第1章建筑材料基本性質(zhì)

第一章

土木工程材料的基本性質(zhì)

一、教學(xué)要求掌握材料的組成與構(gòu)造，掌握材料的物理、力學(xué)性質(zhì)及耐久性。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)1．建筑材料的各種情況下的密度計(jì)算2．建筑材料的構(gòu)造3．建筑材料的力學(xué)性質(zhì)4．建筑材料與水有關(guān)的性質(zhì)第一節(jié)材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的各種性能主要取決于其組成和結(jié)構(gòu)一、化學(xué)組成：（材料化學(xué)成分的組合形式）元素組成：材料的化學(xué)成分的構(gòu)成。礦物組成：由相同化學(xué)組成而形成的性質(zhì)不同化合物。二、微觀結(jié)構(gòu)：材料從宏觀到微觀不同層次的構(gòu)造情況。微觀結(jié)構(gòu)：原子、分子、離子層次的組成形式（10-10m）：【晶體結(jié)構(gòu)】【玻璃體結(jié)構(gòu)】【膠體結(jié)構(gòu)】三、宏觀構(gòu)造：

【致密狀構(gòu)造】（鋼材、玻璃）密度大、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性高【多孔狀構(gòu)造】（加氣砼、發(fā)泡塑料、石膏制品

）【微孔狀構(gòu)造】（石膏制品、燒結(jié)磚）【散粒狀構(gòu)造】（砂、石子）【纖維狀構(gòu)造】（木材、玻璃棉）各向異性【層狀構(gòu)造】（膠合板、夾層玻璃、紙面石膏板）各向異性

四、建筑材料的孔隙1．孔隙形成的原因（1）水分的占據(jù)作用：（2）外加劑的發(fā)泡作用：（3）火山作用：（4）熔燒作用：2．孔隙的類(lèi)型：（1）連通孔：（亦稱(chēng)開(kāi)口孔隙）孔隙之間與外界間都連通。（2）封閉孔：（亦稱(chēng)閉口孔隙）孔隙之間不連通，孔壁致密。（3）半封閉孔：孔隙孤立，?？妆谟幸欢ㄍ笟狻⑼杆?。3．孔隙的特征參數(shù)及對(duì)材質(zhì)影響：（1）特征參數(shù)

孔隙率：孔隙的多少

孔隙大?。捍执罂祝╩m以上）；細(xì)小孔:（μm~mm）吸水↑抗凍性↓極細(xì)微孔：（十分之幾μm）無(wú)害。連通情況：連通孔，封閉孔.（2）孔隙對(duì)材性的影響：

體積密度；強(qiáng)度；導(dǎo)熱性及熱容性；吸水性；透水性；物理性質(zhì)：包括材料的密度、孔隙狀態(tài)、與水有關(guān)的性質(zhì)、熱工性能等。

化學(xué)性質(zhì)：包括材料的的抗腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等，因材料的化學(xué)性質(zhì)相異較大，故該部分內(nèi)容在以后各章中分別敘述。

力學(xué)性質(zhì)：材料的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)包括在物理性質(zhì)中，但因其對(duì)建筑物的安全使用有重要意義，故對(duì)其單獨(dú)研究，包括材料的強(qiáng)度、變形、脆性和韌性、硬度和耐磨性等。

耐久性：材料的耐久性是一項(xiàng)綜合性質(zhì)，雖很難對(duì)其量化描述，但對(duì)材料的使用至關(guān)重要。材料的基本性質(zhì)可歸納為以下幾類(lèi)：材料的體積構(gòu)成V開(kāi)（開(kāi)口孔隙體積）V閉V（絕對(duì)密實(shí)體積）V0（自然體積）V0’

（堆積體積）V+V閉=V’（表觀體積）（閉口孔隙體積）第二節(jié)材料的基本狀態(tài)參數(shù)一、材料的密度、表觀密度和堆積密度（一）密度density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。公式：ρ=m/V

李氏瓶“V”的測(cè)定：（a）密實(shí)材料（形狀規(guī)則）：測(cè)量計(jì)算（V＝V+V閉)（b）非密實(shí)材料：磨成細(xì)粉→粉末體積認(rèn)為V，消除孔隙影響。（二）表觀密度apparentdensity表觀密度是指材料在包括閉口孔隙條件下單位體積的質(zhì)量。公式：（三）體積密度（容重）體積密度是材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。公式：ρ0=m/V0“V0”的測(cè)定：（1）形狀規(guī)則：測(cè)量（2）形狀不規(guī)則：排水法（需表面涂臘）ρ0的影響因素：材料本身（組成、孔隙）;材料的含水情況（四）堆積密度bulkdensity堆積密度是指散粒材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。公式：

“V0”的測(cè)定：容積桶或測(cè)量外包體積。ρ0的影響因素：材料本身（組成、孔隙）；含水情況；堆積狀況。(4)幾種密度間的區(qū)別（1）大?。害选荭选荭?≥ρ0(同一材料)（2）影響因素：（3）計(jì)算表示式中體積的不同

ρ:V＝V＋V閉；

ρ0:V0＝V＋V閉＋V開(kāi)＝V＋V孔

ρ0:V0＝V＋V閉＋V開(kāi)＋V空＝V＋V孔＋V空（4）計(jì)算表達(dá)式中質(zhì)量的不同

ρ，ρ中m為絕對(duì)干燥的質(zhì)量

ρ0，ρ0中m為自然狀態(tài)下的質(zhì)量（可能含水）二、材料的密實(shí)度

degreeofcompaction

材料密實(shí)度是指在材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度。公式表示如下：D=V/V0=ρ0/ρ三、材料的孔隙和空隙（一）材料的孔隙

airvoids材料中含有孔隙的多少常用孔隙率表示?？紫堵适侵覆牧蟽?nèi)部孔隙體積占材料總體積的百分率。材料的密實(shí)度和孔隙率之和等于1，即D+P=1開(kāi)口孔隙率材料中能被水飽和（即被水所充滿）的孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率

閉口孔隙率（二）材料的空隙void散粒材料顆粒間的空隙常用空隙率表示?？障堵适侵干⒘２牧项w粒間的空隙體積(包括開(kāi)口孔隙)占堆積體積的百分率。公式：

結(jié)論：土木工程材料要承受不同的作用，因而要求材料具有相應(yīng)的不同性質(zhì)，如：受力不同選用不同力學(xué)性能的材料使用功能不同選用材料功能不同路面材料不同部位

1、一般地，孔隙率小且連通孔較小的材料，其吸濕性小、強(qiáng)度較高、抗?jié)B性、抗凍性較好！2、材料的密實(shí)度反映了材料的致密程度。材料的很多性能，如強(qiáng)度、吸水性、耐久性、導(dǎo)熱性等均與密實(shí)度有關(guān)！3、孔隙特征：（1）按孔的大小可分為微孔、細(xì)孔和大孔；（2）按是否連通分為連通孔和孤立孔；（3）按是否與外界連通分為開(kāi)口孔和封閉孔。注意?材料的狀態(tài)特征，如密度、體積等；?材料的力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、耐磨性等；?材料與水有關(guān)的性質(zhì)，如吸濕性、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性等；?材料的熱容性質(zhì)，如保溫性；?材料的聲學(xué)性質(zhì)，如吸聲性等。4.材料的孔隙率及孔隙特征第三節(jié)材料的物理性能一、材料的親水性與憎水性材料的親水性與憎水性親水性wateraffinity憎水性hydrophobicity

濕潤(rùn)角親水性材料：θ≤90的材料（水與材料間吸引力>水分子間吸引力）材料能被水潤(rùn)濕（親水）憎水性材料：θ>90的材料(水與材料間吸引力<水分子間吸引力)材料不能被水潤(rùn)濕（憎水）注：材料的四種含水狀態(tài)：干燥狀態(tài)氣干狀態(tài)飽和面干狀態(tài)濕潤(rùn)狀態(tài)二、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.吸濕性hygroscopicity材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。2.材料的吸水性

材料能吸收水分（飽和）的能力，稱(chēng)為材料的吸水性。吸水的大小以吸水率來(lái)表示。

還濕性平衡含水率質(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，并以ｗ表示。

體積吸水率——材料吸水飽和時(shí)，所吸水分體積占材料干燥狀態(tài)時(shí)體積的百分率.計(jì)算式：

Wv=(m1-m2)/V0*100%(W0≯1)（可大于1）影響吸水率的因素：材料的親水、憎水性；孔隙率；孔隙形態(tài)特征（孔徑大小，孔隙連通狀態(tài)）吸水率對(duì)材料性能影響：（指吸水飽和后）W↑ρ0↑導(dǎo)熱性↑強(qiáng)度↓抗凍性↓

兩種吸水率間的關(guān)系：Wv/Wm=m2/V0=ρ0(干燥體積密度)即Wv=Wmρ0（ρ0<1，Wv<Wm材料較水輕）（ρ0>1，Wv>Wm材料較水重）3、耐水性材料在長(zhǎng)期飽合水作用下，保持其原有性質(zhì)（不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低）的能力。技術(shù)指標(biāo)：軟化系數(shù)KPKP＝fw/f(0~1)fw－材料浸水飽和時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa。f－材料干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。Kp↑耐水性↑Kp↓耐水性↓材料的耐水性越差，其使用環(huán)境將受到很大限制。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，使材料強(qiáng)度有不同程度的降低。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)度嚴(yán)重降低。

耐水性及軟化系數(shù) 材料軟化系數(shù)范圍在0至1之間。軟化系數(shù)越小，材料的耐水性越差，其使用環(huán)境將受到很大限制。 軟化系數(shù)ＫＲ＞0.85的材料稱(chēng)為耐水性材料，耐水材料可用在水中或潮濕環(huán)境中以及重要工程中。 即使用于一般受潮較輕或次要的工程部位時(shí)，材料的軟化系數(shù)也不得小于0.75?？箖鲂?/p>

4.抗凍性freezeresistance 抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。 材料吸水后，在負(fù)溫作用條件下，水在材料毛細(xì)孔內(nèi)凍結(jié)成冰，體積膨漲所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱(chēng)為凍融破壞?？箖龅燃?jí)

5.抗凍性

材料抗凍性以試件在凍融后的質(zhì)量損失、外形變化或強(qiáng)度降低不超過(guò)一定限度時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)表示，或稱(chēng)為抗凍等級(jí)。

材料抗凍等級(jí)：

Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200。

材料可承受的凍融循環(huán)次數(shù)：

15次、25次、50次、100次、200次。 材料的抗凍性與材料的強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、耐水性和吸水飽和程度有關(guān)?？?jié)B性含義如：抗凍標(biāo)號(hào)F8，表示滿足強(qiáng)度損失≯25％，質(zhì)量損失≯5％的情況下，材料可經(jīng)受最多8次凍融循環(huán)。

6.抗?jié)B性及抗?jié)B等級(jí) 抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。土木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。抗?jié)B性系數(shù)滲透系數(shù)permeabilityefficient

根據(jù)達(dá)西定律，滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下：K=Qd/AtH抗?jié)B等級(jí)抗?jié)B等級(jí)是以規(guī)定的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下所能承受的最大水壓力來(lái)確定。抗?jié)B等級(jí)以符號(hào)“P”和材料可承受的水壓力值（以0.1MPa為單位）來(lái)表示:p2,p4,p6,p8.三、材料的熱工性能（一）導(dǎo)熱性thermalconductivity導(dǎo)熱性是材料傳導(dǎo)熱量的能力。導(dǎo)熱性的大小以導(dǎo)熱系數(shù)表示.導(dǎo)熱系數(shù)的含義是當(dāng)材料兩側(cè)的溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間（1h）內(nèi)，通過(guò)單位面積(1㎡),并透過(guò)單位厚度(1m)的材料所傳導(dǎo)的熱量。傳熱量公式：λ——導(dǎo)熱系數(shù)d——材料厚度t——傳熱時(shí)間。材料的導(dǎo)熱示意圖λ↓,絕熱性↑,保溫隔熱性能↑絕熱材料：λ<0.15w/m·k影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素：1）化學(xué)組成和（顯微）結(jié)構(gòu)：λ晶體>λ玻璃體

λ金屬>λ無(wú)機(jī)

λ無(wú)機(jī)>λ有機(jī)2）體積密度：ρ0↑（P↓）λ↑3）孔隙狀況：P↑P閉↑孔徑小λ↓4）環(huán)境的溫、濕度

2.330.580.023

λ冰>λ水>λ空氣

4倍25倍

（二）熱容量heatcapacity熱容量是材料受熱時(shí)吸收熱量或冷卻時(shí)放出熱量的能力。熱容量的大小用比熱容表示。比熱容指1g材料溫度升高1K所吸收的熱量或溫度降低1K放出的熱量。（三）溫度變形temperaturedeformation溫度變形是指材料在溫度變化時(shí)的尺寸變換，除個(gè)別的如水結(jié)冰之外，一般材料均符合熱脹冷縮這一自然規(guī)律。

第三節(jié)材料的力學(xué)性質(zhì)1.材料的強(qiáng)度strength

材料的強(qiáng)度是指材料在外力作用下不破壞時(shí)能承受的最大應(yīng)力。1)抗壓強(qiáng)度compressionstrength：用㎏/C㎡表示，也可用KN千牛，混凝土柱是250㎏/C㎡。2)抗拉強(qiáng)度tensilestrength3)抗剪強(qiáng)度shearstrength4)抗彎強(qiáng)度bendingstrength(抗折強(qiáng)度)

-材料所受外力示意圖（a）壓力（b）拉力（c）彎曲（d）剪切2、試驗(yàn)條件對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的影響（1）試件的形狀和尺寸：f立方體>f棱柱體

f大尺寸<f小尺寸

（大尺寸試件：①受摩擦力影響小；②缺陷出現(xiàn)機(jī)率大。）（2）材料試件的表面狀態(tài)：f光滑表面<f粗糙表面（3）材料的含水狀況：f含水≤f干燥（4）材料的溫度：f濕度高≤f溫度低（5）加荷速度：

f加荷快≥f加荷慢結(jié)論：為使試驗(yàn)結(jié)果有可比性，必須根據(jù)規(guī)定方法（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。3、材料的強(qiáng)度等級(jí)按材料強(qiáng)度值大小劃分的等級(jí)稱(chēng)為材料的強(qiáng)度等級(jí)。材料強(qiáng)度等級(jí)與強(qiáng)度的關(guān)系與區(qū)別：材料強(qiáng)度值是其力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)（是隨機(jī)連續(xù)的）；標(biāo)號(hào)（強(qiáng)度等級(jí)）是根據(jù)強(qiáng)度劃分的級(jí)別（是人為確定,不連續(xù)的）

。4、比強(qiáng)度按材料單位質(zhì)量計(jì)算的強(qiáng)度（MPa/kg/m3），是材料輕質(zhì)高強(qiáng)的標(biāo)志。（f/ρ0：鋼：73~78、塑料：100~400）二、材料的彈性與塑性1.彈性elasticity塑性plasticity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)原來(lái)形狀的性質(zhì),稱(chēng)為彈性.這種可恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形.若除去外力,材料仍保持變形后的形狀和尺寸,且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì),稱(chēng)為塑性.此種不可恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形.2、彈性模量：彈性模量表示材料在彈性范圍（線彈性范圍）內(nèi)應(yīng)變?chǔ)排c應(yīng)力σ間的線性關(guān)系。ε＝σ／E

E＝σ／εE↑，在相同σ條件下，ε越小。也說(shuō)明材料在外力作用下抗彈性變形能力越強(qiáng)。三、材料的脆性與韌性脆性brittleness韌性toughness當(dāng)外力作用達(dá)到一定限度后，材料突然破壞且破壞是無(wú)明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱(chēng)為脆性。具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為脆性材料。材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能產(chǎn)生較大的變形而不致破壞的性質(zhì)稱(chēng)為韌性。具有這種性質(zhì)的材料稱(chēng)為韌性材料。脆性材料的力學(xué)性能特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，破壞時(shí)的極限應(yīng)變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。四、材料的硬度和耐磨性硬度hardness是材料抵抗較硬物質(zhì)刻劃或壓入的能力。測(cè)定硬度的方法很多，常用刻劃法和壓入法。耐磨性abrasionresistance是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐模性用磨損率表示，計(jì)算公式如下：M=（M1-M2）/A壓入法測(cè)量硬度示意

材料的耐久性durability——是指用于構(gòu)筑物的材料在環(huán)境的各種因素影響下，能長(zhǎng)久地保持其性能的性質(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。

第四節(jié)材料的耐久性例1-1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？解：石子的孔隙率P為：石子的空隙率P，為：例1-2某地卵石，已按規(guī)定將其磨細(xì)，過(guò)篩。烘干后稱(chēng)取50g，用李氏瓶測(cè)得其體積為18.9cm3。另有卵石樣本