建筑材料的基本性質(zhì)和主要參數(shù)

1、建筑材料的基本性質(zhì)和主要參數(shù) 建筑材料的基本性質(zhì):是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時(shí)，通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。 因?yàn)橥聊窘ㄖ牧纤幗ǎ?gòu)）筑物的部位不同、使用環(huán)境不同、人們對(duì)材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性質(zhì)也就有所不同。建筑材料的基本參數(shù)密度、表觀密度、堆積密度孔隙率、空隙率強(qiáng)度、硬度脆性和韌性親水性、憎水性吸水性、吸濕性耐水性、抗?jié)B性、抗凍性導(dǎo)熱性、熱阻耐久性第一節(jié) 材料的狀態(tài)參數(shù)1 . 材料的體積體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態(tài)，因而表現(xiàn)出不同的體積。 1.1 絕對(duì)密實(shí)體積() 1.2 表觀體積(V0) 1.3 堆積體積(V) 1.

2、1 材料的絕對(duì)密實(shí)體積： 干材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積。即材料內(nèi)部沒(méi)有孔隙時(shí)的體積，或不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。 以表示材料的絕對(duì)密實(shí)體積。1.2 材料的表觀體積： 材料在自然狀態(tài)下的體積，即整體材料的外觀體積（含內(nèi)部孔隙和水分）。以V0 表示材料的表觀體積。材料的表觀體積是指包括內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。除鋼、玻璃外，大多數(shù)材料的表觀體積中包含有內(nèi)部孔隙，材料組成結(jié)構(gòu)示意圖 1.3 材料的堆積體積： 粉狀或粒狀材料，在堆集狀態(tài)下的總體外觀體積。根據(jù)其堆積狀態(tài)不同，同一材料表現(xiàn)的體積大小可能不同，松散堆積下的體積較大，密實(shí)堆積狀態(tài)下的體積較小。材料的堆集體積一般以 V0來(lái)表示。材料組成結(jié)構(gòu)示意圖2、

3、材料的密度、表觀密度與堆積密度 2.1 密度（絕對(duì)密實(shí)密度） () 2.2 表觀密度 (0) 2.3 堆積密度 (0)2.1 材料的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： 式中：密度, g/cm3 或 kg/m3m材料的質(zhì)量，g 或 kgV材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3 或 m3 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)后采用排開液體的方法來(lái)測(cè)定其體積。2.2 材料的表觀密度表觀密度（俗稱“容重”）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：式中：0材料的表觀密度, g/cm3 或 kg/m3 材料中孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總

4、質(zhì)量（有時(shí)還影響其表觀體積）。因此，材料的表觀密度會(huì)在一定的范圍內(nèi)變化。 2.3 材料的堆積密度堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算： 粉狀或粒狀材料的質(zhì)量是指填充在一定容器內(nèi)的材料質(zhì)量，其堆積體積是指所用容器的容積而言。因此，材料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙。3.孔隙與孔隙率孔隙 孔隙形成的原因(1).水分子的占據(jù)作用 建筑材料加水拌和,用水量通常超過(guò)理論上 的用水量, 多余的水分占據(jù)的空間即為孔隙。(2).外加的發(fā)泡作用 如生產(chǎn)加氣混泥土等的各種發(fā)泡劑,可在材料中形成大量的孔隙。(3).火山作用 火山爆發(fā)時(shí),噴到空中的巖漿,冷卻后在巖石中形成大量的孔隙。(4

5、).燒結(jié)作用孔隙的類型孔隙的類型 1.連通孔隙 2.半封閉孔隙 3.封閉孔隙 4.空隙 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。孔隙率P按下式計(jì)算： 3.3 材料的密實(shí)度密實(shí)度是指材料體積內(nèi)固體物質(zhì)所占的百分率。密實(shí)度的計(jì)算式如下： 對(duì)于絕對(duì)密實(shí)材料， 因 0 = ，故密實(shí)度D =1 或 100%。對(duì)于大多數(shù)土木工程材料， 因 0 ，故密實(shí)度D 1 或 D 100%。P :孔隙率 4. 空隙率 空隙率是指散粒材料在其堆積體積中, 顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率P 按下式計(jì)算： 0材料的表觀密度;0，材料的堆積密度 空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒互相填充的致密程度?？障?/p>

6、率可作為控制混凝土骨料級(jí)配與計(jì)算含砂率的依據(jù)。討論1-1 材料的密度、表觀密度、堆積密度有何區(qū)別？如何測(cè)定？材料含水后對(duì)三者有什么影響？密度：表觀密度：堆積密度：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。含水與否對(duì)密度、表觀密度無(wú)影響，因密度、表觀密度均是對(duì)干燥狀態(tài)而言的。含水對(duì)堆積密度的影響則較復(fù)雜一般來(lái)說(shuō)是使堆積密度增大。例1-2 某工地所用卵石材料的密度為3、表觀密度為3、堆積密度

7、為1680 kg/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：某燒結(jié)普通磚的體積為1500cm3，已知其干燥質(zhì)量為，浸水飽和后質(zhì)量為。該磚的表觀密度是多少？ 開口孔隙率是多少？ 表觀密度： =2500 /1500=1.67 g/cm3 開口孔隙率: = 1-1100/1500 =26.67%第二節(jié) 材料的力學(xué)性質(zhì) 1. 材料的強(qiáng)度與比強(qiáng)度 2. 彈性和塑性 3. 脆性和韌性 4. 硬度和耐磨性 1.材料的強(qiáng)度與比強(qiáng)度材料的強(qiáng)度 是指材料在應(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

8、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)試件尺寸和破壞時(shí)的荷載值，計(jì)算材料的強(qiáng)度。液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗拉(a)、抗壓(b)、抗剪(c)、抗彎（抗折）(d)強(qiáng)度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算式如下：式中 f-材料強(qiáng)度， MPaFmax-材料破壞時(shí)的最大荷載，NA-試件受力面積，mm2-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，則其抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：式中 fw-材料的抗彎

9、強(qiáng)度， MPaFmax-材料受彎破壞時(shí)的最大荷載，NL-兩支點(diǎn)的間距，mmb、h-試件橫截面的寬及高，mm比強(qiáng)度 是指單位體積重量的材料強(qiáng)度，它等于材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比（f /0） 。 它是衡量材料是否輕質(zhì)、高強(qiáng)的指標(biāo)。2. 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）。彈性形變中，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系： =E：應(yīng)力：應(yīng)變E：彈性模量3. 脆性和韌性 材料受力達(dá)

10、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。 材料在沖擊或動(dòng)力荷載作用下，能吸收較大能量而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時(shí)單位面積所消耗的功表示。計(jì)算公式如下：式中 a k -材料的沖擊韌性， J/mm2 k-試件破壞時(shí)所消耗的功，J； A-材料受力截面積。（mm2）4. 硬度和耐磨性 硬度 材料的硬度是材料表面的堅(jiān)硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。 通常用刻劃法和壓入法測(cè)定材料的硬度。 壓入法（以金剛石圓錐的壓痕深度計(jì)算得出，又稱為洛氏硬度）用于測(cè)

11、定金屬、木材等材料的硬度。 刻劃法（又稱為摩氏硬度）用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長(zhǎng)石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為個(gè)硬度等級(jí)。耐磨性 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計(jì)算公式如下：式中 G-材料的磨耗率， （g/cm2）m1 -材料磨損前的質(zhì)量，（g）m2-材料磨損后的質(zhì)量，（g）A-材料試件的受磨面積 （cm2）第三節(jié) 材料的物理性質(zhì)一、材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.材料的親水性與憎水性2.材料的吸濕性3.材料的吸水性4.材料的耐水性5.抗凍性6.抗?jié)B性1.材料的親水性與憎水性 材料與水接觸時(shí)，有些材料能被水潤(rùn)濕，而有些材料則不能被水

12、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)濕角的大小劃分，潤(rùn)濕角為在材料、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)濕角愈小，表明材料愈易被水潤(rùn)濕。當(dāng)材料的潤(rùn)濕角 時(shí)，為親水性材料；當(dāng)材料的潤(rùn)濕角 時(shí)，為憎水性材料。圖11 材料潤(rùn)濕示意圖（）親水性材料；（）憎水性材料2. 材料的吸濕性 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

13、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。由此可見，在空氣中，某一材料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。含水率:材料在任一條件下含水的多少稱為材料的含水率，并以h表示，其計(jì)算公式為： 式中 ms 材料吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg） mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg）。例題:含水率為10%的100g濕砂，其中所含水的重量為多少克 ?解:材料的平衡含水率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

14、率叫作材料的平衡含水率。3.材料的吸水性 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,吸水率又可以分為質(zhì)量吸水率和體積吸水率。 3.1 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，并以m 表示。質(zhì)量吸水率m 的計(jì)算公式為：式中 mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg） mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg）。3.2 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W表示。體積吸水率W的計(jì)算公式為：式中mb材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg）mg材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（或kg）。V0 材料在自然狀態(tài)下的體

15、積，（cm3 或 m3） w 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3）， 常溫下取 w =1.0 g/cm3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。注意:材料的吸濕性與吸水性的區(qū)別對(duì)應(yīng)的含水率與吸水率的區(qū)別4. 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） 軟化系數(shù)反映了材料飽水后強(qiáng)度降低的程

16、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 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0.75 。例1-3 某石材在氣干、絕干、水飽和情況下測(cè)得的抗壓強(qiáng)度分別為174、178、165 MPa，求該石材的軟化系數(shù)，并判斷

17、該石材可否用于水下工程。解 該石材的軟化系數(shù)為:由于該石材的軟化系數(shù)為，大于，故該石材可用于水下工程。5. 抗凍性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，這種破壞稱為凍融破壞。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，或稱為抗凍等級(jí)。材料的抗凍等級(jí)可分為15、25、50、100、200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、

18、100次、200次的凍融循環(huán)。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)。6. 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。 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。6.1 滲透系數(shù)材料的滲透系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算:式中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

19、 滲水時(shí)間 （h）材料的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。滲透儀 6.2 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（以為單位）來(lái)表示抗?jié)B等級(jí)。如P4、P6、P8、P10等，表示試件能承受逐步增高至、1.0MPa的水壓而不滲透。二. 材料的熱性質(zhì) 1. 導(dǎo)熱性 2. 熱容量和比熱 3. 熱阻和傳熱系數(shù) 4. 材料的溫度變形性1. 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)的計(jì)算式如下所示：式中導(dǎo)熱系數(shù)，（）；傳導(dǎo)的熱量，材料厚度，；熱

20、傳導(dǎo)面積，m2熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；（t2-t1） 材料兩面溫度差，K 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(1s)內(nèi)通過(guò)單位面積(1)的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀 2. 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：式中C-材料的比熱，J/（gK）Q-材料吸收或放出的熱量(熱容量)m-材料質(zhì)量，g（t2 - t1）-材料受熱或冷卻前后的溫差，K3. 熱阻和傳熱系數(shù) 熱阻是材料層（墻體或其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)）抵抗熱流通過(guò)的能力。熱阻的計(jì)算式為： /式中 材料層熱阻，（m2K）/W； 材料層厚度，； 材料的導(dǎo)熱