都是致密的5.纖維結(jié)構(gòu)是木材,玻璃纖維制品所特有的結(jié)構(gòu)6.層狀結(jié)構(gòu)是板材常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)顯維結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)(二).顯微觀結(jié)構(gòu)指借助關(guān)學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu),它可分為結(jié)晶和無(wú)定型兩種.結(jié)晶和無(wú)定型是同一物質(zhì)的不同狀態(tài),晶體呈穩(wěn)定狀態(tài),而無(wú)定型則具有化學(xué)活性(三).微觀結(jié)構(gòu)指原子排列結(jié)構(gòu),根據(jù)質(zhì)子間鍵的特性分為原子晶體,離子晶體,分子晶體第三節(jié)材料的物理性質(zhì)密度1、密度：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3。公式：ρ=m/v式中ρ－實(shí)際密度（g/cm3）m－材料的質(zhì)量（g）V－材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（cm3）材料密度的大小取決于材料的組成及微觀結(jié)構(gòu)，因此相同組成及微觀結(jié)構(gòu)的材料其密度為一定值。

在建筑材料中，除金屬、玻璃等少數(shù)材料外，都含有一些孔隙。為了測(cè)得含孔材料的密度，應(yīng)把材料磨成細(xì)粉，除去孔隙，經(jīng)干燥后用密度瓶測(cè)定其實(shí)體積。材料磨得越細(xì)，所測(cè)得的體積越接近絕對(duì)體積。表觀密度2.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(zhì)量。

按下式計(jì)算：

式中 ρ0—材料的表觀密度,kg/m3

m—材料的質(zhì)量，kg

V0—材料的表觀體積，m3在自然狀態(tài)下，材料內(nèi)往往含有水分，其質(zhì)量將隨含水程度而改變，故測(cè)定體積密度時(shí)應(yīng)注明其含水程度。一般指的是材料在氣干狀態(tài)下的體積密度，干燥材料的體積密度稱為干體積密度。

材料的體積密度主要取決于材料的密度、宏觀結(jié)構(gòu)以及含水程度。3、堆積密度

堆積密度是散粒材料(粉狀、顆粒狀）在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

材料的堆積體積包括所有顆粒的體積以及顆粒之間的空隙體積，堆積密度有一塊燒結(jié)普通磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2900g，其絕干質(zhì)量為2550g。磚的尺寸為240Ｘ115Ｘ53mm，經(jīng)干燥并磨成細(xì)粉后取50g，用排水法測(cè)得絕對(duì)密實(shí)體積為18.62cm3。試計(jì)算該磚的密度、表觀密度、密實(shí)度。有一塊標(biāo)準(zhǔn)磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2500g，其絕干質(zhì)量為1600g。經(jīng)干燥并磨成細(xì)粉后取100g，用排水法測(cè)得絕對(duì)密實(shí)體積為28.62cm3。試計(jì)算該磚的密度、表觀密度、密實(shí)度、孔隙率。建筑材料的許多工程性質(zhì)如強(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致密程度有關(guān)。這些性質(zhì)除取決于孔隙率的大小外，還與孔隙的構(gòu)造特征密切相關(guān)?？紫短卣髦饕缚紫兜姆N類（開(kāi)口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實(shí)際上絕對(duì)的閉口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常溫、常壓下水能否進(jìn)入孔中來(lái)區(qū)分開(kāi)口與閉口。因此，開(kāi)口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開(kāi)口孔體積Vk）與材料體積之比。閉口孔隙率（PB）便是總孔率P與開(kāi)口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征對(duì)材料的工程性質(zhì)有不同的影響，因此常采用改變材料的孔隙率及孔隙特征的方法來(lái)改善材料的性能，例如對(duì)水泥混凝土加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)提高密實(shí)度或加入引氣劑，引入一定數(shù)量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。空隙率空隙率－散粒材料在自然堆積狀態(tài)下，其中的空隙體積與散粒在自然堆積狀態(tài)下的體積之比的百分率稱為空隙率公式：P’—散粒材料的空隙率ρ/o—散粒材料的堆積密度ρo--材料的體積密度空隙率可作為控制混凝土骨料級(jí)配與計(jì)算含砂率的依據(jù)。例如對(duì)水泥混凝土加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)提高密實(shí)度或加入引氣劑，引入一定數(shù)量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。在材料體積內(nèi)，孔隙體積所占的比例在顆粒裝材料的堆積體積內(nèi)，顆粒間空隙體積所占的比例名稱定義及表達(dá)式說(shuō)明孔隙率許多工程性質(zhì)如強(qiáng)度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性于材料的孔隙有關(guān)。且取決于孔隙率的大小與構(gòu)造特征（孔的種類、孔徑的大小及分布）空隙率用來(lái)評(píng)定顆粒材料在堆積體積內(nèi)疏密程度的參數(shù)。計(jì)算混凝土中粗骨料空隙時(shí)表觀密度按視密度計(jì)算思考題：某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、表觀密度為2.61g/cm3、堆積密度為1680kg/m3，計(jì)算此石子的孔隙率與空隙率？習(xí)題1某工地所用卵石材料的密度為2.65g/cm3、表觀密度為2.61g/cm3、堆積密度為1680kg/m3，計(jì)算此石子的孔隙率與空隙率？二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1、親水性與憎水性親水性——材料在空氣中與水接觸時(shí)，容易被水潤(rùn)濕的性質(zhì)，稱材料的親水性。如磚、混凝土等。憎水性——材料不易被水潤(rùn)濕的性質(zhì)，稱為憎水性。如瀝青、石油等。潤(rùn)濕角為在材料、水和空氣的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。θ為潤(rùn)濕角θ≤90°親水性材料θ＞90°憎水性材料2材料的吸水性與吸濕性（1）.吸水性

材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，有質(zhì)量吸水率與體積吸水率兩種表示方法。質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，內(nèi)部所吸水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率，用下式計(jì)算：

材料吸水飽和后的質(zhì)量，g

0

材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g

材料的吸水率：花崗巖的吸水率：0.5%~0.7%；混凝土的吸水率：2%~3%；粘土磚的吸水率：8%~20%；木材的吸水率：可超過(guò)100%?；◢弾r體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，其內(nèi)部所吸水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。用公式表示如下式中wv——材料的體積吸水率（％）；V0——干燥材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）；ρw——水的密度（g/cm3）常溫下取ρw=1.0g/cm3工程用建筑材料一般采用質(zhì)量吸水率，質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系密實(shí)在及只有閉口孔的材料不吸水具有粗大孔的材料不易吸滿水分，吸水率常小于孔隙率孔隙率較大，且具有細(xì)小開(kāi)口連通的親水性材料具有較大的吸水率材料吸水率的大小主要取決于材料的孔隙率及孔隙特征（2）.吸濕性

材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。潮濕材料在干燥的空氣中也會(huì)放出水分，此稱還濕性。材料的吸濕性用含水率表示。含水率系指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。用公式表示為材料含水后，不但可使材料的質(zhì)量增加，而且會(huì)使強(qiáng)度降低，保溫性能下降，抗凍性能變差，有時(shí)還會(huì)發(fā)生明顯的體積膨脹?？梢?jiàn)材料中含水對(duì)材料的性能往往是不利的。

例：某立方體巖石試件，外形尺寸為50mm×50mm×50mm，測(cè)得其在絕干、自然狀態(tài)及吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量分別為325g，325.3g，326.1g，并測(cè)得該巖石的密度為2.68g/cm3。試求該巖石的體積吸水率、質(zhì)量吸水率、質(zhì)量含水率、絕干表觀密度、孔隙率。

=1-2.6/2.68=2.98%

1.1/125=0.88%=0.3/325=0.092%=325/125=2.6g/cm3解：V0＝5×5×5＝125cm3m含＝325.3gm干＝325gm飽＝326.1gρw＝1g/cm33.材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。衡量材料耐水性的指標(biāo)是材料的軟化系數(shù)KR：—材料的軟化系數(shù)—材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度—材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)的范圍在0—1之間。軟化系數(shù)越高，表面材料耐水性越好。

某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測(cè)得的抗壓強(qiáng)度分別為174、178、165MPa，求該石材的軟化系數(shù)，并判斷該石材可否用于水下工程。

4、抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性。

砼的抗?jié)B強(qiáng)度等級(jí)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。5、抗凍性材料在吸水飽和狀態(tài)下，經(jīng)多次凍融循環(huán)而不破壞．或強(qiáng)度不顯著降低的性質(zhì)稱為抗凍性。材料的抗凍性用抗凍強(qiáng)度等級(jí)F（freeze）表示。如F25表示材料能抵抗凍融循環(huán)25次。如果經(jīng)過(guò)規(guī)定次數(shù)的反復(fù)凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失不大于5％，強(qiáng)度降低不超過(guò)25％時(shí)，通常認(rèn)為材料是抗凍的。三、材料的熱工性質(zhì)1、導(dǎo)熱性

材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示。

影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素?zé)o機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于有機(jī)材料；材料的孔隙率愈大,即空氣愈多,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,則導(dǎo)熱系數(shù)隨體積密度的減小而減??；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,導(dǎo)熱系數(shù)小,反之大；材料的含水率增加,導(dǎo)熱系數(shù)也增加。

2、比熱容

定義：材料在加熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量。質(zhì)量為1g材料溫度升高lK所需的熱量或溫度降低1K時(shí)放出的熱量，稱為材料的比熱容。

比熱是反映材料的吸熱和放熱能力的理量。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)。第四節(jié)材料的力學(xué)性質(zhì)一、強(qiáng)度材料在外力(荷載)作用下，抵抗破壞的能力，稱為強(qiáng)度材料主要有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎四種強(qiáng)度。通?？估瓘?qiáng)度可表示為ft、抗壓強(qiáng)度可表示為fc、抗剪強(qiáng)度可表示為fv.抗彎強(qiáng)度f(wàn)m2、比強(qiáng)度

比強(qiáng)度=材料的強(qiáng)度/表觀密度可以對(duì)不同的材料進(jìn)行對(duì)比。比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，必須具有較高的比強(qiáng)度。二、材料的彈性與塑性彈性：在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力消失時(shí)，材料的變形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。塑性：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)。彈性變形與塑性變形三、材料的脆性和韌性

脆性：外力達(dá)到一定限度后，突然破壞無(wú)明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料抗動(dòng)載能力差，但抗壓強(qiáng)度高。如磚、混凝土、玻璃等。

韌性：在沖擊或震動(dòng)荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形而不致被破壞的性能。建筑鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。用作路面、橋梁、吊車梁以及有抗震要求的結(jié)構(gòu)都要考慮材料的韌性。材料的韌性用沖擊試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。四、硬度和耐磨性

①硬度

材料的硬度是材料表面的堅(jiān)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(cè)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(zhǎng)石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為１０個(gè)硬度等級(jí)。

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回彈法用于測(cè)定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強(qiáng)度；也用于測(cè)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(qiáng)度。原理：回彈儀的彈擊錘被一定的彈力打擊在混凝土表面上，其回彈高度（通過(guò)回彈儀讀得回彈值）與混凝土表面硬度成一定的比例關(guān)系。回彈儀第五節(jié)材料的耐久性1.概念材料的耐久性是指用于建筑物的材料，在環(huán)境的多種因素作用下不變質(zhì)、不破壞，長(zhǎng)久地保持其使用性能的性質(zhì)。耐久性是材料的一種綜合性質(zhì)，諸如抗凍性、抗風(fēng)化性、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕性等均屬耐久性的范圍。此外，材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐磨性等也與材料的耐久性有密切關(guān)系。2.環(huán)境影響因素材料在建筑物使用過(guò)程中長(zhǎng)期受到周圍環(huán)境和各種自然因素的破壞作用，一般可分為物理作用、化學(xué)作用、機(jī)械作用、生物作用等。

干濕變化物理作用溫度變化凍融變化(寒冷地區(qū))這些作用將使材料發(fā)生體積的脹縮，或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴(kuò)展。時(shí)間長(zhǎng)久之后即會(huì)使材料逐漸破壞?；瘜W(xué)作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對(duì)材料的侵蝕