第01章基本性質(zhì)

1、第一章建筑材料的基本性質(zhì) 建筑材料的基本性質(zhì)，是指材料處于物理、化學(xué)、力學(xué)、生物等環(huán)境時(shí)，必須具有的性質(zhì)。因?yàn)榻ㄖ牧纤幗ㄖ锏牟课徊煌⑹褂铆h(huán)境不同、對(duì)材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求性質(zhì)也就有所不同。 如：化學(xué)侵蝕、生物作用、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、沖蝕磨損、荷載作用等。 1.1 1.1 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 材料科學(xué)與工程的主要研究?jī)?nèi)容（P4） 一、組成： 材料的組成包括材料的化學(xué)組成、礦物組成和相組成。 （一）化學(xué)組成 是指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類及數(shù)量。決定性質(zhì).。 （二）礦物組成 將無(wú)機(jī)非金屬材料中具有特定晶體結(jié)構(gòu) 、特定的物理力學(xué)性能的

2、組織結(jié)構(gòu)稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。如天然石材、無(wú)機(jī)膠凝材料等，其礦物組成在化學(xué)組成確定的情況下是決定材料性質(zhì)的主要因素。 （三）相組成 材料中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻部分稱為相 。建筑材料大多數(shù)可看做復(fù)合材料，如：混凝土可以認(rèn)為是集料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復(fù)合材料。 界面.1.1 1.1 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)分為：宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。本書(shū)主要指的是微觀結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)。（一）宏觀結(jié)構(gòu) 建筑材料 的宏觀結(jié)構(gòu)是指能用眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸在10-3m級(jí)以上。 表1.1宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征 1.1 1.1

3、 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（二）顯微結(jié)構(gòu) 顯微結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-3-1mm之間 。 建筑材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)： 混凝土可分為基相、集料相、界面； 天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體結(jié)構(gòu)； 鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體等； 木材分為木纖維、導(dǎo)管髓線、樹(shù)脂管等。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)（三）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)?？捎秒娮语@微鏡或X射線來(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之間。材料的許多物理性質(zhì)如強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電

4、性都是由微觀結(jié)構(gòu)決定的 。 在微觀結(jié)構(gòu)層次上，材料可分為晶體、玻璃體等。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（三）微觀結(jié)構(gòu) 1、晶體 晶體是質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復(fù)排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質(zhì)。晶體質(zhì)點(diǎn)間鍵能的大小以及結(jié)合鍵的特性決定晶體材料的特性。 原子晶體、離子晶體、分子晶體、金屬晶體 2、玻璃體 玻璃體是熔融物在急冷時(shí)，質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及按一定規(guī)律排列而形成的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無(wú)序排列的固體或閉態(tài)液體。玻璃體結(jié)構(gòu)的材料沒(méi)有固定的熔點(diǎn)和幾何形狀，且各向同性。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（三）微觀結(jié)構(gòu) 3、微粉、超

5、微顆粒、膠體 微粉-是指粒徑在0.0001-0.1mm間的各種礦物或金屬粉末，通常指散粒的顯微層次。 超微顆粒-是指粒徑在10-6-10-4m間的各種微粒，它一般大于微觀尺度的原子團(tuán)，小于微粉。納米材料.。 以膠粒(粒徑為10-7-10-10m的固體顆粒）作為分散相，分散在連續(xù)相介質(zhì)中，形成的分散體系稱為膠體。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造三、構(gòu)造 是指材料的宏觀組織狀況，如巖石層理、木材紋理、鋼材中的裂紋、膠合板、迭合板的迭合等。 1、空隙特征：開(kāi)口、閉口 2、孔隙大小 對(duì)材料性質(zhì)的影響.金屬晶體結(jié)構(gòu)模型氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)微粉 1.2 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)1 1

6、、密度、表觀密度和堆積密度、密度、表觀密度和堆積密度（1）密度： 材料的密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算： =m/v 式中：密度, g/cm3 m材料的質(zhì)量，g V材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3 測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)。含孔材料則必須磨細(xì)后采用排開(kāi)液體的方法來(lái)測(cè)定其體積。李氏瓶法. 近似密度 （視密度)-排液置換法。（2 2） 表觀密度表觀密度 表觀密度：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：Vm00（3 3）堆積密度）堆積密度 Vm000V02 2、材料的密實(shí)度與孔隙率、材料的密實(shí)度與孔隙率 密實(shí)度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充密實(shí)度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)

7、所充實(shí)的程度。以實(shí)的程度。以D D表示，按下式計(jì)算：表示，按下式計(jì)算： 孔隙率是材料中孔隙體積占總體積的百分率?？紫堵适遣牧现锌紫扼w積占總體積的百分率。%1001%10000VVVP%1000VVD3 3、材料的填充率度與空隙率、材料的填充率度與空隙率 填充率是指粉狀或顆粒狀材料在其堆積體填充率是指粉狀或顆粒狀材料在其堆積體積內(nèi)，被其顆粒填充的程度。以積內(nèi)，被其顆粒填充的程度。以 表示，按下表示，按下式計(jì)算：式計(jì)算： 空隙率是指粉狀或顆粒狀材料在某堆積體積內(nèi)，空隙率是指粉狀或顆粒狀材料在某堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積所占的比例。按下式計(jì)算：顆粒之間的空隙體積所占的比例。按下式計(jì)算： D 在建

8、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)。對(duì)于含孔材料，三者的測(cè)試方法要點(diǎn)如下：測(cè)定密度時(shí)，需先將材料磨細(xì)，之后采用排出液體或水的方法來(lái)測(cè)定體積。測(cè)定表觀密度時(shí)，直接將材料放入水中，即直接采用排開(kāi)水的方法來(lái)測(cè)體積；測(cè)定堆積密度時(shí)，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測(cè)試其自然堆積狀態(tài)下體積。小結(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 密度、表觀密度、孔隙率 散粒材料： 近似密度（視密度）、密度、表觀密度、堆積密度、空隙率4 4、材料與水有關(guān)的性質(zhì)、材料與水有關(guān)的性質(zhì)（1）材料的親水性與憎水性材料的親水性與憎水性固體材料與水接觸時(shí)，有些能被

9、水潤(rùn)濕，而有些則不能被水潤(rùn)濕，對(duì)這兩種現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，前者為親水性，后者為憎水性。材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結(jié)構(gòu)。親水性材料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內(nèi)聚力；反之，憎水性材料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內(nèi)聚力。工程實(shí)際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤(rùn)濕邊角的大小劃分，潤(rùn)濕邊角為在材料、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。其中潤(rùn)濕邊角愈小，表明材料愈易被水潤(rùn)濕。當(dāng)材料的潤(rùn)濕邊角時(shí)，為親水性材料；當(dāng)材料的潤(rùn)濕邊角時(shí)，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開(kāi)，且能通過(guò)毛細(xì)管作用自動(dòng)將水吸入材料內(nèi)部；水在憎水性材料表面不僅不

10、能鋪展開(kāi)，而且水分不能滲入材料的毛細(xì)管中。 圖1 材料潤(rùn)濕示意圖（）親水性材料；（）憎水性材料親水性材料和憎水性材料 親水性材料： 石料、磚、混凝土、木材等。 憎水性材料： 瀝青、石蠟等。 親水性材料能通過(guò)毛細(xì)管作用，將水分吸入材料內(nèi)部。憎水性材料一般能阻止水分滲入毛細(xì)管中，故能降低材料的吸水作用，用作防水材料，或用在親水材料的表面處理。（2 2）材料的吸水性與吸濕性）材料的吸水性與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(zhì)。干燥的材料處在較潮濕的空氣中時(shí)，便會(huì)吸收空氣中的水分；而當(dāng)較潮濕的材料處在較干燥的空氣中時(shí)，便會(huì)向空氣中放出水分。前者是材料的吸濕過(guò)程，后者是材料的干燥過(guò)程。由

11、此可見(jiàn)，在空氣中，某一材料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。（2 2）材料的吸水性與吸濕性）材料的吸水性與吸濕性 1)1)含水率：含水率： 材料在任一條件下含水的多少稱為材料的材料在任一條件下含水的多少稱為材料的含水率含水率，并以，并以h h表示，其計(jì)算公式為：表示，其計(jì)算公式為：%1001mmmWh2）吸水率：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(lái)表示。 a.質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率 質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比：b.b.體積吸水率體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以表示。體積吸水率的計(jì)算

12、公式為：%1001.0WgbvVmmWg材料的吸水率與其孔隙率有關(guān)，更與其孔特征有關(guān)。因?yàn)樗质峭ㄟ^(guò)材料的開(kāi)口孔吸入并經(jīng)過(guò)連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與外界連通的細(xì)微孔隙愈多，其吸水率就愈大。 3）吸濕性 材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。 材料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當(dāng)空氣中濕度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過(guò)程處于平衡狀態(tài)，此時(shí)材料的含水率保持不變，其含水率叫作材料的平衡含水率。 3. . 材料的耐水性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： 式中 KR 材料的軟化系數(shù) fb 材料

13、吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。 fg 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）gbRffK軟化系數(shù)反映了材料飽水后強(qiáng)度降低的程度，是材料吸水后性質(zhì)變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會(huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強(qiáng)度則有不同程度的降低。當(dāng)材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時(shí)（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強(qiáng)度的嚴(yán)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(dòng)范圍在0至1之間。工程中通常將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(shí)，材料軟化系數(shù)也不得小于0

14、.75 。 4. .材料的抗?jié)B性材料的抗?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。建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當(dāng)材料兩側(cè)的水壓差較高時(shí)，水可能從高壓側(cè)通過(guò)內(nèi)部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側(cè)。這種壓力水的滲透，不僅會(huì)影響工程的使用，而且滲入的水還會(huì)帶入能腐蝕材料的介質(zhì)，或?qū)⒉牧蟽?nèi)的某些成分帶出，造成材料的破壞。 (1)(1)滲透系數(shù)滲透系數(shù)材料的滲透系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算AtHQdK K滲透系數(shù), （cm / h）; Q滲水量， （cm3 ） A 滲水面積, （cm2 ） H -材料兩側(cè)的水壓差，（cm） d 試件厚度 （cm） t 滲水時(shí)間 （h） 材料的滲透系數(shù)越小，

15、說(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。(2)(2)抗?jié)B等級(jí)抗?jié)B等級(jí) 材料的抗?jié)B等級(jí)是指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)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(lái)表示抗?jié)B等級(jí)。 如W4、W6、W8、W10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。 3 材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)1.1.材料的理論強(qiáng)度材料的理論強(qiáng)度 理論上，材料受外力作用而引起破壞的原因，主要是由于拉力造成質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合鍵斷裂脆裂，或由于剪力造成質(zhì)點(diǎn)間的滑移而破壞。材料受壓破壞，實(shí)際上也是由于壓力引起內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力而造成的破壞。各種建筑材料

16、都具有較高的理論強(qiáng)度。其理論強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的實(shí)際強(qiáng)度，如鋼材的理論強(qiáng)度為30MPa，混凝土的理論強(qiáng)度可達(dá)到400 MPa等。 材料的理論抗拉強(qiáng)度: dEft 3 材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)2.2.材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是材料在應(yīng)力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內(nèi)部的應(yīng)力多由外力（或荷載）作用而引起，隨著外力增加，應(yīng)力也隨之增大，直至應(yīng)力超過(guò)材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)所能抵抗的極限，即強(qiáng)度極限，材料發(fā)生破壞。在工程上，通常采用破壞試驗(yàn)法對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測(cè)。將預(yù)先制作的試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)上，施加外力（荷載）直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞荷載值，計(jì)算材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)

17、度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強(qiáng)度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算式如下：AFfmax抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)影響材料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的主要因素.材料的抗彎強(qiáng)度與受力情況有關(guān)，一般試驗(yàn)方法是將條形試件放在兩支點(diǎn)上，中間作用一集中荷載，對(duì)矩形截面試件，則抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：2max23bhLFfw3.3.彈性和塑性彈性和塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)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(zhì)稱為塑性。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形）。4. 4. 脆性和

18、韌性脆性和韌性 材料受力達(dá)到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，并無(wú)明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無(wú)機(jī)非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結(jié)普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高而抗拉、抗折強(qiáng)度低。在工程中使用時(shí)，應(yīng)注意發(fā)揮這類材料的特性?；炷链嘈云茐幕炷另g性破壞5.徐變和應(yīng)力松弛 固體材料在持久荷載作用下，變形隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。 材料在持久荷載作用下，若所產(chǎn)生的變形因受約束而不能增長(zhǎng)時(shí)，則其應(yīng)力將隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，這一現(xiàn)象成為應(yīng)力松弛。6.材料的持久強(qiáng)度和疲勞極限 材料在承受持久荷載下的強(qiáng)度，稱為持久強(qiáng)度。 在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

19、下，所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力即為疲勞極限。7. 沖擊韌性、硬度、磨損、磨耗 材料抵抗沖擊或震動(dòng)等動(dòng)荷載作用的性能，稱為沖擊韌性。 材料抵抗其他較硬物體壓入的能力稱為硬度。 材料受外界物質(zhì)的摩擦作用而造成質(zhì)量和體積損失的現(xiàn)象稱為磨損。 材料同時(shí)受到摩擦和沖擊兩種作用而造成的質(zhì)量和體積損耗現(xiàn)象稱為磨耗。 5 5 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(dǎo)熱性導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量從材料一面通過(guò)材料傳導(dǎo)至另一面的性質(zhì)，稱為材料的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù) 表示。導(dǎo)熱系數(shù)的定義和計(jì)算式如下所示：)(12TTAtQd 在物理意義上，導(dǎo)熱系數(shù)為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1時(shí)、在單位時(shí)間

20、(1s)內(nèi)通過(guò)單位面積(1)的熱量。2. 2. 熱容量和比熱熱容量和比熱 材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計(jì)算式如下所示：)(12TTmQC熱容量), 6 6 材料的耐久性材料的耐久性 材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外來(lái)自然因素及有害介質(zhì)的作用，能長(zhǎng)久地保持其使用性能的性質(zhì)。 材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學(xué)、機(jī)械及生物的作用。物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。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。在寒冷地區(qū)，凍融變化對(duì)材料會(huì)起著顯著的破壞作用。在高溫環(huán)境下，經(jīng)常處于高溫狀態(tài)的建筑物或構(gòu)筑物，所