第一章 建筑材料的基本性質(zhì)

1、材料的基本物理性質(zhì)材料的基本物理性質(zhì) 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì) 材料的耐久性材料的耐久性 材料的熱學性質(zhì)材料的熱學性質(zhì) 材料的化學組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的化學組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 一、一、 材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì) 1 1. .材料的孔隙率和空隙率材料的孔隙率和空隙率 （1 1）孔隙率）孔隙率 材料內(nèi)部孔隙占材料在自然狀態(tài)下總體積的 百分率，稱為材料的孔隙率（P）。 材料孔隙率的大小，反映了材料的疏密程度。 材料內(nèi)部孔隙，分為開口孔隙與閉口孔隙兩種，按其尺寸 大小又分為極微細孔隙、細小孔隙和粗大孔隙。 （2 2）空隙率）空隙率 散粒材料在堆積狀態(tài)下，顆粒間空隙的體積占堆 積體積的

2、百分率，稱為空隙率（P ）。 空隙率的大小反映了散粒材料顆粒之間互相填充的 密實程度。 2. 2. 材料的密度、表觀密度和堆積密度材料的密度、表觀密度和堆積密度 根據(jù)材 料所處 的體積 狀況不 同 密密 度度 表觀密度表觀密度 堆積密度堆積密度 （1 1） 密度（實際密度）密度（實際密度） 密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的 質(zhì)量。 實際密度公式： V m 3 /cmg m g V 3 cm 材料的密度( ) 材料的重量( ) 材料在絕對密實狀態(tài)下的體積( ) 絕對體積絕對體積是指構(gòu)成材料的固體物質(zhì)本身所 占有的體積，不包含材料內(nèi)部孔隙。 實際密度測定實際密度測定 ： 材料在絕對密實狀態(tài)

3、下的體積，指不包括材料內(nèi)部孔隙 的固體物質(zhì)本身的體積，亦稱實體積。土木工程材料除鋼材、 玻璃等外，絕大多數(shù)材料均含有一定孔隙。 測定有孔隙的材料密度時，須將材料磨成細粉（粒徑小 于0.20mm），經(jīng)干燥后用李氏瓶測得其實體積。材料磨得愈 細，測得的密度值愈精確。 磨成細粉用密度瓶測體積-密度 致密的不規(guī)則散粒材料-排水法 （2 2）表觀密度）表觀密度 材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，稱為材 料的表觀密度。 包含孔隙在內(nèi)-水分影響密度水分影響密度-干密度。 表觀密度公式： m 材料的表觀密度( ) 材料的重量( ) 材料的表觀體積( ) V m V 3 /cmg g 3 cm 表觀密度測定：表觀

4、密度測定： 材料表觀密度的大小與其含水情況有關(guān)。當材料含 水率變化時，其重量和體積均有所變化。因此測定材料 表觀密度時，須同時測定其含水率，并予以注明。 通常材料的表觀密度是指氣干狀態(tài)下的表觀密度。 在烘干狀態(tài)下的表觀密度稱為干表觀密度。 散粒材料的堆積密度（ ） （3 3）堆積密度）堆積密度 粉狀、粒狀、纖維狀材料在堆積狀態(tài)下，單位體積所具 有的質(zhì)量。 堆積密度公式： 0 0 V m 0 3 /cmkg 散粒材料的重量 （ ） m g 0 V散粒材料在自然堆積狀態(tài)下的體積（ ） 3 m 堆積密度測定：堆積密度測定： 散粒材料在自然堆積狀態(tài)下的體積，是指既含顆粒內(nèi)部的 孔隙，又含顆粒之間空隙在

5、內(nèi)的總體積。 散粒材料的體積可用已標定容積的容器測得。砂子、石子 的堆積密度即用此法求得。若以搗實體積計算時，則稱緊密堆 積密度。 大多數(shù)材料或多或少含有一些孔隙，一般材料的表觀密度 總是小于密度。 解：密度=干質(zhì)量/密實狀態(tài)下的體積=82.30/40（1-0.24）=2.7克/立 方厘米 n開口孔隙率=開口孔隙的體積/自然狀態(tài)下的體積=（89.77-82.3） 1/40=0.187 n 閉口孔隙率=孔隙率-開口孔隙率=0.24-0.187=0.053 n 表觀密度=干質(zhì)量/表觀體積=82.3/40（1-0.187）=2.53 n 含水率=水的質(zhì)量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.

6、039 n已知某種建筑材料試樣的孔隙率為24%，此試樣在自然狀態(tài) 下的體積為40立方厘米，質(zhì)量為85.50克，吸水飽和后的質(zhì) 量為89.77克，烘干后的質(zhì)量為82.30克。試求該材料的密度 、表觀密度、開口孔隙率、閉口孔隙率、含水率。 材料在空氣中與水的關(guān)系親水性與憎水性 材料在水中吸收水分的性質(zhì)吸水性 材料長期在飽和水作用下的反應(yīng) 耐水性 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)抗?jié)B性 材料受凍融的影響 抗凍性 1.1.親水性與憎水性親水性與憎水性 材料在空氣中與水接觸，有些材料能被水潤濕，即具有親 水性；有些材料則不能被水潤濕，即具有憎水性。 與水接觸時，材料與水之間的分子親合力大于水本身分子 間的內(nèi)聚力

7、，材料表現(xiàn)為親水性；材料與水之間的分子親合力 小于水本身分子間的內(nèi)聚力，材料表現(xiàn)為憎水性。 原因原因 材料被水濕潤的情況可用潤濕邊角表示。當90度時 ，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現(xiàn)出親水性，稱為親 水性材料；90度時，材料表面不吸附水，稱為憎水性材料 。當=0度時，表明材料完全被水潤濕。 潤濕邊角 親水性材料易被水潤濕，且水能通過毛細管作用而滲 入材料內(nèi)部。 憎水性材料則能阻止水分滲入毛細管中，從而降低材 料的吸水性。 土木工程材料大多數(shù)為親水性材料，如水泥、混凝土 、砂、石、磚、木材等，只有少數(shù)材料如瀝青、石蠟及某些 塑料等為憎水性材料。 2.2.吸水性（浸水狀態(tài)下）吸水性（浸水狀態(tài)

8、下） 材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性,用吸水率表示。 含水率為材料中所含水的質(zhì)量與材料干燥質(zhì)量的百分比。 材料處于氣干狀態(tài)。材料在氣干狀態(tài)下的含水率，稱 為平衡含水率。 內(nèi)外含 水平衡 干燥材 料 濕潤材 料 材料吸水達到飽和狀態(tài)時的含水率，稱為材料的吸水率。 吸水率是衡量材料吸水性大小的指標。 吸水率可用質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種方式表示。 3.3.耐水性耐水性 材料長期在飽和水作用下，強度不顯著降低的性質(zhì)稱為 耐水性，用軟化系數(shù)表示： 材料的軟化系數(shù)在01之間。不同材料的值 相差頗大，如粘土 =0，而金屬 =1。土木工 程中將 0.85的材料，稱為耐水材料。在設(shè)計 長期處于水中或潮濕環(huán)

9、境中的重要結(jié)構(gòu)時，必須 選用 0.85的材料。用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu) 物的材料，其 值不宜小于0.75。 p K p K p K p K p K 4. 4. 抗?jié)B性抗?jié)B性 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性，通常用滲透系 數(shù)（即一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時間內(nèi) 透過單位面積的水量）表示。 K值愈大，表示滲透材料的水量愈多，即抗?jié)B性愈差。 材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級表示?？?jié)B等級是以規(guī)定 的試件，在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力來確定， 以符號“Pn”表示，其中n為該材料在標準試驗條件下所能承 受的最大水壓力的10倍數(shù)。 材料的抗?jié)B性與其孔隙特征有關(guān)，封閉孔隙中水不易滲 入

10、，抗?jié)B性仍良好；開口大孔中水易滲入，抗?jié)B性最差。 5. 5. 抗凍性抗凍性 材料的抗陳性是指在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融 而不產(chǎn)生宏觀破壞同時微觀結(jié)構(gòu)不明顯劣化、強度也不嚴 重降低的性能。 抗凍等級 抗凍等級是以規(guī)定的試件，在規(guī)定的試驗條件下， 測得其強度降低和重量損失不超過規(guī)定值，此時所能經(jīng)受 的凍融循環(huán)次數(shù)，用符號“Fn”表示，其中n即為最大凍 融循環(huán)次數(shù)，如F25、F50等。 重要性 抗凍性良好的材料，對于抵抗大氣溫度 變化、干濕交替等破壞作用的能力較強，因而常作為考查 材料耐久性的一項重要指標；在設(shè)計寒冷地區(qū)及寒冷環(huán)境 （如冷庫）的建筑物時，必須要考慮材料的抗凍性。 燒結(jié)普通磚、陶瓷

11、面磚、輕混凝土等墻體材料的抗 凍標號為F15或F25；用于橋梁和道路的混凝土應(yīng)為F50、F100 或F200，而水工混凝土要求高達F500。 第二節(jié)第二節(jié) 材料的基本力學性質(zhì)材料的基本力學性質(zhì) 一、材料的變形性質(zhì)一、材料的變形性質(zhì) 材料的變形性質(zhì)，是指材料在荷載作用下發(fā)生形狀 及體積變化的有關(guān)性質(zhì)。 材料變形 彈性變形 塑性變形 徐變 松弛 1.1.彈性變形與塑性變形彈性變形與塑性變形 彈性變形是指在外荷作用下產(chǎn)生、卸荷后 可以自行消失的變形。 塑性變形是指在外力去除后，材料不能自 行恢復到原來的形狀而保留的變形，也稱為殘 余變形。 2.2.脆性與韌性脆性與韌性 n 破壞前有顯著塑性變形的材料

12、，稱為塑性材料， 如低碳鋼、銅、鋁、瀝青等。 n 無顯著塑性變形者，稱為脆性材料，如石料、 磚、混凝土等。 n 材料在沖擊、振動荷載作用下，能吸收較大的 能量，承受很大的變形，而不發(fā)生突然破壞的性質(zhì)， 稱為沖擊韌性(韌性)。 3.3.徐變與應(yīng)力松弛徐變與應(yīng)力松弛 n 固體材料在外力作用下，變形隨時間的延 長而逐漸增長的現(xiàn)象，稱為徐變。 n 材料在荷載作用下，所產(chǎn)生的變形因受約 束而不能發(fā)展時，則其應(yīng)力將隨時間延長而逐 漸減小，這一現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。 二二. . 材料的強度材料的強度 強度強度 抗壓強度抗壓強度抗拉強度抗拉強度抗剪強度抗剪強度抗彎強度抗彎強度 材料受外力作用示意圖 1 1材料強度

13、概念材料強度概念 所謂剪力就是：作用于同一物體上的兩個距 離很近（但不為零），大小相等，方向相反 的平行力。 例如剪刀去剪一物體時，物 體所受到兩剪刀口的作用力就是剪力。 材料的強度是通過靜力試驗來測定的，故稱為 靜力強度，通過標準試件的破壞試驗而測得 材料的抗壓、抗拉和抗剪強度的計算公式為 材料的抗彎強度與試件的幾何外形及荷載施加的 情況有關(guān)。對于矩形截面和條形試件，當其二支點間 的中間作用一集中荷載時，試件的抗彎極限強度按下 式計算： 2 2影響材料試驗結(jié)果的因素影響材料試驗結(jié)果的因素 （1）試件的性質(zhì)和大小：相同材料采用小試件 測得的強度比大試件的高。 （2）加荷速度：加荷速度快者，強度

14、值偏高。 （3）溫度：一般溫度高時，材料的強度將降低 ，瀝青混凝土尤為明顯。 （4）含水狀況：含有水分的材料，其強度較干 燥時的低。 （5）表面狀況：試件表面不平或表面涂潤滑劑 ，所測得強度值偏低。 3 3強度等級強度等級 各種材料的強度差別甚大。建筑材料按其強度值 的大小劃分為若干個強度等級。 燒結(jié)普通磚按抗壓強度分為5個強度等級；硅酸 鹽水泥按抗壓強度和抗折強度分為4個強度等級，普 通混凝土按其抗壓強度分為12個強度等級等等。 注意：注意：強度值和強度等級或標號不能混淆，前者是表示 材料力學性質(zhì)的指標，后者是根據(jù)強度值劃分的級別。 4. 4. 比強度比強度 比強度反映材料單位體積重量的強度

15、，其值等于 材料強度與其表觀密度之比，是衡量材料輕質(zhì)高強性 能的重要指標。 玻璃鋼和木材是輕質(zhì)高強的材料，它們的比強度 大于低碳鋼，而低碳鋼的比強度大于普通混凝土。 玻璃鋼（FRP）亦稱作GRP，即纖維強化塑料，一般指用玻璃纖維增強不飽 和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體。 飛機上的一些合成材料是典型的輕質(zhì)高強型材料 ，建筑也在向這個方向發(fā)展，如鋁合金和代替鋼鐵的 高強塑料（UPVC）。 第三節(jié)第三節(jié) 材料的耐久性材料的耐久性 耐久性是材料的一項綜合性質(zhì)，諸如抗凍性、 抗風化性、抗老化性、耐化學腐蝕性等均屬耐久性 的范圍。材料的強度、抗?jié)B性、耐磨性等也與材料 的耐久性有著密切關(guān)系。 在構(gòu)筑物使用過

16、程中，材料除內(nèi)在原因使其組 成、構(gòu)造、性能發(fā)生變化以外，還長期受到周圍環(huán) 境及各種自然因素的作用而破壞。 一、環(huán)境對材料的作用一、環(huán)境對材料的作用 1物理作用 環(huán)境溫度、濕度的交替變化。材料在經(jīng)受這些 作用后，將發(fā)生膨脹、收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。長期的 反復作用，將使材料漸遭破壞。 2化學作用 大氣和環(huán)境水中的酸、堿、鹽等溶液或其他有 害物質(zhì)對材料的侵蝕作用，以及日光等對材料的作 用，使材料產(chǎn)生本質(zhì)的變化而破壞。 3機械作用 包括荷載的持續(xù)作用或交變作用引起材料的疲 勞、沖擊、磨損等破壞。 4生物作用 包括菌類、昆蟲等的侵害作用，導致材料發(fā)生 腐朽、蛀蝕等破壞 二、提高材料耐久性的重要意義二、提高材

17、料耐久性的重要意義 在設(shè)計選用土木工程材料時，必須考慮材料的 耐久性問題。 采用耐久性良好的土木工程材料，對節(jié)約材料 、保證建筑物長期正常使用、減少維修費用、延長 建筑物使用壽命等，均具有十分重要的意義。 第四節(jié)第四節(jié) 材料與熱有關(guān)的性質(zhì)材料與熱有關(guān)的性質(zhì) 1.1.導熱性導熱性 材料傳導熱量的能力稱為導熱性，用導熱系數(shù)（即 厚度為1m的材料，當其相對兩側(cè)表面溫度差為1k時，在 1s時間內(nèi)通過1面積的熱量）表示。 材料的導熱系數(shù)愈小，表示其絕熱性能愈好。各種 材料的導熱系數(shù)差別很大，大致在0.0293.5。 導熱系數(shù)與材料內(nèi)部孔隙構(gòu)造有密切關(guān)系。由于密 閉空氣的導熱系數(shù)很小，所以，材料的孔隙率較

18、大者其 導熱系數(shù)較小，但如果孔隙粗大或貫通，由于對流作用 ，材料的導熱系數(shù)反而增高。材料受潮或受凍后，其導 熱系數(shù)大大提高。因此，絕熱材料應(yīng)經(jīng)常處于干燥狀態(tài) ，以利于發(fā)揮材料的絕熱效能。 2. 2.熱容量、比熱容熱容量、比熱容 熱容量是指材料受熱時吸收熱量或冷卻時放出熱量 的性質(zhì)。 比熱是指1g重量的材料，在溫度升高或降低1k時 所吸收或放出的熱量，是反映材料的吸熱或放熱能力 大小的物理量。 材料的比熱，對保持建筑物內(nèi)部溫度穩(wěn)定有很大 意義。比熱大的材料，能在熱流變動或采暖設(shè)備供熱 不均勻時，緩和室內(nèi)的溫度波動。 材料的導熱系數(shù)和熱容量是設(shè)計建筑物圍護結(jié)構(gòu) （墻體、屋蓋）進行熱工計算時的重要參

19、數(shù)。選用導 熱系數(shù)較小而熱容量較大的土木工程建筑材料，有利 于保持建筑物室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。 3.3.耐燃性和耐火性耐燃性和耐火性 耐燃性 材料在火焰或高溫作用下可否燃燒的性質(zhì)。 耐火性 材料在火焰或高溫作用下，保持其不破壞、性 能不明顯下降的能力。用其耐受的時間來表示，稱為 耐火極限。 第五節(jié)第五節(jié) 材料的化學組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的化學組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 一、材料的化學組成一、材料的化學組成 材料的化學組成是決定材料性質(zhì)的內(nèi)在因素之 一。主要包括：元素組成和礦物組成。 材料的元素組成主要是指其化學元素的組成特 點。 材料的礦物組成主要是指元素組成相同，但 分子團組成形式各異的現(xiàn)象。 二、材料的微

20、觀結(jié)構(gòu)二、材料的微觀結(jié)構(gòu) 材料的性質(zhì)與材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。材 料的結(jié)構(gòu)主要分成：宏觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)。 微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu),可用電子 顯微鏡和X射線來分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。材 料的許多物理性質(zhì)，如強度、硬度、彈塑性、熔點、 導熱性、導電性等都是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定。 微觀結(jié)構(gòu)層次上，材料分為晶體、玻璃體、膠晶體、玻璃體、膠 體體。 1 1晶體晶體 質(zhì)點（離子、原子、分子）在空間上按特定的規(guī) 則呈周期性排列時所形成的結(jié)構(gòu)稱為晶體結(jié)構(gòu)。 碳素鋼晶體，質(zhì)點相對密集程度較高，又以金屬 鍵聯(lián)結(jié)，結(jié)合力強，故鋼材具有較高的強度、很大的 塑性變形能力。 硅酸鹽礦物材料（如陶瓷）的復雜

21、晶體結(jié)構(gòu)（基 本單元為硅氧四面體），質(zhì)點相對密集程度不高，且 大多以共價鍵聯(lián)結(jié)，結(jié)合力較弱，故這類材料的強度 較低，變形能力差，呈現(xiàn)脆性。 2 2玻璃體玻璃體 將熔融物質(zhì)迅速冷卻（急冷），使其內(nèi)部質(zhì)點 來不及作有規(guī)則的排列就凝固，這時形成的物質(zhì)結(jié) 構(gòu)即為玻璃體，又稱為無定形體或非晶體。 玻璃體的結(jié)合鍵為共價鍵與離子鍵，構(gòu)成玻璃 體的質(zhì)點在空間上呈非周期性排列。 玻璃體無固定的幾何外形，具有各向同性，破 壞時也無清晰的解理面，加熱時無固定的熔點，只 出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。同時，因玻璃體是在快速急冷下形 成的，故內(nèi)應(yīng)力較大，具有明顯的脆性，例如玻璃。 3 3膠體膠體 物質(zhì)以極微小的質(zhì)點分散在介質(zhì)中所形成的結(jié) 構(gòu)稱為膠體。 分散粒子一般帶有電荷（正電荷或負電荷）， 而介質(zhì)帶有相反的電荷，從而使膠體保持穩(wěn)定性； 膠體的質(zhì)點很微小，總表面積很大，因而表面能很 大，有很強的吸附力，所以膠體具有較強的粘結(jié)力。 硅酸鹽水泥主要水化產(chǎn)物的最后形式就是干凝 膠體。 三、材料的構(gòu)造三、材料的構(gòu)造 材料在宏觀可見的層次上的組成形式稱為構(gòu)造。 材料 致密狀構(gòu) 造 多孔狀構(gòu) 造 微孔狀構(gòu) 造 顆粒狀構(gòu) 造 纖維狀構(gòu) 造 層狀構(gòu)造 1. 1. 致密狀構(gòu)造致密狀構(gòu)造 密實結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部基本上無孔隙，結(jié)構(gòu)致密。 特點是強度和硬度較高，吸水性小，抗?jié)B性和抗 凍性較好，耐磨性較好，絕熱性差。如鋼材、天 然石材、玻璃、玻璃