第1章-建筑材料的基本性質(zhì)修改要點(diǎn)課件

建筑材料第一章建筑材料的基本性質(zhì)石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2012年9月制作1

基本要求

材料的組成和結(jié)構(gòu)

材料的基本物理性質(zhì)

材料的基本力學(xué)性質(zhì)

材料的耐久性主要內(nèi)容2基本要求

教學(xué)目標(biāo)掌握材料的基本物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、耐久性；了解材料與熱有關(guān)的性質(zhì)教學(xué)重點(diǎn)各種物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的基本概念、表示方法、性質(zhì)測(cè)定方法；耐久性的基本概念及提高措施

3

材料的組成

材料的結(jié)構(gòu)

材料的構(gòu)造

第一節(jié)材料的組成和結(jié)構(gòu)4化學(xué)組成礦物組成相組成一、材料的組成51.化學(xué)組成定義構(gòu)成材料的化學(xué)元素及化合物的種類與數(shù)量。與性質(zhì)關(guān)系材料的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)與化學(xué)組成密切相關(guān)。舉例鋼材易銹蝕是因?yàn)楹現(xiàn)e，鋼材中C含量的多少，確定鋼的性質(zhì)，C愈高，脆性愈大，韌性就愈差；水泥的化學(xué)組成不同，或相互比例不同，性質(zhì)也不同。6定義礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。礦物材料中具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，特定的物理力學(xué)性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)。與性質(zhì)關(guān)系礦物組成在其化學(xué)成分確定的條件下，是決定材料性質(zhì)的主要因素。舉例水泥中的熟料礦物，其相對(duì)含量不同，水泥性能不同。

2.礦物組成7定義材料中結(jié)構(gòu)相近，性質(zhì)相同的均勻部分。自然界中的物質(zhì)分為氣象、液相固相三種形態(tài)。材料中，同種化學(xué)成分由于加工工藝不同，溫度壓力等環(huán)境的不同，可形成不同的相。如，鐵碳合金中有鐵素體、滲碳體、珠光體。復(fù)合材料由兩相或兩相以上的物質(zhì)組成的材料。如混凝土。與性質(zhì)關(guān)系復(fù)合材料的性質(zhì)與其構(gòu)成材料的相組成和界面特性有密切關(guān)系。界面為多相材料中相與相之間的分界面，是較薄弱區(qū)。改善界面性能可以提高材料性能。

3.相組成8二、材料的結(jié)構(gòu)

宏觀結(jié)構(gòu)細(xì)觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)9

指用肉眼或放大鏡能分辨的粗大組織。在10-3m以上。材料的宏觀結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的主要特征1.宏觀結(jié)構(gòu)102.細(xì)觀結(jié)構(gòu)定義指用光學(xué)顯微鏡所看到的結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-3~10-6m。研究領(lǐng)域該結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小和分布。舉例

鋼鐵的鐵素體、滲碳體、珠光體。113.微觀結(jié)構(gòu)

定義用電子顯微鏡、X-射線衍射儀等手段來(lái)研究的原子級(jí)或分子級(jí)結(jié)構(gòu)。尺寸范圍在10-6-10-10m。

分類晶體玻璃體膠體12晶體非晶體（玻璃體）3.微觀結(jié)構(gòu)原子排列示意圖13（1）晶體

定義質(zhì)點(diǎn)在空間上按特定的規(guī)則呈周期性排列。近程有序，遠(yuǎn)程有序。

晶體結(jié)構(gòu)的分類原子晶體，如石英分子晶體，如有機(jī)化合物離子晶體，如CaCl2金屬晶體，如鋼鐵3.微觀結(jié)構(gòu)14（2）玻璃體

定義：質(zhì)點(diǎn)呈無(wú)規(guī)則空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易與其他物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。玻璃體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)排列不規(guī)則，沒有固定的幾何形狀。各向同性，破壞時(shí)沒有明顯的解理面（礦物在外力作用下，沿一定的結(jié)晶方向裂成光滑平面的性質(zhì)）。

沒有固定的熔點(diǎn)。具有化學(xué)活性，如火山灰，?；郀t礦渣等。3.微觀結(jié)構(gòu)15（3）膠體

定義：粒徑為10-7～10-10m的固體顆粒為分散相，分散在連續(xù)相介質(zhì)中形成的分散體系。膠體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①總表面積大。表面能大，吸附能力強(qiáng)。②既具有固體性質(zhì)，又具有粘性液體的流動(dòng)性質(zhì)。分類

溶膠結(jié)構(gòu)：膠粒少

凝膠結(jié)構(gòu)：膠粒多3.微觀結(jié)構(gòu)16三、材料的構(gòu)造

定義構(gòu)造指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元間的相互搭配情況。

構(gòu)造與結(jié)構(gòu)關(guān)系與結(jié)構(gòu)相比構(gòu)造更強(qiáng)調(diào)相同材料或不同材料間的搭配組合關(guān)系。如材料的(孔隙、層理、紋理、疵病等)

構(gòu)造與性能的關(guān)系木材的宏觀和微觀構(gòu)造決定了木材的各向異性；具有特定構(gòu)造的節(jié)能墻板，其構(gòu)造賦予了墻板良好的保溫、隔聲、防火抗震等性能。

17密度、表觀密度和堆積密度孔隙率和空隙率材料與水有關(guān)的性質(zhì)材料的熱工性質(zhì)第二節(jié)材料的基本物理性質(zhì)

18

一、密度、表觀密度和堆積密度

密度表觀密度堆積密度19定義：

材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

計(jì)算式：測(cè)定方法：李氏瓶法、排水法。注意：測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)。1.密度

絕對(duì)密實(shí)材料絕密體積：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積。不包括內(nèi)部孔隙的體積。如圖：20李氏瓶法1.密度試驗(yàn)演示21

定義：材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。表觀體積：整體材料的外觀體積V0

（如圖）（V0=閉口孔+開口孔+實(shí)體）計(jì)算公式：

測(cè)定方法規(guī)則材料：幾何法不規(guī)則材料：蠟封排液法

2.表觀密度

規(guī)則材料開口孔閉口孔22

定義指散粒材料（粉狀或粒狀材料）在堆積狀態(tài)下單位體積的重量。

堆積體積V‘0

：即容器的容積。V‘0=V0+空隙體積計(jì)算式：測(cè)試方法：密度筒法

3.堆積密度顆粒狀材料V‘023相同點(diǎn)均為單位體積的質(zhì)量（質(zhì)量/體積）。不同點(diǎn)各種密度值不同＞＞體積的測(cè)試方法不同，體積值不同

＞V0

＞V

實(shí)體體積V

—李氏比重瓶法(粉末)表觀體積（V0=V

＋閉口＋開口）

—規(guī)則試件：計(jì)算法；

—不規(guī)則試件：飽和排水法堆積體積(=V

0

＋空隙)—密度筒法幾種密度的比較24孔隙率空隙率密實(shí)度孔隙率填充率空隙率——單塊材料——散粒狀材料二、孔隙率與空隙率25密實(shí)度（D）定義

材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度。計(jì)算公式：

1)固體2,

3)孔隙1.孔隙率和密實(shí)度26

孔隙率定義材料體積內(nèi)孔隙體積所占總體積的比例，用符號(hào)P表示。

孔隙分類按孔隙特征分按孔徑大小分：粗空、細(xì)孔和微孔計(jì)算公式1)固體2）閉口孔3)開口孔1.孔隙率和密實(shí)度開口孔閉口孔27吸水率強(qiáng)度耐久性表觀密度孔隙率孔隙對(duì)材料性能的影響

孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系：P+D=1孔隙率對(duì)材料性能的影響（見下圖）1.孔隙率和密實(shí)度281、某材料密度為2.65g/cm3，表觀密度為2.53g/cm3，將表觀體積為367cm3、重量為929g的該材料浸入水中，吸水飽和后稱得重量為933g，問此材料的孔隙率、開口孔隙率和閉口孔隙率各為多少?

(1）孔隙率：解：P=1-2.33/2.65=4.53%例題(2)開口孔隙率：（3）閉口孔隙率4.53%-1.1%=3.43%0029填充率D’：散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度?？障堵蔖’：散粒材料空隙體積占堆積體積的比例。2.空隙率和填充率30在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)在自然狀態(tài)在堆積狀態(tài)密度表觀密度堆積密度孔隙率空隙率孔隙率和空隙率對(duì)比31親水性與憎水性吸水性與吸濕性耐水性抗?jié)B性三、材料與水有關(guān)性質(zhì)32定義在空氣中與水接觸能夠被水潤(rùn)濕的性質(zhì)（見下圖）。（1)親水性親水材料具有親水性的材料成為親水材料。例如混凝土、水泥、砂漿均屬于親水性材料。1.親水性與憎水性材料被水潤(rùn)濕示意圖33定義在空氣中與水接觸不能夠被水潤(rùn)濕的性質(zhì)（見下圖）。憎水材料具有憎水性的材料成為憎水材料。如，瀝青、石蠟、塑料等均屬于憎水性材料。1.親水性與憎水性（2)憎水性憎水性材料示意圖34潤(rùn)濕邊角θ：材料、空氣和水三相接觸角如下圖。

親水性憎水性

親水性材料：

θ≦90°;憎水性材料：

90°＜θ＜180°

（3）評(píng)定方法1.親水性與憎水性351.親水性與憎水性親水性與憎水性演示圖：36定義材料與水接觸時(shí)，其內(nèi)部孔隙會(huì)吸收水分，這種性質(zhì)稱為吸水性。指標(biāo)（吸水率）質(zhì)量吸水率：體積吸水率：二者關(guān)系：（1）吸水性2.吸水性與吸濕性37定義材料吸收空氣中水分的性質(zhì)稱為吸濕性。指標(biāo)含水率；（2）吸濕性2.吸水性與吸濕性38

（3）影響因素

材料通過內(nèi)部開口或連通的孔隙吸收外部環(huán)境的水開口孔隙越多，材料吸水率越大；開口連通孔徑較小，因毛細(xì)管作用而容易吸水。

親水性材料的吸水（濕）性比憎水性材料強(qiáng)親水性孔壁使水自動(dòng)吸入；憎水性孔壁難以使水吸入。2.吸水性與吸濕性391.為什么房屋一樓潮濕？如何解決？原因：地下水沿材料毛細(xì)管上升，然后在空氣中揮發(fā)。解決問題的原理與辦法阻塞毛細(xì)通道，摻加引氣劑對(duì)材料中的毛細(xì)管壁進(jìn)行憎水處理。思考題40

2、某施工隊(duì)原使用普通燒結(jié)粘土磚，后改為多孔、容量700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前往墻上澆水，發(fā)覺原使用的普通燒結(jié)粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看來(lái)澆水不少，但實(shí)則吸水不多，請(qǐng)分析原因。

案例分析解答：加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數(shù)為“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，肚大口小，毛細(xì)管作用差，只有少數(shù)孔是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔。故吸水及導(dǎo)濕均緩慢，材料的吸水性不僅要看孔數(shù)量多少，還需看孔的結(jié)構(gòu)。

413.耐水性廣義定義：材料抵抗水破壞作用的能力。狹義定義：材料浸水飽和后不被破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。指標(biāo)：軟化系數(shù)KR材料吸水飽和時(shí)的抗壓強(qiáng)度,MPa材料干燥狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度，MPaffKwR=42

用于水中、潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)選用：

軟化系數(shù)＞0.85的材料；用于受潮濕較輕或次要結(jié)構(gòu)的材料，則應(yīng)選用軟化系數(shù)≮0.75的材料耐水性材料選擇：3.耐水性43例題1、某材料的抗壓強(qiáng)度為28.0MPa，在水中吸水飽和后測(cè)得其強(qiáng)度為21.3MPa，問該材料能否用于長(zhǎng)期與水接觸的環(huán)境中？解：因此，不能用于長(zhǎng)期與水接觸的環(huán)境。＜0.8544抗?jié)B等級(jí)or滲透系數(shù)定義：材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。指標(biāo)：4.抗?jié)B性在一定時(shí)間t內(nèi)，透過材料試件的水量Q，與試件的滲水面積A及水頭差H成正比，與滲透距離(試件的厚度)d成反比。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法下進(jìn)行透水試驗(yàn)，以規(guī)定的試件在透水前所能承受的最大水壓力來(lái)確定。45計(jì)算公式：A—透水面積cm2；t—透水時(shí)間，h；d—試件厚度，cm；H—壓力水頭，cm。Q—透水量cm3；（1）滲透系數(shù)K的物理意義：一定厚度的材料，在單位時(shí)間、單位水壓、單位面積內(nèi)的滲水量。

滲透系數(shù)越小，表明抗?jié)B性能越好。4.抗?jié)B性46

定義：指砼或砂漿所能承受的最大水壓力。測(cè)試方法：6個(gè)試件中4個(gè)試件未出現(xiàn)滲水的最大水壓力。表示方法：若最大承水壓力為0.2MPa，表示為P2（2）抗?jié)B等級(jí)4.抗?jié)B性混凝土抗?jié)B壓力實(shí)驗(yàn)47

導(dǎo)熱性熱容量四、材料的熱工性質(zhì)48定義：材料傳導(dǎo)熱量的能力。指標(biāo)：導(dǎo)熱系數(shù)λ

1.導(dǎo)熱性式中：λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Q

——傳導(dǎo)的熱量，J；d——材料的厚度，m；A

——材料傳熱的面積，m2；t——傳熱時(shí)間，h；（T2-T1）——材料兩側(cè)溫度差，K49常用建筑材料的熱工性質(zhì)指標(biāo)

1.導(dǎo)熱性50材料的化學(xué)組成不同組成：金屬材料﹥非金屬材料﹥有機(jī)材料相同組成：晶體材料﹥微晶體材料﹥非晶體材料孔隙率和孔隙特征

P↑，細(xì)小、閉口孔↑（λ固體物質(zhì)＞

λ空氣），λ↓，保溫隔熱性↑；P↑，連通孔、粗孔↑（孔隙粗大或貫通，空氣對(duì)流作用加強(qiáng)），λ↑，導(dǎo)熱性↑，保溫隔熱性↓

。影響導(dǎo)熱性的因素：1.導(dǎo)熱性51材料的溫度和濕度T↑，將促使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，λ↑。材料受潮后（λ水＞λ空氣），λ↑，導(dǎo)熱性↑，保溫隔熱性↓。材料受潮后再受凍(λ冰＞λ水)，λ進(jìn)一步↑，保溫隔熱性進(jìn)一步↓棉襖浸水后保暖性變差？影響導(dǎo)熱性的因素：1.導(dǎo)熱性522.熱容量定義：材料受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)。表示方法：用比熱容C表示。單位質(zhì)量材料在溫度變化1℃時(shí)，材料吸收或放出的熱量。熱容量=C×M意義：熱容量↑，有利于保持室內(nèi)溫度的相對(duì)穩(wěn)定。53觀察與討論某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面。請(qǐng)問選擇何種材料？

AB54解答：保溫層的目的是外界溫度變化對(duì)住戶的影響，材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結(jié)構(gòu)，B材料為密實(shí)結(jié)構(gòu)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，適于作保溫層材料。

觀察與討論55強(qiáng)度彈性與塑性脆性與韌性硬度與耐磨性第三節(jié)材料的基本力學(xué)性質(zhì)56

強(qiáng)度的定義

強(qiáng)度的分類與計(jì)算

與強(qiáng)度有關(guān)的兩個(gè)概念

強(qiáng)度的影響因素一、材料的強(qiáng)度571.強(qiáng)度的定義

從定性角度:

為材料抵抗外力作用的能力。返回

定量角度:是指材料發(fā)生破壞的極限應(yīng)力值。

實(shí)驗(yàn)方法：采用破壞試驗(yàn)法來(lái)測(cè)混凝土的強(qiáng)度

58材料受力示意圖

抗壓強(qiáng)度（圖（a））

抗拉強(qiáng)度（圖（b））

抗剪強(qiáng)度（圖（c））

抗折強(qiáng)度（圖（d））2.強(qiáng)度的分類與計(jì)算（1）強(qiáng)度的分類（d）59

抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：受力截面的面積，mm2材料破壞時(shí)的最大荷載，N（2）強(qiáng)度的計(jì)算2.強(qiáng)度的分類與計(jì)算60抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式：?jiǎn)畏贮c(diǎn)集中加荷：三分點(diǎn)加荷：bh2.強(qiáng)度的分類與計(jì)算61常見建筑材料的強(qiáng)度/MPa

3.常用建筑材料的強(qiáng)度62（1）材料的強(qiáng)度等級(jí)

對(duì)于磚石、混凝土等：按抗壓強(qiáng)度劃分強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)于建筑鋼材等：按抗拉強(qiáng)度劃分牌號(hào)。4.與強(qiáng)度相關(guān)的兩個(gè)概念

根據(jù)極限強(qiáng)度的大小，劃分的不同等級(jí)或牌號(hào)。

如：C30，M10，Q23563定義：指按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比（f/ρ0）。意義：比強(qiáng)度↑，輕質(zhì)高強(qiáng)在高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)工程中常采用比強(qiáng)度較高的材料，減輕自重，節(jié)約材料。輕質(zhì)高強(qiáng)是未來(lái)材料的發(fā)展方向。（2)比強(qiáng)度4.與強(qiáng)度相關(guān)的兩個(gè)概念64（2）比強(qiáng)度應(yīng)用65兩種主要材料的比強(qiáng)度

（2）比強(qiáng)度66（1）材料的組成（2)材料的結(jié)構(gòu)、孔隙率與孔隙特征（3)試件的形狀和尺寸（4)加荷速度（5)試件濕度（6)受力面狀態(tài)5.強(qiáng)度的影響因素67彈性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去后變形隨即消失，完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。

彈性變形：這種可以完全恢復(fù)的變形（或瞬時(shí)變形）指標(biāo)：彈性模量E意義：E表示材料抵抗變形的能力；

E值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強(qiáng)，材料的剛度越大。二、材料的彈性和塑性

68塑性

材料在外力作用下，當(dāng)應(yīng)力超過一定的限值時(shí)產(chǎn)生顯著變形，且不產(chǎn)生裂縫或發(fā)生斷裂，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質(zhì)。塑性變形

這種不能恢復(fù)的變形（或永久變形）。二、材料的彈性和塑性

69BAε0A0BCB0DCEDFEC上C下鋼材的彈塑性變形曲線圖混凝土的彈塑性變形曲線圖二、材料的彈性和塑性

70脆性：材料在外力作用下突然破壞，無(wú)明顯塑性變形。韌性：沖擊、振動(dòng)荷載下，能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定變形不破壞。三、材料的脆性與韌性

脆性材料：石、磚、砼、陶瓷、玻璃、鑄鐵等韌性材料：低碳鋼、木材、玻璃鋼等。711.鑄鐵造橋釀成災(zāi)禍概況：1876年6月，英國(guó)人用鑄鐵在北海的Tay灣上建造了全長(zhǎng)3160m，單跨73.5m的跨海大橋，采用梁式架結(jié)構(gòu)，在石材和磚砌筑的基礎(chǔ)上采用鑄鐵管做橋面。結(jié)果不到兩年，在一次臺(tái)風(fēng)襲擊的夜晚，在臺(tái)風(fēng)加上火車沖擊荷載的作用下橋墩脆斷、橋梁倒塌、車毀人亡。案例分析原因分析：主要是鑄鐵的橋墩在沖擊荷載作用下發(fā)生脆斷造成的。

對(duì)鋼材與鑄鐵的性能進(jìn)行了深入的對(duì)比：發(fā)現(xiàn)鋼材不僅具有很高的抗壓強(qiáng)度很高的抗拉強(qiáng)度和抗沖擊韌性人們開始用鋼材建造橋梁。722.泰坦尼克號(hào)的沉沒概況：1912年，當(dāng)時(shí)世界上最大的客船泰坦尼克號(hào)初航，不幸撞上冰山，35m厚度船鋼板在水線處像拉開拉鏈一樣被撕裂，海水排山倒海般涌向船內(nèi)，約3小時(shí)后沉沒。原因分析：人們對(duì)泰坦尼克號(hào)的鋼板進(jìn)行測(cè)試：發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度比現(xiàn)在鋼材還要高。對(duì)鋼板進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)：發(fā)現(xiàn)鋼材斷裂時(shí)吸收的沖擊功很低，是韌性差的脆性材料?；瘜W(xué)分析表明:改鋼材的含S量高，導(dǎo)致鋼材的脆性增加。案例分析73硬度定義：材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。

硬度實(shí)驗(yàn)方法四、材料的硬度與耐磨性

金屬材料：壓入法布氏硬度：?jiǎn)挝粔汉勖娣e上所承受的壓力。洛氏硬度：壓頭壓入試件的深度來(lái)表示鋼材硬度。無(wú)機(jī)非金屬材料：刻劃法莫氏硬度74指標(biāo)：磨耗率計(jì)算公式：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）耐磨性定義：是材料表面抵抗磨損的能力。四）、材