第一章-建筑材料的基本性質(zhì)

第一章建筑材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì)，是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時(shí)，通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。（1）材料的基本物理性質(zhì)1密度材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量用ρ表示。按下式計(jì)算：材料的絕對(duì)密實(shí)體積是指不包括材料孔隙在內(nèi)的體積。鋼材、玻璃等少數(shù)密實(shí)材料可根據(jù)外形尺寸求得體積。大多數(shù)有孔隙的材料，在測(cè)定材料的密度時(shí)，應(yīng)把材料磨成細(xì)粉，干燥后用李氏瓶測(cè)定其體積。材料磨得越細(xì)，測(cè)得的密度數(shù)值就越精確。2表觀密度材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱為表觀密度，用表示。按下式計(jì)算：材料在自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部孔隙的體積。當(dāng)材料孔隙內(nèi)含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積（可以忽略）均有所變化，故測(cè)定表觀密度時(shí)，須注明其含水情況。按照含水狀態(tài)分為：干表觀密度、氣干表觀密度和飽和表觀密度?？紫兜姆诸悽侔闯叽绱笮。何⒓?xì)孔隙（D＜0.01mm)細(xì)小孔隙（0.01mm＜D＜1mm)粗大孔隙（D>1mm)②孔隙的構(gòu)造：開(kāi)口孔隙閉口孔隙干表觀密度（干燥狀態(tài)）氣干表觀密度（與空氣濕度有關(guān)平衡時(shí)的狀態(tài)）飽和表觀密度（吸水飽和狀態(tài)）飽和表觀密度（吸水飽和狀態(tài)）3孔隙率在材料自然體積內(nèi)孔隙體積所占的比例，稱為材料的孔隙率，用Ρ表示。按下式計(jì)算：孔隙率=開(kāi)口孔隙率+閉口孔隙率開(kāi)口孔隙率Pk=閉口孔隙率Pb=4堆積密度散?；蚍蹱畈牧希缟?、石子、水泥等，在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度，用表示。按下式計(jì)算：由于散粒材料堆積的緊密程度不同，堆積密度可分為疏松堆積密度、振實(shí)堆積密度和緊密堆積密度。視密度：針對(duì)散粒狀、粉狀材料而言，根據(jù)測(cè)定方法（排液法）和計(jì)算公式實(shí)際上并非真正的密度，也不是表觀密度值。5空隙率散粒材料自然堆積體積中顆粒之間的空隙體積所占的比例稱為散粒材料的空隙率。用下式計(jì)算：6、材料的壓實(shí)度與相對(duì)密度（較少使用）壓實(shí)度=壓實(shí)后土的干密度/土的最大干密度×100%材料與水有關(guān)的性質(zhì)1材料的親水性與憎水性親水性：材料能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)親水性材料：磚、木材、混凝土憎水性：材料不能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)憎水性材料：石蠟、瀝青、油漆、塑料（a）親水性材料（b）憎水性材料2吸水性和吸濕性吸水性：材料浸入水中吸收水的能力稱為材料的吸水性，常用質(zhì)量吸水率表示：m——材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量m1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量體積吸水率：指材料吸水飽和時(shí)，所吸水分的體積占自然狀態(tài)體積的百分率。吸水飽和狀態(tài)時(shí)，吸入水的體積等于材料內(nèi)開(kāi)口孔隙的體積。因此體積吸水率等于開(kāi)口孔隙率。質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為：工程中常用質(zhì)量吸水率表示材料的吸水性。同一材料的吸水率基本是一固定值。吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性，吸濕性常用含水率來(lái)表示。即平衡含水率：材料中的水分與周圍空氣的濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率，稱為平衡含水率。3、材料的耐水性材料長(zhǎng)期在水作用下不破壞，且其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性，材料的耐水性用軟化系數(shù)表示?？砂聪率接?jì)算：耐水性材料要求軟化系數(shù)大于0.851).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。2).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；4抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為材料的抗?jié)B性（不透水性）。dQdQHA抗?jié)B等級(jí)抗?jié)B等級(jí)指材料在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法下進(jìn)行透水試驗(yàn)，以試件在透水前所能承受的最大水壓力（0.1MPa）來(lái)確定的。如W6、W8表示材料能承受0.6、0.8ＭPa的水壓而不滲水。影響抗?jié)B性的主要因素（1）親水性（2）孔隙率（3）孔隙特征5抗凍性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，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)稱為抗凍性。抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，抵抗凍融循環(huán)作用的能力?？箖龅燃?jí)將材料吸水飽和后，按規(guī)定方法進(jìn)行-20℃～+20℃度凍融循環(huán)試驗(yàn)，以質(zhì)量損失不超過(guò)5％、強(qiáng)度下降不超過(guò)25％時(shí)，所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定。用符號(hào)“F”和最大凍融循環(huán)次數(shù)表示，如F25、F50、F100影響材料抗凍性的因素（1）孔隙率、孔隙特征（2）材料的強(qiáng)度、韌性（3）材料的軟化系數(shù)（4）凍結(jié)條件：凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度、凍融循環(huán)作用的頻繁程度1.某輕質(zhì)板材，其密度為2.80g/cm3，干燥狀態(tài)時(shí)表觀密度為800kg/m3，測(cè)得其體積吸水率為66.4%，試計(jì)算該板的（1）質(zhì)量吸水率（Wm）（2）閉口孔隙率（Pb）質(zhì)量吸水率Wm為：（2）材料的孔隙率P為：材料的體積吸水率即為材料的開(kāi)口孔隙率，因此閉口孔隙率為：Pb=P-Pk=71.4%-66.4%=5%（3）材料與熱有關(guān)的性質(zhì)1導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。其大小用導(dǎo)熱系數(shù)（λ）表示。λ=Q*a/A(T2-T1)t式中λ－導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）Q－傳導(dǎo)的熱量（J）A－平壁面積（m2）a－材料的厚度（m）t－傳熱時(shí)間（s）(T2-T1)－材料兩側(cè)溫差（K）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)材料晶體的導(dǎo)熱系數(shù)大于無(wú)定形體的導(dǎo)熱系數(shù)材料的孔隙率愈大,即空氣愈多,導(dǎo)熱系數(shù)愈??；材料的含水率增加,導(dǎo)熱系數(shù)也增加大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和濕度升高而增加2熱容量與比熱材料加熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量。大小用比熱表示公式Q=cm(T2－T1)式中Q－材料吸收或放出的熱量（J）c－材料的比熱(J/g.K)m－材料的質(zhì)量（g）(T2－T1)－材料受熱或冷卻前后的溫差（K)比熱：c=Q/m(T2－T1)3材料的溫度變形性材料的溫度變形性是指溫度升高或降低時(shí)體積變化的性質(zhì)。一、彈塑性變形1彈性及彈性變形材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料的這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形，彈性變形是可逆變形。彈性變形的大小與外力成正比，比例系數(shù)稱為材料的彈性模量Ｅ。Ｅ為常數(shù)，其值為應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)胖?，即彈性模量E是衡量材料抵抗變形能力的一個(gè)指標(biāo)。Ｅ值愈大，材料愈不易變形，材料的剛度愈好。2塑性及塑性變形材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，有一部分變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為材料的塑性。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。塑性變形為不可逆變形。塑性階段，應(yīng)力與應(yīng)變不成正比。3彈塑性材料的變形特征4、徐變與應(yīng)力松弛徐變：固體材料在持久荷載作用下，變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加的現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因：非晶體材料黏性流動(dòng)晶體材料晶格位錯(cuò)、晶體滑移影響徐變的因素：應(yīng)力松弛材料在持久荷載作用下，若所產(chǎn)生的變形因受到約束而不能增大時(shí)，則其應(yīng)力將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。(2)材料的強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為材料的強(qiáng)度。以外力破壞時(shí)單位面積上所承受的外力（拉力、壓力、剪力等）表示。2材料的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度3影響材料強(qiáng)度的外界因素1、試件的形狀相同底面積的試件，高度越大，強(qiáng)度值越小。2試件尺寸隨著尺寸的變大，強(qiáng)度測(cè)定值逐漸減小3、加荷速度加荷速度越快，測(cè)定的強(qiáng)度值越大4、試驗(yàn)環(huán)境的溫濕度4材料的強(qiáng)度等級(jí)按強(qiáng)度值的高低劃分為若干等級(jí)，即材料的強(qiáng)度等級(jí)。脆性材料按抗壓強(qiáng)度劃分：如巖石、磚和混凝土等。鋼材按抗拉屈服強(qiáng)度劃分。石材按極限抗壓強(qiáng)度分9個(gè)等級(jí)：MU10～MU100；燒結(jié)普通磚按抗壓強(qiáng)度分5個(gè)等級(jí)：MU10～MU30；普通混凝土按抗壓強(qiáng)度分12個(gè)等級(jí)：C7.5～C60；碳素結(jié)構(gòu)鋼按抗拉屈服強(qiáng)度分5個(gè)牌號(hào)：Q195～Q275。5比強(qiáng)度材料的強(qiáng)度與其表觀密度比值，是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)。（3）脆性和韌性1脆性材料在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。具有這種性質(zhì)的材料稱脆性材料。2脆性材料特性抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度破壞時(shí)應(yīng)變小承受沖擊和震動(dòng)能力差宜做承壓構(gòu)件，如磚、石材、混凝土等3韌性材料在沖擊或震動(dòng)荷載作用下能承受較大變形不致破壞的性質(zhì)。韌性材料的變形能力大，且抗拉強(qiáng)度幾乎與抗壓強(qiáng)度相等。如低碳鋼、低合金鋼等屬于韌性材料。（4）硬度與耐磨性1硬度硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。莫氏硬度（HM）：采用刻劃法，并與十個(gè)硬度標(biāo)準(zhǔn)比較，確定硬度。布氏硬度（HB）：采用壓入法，用壓痕單位面積上所受的壓力表示。肖氏硬度（HS）：采用回彈法，用重錘的回彈高度作硬度的相對(duì)值。2耐磨性材料表面抵抗磨損和磨耗的能力叫做材料的耐磨性。3、材料的耐久性

耐久性是材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，抵抗自身及環(huán)境因素長(zhǎng)期破壞作用，保持原有性能而不變質(zhì)、不破壞的能力。耐久性是一個(gè)綜合性概念，針對(duì)不同的破壞因素，耐久性有不同的內(nèi)容。物理作用：溫度變化、干濕變化、凍融循環(huán)作用化學(xué)作用：酸、堿、鹽等溶液的侵蝕機(jī)械作用：持續(xù)荷載生物作用：菌類、昆蟲(chóng)金屬材料：銹蝕瀝青及高分子材料：老化木材、植物：腐蝕、腐朽混凝土：碳化、堿集料反應(yīng)等提高耐久性的意義耐久性良好的建筑材料，才能保證建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，對(duì)節(jié)約建筑材料、保證建筑物長(zhǎng)期正常使用、減少維修費(fèi)用、延長(zhǎng)建筑物使用壽命等均有十分重要的意義。4、材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)材料性質(zhì)的影響

（1）材料的組成：化學(xué)組成、礦物組成（2）結(jié)構(gòu)：宏觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)（3）構(gòu)造：材料的宏觀組織狀況（1）材料的組成1化學(xué)組成指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類及數(shù)量。如鋅鋁合金：鋅97%、鋁3%水泥化合物組成：SiO220~24%CaO62~67%Fe2O32.5~6.0%AL2O34~7%MgO<5%化學(xué)組成直接決定材料的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等重要因素2礦物組成①礦物：指無(wú)機(jī)非金屬材料中具有特定的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)。如：3CaO.SiO22CaO.SiO2長(zhǎng)石石英云母方解石②礦物組成指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。如水泥的礦物組成：花崗巖的礦物組成：3CaO.SiO237~60%長(zhǎng)石石英云母角閃石2CaO.SiO215~37%玄武巖的礦物組成：3CaO.AL2O37~15%斜長(zhǎng)石橄欖石輝石4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%（2）材料的結(jié)構(gòu)1宏觀結(jié)構(gòu)2亞微觀結(jié)構(gòu)3微觀結(jié)構(gòu)1宏觀結(jié)構(gòu)指用肉眼或放大鏡能夠分辨的材料組織，其尺寸在10-3m級(jí)以上。如材料的孔隙，裂縫以及巖石的節(jié)理和木材的紋理等。①．致密結(jié)構(gòu)：鋼材、玻璃②．纖維結(jié)構(gòu)：木材、巖棉③．多孔材料：加氣混凝土、石膏制品④．層狀結(jié)構(gòu)：膠合板、紙面石膏板⑤．散粒結(jié)構(gòu)：砂子、碎石2亞微觀結(jié)構(gòu)用光學(xué)顯微鏡能觀察到的材料組織，尺寸范圍在10-3mm以上。主要研究組成物質(zhì)的單個(gè)粒子的形貌。3微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)是指組成材料的原子、分子層次的結(jié)構(gòu)?？捎秒娮语@微鏡來(lái)分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。微觀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍在10-6～10-10m。微觀結(jié)構(gòu)分為：（1）晶體結(jié)構(gòu)；（2）非晶體結(jié)構(gòu)（玻璃體）；（3）膠體結(jié)構(gòu)。（1）晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（離子、原子、分子）在空間上按特定規(guī)則呈周期性排列時(shí)的結(jié)構(gòu)。（2）晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單晶體：（1）質(zhì)點(diǎn)在空間上呈周期性排列（2）具有特定的幾何外形（3）具有各向異性的性質(zhì)（4）具有固定的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性多晶體（單晶體聚集）：各向同性（3）晶體結(jié)構(gòu)分類：①原子晶體：石英、金剛石②離子晶體：CaCl2、NaCl③金屬晶體：鋼鐵,鋁,鎂④分子晶體：合成高分子材料①原子晶體結(jié)合：原子以共價(jià)鍵結(jié)合。特性：較高的強(qiáng)度、硬度和密度；電、熱的不良導(dǎo)體種類：石英、剛玉、金剛石等。②離子晶體結(jié)合：正負(fù)離子以離子鍵結(jié)合而