1.材料的基本性質(zhì).ppt

1、第一章 建筑材料的基本性質(zhì),本章內(nèi)容,第一節(jié) 材料的物理性質(zhì) 第二節(jié) 材料與水有關(guān)的性質(zhì) 第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 第四節(jié) 材料的熱工性質(zhì) 第五節(jié) 材料的耐久性,前 言,在建筑物中，建筑材料要承受各種不同的作用，因而要求建筑材料具有相應(yīng)的不同性質(zhì)，如防水、絕熱、吸聲、耐熱、耐腐蝕等，因此必須熟悉和掌握各種材料的基本性質(zhì)。,第一節(jié) 材料的物理性質(zhì),固體物質(zhì),閉口孔隙,開口孔隙,材料體積組成示意圖,一、材料的密度、表觀密度和堆積密度,定義 指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 公式 式中： 密度，g/cm m材料在干燥狀態(tài)下(105+5 烘干至恒重）的質(zhì)量，g v材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm

2、 測(cè)試方法 將可研磨的材料粉碎磨細(xì)，干燥后用李氏瓶測(cè)定體積，材料磨得越細(xì)越好，測(cè)得的體積越接近真實(shí)體積。,密度,定義 指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 公式 式中：0表觀密度，g/cm或Kg/m m材料的質(zhì)量，g或Kg （可能干燥也可能不干燥） v0材料自然狀態(tài)下的體積，cm或m 測(cè)試方法 對(duì)于規(guī)則形狀的材料，可直接用量具測(cè)得其體積； 對(duì)于不規(guī)則形狀的材料，可采用蠟封法先在表面封閉其孔隙，然后再用排液法測(cè)量其體積。,表觀密度,注意： 當(dāng)材料的含水狀態(tài)變化時(shí)，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化，故測(cè)定材料的表觀密度時(shí)，一定注明含水狀態(tài)。 通常所指的表觀密度是指材料在空氣中的干燥的表觀密度。用 表示。 材

3、料在烘干狀態(tài)下的表觀密度，用 表示。 材料在吸水飽和狀態(tài)下的表觀密度，用 表示。,定義 粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 公式 式中：o堆積密度，Kg/m m 材料的質(zhì)量，Kg vo 材料的堆積體積，m 測(cè)試方法 將干燥的散粒材料試樣裝入規(guī)定尺寸的容器來測(cè)定的。不同的裝料方式，顆粒排列的松緊程度不同，材料的堆積密度又可分為自然堆積密度、緊密堆積密度。,堆積密度,三個(gè)密度所用的體積的區(qū)別： 1.密實(shí)體積v ： v只包括固體物質(zhì)的體積； 2.表觀體積v0 ： v0包括固體物質(zhì)的體積+內(nèi)部全部孔隙的體積 3.堆積體積vo vo包括固體物質(zhì)的體積+顆粒內(nèi)部孔隙的體積+顆粒之間空隙的體積,

4、常用建筑材料的密度、表觀密度、堆積密度,密實(shí)度,定義 材料體積中固體物質(zhì)充實(shí)的程度。 公式 密實(shí)度反映材料的密實(shí)程度，D越大，材料越密實(shí)，含有孔隙的材料，密實(shí)度均小于1。,二、材料的密實(shí)度和孔隙率,孔隙率,定義 材料體積中孔隙體積所占的比例。 公式 孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系：P+D=1 材料的密實(shí)度和孔隙率是從不同方面反映材料的密實(shí)程度，通常采用孔隙率表示。,注意兩點(diǎn)： 1.密度 和表觀密度 單位統(tǒng)一 2.,孔隙特征 孔隙構(gòu)造 連通的孔： 彼此連通且與外界相通 封閉的孔： 相互獨(dú)立且與外界隔絕 孔隙大小 微孔、細(xì)孔、大孔,建筑材料的許多工程性質(zhì)與材料的密實(shí)程度有關(guān)，孔隙的大小及孔隙特征對(duì)其影響很大

5、。 一般來說，同一種材料，孔隙率越小，其強(qiáng)度越高，吸水性越小，抗?jié)B性和抗凍性越好，但是導(dǎo)熱性增大。 連通孔隙越多，容易形成對(duì)流傳熱，導(dǎo)熱性增大。,填充率,定義 散粒材料在某種堆積體積內(nèi)被其顆粒填充的程度。 公式,三、材料的填充率和空隙率,定義 散粒材料在某種堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積所占的比例。 公式 空隙率與填充率的關(guān)系：P+D=1 空隙率的大小反映了散粒材料顆粒間相互填充的致密程度?？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞?jí)配與計(jì)算含砂量的依據(jù)。,空隙率,基本性質(zhì)例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1680 kg/m3，計(jì)算此石子的孔隙率與空隙

6、率？,解1:石子的孔隙率P為： 石子的空隙率P為： 評(píng)注 材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率?？障堵适侵干⒘２牧显谄涠鸭w積中, 顆粒之間的空隙體積所占的比例。計(jì)算式中密度；0材料的表觀密度；，材料的堆積密度。,例2： 有一塊燒結(jié)普通磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2900g，其絕干質(zhì)量為2550g。磚的尺寸為24011553mm，經(jīng)干燥并磨成細(xì)粉后取50g，用排水法測(cè)得絕對(duì)密實(shí)體積為18.62 cm3 。試計(jì)算該磚的吸水率、密度、孔隙率。,材料在空氣中與水接觸時(shí)，根據(jù)材料表面被水潤(rùn)濕的情況，分親水性材料和憎水性材料兩類。 當(dāng)材料分子與水分子間的吸引力大于水分子之間的內(nèi)聚力時(shí)，材料表

7、面就會(huì)被水所潤(rùn)濕。此時(shí)在材料、水和空氣的三相交點(diǎn)處，沿水滴表面所作切線與水和材料接觸的表面之間所成夾角稱為 “ 潤(rùn)濕角 ” 。 當(dāng)90，這種材料屬于親水性材料。,第二節(jié) 材料與水有關(guān)的性質(zhì),親水性與憎水性,材料潤(rùn)濕邊角,如果材料分子與水分子間的吸引力小于水分子之間的內(nèi)聚力，則表示材料不能被水潤(rùn)濕。此時(shí)，潤(rùn)濕角90180，這種材料稱為憎水性材料。 憎水材料具有較好的防水性、防潮性、抗?jié)B性，常用作防潮防水材料, 也可用于親水性材料的表面處理，以減少吸水率，提高抗?jié)B性。 大多數(shù)建筑材料，如石材、磚瓦、陶器、混凝土、木材等都屬于親水性材料，而瀝青、石蠟和某些高分子材料屬于憎水性材料。,吸水性是指材料在

8、水中能吸收水分的性質(zhì)。吸水性的大小用吸水率表示。 吸水率為材料浸水后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)吸入水的質(zhì)量（或體積）占材料干燥質(zhì)量（或干燥時(shí)體積）的百分比。吸水率有兩種表示方法： 質(zhì)量吸水率：,吸水性,材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g 材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g,體積吸水率：,材料吸水率的大小與材料的孔隙率和孔隙構(gòu)造特征有關(guān)。,質(zhì)量吸水率和體積吸水率的關(guān)系 注意： 是材料在 絕干狀態(tài)下的表觀密度。 常用的建筑材料，其吸水率一般用質(zhì)量吸水率表示。 對(duì)多孔吸水材料，其質(zhì)量吸水率往往超過100，此時(shí)用體積吸水率表示；材料受潮后導(dǎo)熱性增大，故保溫隔熱材料需保持干燥狀態(tài)。 一般材料的孔隙率越大，吸水性越強(qiáng)。,材料在潮濕的空

9、氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。 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。計(jì)算式為：,吸濕性,注意 材料在與空氣濕度相平衡時(shí)的含水率稱為平衡 含水率, 建筑材料在正常狀態(tài)下, 均處于平衡含水率狀態(tài),對(duì)于質(zhì)量吸水率和含水率： 在潮濕空氣中： 吸水飽和時(shí)： ,材料在長(zhǎng)期飽和水作用下不被破壞，其強(qiáng)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。 計(jì)算式為： 材料的軟化系數(shù)； 材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度； 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度。,耐水性,工程中將 0.85 的材料稱為耐水材料。經(jīng)常位于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu), 不宜小于0.85；受潮較輕或

10、次要結(jié)構(gòu)所用材料， 不宜小于0.75 。,抗?jié)B性是指材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性可用滲透系數(shù)表示。,抗?jié)B性,工程上(混凝土、砂漿等)也常用抗?jié)B等級(jí)Pn來表示抗?jié)B性。,其中n 為該材料所能承受的最大水壓(0.1Mpa)，如P2 、P4 、P6 、P8 等分別表示材料最大能承受0.2、0.4、0.6、0.8 MPa 的水壓力而不滲水。,抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用(凍融循環(huán))而不被破壞，強(qiáng)度也無顯著降低的性能。 材料的抗凍性用抗凍等級(jí)Fn表示。n表示材料試件經(jīng)n次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，質(zhì)量損失不超過5%，抗壓強(qiáng)度降低不超過25%。n的數(shù)值越大，說明抗凍性愈

11、好。 如F25、F50、F100 等。,抗凍性,材料在凍融循環(huán)作用下破壞的原因： 由于材料內(nèi)部毛細(xì)孔中的水結(jié)冰時(shí)體積膨脹（約9%）, 對(duì)材料孔壁產(chǎn)生巨大壓力，使材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，循環(huán)往復(fù)以致強(qiáng)度下降。,材料傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。材料的導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)表示。 導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是指，單位厚度的材料，當(dāng)兩個(gè)相對(duì)側(cè)面溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量。,第三節(jié) 材料的熱工性質(zhì),導(dǎo)熱性,式中：材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(mK)。 Q傳導(dǎo)的熱量(J)。 d材料的厚度(m)。 A材料傳熱的面積(m2)。 z傳熱時(shí)間(s)。 t1t2材料兩側(cè)的溫度差(K)。 材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱傳導(dǎo)能力越差，

12、絕熱性能越好。工程上把0.175W/(mK)的材料稱為絕熱材料。,一般金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 孔隙率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小。這是因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)由材料固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)所決定的，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，所以孔隙率大的材料其導(dǎo)熱系數(shù)小。 材料受潮或受凍后，水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大很多，故材料含水或含冰時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)急劇增加。所以工程中對(duì)保溫材料應(yīng)特別注意防潮。,材料加熱時(shí)吸收熱量、冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量。熱容量用比熱表示，1g材料溫度升高或降低1K時(shí)，所吸收或放出的熱量稱為比熱。比熱的計(jì)算式為： 式中：Q材料的熱容量(J)。 C材料的比熱容

13、，J/(gK)。 m材料的質(zhì)量(g)。 t1t2材料受熱或冷卻前后的溫差(K)。,熱容量,比熱容與材料質(zhì)量的乘積，稱為材料的熱容量，即材料溫度上升1K須吸收的熱量或溫度降低1K所放出的熱量。 熱容量大, 則材料在吸熱或放熱時(shí),其自身的溫度變化小,即有利于保證室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定為保證建筑物室內(nèi)溫度穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、屋面等）時(shí)，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱容量較大的材料。 常用材料的熱性質(zhì)見下表。,常用材料的熱性質(zhì)指標(biāo),材料在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的體積變化。一般材料在溫度升高時(shí)體積膨脹，溫度下降時(shí)體積收縮。 溫度變形在單向尺寸上的變化稱為線膨脹或線收縮，材料的熱變形性常用線膨脹系數(shù)來衡量，其計(jì)算式如

14、下：,熱變形性,式中：線膨脹系數(shù)(1/K)。 L材料的變形量(mm)。 t2t1材料在升、降溫前后的溫度差(K)。 L材料原來的長(zhǎng)度(mm)。 材料的線膨脹系數(shù)一般都較小，但由于土木工程結(jié)構(gòu)的尺寸較大，溫度變形引起的結(jié)構(gòu)體積變化仍是關(guān)系其安全與穩(wěn)定的重要因素。工程上常用預(yù)留伸縮縫的辦法來解決溫度變形問題。,第四節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì),材料在外力(荷載)作用下抵抗破壞的能力，稱為強(qiáng)度。 當(dāng)材料承受外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生應(yīng)力。隨著外力逐漸增加，應(yīng)力也相應(yīng)增大。直至材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的作用力不能再抵抗這種應(yīng)力時(shí)，材料即破壞，此時(shí)的極限應(yīng)力值就是材料的強(qiáng)度。,強(qiáng)度,根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗拉、抗壓

15、、抗剪和抗彎(抗折)強(qiáng)度。,材料受力示意圖,(a)拉力；(b)壓力；(c)剪切；(d)彎曲,材料的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度的計(jì)算式為：,式中：f材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度，MPa F材料承受的最大荷載， A材料的受力面積，mm2,式中：f材料的抗彎(折)強(qiáng)度，MPa F材料承受的最大荷載， L兩支點(diǎn)之間的距離，mm b材料受力截面的寬度，mm h材料受力截面的高度，mm,材料的抗彎強(qiáng)度的計(jì)算式為：,材料的強(qiáng)度主要取決于它的組成和結(jié)構(gòu)。一般說材料孔隙率越大，強(qiáng)度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，強(qiáng)度也不相同。,強(qiáng) 度 等 級(jí) 概念：為便于應(yīng)用，按材料強(qiáng)度值高低劃分的若 干等級(jí)。脆性材料主要抗

16、壓強(qiáng)度來劃分，如水泥、 混凝土、磚等，塑性材料和韌性材料主要以抗拉強(qiáng) 度來劃分，如鋼材等。 強(qiáng)度等級(jí)與強(qiáng)度的異同：二者都是描述材料抵抗 外力作用時(shí)的破壞能力, 而前者是按強(qiáng)度大小確定 的等級(jí), 后者是概念性名詞。,比 強(qiáng) 度 概念：是指材料強(qiáng)度與體積密度的比值（f /0）。 意義：比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的一項(xiàng)重要指 標(biāo)。選用比強(qiáng)度大的材料對(duì)增加建筑高度、減輕結(jié)構(gòu)自 重、降低工程造價(jià)等具有重大意義。,材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若除去外力后變形隨即消失，這種性質(zhì)稱為彈性。這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形。 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若除去外力后仍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

17、性。不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,彈性與塑性,材料的塑性變形曲線,材料受力破壞時(shí)，無顯著的變形而突然斷裂的性質(zhì)稱為脆性。在常溫、靜荷載下具有脆性的材料稱為脆性材料。 在沖擊、振動(dòng)荷載作用下，材料能夠吸收較大的能量，同時(shí)也能產(chǎn)生一定的變形而不致破壞的性質(zhì)稱為韌性或沖擊韌性。,脆性與韌性,韌性材料的特點(diǎn)是塑形變形大，抗拉、抗壓強(qiáng)度都較高。 建筑工程中，對(duì)承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁、橋梁、路面等均應(yīng)考慮材料的韌性 。,第五節(jié) 材料的耐久性,材料的耐久性是指其在長(zhǎng)期的使用過程中，能抵抗環(huán)境的破壞作用，并保持原有性質(zhì)不變、不破壞的一項(xiàng)綜合性質(zhì)。 由于環(huán)境作用因素復(fù)雜，耐久性也難以用一個(gè)參數(shù)來衡量。工程上通常用材料抵抗使用環(huán)境中主要影響因素的能力來評(píng)價(jià)耐久性，如抗?jié)B性、抗凍性、抗老化和抗碳化等性質(zhì)。,環(huán)境對(duì)材料的破壞作用，可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用，不同材料受到的環(huán)境作用及程度也不相同。