建筑材料材料的基本性質(zhì)課件

1、主要內(nèi)容1 材料的組成結(jié)構(gòu)與構(gòu)造2 材料的密度、表觀密度和孔隙率3 材料的力學(xué)性質(zhì)4 材料與水有關(guān)的性質(zhì)5 材料的耐久性6 材料與熱有關(guān)的性質(zhì)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)造是決定材料性能的內(nèi)部因素。材料的組成包括化學(xué)組成和礦物組成。一、材料的組成一）化學(xué)組成 1)定義 組成材料的化學(xué)元素種類(lèi)和數(shù)量，直接影響材料的化學(xué)性質(zhì)，也是決定材料物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。土木工程材料的諸多性質(zhì)都與其化學(xué)成分有關(guān)，如水泥中CaO、MgO含量影響著水泥的安定性。 2)表示方法 金屬化學(xué)元素的含量來(lái)表示，如碳素鋼以碳元素含量來(lái)劃分：25Mn（平均含C=0.25%、含Mn0.7%-1.2%的鎮(zhèn)靜鋼

2、）。 非金屬元素氧化物含量，如水泥的SiO2、Al2O3含量。 有機(jī)高分子材料低分子化合物，如乙烯。 二）礦物組成 指組成材料的礦物種類(lèi)和數(shù)量，礦物是具有一定化學(xué)成分和一定結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)和單質(zhì)的總稱(chēng)，是構(gòu)成巖石和無(wú)機(jī)非金屬材料的基本單元。例如硅酸鹽水泥熟料的礦物組成：C3S、C2S、C3A、C4AF。 三）鏈節(jié) 合成高分子材料常以其鏈節(jié)表示，鏈節(jié)是一種或幾種低分子化合物按特定結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元。如聚乙烯的鏈節(jié)是C2H4等。 四）組成與材料性能的關(guān)系 組成決定性能高鋁水泥與硅酸鹽水泥。 組成相同時(shí)，結(jié)構(gòu)決定性能金剛石與石墨的成分均為C，但由于C原子排列不同，前者為無(wú)色極堅(jiān)硬的晶體，后者為黑

3、色光滑的無(wú)定型粉末。 二、材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指材料的微觀組織狀況，可分為微觀結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)。 一）微觀結(jié)構(gòu) 能用顯微鏡觀察到的組成材料的原子、分子的排列方式、結(jié)合狀況等。材料的微觀結(jié)構(gòu)可分為晶體、非晶體。 1）晶體 晶體是質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列（遠(yuǎn)程有序）而形成的固體。 按晶體質(zhì)點(diǎn)間鍵能的大小以及結(jié)合鍵的特性，可將晶體分為：原子晶體、離子晶體、金屬晶 體、分子晶體。其性能如下表 ：材料的微觀結(jié)構(gòu) 常見(jiàn)材料 主要特性 原子晶體(以共價(jià)鍵結(jié)合) 金剛石、石英、剛玉 強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)均高，密度較小 離子晶體(以離子鍵結(jié)合) 氧化鈉、石膏、石灰?guī)r 強(qiáng)度、硬度、熔

4、點(diǎn)較高，但波動(dòng)大，部分可溶，密度中等 分子晶體(以分子鍵結(jié)合) 蠟及有機(jī)化合物晶體 強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)較低，大部分可溶，密度小 金屬晶體(以金屬鍵結(jié)合) 鐵、鋼、銅、鋁及其合金 強(qiáng)度，硬度變化大，密度大 實(shí)際材料中的晶體，都有各種晶格缺陷，主要有點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷，這些缺陷會(huì)顯著改變晶體材料的性質(zhì)。此外，材料的性質(zhì)還與晶粒的大小和分布狀態(tài)有關(guān)。 2)非晶體 無(wú)定形結(jié)構(gòu)或玻璃體結(jié)構(gòu)。它是一種不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有較高的化學(xué)活性，如硅酸鹽水泥熟料。 二）顯微結(jié)構(gòu) 指用光學(xué)顯微鏡可以觀察到的材料組成及結(jié)構(gòu)，其尺度范圍在0.0011mm，對(duì)材料性質(zhì)有重要影響。例如水泥混凝土材料可分為水泥基相、集料分散相

5、、界面過(guò)渡區(qū)及孔隙等，它們的狀態(tài)、數(shù)量及性質(zhì)將決定水泥混凝土的物理力學(xué)性能。鋼材的晶粒尺寸直接影響鋼材的強(qiáng)度。 對(duì)于土木工程材料而言，從顯微結(jié)構(gòu)層次上研究并改善材料的性能十分重要。 三）微粉、超微顆粒及膠體 1）微粉 粒徑在0.00010.1mm間的各種礦物或金屬粉末。 2）超微顆粒（納米微粒） 粒徑在10-610-4 mm間的各種微粒。 由于納米微粒有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)等基本特性，使由納米微粒組成的納米材料具有許多奇異的物理化學(xué)性能，在土木工程中也得到了應(yīng)用。例如磁性液體、納米涂料等。 3）膠體 超微顆粒在介質(zhì)中形成的分散體系。按其物理力學(xué)性質(zhì)取決于介質(zhì)還是微粒，將膠體分為溶膠和凝膠。

6、 溶膠凝膠互變的性質(zhì)稱(chēng)為觸變性。三、材料的構(gòu)造 指材料的宏觀組織狀況，材料的性質(zhì)與其構(gòu)造有密切聯(lián)系。 構(gòu)造致密的材料強(qiáng)度高如鋼材；疏松多孔的材料密度和強(qiáng)度低如無(wú)機(jī)非金屬材料；層狀或纖維狀的材料各項(xiàng)異性木材。 材料的孔 多孔材料的性質(zhì)除與材料孔隙率的大小有關(guān)外，還與孔隙的構(gòu)造特征有關(guān)。 孔特征參數(shù) 孔隙多少（孔隙率P）隨著孔隙率的增大，材料表觀密度減小，強(qiáng)度下降。 孔隙大?。装霃絩）對(duì)于開(kāi)口孔隙，粗大孔隙易于水分透過(guò)，但不易被水充滿(mǎn)；極細(xì)孔隙，水分易被吸入，但不易在其中流動(dòng)；介于兩者之間的毛細(xì)孔隙，既易被水充滿(mǎn)，水分又易在其中滲透，對(duì)材料的抗?jié)B性、抗凍性及抗侵蝕性能不利。 孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙分布)

7、含有大量分散不連通孔隙的材料具有良好的保溫隔熱性能。含有大量與外界連通的微孔或氣泡的材料具有良好的吸聲隔音性能。 孔隙形狀(開(kāi)口與閉口孔)閉口孔隙，不易被水分及溶液侵入，對(duì)材料的抗?jié)B、抗凍及抗侵蝕性能的影響較小。2 材料的密度、 表觀密度和孔隙率是本章的重點(diǎn)要求掌握基本概念、計(jì)算等內(nèi)容主要講解塊狀材料與散體材料的： 密度與視密度 表觀密度與堆積密度 密實(shí)度D、孔隙率P與空隙率P一、密度一）定義 材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。二）公式 m / V g/cm3，密度mg，絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的質(zhì)量Vcm3 ，絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積三）注意必須強(qiáng)調(diào)材料絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)的概念必須強(qiáng)調(diào)密度是材料自身固有的性質(zhì)

8、，與外界條件變化與否無(wú)關(guān)二、表觀密度一）定義 在自然狀態(tài)下（包含孔隙）單位體積的質(zhì)量。二）公式 m / V0 g/cm3 (kg/m3 )，表觀密度 m g(kg)，材料自然狀態(tài)下的質(zhì)量 V0 cm3 (m3 )，材料自然狀態(tài)下的體積三）注意必須強(qiáng)調(diào)材料自然狀態(tài)的概念自然狀態(tài)包括孔隙、含水狀態(tài)等，如干燥狀態(tài)下的表觀密度，或某種含水狀態(tài)下的表觀密度三、密實(shí)度與孔隙率一）孔隙率 材料中孔隙體積與總體積的百分比P(V0V) / V0 (1 / )100%二）密實(shí)度 D V / V0 100% P 1 D三）注意孔隙率與密度及表觀密度的關(guān)系孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系幾種常用材料的密度、表觀密度及孔隙率(P8

9、表1-1)四、散粒材料的視密實(shí)度、 堆積密度與孔隙率一）視 密 度 散粒材料采用排液置換法測(cè)定體積，計(jì)算得到的密度 ，=m/V。 V采用排液置換法測(cè)得的包含內(nèi)部閉口孔隙的體積。二）堆積(表觀)密度 自然狀態(tài)下散粒材料單位體積的質(zhì)量。按堆放的緊密程度不同，又分疏松堆積密度、振實(shí)堆積密度和緊密堆積密度。 計(jì)算公式可以按表觀密度進(jìn)行三）孔隙率 P (1 / )100%注意：是指材料干燥狀態(tài)下的堆積表觀密度； 是顆粒之間的空隙和開(kāi)口孔隙占總體積的百分率。四）壓 實(shí) 度 散粒狀材料被壓實(shí)的程度 KY= / m 100% 施工現(xiàn)場(chǎng)的材料,經(jīng)壓實(shí)后的實(shí)測(cè)干堆積密度； m 試驗(yàn)室內(nèi),將相同材料試樣在一定條件下

10、，經(jīng)充分壓實(shí)后的最大干堆積密度。例題：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40cm3，質(zhì)量為85.50g，吸水飽和后的質(zhì)量為89.77g，烘干后的質(zhì)量為82.30g。試求該材料的密度、視密度、開(kāi)口孔隙率、閉口孔隙率、自然狀態(tài)下的含水率。解：密度=干質(zhì)量/密實(shí)狀態(tài)下的體積=82.30/40(1-0.24)=2.7g/cm3 開(kāi)口孔隙率=開(kāi)口孔隙的體積/自然狀態(tài)下的體積=(89.77-82.3)1/40=0.187 =18.7% 閉口孔隙率=孔隙率-開(kāi)口孔隙率=0.24-0.187=0.053 =5.3% 視密度=干質(zhì)量/包含閉口孔隙的體積=82.3/40(1-0.18

11、7)=2.53 g/cm3 含水率=水的質(zhì)量/干重=(85.5-82.3)/82.3=0.039 =3.9% 3 材料的力學(xué)性質(zhì) 材料在外力的作用下有關(guān)變形的性質(zhì)和抵抗破壞的能力。 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)，主要有彈性變形、塑性變形、徐變及松弛等。一、材料的變形性質(zhì)一）彈性變形與塑性變形 1）定義 彈性變形是外荷作用下產(chǎn)生、卸荷后自行消失的變形。塑性變形是外荷去除后，不能自行恢復(fù)到原有形狀而保留的變形。 材料破壞前有顯著塑性變形，稱(chēng)為塑性破壞。破壞前無(wú)顯著塑性變形，稱(chēng)為脆性破壞。 2）影響因素 材料是塑性破壞還是脆性破壞，除取決于自身成分、組織、構(gòu)造等因素外，還與受荷條件、

12、試件尺寸、加荷速度及荷載類(lèi)型有關(guān)。 3）塑性材料與脆性材料 根據(jù)材料破壞前有無(wú)顯著塑性變形，可分為塑性材料和脆性材料。塑性材料：銅、低碳鋼、鋁、瀝青；脆性材料：石、磚、混凝土、砂漿塊。塑性材料與脆性材料可轉(zhuǎn)化性、相對(duì)性。二）橫向變形與體積變形 泊松比=1/； 體積比=(VB-V0)/V0=(1-2) 在彈性變形條件下，泊松比為常數(shù)，當(dāng)為塑性變形或接近斷裂時(shí)，=0.5。三）徐變與應(yīng)力松弛 固體材料在持久荷載的作用下，變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱(chēng)徐變。材料在持久荷載作用下，若變形因受約束不能增長(zhǎng)，其應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小的現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。 徐變和應(yīng)力松弛與應(yīng)力大小、環(huán)境溫度和濕度有關(guān)。 當(dāng)

13、應(yīng)力未超過(guò)某一極限值時(shí)，徐變的發(fā)展隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，最后變形停止增長(zhǎng)；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)某一極限值時(shí)，徐變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，最后導(dǎo)致材料破壞。 材料抵抗外力（荷載）作用引起的破壞的能力。一）材料的靜力強(qiáng)度 在靜荷載作用下，材料達(dá)到破壞前所承受的應(yīng)力極限值。有抗壓、抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度。 1）材料強(qiáng)度試驗(yàn) 材料強(qiáng)度常用破壞性試驗(yàn)測(cè)定，根據(jù)破壞荷載求材料強(qiáng)度，公式為： 二、 材料強(qiáng)度抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度：抗彎強(qiáng)度中間集中荷載：兩個(gè)對(duì)稱(chēng)集中荷載：2）影響材料強(qiáng)度測(cè)定的主要因素 試件的形狀、尺寸、表面狀況 棱柱體或圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試值小于立方體；形狀相似的小試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試值高于大試件；試件受壓

14、面有缺損，抗壓強(qiáng)度測(cè)試值降低。 測(cè)試時(shí)試件的溫度及濕度 溫度升高會(huì)降低鋼材及瀝青材料的強(qiáng)度；潮濕會(huì)降低磚、木材、混凝土等的強(qiáng)度。 試件加荷速度及試驗(yàn)裝置情況等 加荷速度快時(shí)，測(cè)得的強(qiáng)度值偏高；采用剛度大的試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的強(qiáng)度值偏高。3）材料的強(qiáng)度等級(jí) 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，將材料按靜力強(qiáng)度的高低劃分為若干等級(jí)。如普通混凝土按靜力抗壓強(qiáng)度劃分為C20、C30、C80等。建筑鋼材按靜力拉伸屈服強(qiáng)度劃分為Q215、Q235、Q345等。 二）材料的持久強(qiáng)度和疲勞極限 在持久荷載下的強(qiáng)度為持久強(qiáng)度，持久強(qiáng)度低于暫時(shí)強(qiáng)度。 交變應(yīng)力超過(guò)某一極限且多次反復(fù)作用后，會(huì)導(dǎo)致材料破壞，該應(yīng)力值稱(chēng)為疲勞極

15、限。疲勞極限遠(yuǎn)低于靜力強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度。疲勞破壞為無(wú)顯著變形的突然破壞。 三）材料的理論強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)完整的理想固體材料所具有的強(qiáng)度。由于各種材料都有結(jié)構(gòu)和構(gòu)造缺陷，材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。材料抵抗沖擊或震動(dòng)等動(dòng)荷載作用的性能，以試件受沖擊時(shí)單位體積(面積)內(nèi)所能吸收的沖擊功來(lái)表示。材料的沖擊韌性可以反映材料既具有一定強(qiáng)度，又具有良好受力變形的綜合性能。橋梁、路面、樁及有抗震要求的結(jié)構(gòu)，所用的材料要求考慮沖擊韌性。脆性材料的韌性小 ；塑性材料韌性大三 、材料的沖擊韌性硬度：材料抵抗其他較硬物體壓入的能力。磨損：受摩擦作用而造成質(zhì)量和體積損失的現(xiàn)象。磨耗：同時(shí)受摩擦和沖擊作用而造成質(zhì)量和

16、體積損耗的現(xiàn)象。材料的硬度大、韌性高、構(gòu)造密實(shí)，抗磨損和磨耗的能力較強(qiáng)。四、 材料的硬度、磨損及磨耗4 材料與水有關(guān)的性質(zhì)是本章的重點(diǎn)要求掌握基本概念、計(jì)算等內(nèi)容 親水性與憎水性潤(rùn)濕角的概念 含水率、平衡含水率、吸水率的概念及計(jì)算 軟化系數(shù)的概念一、親水性與憎水性接觸角：從三相接觸點(diǎn)，沿液-氣表面所引切線與固-液表面所形成的夾角。固體材料在空氣中與水接觸，按其是否易被水濕潤(rùn)分為親水性材料與憎水性材料。大多數(shù)建筑材料，如石料、磚、混凝土、木材屬于親水材料；瀝青、石蠟為憎水材料。親水材料通過(guò)毛細(xì)管作用將水吸入材料內(nèi)部；憎水材料能阻止水分滲入毛細(xì)管中，可用作防水材料或?qū)τH水材料進(jìn)行表面處理。 二、吸

17、水性1）定義 材料吸收水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸水性。 材料中含水的多少用含水率表示，含水率為材料所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分比。 氣干狀態(tài)的含水率稱(chēng)為平衡含水率。 吸水飽和狀態(tài)的含水率稱(chēng)為材料的吸水率。2）質(zhì)量吸水率與體積吸水率3）材料的吸水性 取決于材料本身的親水性及孔隙率的大小和孔隙特征；材料吸水率相差很大，吸水率大是不利的。材料受水作用后不損壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱(chēng)為耐水性。材料的耐水性以軟化系數(shù)表示有時(shí)耐水性是選擇材料的重要依據(jù)。經(jīng)常位于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)，材料軟化系數(shù)不宜小于0.850.9；受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)，材料軟化系數(shù)不宜小于0.70.85。 三、耐水性材料抵抗壓力水滲透的

18、性能稱(chēng)為抗?jié)B性。材料的抗?jié)B性與其孔隙率和孔隙特征有關(guān)。材料的抗?jié)B性常用滲透系數(shù)表示：材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級(jí)表示，水工材料和防水材料有抗?jié)B要求。 四、抗?jié)B性5 材料的耐久性材料破壞作用：物理、化學(xué)、生物作用。物理作用包括干濕變化、溫度變化及凍融作用?；瘜W(xué)作用包括酸、堿、鹽等物質(zhì)的水溶液或氣體對(duì)材料的侵蝕破壞。生物及生物化學(xué)作用是指材料被昆蟲(chóng)、菌類(lèi)等蛀蝕及腐朽。耐久性是材料的一種綜合性質(zhì)，工程中所指的耐久性，就是指材料在所處的環(huán)境條件下，保持其原有性能，抵抗破壞作用的能力。一、材料破壞作用與耐久性 一)冰脹壓力作用 材料毛細(xì)孔隙中充滿(mǎn)水并快速凍結(jié)時(shí)，由于水結(jié)冰體積增加9%，在孔隙中將產(chǎn)生很大的

19、冰脹壓力，使毛細(xì)管壁受到拉應(yīng)力，導(dǎo)致材料破壞。 二)水壓力作用 受凍降溫時(shí)，不同孔徑的孔隙水結(jié)冰膨脹，迫使尚未結(jié)冰的多余水移向附近氣泡或試件邊緣，產(chǎn)生的水壓力，使孔壁受拉應(yīng)力，造成材料體積膨脹。 三)顯微析冰作用 材料孔隙中的鹽類(lèi)稀溶液結(jié)冰，溶液濃度提高，這樣周?chē)唇Y(jié)冰水因濃度差，向已結(jié)冰區(qū)遷移并迅速結(jié)冰。 某一材料是否容易被冰凍破壞，與凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度及凍結(jié)頻繁程度有關(guān)。二、冰凍對(duì)材料的破壞作用 材料的抗凍性常用抗凍等級(jí)來(lái)表示，是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試驗(yàn)材料在水飽和狀態(tài)下，經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)的凍融作用后，其強(qiáng)度不嚴(yán)重降低、質(zhì)量不顯著損失、性能不明顯下降，所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)。 材料抗凍性與其孔隙率、孔隙特征和孔隙飽水程度有關(guān)，并受到材料變形能力、抗拉強(qiáng)度及耐水性的影響。 抗凍性可作為礦物材料抵抗環(huán)境物理作用的耐久性綜合指標(biāo)。三、材料的抗凍性6 材料與熱有關(guān)的性質(zhì)材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)熱性。材料的導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)表示材料的孔隙率、孔隙特征及含水率是影響導(dǎo)熱性的主要因素?？紫堵试酱?，導(dǎo)熱性越低。含有大量分散不連通孔隙的材料導(dǎo)熱性越低。含水率增加，導(dǎo)熱性提高。導(dǎo)熱性對(duì)于隔熱保溫具有重要意義。一、導(dǎo)熱性 二、比熱及熱容量材料溫度升高(降低)1K時(shí)，所吸收