常用建筑材料課件

常用建筑材料

第一節(jié)

材料的基本性質(zhì)建筑材料的物理性質(zhì)建筑材料的物理性質(zhì)可分為與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)、與水有關(guān)的性質(zhì)和與溫度有關(guān)的性質(zhì)。

1．與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)（1）密度。材料的密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，即材料的質(zhì)量與材料在絕對密實狀態(tài)下的體積之比。（2）表觀密度。材料的表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，即材料的質(zhì)量與材料在自然狀態(tài)下的體積之比。（3）密實度。材料的密實度是指材料在絕對密實狀態(tài)下的體積與在自然狀態(tài)下的體積之比。（4）孔隙率。材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料在自然狀態(tài)下的體積的比例。與水有關(guān)的性質(zhì)親水性與憎水性當(dāng)材料與水接觸時可以發(fā)現(xiàn)，有些材料能被水潤濕，有些材料則不能被水潤濕，前者稱材料具有親水性，后者稱具有憎水性。親水性與憎水性材料的特征：

水在憎水性材料的表面有自動收縮成珠的趨勢，不能潤濕材料的表面。對工程防水有利。水在親水性材料的表面是自動散開和鋪展，并自發(fā)地潤濕表面。材料被水濕潤的情況可用潤濕角θ表示。當(dāng)材料與水接觸時，在材料、水以及空氣三相的交點處，作沿水滴表面的切線，此切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕角。親水性憎水性當(dāng)θ≤90°，稱親水性材料。當(dāng)θ＞90°，稱憎水性材料。當(dāng)θ=0°時，稱為鋪展。

θ角愈小，表明材料愈易被水潤濕。材料的親水性與憎水性主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)：有機材料一般是憎水性，無機材料都是親水性上述概念也適用于其它液體對固體的潤濕情況，相應(yīng)稱為親液材料和憎液材料。。材料的吸水性與吸濕性吸水性材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。

A:質(zhì)量吸水率W質(zhì)

B：體積吸水率W體

材料中所吸水分是通過開口孔隙吸入的，故開口孔隙率愈大，則材料的吸水量愈多。材料吸水達飽和時的體積吸水率，即為材料的開口孔隙率。吸水性與孔隙率和孔隙特征的關(guān)系閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。如果材料有很多的開口貫通的毛細孔隙，在毛細孔作用下材料的吸水率就很大。各種材料的吸水率很不相同，差異很大，如:

花崗巖的吸水率只有0.5％～0.7％，

混凝土的吸水率為2％～3％，

粘土磚的吸水率達8％～20％，

木材的吸水率可超過100％。吸濕性

材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。潮濕材料在干燥的空氣中也會放出水分，吸濕作用一般可逆。材料的吸濕性用含水率表示。含水率系指材料內(nèi)部所含水重占材料干重的百分率。用公式表示為：

式中Wh——材料的含水率，％；

ms——材料在吸濕狀態(tài)下的重量，g；

mg——材料在干燥狀態(tài)下的重量，g。

材料的吸濕性隨空氣的濕度和環(huán)境溫度的變化而改變，當(dāng)空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率就大，反之則小。材料中所含水分與空氣的濕度相平衡時的含水率，稱為平衡含水率。材料的耐水性

材料長期在飽和水作用下不破壞，強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，如下式：式中KR——材料的軟化系數(shù)；

fb——材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度，MPa；

fg——材料在干燥狀態(tài)的抗壓強度，MPa。KR的大小表明材料在浸水飽和強度降低的程度。一般來說，材料被水浸濕后，強度均會有所降低，軟化系數(shù)介于0～1之間。這是因為水分被組成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒間的結(jié)合力所致。

工程中將KR＞0.80的材料，通常認為是耐水的材料。在設(shè)計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)時，必須選用KR＞0.85的建筑材料。對用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其KR值不宜小于0.75。材料的抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性，或稱不透水性。材料的抗?jié)B性通常用滲透系數(shù)表示。滲透系數(shù)的物理意義是：一定厚度的材料，在一定水壓力下，在單位時間內(nèi)透過單位面積的水量。用公式表示為

式中

Ks——材料的滲透系數(shù),cm／h；

Q——滲透水量,cm3；

d——材料的厚度,cm；

A——透水面積,cm2；

t——透水時間,h；

H——靜水壓力水頭差,cm。Ks值愈大,表示材料滲透的水愈多，即抗?jié)B性愈差。

抗?jié)B性是決定材料耐久性的主要指標。材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級來表示，抗?jié)B等級是在規(guī)定試驗方法下材料所能抵抗的最大水壓力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水壓力而不滲透。

材料的抗?jié)B性與材料內(nèi)部的孔隙率特別是開口孔隙率有關(guān)，開口孔隙率越大，大孔含量越多，則抗?jié)B性越差。材料的抗?jié)B性還與材料的憎水性和親水性有關(guān)，憎水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。材料的抗?jié)B性與材料的耐久性有著密切的關(guān)系。

地下建筑及水工建筑等，因經(jīng)常受壓力水的作用，所用材料應(yīng)具有一定的抗?jié)B性。對于防水材料則應(yīng)具有好的抗?jié)B性。

材料的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、強度不顯著降低（不大于25%）、質(zhì)量不顯著減少（不大于5%）的性質(zhì)，稱為材料的抗凍性。材料的抗凍性用抗凍等級表示?？箖龅燃壉硎静牧衔柡秃蟮牟牧辖?jīng)過規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)，其試件的質(zhì)量損失或相對動彈性模量下降符合有關(guān)標準規(guī)范的規(guī)定值?；炷恋目箖龅燃壱苑枴癋n”表示，其中“n”即為最大凍融循環(huán)次數(shù)，如F25：表示材料經(jīng)過25次凍融循環(huán)而未超過規(guī)定的損失程度。材料受凍融破壞主要是因其毛細孔中的水結(jié)冰所致，水結(jié)冰時體積增大約11.1％，若材料孔隙中充滿水，則結(jié)冰膨脹對孔壁產(chǎn)生很大應(yīng)力，致使材料局部破壞。融化時，則是由外向內(nèi)逐層進行的，在內(nèi)外層之間形成壓力差和溫度差，從而加速了材料的破壞。隨著凍融次數(shù)的增多，材料破壞加重。所以材料的抗凍性取決于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充滿水，即遠未達飽和，具有足夠的自由空間，則即使受凍也不致產(chǎn)生很大凍脹應(yīng)力。極細的孔隙，雖可充滿水，但因孔壁對水的吸附力極大，吸附在孔壁上的水其冰點很低，它在一般負溫下不會結(jié)冰。粗大孔隙一般水分不會充滿其中，對冰脹破壞可起緩沖作用。閉口孔隙水分不能滲入。毛細管孔隙既易充滿水分，又能結(jié)冰，故其對材料的冰凍破壞作用影響最大。1.1.4材料的熱工性質(zhì)

熱容量和比熱材料的熱容量指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力，可用下式表示：式中Q——材料的熱容量，kJ；

m

——材料的重量，kg；

t1-t2

——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K；

C——材料的比熱，kJ／(kg·K)。材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。用公式表示為：導(dǎo)熱性

當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側(cè)、通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。

材料的導(dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是：厚度為1m的材料，當(dāng)溫度每改變1K時，在lh時間內(nèi)通過1m2面積的熱量。用公式表示為：式中

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·K)；

Q

——傳導(dǎo)的熱量，J；

a

——材料的厚度，m；

A

——材料傳熱的面積，m2；

Z

——傳熱時間，h；

(t1-t2)——材料兩側(cè)溫度差，K。材料名稱

導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)

比熱J/(g·K)鋼

550.46銅

3700.38花崗巖

3.490.92普通混凝土

280.88水泥砂漿

0.930.84普通粘土磚

0.810.84粘土空心磚

0.640.92松木

0.17～0.352.51泡沫塑料

0.031.30冰

2.202.05水

0.604.19靜止空氣

0.025

表1-1常用建筑材料的熱工性質(zhì)指標材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示其絕熱性能愈好。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料。材料的導(dǎo)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數(shù)，設(shè)計時應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)較小而熱容量較大的建筑材料，以使建筑物保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。1.2材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在外力作用下所引起的變化的性質(zhì)。這些變化包括材料的變形和破壞。材料的變形指在外力的作用下，材料通過形狀的改變來吸收能量。根據(jù)變形的特點，分為彈性變形和塑性變形。材料的破壞指當(dāng)外力超過材料的承受極限時，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化。根據(jù)破壞形式的不同，材料可分為脆性材料和韌性材料。1.2.1強度定義：材料的強度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力。從本質(zhì)上來說，材料的強度應(yīng)是其內(nèi)部質(zhì)點間結(jié)合力的表現(xiàn)。受外力作用時，在材料內(nèi)部便產(chǎn)生應(yīng)力，此應(yīng)力隨外力的增大而增大，當(dāng)應(yīng)力增大到材料內(nèi)部質(zhì)點間結(jié)合力所能承受的極限時，應(yīng)力再增加便會導(dǎo)致內(nèi)部質(zhì)點間的斷開，此極限應(yīng)力值就是材料的極限強度，通常簡稱為強度。根據(jù)所受外力的作用形式不同，材料強度可分為抗壓強度、抗拉強度、抗彎(抗折)強度、抗剪強度等材料的抗壓、抗拉、抗剪強度可直接由下式計算：

f=F/A

式中:f—材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa；

F—材料破壞時的最大荷載，N

A

—受力截面面積，m2

對于抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當(dāng)外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算：

fm=3FL/2bh2若在此試件跨距的三分點上加兩個相等的集中荷載（F/2），抗彎強度按下式計算：

fm=FL/bh2式中fm

—材料的抗彎(抗折)

強度，MPa；

F—材料破壞時的最大荷載,N；

b，h

—試件橫截面的寬和高，mm。

比強度是指按單位體積質(zhì)量計算的材料強度，即材料的強度與其表觀密度之比（f/ρ0）,是反映材料輕質(zhì)高強的力學(xué)參數(shù).結(jié)構(gòu)材料在土木工程中的主要作用，就是承受結(jié)構(gòu)荷載，對大部分建（構(gòu)）筑物來說，相當(dāng)一大部分的承載能力用于承受材料本身的自重。因此，欲提高結(jié)構(gòu)材料承受外荷載的能力，一方面應(yīng)提高材料的強度；另一方面應(yīng)減輕材料本身的自重，這就要求材料應(yīng)具備輕質(zhì)高強的特點。如下表：松木比低碳鋼的輕質(zhì)高強性能更顯著。

材料表觀密度/(kg/m3)強度/MPa

比強度低碳鋼78504200.054普通混凝土（抗壓）2400400.017松木（順紋抗拉）500340.068玻璃鋼20004500.225燒結(jié)普通磚（抗壓）

1700100.006表1-3幾種主要材料的比強度1.2.2彈性與塑性

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。彈性與塑性的區(qū)別彈性變形數(shù)值大小與外力成正比，其比例系數(shù)稱為彈性模量，材料在彈性變形范圍內(nèi)，彈性模量為常數(shù)。彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標，彈性模量愈大，材料愈不易變形，彈性模量是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于：彈性變形為可逆變形塑性變形為不可逆變形

實際上，單純的彈性材料是沒有的，大多數(shù)材料在受力不大的情況下表現(xiàn)為彈性，受力超過一定限度后則表現(xiàn)為塑性，所以可稱之為彈塑性材料。非線性特征：應(yīng)力～應(yīng)變曲線不是直線而是曲線應(yīng)力與應(yīng)變之比——彈性模量不是常數(shù)線彈性特征：應(yīng)力與應(yīng)變成正比；應(yīng)力～應(yīng)變曲線是一條直線應(yīng)力與應(yīng)變之比(直線斜率)是彈性模量，為常數(shù)。1.2.3韌性與脆性材料受外力作用，當(dāng)外力達一定值時，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生較大的變形而不破壞，這種性質(zhì)稱為韌性。

1.2.4硬度與耐磨性材料另一個重要的力學(xué)性能是硬度。它是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。金屬材料等的硬度常用壓入法測定，如布氏硬度法，是以單位壓痕面積上所受的壓力來表示。陶瓷等材料常用刻劃法測定。一般情況下，硬度大的材料強度高、耐磨性較強，但不易加工。所以，工程中有時用硬度來間接推算材料的強度。耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

1.3.1材料的耐久性材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)，統(tǒng)稱之為耐久性。耐久性是一種復(fù)雜的、綜合的性質(zhì),包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環(huán)境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用。要根據(jù)材料所處的結(jié)構(gòu)部位和使用環(huán)境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據(jù)各種材料的耐久性特點，合理地選用。

環(huán)境對材料的破壞作用

物理作用主要有干濕交替、溫度變化、凍融循環(huán)等等，這些變化會使材料體積產(chǎn)生膨脹或收縮，或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴展，長久作用后會使材料產(chǎn)生破壞

化學(xué)作用主要是指材料受到酸、堿、鹽等物質(zhì)的水溶液或有害氣體的侵蝕作用，使材料的組成成分發(fā)生質(zhì)的變化，而引起材料的破壞。如鋼材的銹蝕等

生物作用主要是指材料受到蟲蛀或菌類的腐朽作用而產(chǎn)生的破壞。如木材等一類的有機質(zhì)材料，常會受到這種破壞作用的影響。1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性土木工程材料的環(huán)境協(xié)調(diào)問題日益受到重視。材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指材料在生產(chǎn)、使用和廢棄全壽命周期中要有較低的環(huán)境負荷，包括生產(chǎn)中廢物的利用、減少三廢的產(chǎn)生，使用中減少對環(huán)境的污染，廢棄時有較高可回收率。1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對性能的影響

性能組成結(jié)構(gòu)材料的組成—結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系材料組成、結(jié)構(gòu)與性能之關(guān)系

——現(xiàn)代材料科學(xué)的核心1.4.1材料的組成及其對材料性質(zhì)的影響

材料的組成是指材料的化學(xué)成分、礦物組成和相組成。材料組成是材料性質(zhì)的基礎(chǔ)，它對材料的性質(zhì)起著決定性的作用。

化學(xué)組成化學(xué)組成是指構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類和數(shù)量。

礦物組成礦物－－具有一定化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征的天然化合物或單質(zhì)，也指具有特定晶體結(jié)構(gòu)、特定物理力學(xué)性能，類似于天然礦物的物相或化合物。礦物組成－－構(gòu)成材料的礦物種類及其含量

相組成固相連續(xù)相分散相：纖維與顆粒氣相液相

化學(xué)組成與礦物組成的關(guān)系化學(xué)組成相同，其礦物組成不一定相同例如：半水石膏的化學(xué)成分為CaSO4

0.5H2O，但它有

-、-、-等3種礦物相。例如：兩種鋼材的金相照片，兩者化學(xué)組成接近，主要差別是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ則為0.2％～0.4％，但礦物組成則差別較大。

不同的礦物相，其化學(xué)組成可能相同。例如：水泥熟料中的硅酸二鈣和硅酸三鈣兩種不同礦物相的化學(xué)成分均是CaO和SiO2。礦物組成相同，其化學(xué)組成一定相同。

化學(xué)組成與性能的關(guān)系土木工程材料的組成不同，其性能可完全不同材料組成微小差別就可引起材料性能根本的改變材料中物相含量的變化就可導(dǎo)致材料質(zhì)的突變

組成與性能關(guān)系小結(jié)礦物組成與化學(xué)組成的關(guān)系化學(xué)組成相同，其礦物組成不一定相同不同的礦物相，其化學(xué)組成可能相同礦物組成相同，其化學(xué)組成一定相同材料組成與性能的關(guān)系材料組成微小差別就可引起材料性能根本的改變材料中物相含量的變化就可導(dǎo)致材料質(zhì)的突變1.4.2材料的結(jié)構(gòu)及其對材料性質(zhì)的影響材料的結(jié)構(gòu)材料中所含各物相的類型、尺寸、形狀、數(shù)量及其分布。物相或化合物中各離子、原子、分子與超細顆粒等質(zhì)點的堆積方式和幾何形狀，以及纖維的排布等。材料結(jié)構(gòu)層次：宏觀構(gòu)造細觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)尺寸為～10-3m(肉眼可分辯)尺寸為10-6~10-3m(光學(xué)顯微鏡可辯)尺寸為＜10-6m(電子顯微鏡)尺寸為10-10~10-8m(高倍電鏡)

第二節(jié)

建筑鋼材

建筑鋼材：建筑用黑色和有色金屬材料以及它們與其他材料所組成的復(fù)合材料的統(tǒng)稱。

鐵和鋼的區(qū)別在于它們含碳量的不同（分別為2%-4.3%和0.03%-2%）。鋼的分類鋼是含碳量在0.03%-2.00%之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.3%。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。鋼的分類方法多種多樣，其主要方法有如下七種：1、按品質(zhì)分類(1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.050%）(2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.035%）(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼（P≤0.035%，S≤0.030%）2.、按化學(xué)成份分類(1)碳素鋼：a.低碳鋼（C≤0.25%）；b.中碳鋼（C≤0.25~0.60%）；c.高碳鋼（C≤0.60%）。(2)合金鋼：a.低合金鋼（合金元素總含量≤5%）；b.中合金鋼（合金元素總含量＞5~10%）；c.高合金鋼（合金元素總含量＞10%）。3、按成形方法分類：(1)鍛鋼；(2)鑄鋼；(3)熱軋鋼；(4)冷拉鋼。4、按金相組織分類(1)退火狀態(tài)的：a.亞共析鋼（鐵素體+珠光體）；b.共析鋼（珠光體）；c.過共析鋼（珠光體+滲碳體）；d.萊氏體鋼（珠光體+滲碳體）。(2)正火狀態(tài)的：a.珠光體鋼；b.貝氏體鋼；c.馬氏體鋼；d.奧氏體鋼。(3)無相變