建筑材料科學基礎及工程性質

第二章建筑材料科學基礎及工程性質第一節(jié)材料的組成與結構及其對性能的影響一.材料的組成

一.材料的組成是決定材料的性質的內在因素之(一)化學組成(二)礦物組成二.材料的結構(一).宏觀結構指用肉眼或放大鏡能觀察到的結構,它分為散粒結構,聚集結構,多孔結構,致密結構,纖維結構,層狀結構

宏觀結構1.散粒結構由單獨的顆粒組成2.聚集結構材料中的顆粒通過膠結材料彼此牢固地結合在一起3.多孔結構材料中含有大量的,大的,或微小的均勻分布的孔隙4.致密結構材料在外觀上和結構上都是致密的5.纖維結構是木材,玻璃纖維制品所特有的結構6.層狀結構是板材常見的結構顯維結構和微觀結構(二).顯微觀結構指借助關學顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的結構,它可分為結晶和無定型兩種.結晶和無定型是同一物質的不同狀態(tài),晶體呈穩(wěn)定狀態(tài),而無定型則具有化學活性(三).微觀結構指原子排列結構,根據(jù)質子間鍵的特性分為原子晶體,離子晶體,分子晶體第三節(jié)材料的物理性質密度1、密度：材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。單位g/cm3。公式：ρ=m/v式中ρ－實際密度（g/cm3）m－材料的質量（g）V－材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）材料密度的大小取決于材料的組成及微觀結構，因此相同組成及微觀結構的材料其密度為一定值。

在建筑材料中，除金屬、玻璃等少數(shù)材料外，都含有一些孔隙。為了測得含孔材料的密度，應把材料磨成細粉，除去孔隙，經(jīng)干燥后用密度瓶測定其實體積。材料磨得越細，所測得的體積越接近絕對體積。表觀密度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)下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0—材料的表觀密度,kg/m3

m—材料的質量，kg

V0—材料的表觀體積，m3在自然狀態(tài)下，材料內往往含有水分，其質量將隨含水程度而改變，故測定體積密度時應注明其含水程度。一般指的是材料在氣干狀態(tài)下的體積密度，干燥材料的體積密度稱為干體積密度。

材料的體積密度主要取決于材料的密度、宏觀結構以及含水程度。3、堆積密度

堆積密度是散粒材料(粉狀、顆粒狀）在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。

材料的堆積體積包括所有顆粒的體積以及顆粒之間的空隙體積，堆積密度有一塊燒結普通磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2900g，其絕干質量為2550g。磚的尺寸為240Ｘ115Ｘ53mm，經(jīng)干燥并磨成細粉后取50g，用排水法測得絕對密實體積為18.62cm3。試計算該磚的密度、表觀密度、密實度。有一塊標準磚，在吸水飽和狀態(tài)下重2500g，其絕干質量為1600g。經(jīng)干燥并磨成細粉后取100g，用排水法測得絕對密實體積為28.62cm3。試計算該磚的密度、表觀密度、密實度、孔隙率。建筑材料的許多工程性質如強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性、吸聲性等都與材料的致密程度有關。這些性質除取決于孔隙率的大小外，還與孔隙的構造特征密切相關。孔隙特征主要指孔隙的種類（開口孔與閉口孔）、孔徑的大小及孔的分布等。實際上絕對的閉口孔是不存在的。在建筑材料中，常以在常溫、常壓下水能否進入孔中來區(qū)分開口與閉口。因此，開口孔隙率（Pk）是指常溫常壓下能被水所飽和的孔體積（即開口孔體積Vk）與材料體積之比。閉口孔隙率（PB）便是總孔率P與開口孔隙率Pk-之差。

由于孔隙率的大小及孔隙特征對材料的工程性質有不同的影響，因此常采用改變材料的孔隙率及孔隙特征的方法來改善材料的性能，例如對水泥混凝土加強養(yǎng)護提高密實度或加入引氣劑，引入一定數(shù)量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗?jié)B及抗凍性能?？障堵士障堵剩⒘２牧显谧匀欢逊e狀態(tài)下，其中的空隙體積與散粒在自然堆積狀態(tài)下的體積之比的百分率稱為空隙率公式：P’—散粒材料的空隙率ρ/o—散粒材料的堆積密度ρo--材料的體積密度空隙率可作為控制混凝土骨料級配與計算含砂率的依據(jù)。例如對水泥混凝土加強養(yǎng)護提高密實度或加入引氣劑，引入一定數(shù)量的閉口孔，都可以提高混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。在材料體積內，孔隙體積所占的比例在顆粒裝材料的堆積體積內，顆粒間空隙體積所占的比例名稱定義及表達式說明孔隙率許多工程性質如強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導熱性于材料的孔隙有關。且取決于孔隙率的大小與構造特征（孔的種類、孔徑的大小及分布）空隙率用來評定顆粒材料在堆積體積內疏密程度的參數(shù)。計算混凝土中粗骨料空隙時表觀密度按視密度計算思考題：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，計算此石子的孔隙率與空隙率？習題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，計算此石子的孔隙率與空隙率？二、材料與水有關的性質1、親水性與憎水性親水性——材料在空氣中與水接觸時，容易被水潤濕的性質，稱材料的親水性。如磚、混凝土等。憎水性——材料不易被水潤濕的性質，稱為憎水性。如瀝青、石油等。潤濕角為在材流料、水云和空氣塊的交點鑄處，沿亭水滴表點面的切好線與水添和固體嫂接觸面帽所成的潛夾角。θ為潤濕波角θ≤90島°親水貪性材料θ＞歐90姓°憎于水性材尼料2材料零的吸水性允與吸濕性（1）辮.吸水譯性材料在水甜中能吸收御水分的性償質稱吸水性。材料的條吸水性用皺吸水率表聽示，有質量吸摩水率與體積吸小水率兩種表示制方法。質量吸水配率質量吸舊水率是指材料倚在吸水飽桌和時，內繭部所吸水報分的質量然占材料干啊燥質量的紀百分率，叢用下式計牙算：材料吸水雪飽和后的姨質量，g0材料在干靠燥狀態(tài)下閑的質量，侍g材料的鑼吸水率玻：花崗巖的影吸水率：謠0.5%毀~0.7樸%；混凝土亡的吸水孫率：2扁%~3紡%；粘土磚的諷吸水率：計8%~2犯0%；木材的偶吸水率搖：可超妄過10撈0%。花崗巖體積吸水準率體積吸水訴率是指材歇料在吸非水飽和蕉時，其謠內部所朽吸水分夠的體積慘占干燥漿材料自厲然體積拜的百分搏率。用岸公式表規(guī)示如下式中wv——材料矮的體積吸丙水率（％經(jīng)）；V0——干燥雞材料在自辦然狀態(tài)下植的體積（印cm3）；ρw——水愉的密度剪（g/綢cm3）常溫下取樸ρw愧=1.0揀g/c鄭m3工程用建縮慧筑材料一糟般采用質敲量吸水率傍，質量吸泄水率與體櫻積吸水率小的關系密實在及只有閉口孔的材料不吸水具有粗大孔的材料不易吸滿水分，吸水率常小于孔隙率孔隙率較大，且具有細小開口連通的親水性材料具有較大的吸水率材料吸水兵率的大小析主要取決軟于材料的稱孔隙率及蜘孔隙特征（2）批.吸濕擊性材料在潮孤濕空氣中屢吸收水分動的性質稱折為吸濕性。潮濕材料蓮在干燥的漸空氣中也徒會放出水汗分，此稱還濕性。材料的嚷吸濕性句用含水捕率表示裁。含水率系指材料聯(lián)內部所含虜水的質量制占材料干雷燥質量的尸百分率。雪用公式表輔示為材料含朽水后，們不但可陰使材料悉的質量遣增加，搏而且會泥使強度聽降低，登保溫性駐能下降甩，抗凍皇性能變亡差，有檔時還會奪發(fā)生明室顯的體始積膨脹貿(mào)?？梢娯偛牧现星酆畬σ滩牧系挠倚阅芡ν遣蛔呃摹＠耗臣芰⒎襟w缸巖石試捐件，外飛形尺寸壓為50獄mm×鉗50m說m×5蒼0mm倚，測得供其在絕昌干、自檔然狀態(tài)島及吸水根飽和狀構態(tài)下的孝質量分謀別為3斷25g忠，32臂5.3麗g，3變26.葵1g，秘并測得星該巖石側的密度盆為2.坐68g轟/cm3。試求兼該巖石雁的體積突吸水率布、質量松吸水率蓄、質量肆含水率落、絕干袋表觀密蔥度、孔禮隙率。=1-捏2.6汁/2.絞68=斧2.9作8%1.1暢/12臂5=0架.88怕%=0.3笑/325扮=0.0悉92%=325庸/125詳=2.6揉g/c皺m3解：V0＝5×5清×5＝1僻25cm3m含＝32歸5.3拴gm干＝325范gm飽＝326駝.1gρw＝柴1g/cm33.材料喊的耐水性材料的耐赤水性是指緞材料長期探在飽和水唯的作用下抓不破壞，落強度也不拳顯著降低瓣的性質。賞衡量材料湖耐水性的網(wǎng)指標是材悔料的軟化項系數(shù)KR：—材岸料的軟歪化系數(shù)—材愛料吸水夜飽和狀夜態(tài)下的國抗壓強陪度—材料幼在干燥狀請態(tài)下的抗褲壓強度軟化系挺數(shù)的范領圍在0屯—1之波間。軟彎化系數(shù)切越高，明表面材洗料耐水蠟性越好沾。潮濕環(huán)境沉中的重要么建筑物或套部位，目軟化系數(shù)潮k=0.遣85-0飽.9受潮較崖輕或次末要的建旁筑物，珠軟化系墻數(shù)k=眨0.7允-0.手85某石材在層氣干、絕魂干、水飽許和情況下追測得的抗統(tǒng)壓強度分越別為17可4、17告8、16沸5MPa粒，求該石映材的軟化卻系數(shù)，并稈判斷該石太材可否用兆于水下工順程。4、抗?jié)B劇性材料抵抗榮壓力水滲脹透的性質牽稱為抗?jié)B煮性。砼的抗?jié)B騾強度等級如P4、宅P6、P饅8、P1暖0…等，在表示試件身能承受逐知步增高至討0.4M畏Pa、0哈.6MP林a、0.垮8MPa受、1.0香MPa…彈的水壓而鬧不滲透。5、抗凍喝性材料在吸回水飽和狀流態(tài)下，經(jīng)忙多次凍融蜻循環(huán)而不狗破壞．或芝強度不顯客著降低的黃性質稱為鞭抗凍性。材料的抗絕凍性用抗定凍強度等疏級F（f協(xié)reez疾e）表示盈。如F25表示材料殼能抵抗凍攤融循環(huán)2橋5次。如果經(jīng)士過規(guī)定農(nóng)次數(shù)的岸反復凍贈融循環(huán)應后，質怕量損失鳳不大于奏5％，中強度降彈低不超匙過2誦5％時儲，通常恒認為材供料是抗曉凍的。三、苗材料穩(wěn)的熱工恰性質1、導費熱性材料傳導海熱量的性貞質稱為導嚷熱性。材料導熱適性用導熱搖系數(shù)λ表夢示。影響導熱面系數(shù)的因央素無機材料搞的導熱系鍛數(shù)大于有金機材料；材料的孔合隙率愈大幟,即空氣雨愈多,導油熱系數(shù)愈種小同類材天料的孔隙辯率是隨體渣積密度的降件小而增卸大,則導穗熱系數(shù)隨譽體積密度家的減小而黑減小；導熱系冬數(shù)與孔趴隙形態(tài)訴特征的您關系,奔認為有蓬微細而備封閉孔袋隙組成仇的材料裳,導熱關系數(shù)小刮,反之熄大；材料的含特水率增加香,導熱系封數(shù)也增加載。2、比熱傷容定義：材料在加毛熱時吸收說熱量，冷廟卻時放出禮熱量的性藏質，稱為欄熱容量。質量為悶1g材被料溫度銀升高l哈K所需糧的熱量尿或溫度兆降低1碑K時放稍出的熱臺量，稱他為材料暈的比熱芝容。比熱是反柴映材料的白吸熱和放猛熱能力的架理量。不浙同材料的樂比熱不同漂，它對保刑持建筑物益內部溫度高溫度有很怖大的意義瀉，比熱大沉的材料，修能在熱流陷變動或采豬暖設備供業(yè)熱不均勻綿時，緩和允室內的溫缸度波動。第四節(jié)拜材料的連力學性質一、強度材料在珍外力(源荷載)必作用下逮，抵抗界破壞的督能力，挑稱為強情度材料主尤要有抗困拉、抗朝壓、抗伸剪、抗朵彎四種標強度。通?？挂Ю瓘姸扰趴杀硎静臑閒t、抗壓強孝度可表示襲為fc、抗剪強濾度可表示備為fv.抗彎強度fm2、比強度比強度=殖材料的強萬度/表觀快密度可以對不鴿同的材料餓進行對比泳。比強度駐是衡量癥材料輕仆質高強腳性能的臣重要指文標，優(yōu)章質的結煉構材料烤，必須崗具有較婆高的比賀強度。二、材思料的彈執(zhí)性與塑古性彈性：在有外力作用級下產(chǎn)生均變形，當倆外力消失啞時，材料愁的變形即填可消失并棉能完全恢鋼復原來形音狀的性質縮慧。塑性：材擊料在外力狡作用下產(chǎn)攝生變形，那如果外力這取消后，蜓仍能保持強變形后的侄形狀和尺屠寸，并且描不產(chǎn)生裂美縫的性質塞。彈性變形揭與塑性變超形三、材料惕的脆性和戀韌性脆性：外較力達到一筒定限度后革，突然破直壞無明顯速塑性變形賺的性質。鴉脆性材料嗓抗動載能繞力差，但暑抗壓強度淚高。如磚誘、混凝土烤、玻璃等碧。韌性：在鵝沖擊或震中動荷載作有用下，能鳳吸收較大羽能量，產(chǎn)督生一定的滅變形而不疑致被破壞突的性能。處建筑鋼材成、木材、華瀝青混凝女土等屬于戀韌性材料渾。用作路顫面、橋梁源、吊車梁檔以及有抗硬震要求的類結構都要元考慮材料程的韌性。憤材料的韌沉性用沖擊彩試驗來檢些驗。四、硬評度和耐磨繩性①硬度項材點料的硬制度是材馬料表面迅的堅硬叼程度，墨是抵抗孟其它硬輪物刻劃土、壓入浙其表面妄的能力醫(yī)。通常召用刻劃總法，回其彈法和弟壓入法猴測定材同料的硬鞭度。刻劃法笑用于天恰然礦物喝硬度的續(xù)劃分，遍按滑石姿、石膏座、方解藝石、螢耀石、磷仍灰石、猴長石、貫石英、只黃晶、趕剛玉、亂金剛石累的順序沈，分為鏡１０個川硬度等辮級。②耐磨性環(huán)耐磨堵性是材料刪表面抵抗繩磨損的能丸力。材料伙的耐磨性補用磨耗率懇表示回彈法蔬用于測偉定混凝若土表面組硬度，牌并間接獄推算混講凝土的宅強度；板也用于傘測定陶現(xiàn)瓷、磚甲。砂漿階、塑料合、橡膠司、金屬室等的表媽面硬度辜并間接襯推算其艙強度。原理：量回彈儀夏的彈擊搖錘被一踢定的彈狹力打擊示在混凝婚土表面隨上，其船回彈高富度（鈔通過回械彈儀讀弟得回彈脅值）與窄混凝土等表面硬州度成一杏定的比起例關系在?；貜梼x第五節(jié)懂材料識的耐久產(chǎn)性1.能概念材料的耐襖久性是指用于鬧建筑物的翼材料，在拜環(huán)境的多堪種因素作體用下不變匪質、不破宵壞，長久她地保持其旁使用性能緊的性質。耐久性是持材料的一距種綜合性竿質，諸如益抗凍性、若抗風化性尺、抗老化送性、耐化月學腐蝕性碑等均屬耐司久性的范載圍。此外，材蠟料的強度妙、抗?jié)B性頂、耐磨性芬等也與材俊料的耐久承性有密切答關系。2.洽環(huán)境影黑響因素材料在建態(tài)筑物使用絹過程中長評期受到周規(guī)圍環(huán)境和都各種自然占因素的破麻壞作用，地一般可分駱為物理作硬用、化學碼作用、機寨械作用、雕生物作用堤等。干濕變化物理作用溫度變澤化凍融變化英(寒冷地妙區(qū))這些作用沸將使材料家發(fā)生體積的按脹縮，或導致苗內部裂縫嫁的擴展。賭時間長久值之后即會攻使材料逐煙漸破壞。化學作用包括大仿氣、環(huán)般境水以