《建筑材料》課件-第2章

第2章建筑材料的基本性質(zhì)2.1材料的物理性質(zhì)2.2材料的力學(xué)性質(zhì)2.3材料的耐久性 2.1材料的物理性質(zhì)

2.1.1材料的密度

1.密度

密度是材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，其計(jì)算公式為(2－1)式中:r——材料的密度（g/cm3或kg/m3)；

m——材料的質(zhì)量（g或kg）；

V——材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（cm3或m3）。材料的絕對(duì)密實(shí)度體積是指不包括內(nèi)部孔隙的材料體積。除了鋼材、玻璃等材料外，材料的密實(shí)度體積一般難以直接測(cè)定，在測(cè)定材料的密度時(shí)，可把材料磨成細(xì)粉，干燥后用比值瓶測(cè)定其密實(shí)體積，顯然材料磨的越細(xì)，體積越接近密實(shí)狀態(tài)下的體積，測(cè)得的密度越準(zhǔn)確。一般磚、石材等材料的密度采用此方法測(cè)得。

對(duì)于砂石其空隙率很小，可用排水法測(cè)定其密度，這種方法測(cè)得的密度稱(chēng)為視密度。

2.表觀(guān)密度（體積密度）

材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱(chēng)為表觀(guān)密度（體積密度），其計(jì)算公式為(2－2)式中：r0——材料的表觀(guān)密度（g/cm3或kg/m3)；m——材料在自然狀態(tài)下的質(zhì)量（g或kg）；V0——材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3或m3）。材料在自然狀態(tài)下的體積包含了其內(nèi)部孔隙的體積，當(dāng)材料含有水分時(shí)體積發(fā)生了變化，含水率不同，測(cè)得的表觀(guān)密度不同，所以測(cè)定表觀(guān)密度時(shí)須注明其含水情況。材料的含水狀態(tài)有氣干、烘干、飽和面干和濕潤(rùn)狀態(tài)。表觀(guān)密度為氣干狀態(tài)下的密度，烘干狀態(tài)下的為干表觀(guān)密度。

3.堆積密度

材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱(chēng)為堆積密度，其計(jì)算公式為(2－3)式中：r0′——堆積密度（kg/cm3）；

m——材料的質(zhì)量（kg）；

V0′——材料堆積體積（m3）。堆積體積是指散粒狀材料在堆積狀態(tài)下的外觀(guān)體積，該體積包括顆粒間的空隙和顆粒內(nèi)部的孔隙。顯然同一材料堆積狀態(tài)不同，其體積的大小不盡相同，自然堆積的體積大，密實(shí)堆積的體積小，堆積體積可用材料填充容器的容積大小來(lái)確定。2.1.2材料的密實(shí)度、孔隙率、填充率與空隙率

1.密實(shí)度

材料單位體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度，稱(chēng)為材料的密實(shí)度，密實(shí)度計(jì)算公式為(2－4)式中:D——材料密實(shí)度（<1）；

V——材料中固體物質(zhì)的體積(cm3或m3)；

V0——材料體積（cm3或m3）；

r——材料密度（g/cm3或kg/cm3）；

r0——材料表觀(guān)密度（g/cm3或kg/cm3）。材料的強(qiáng)度、吸水性、耐水性、導(dǎo)熱性等諸多性質(zhì)都與其密實(shí)度有關(guān)。

2.孔隙率

材料中孔隙體積所占整個(gè)材料體積的比例，稱(chēng)為材料的孔隙率?？紫堵实挠?jì)算公式為(2－5)即：孔隙率=1-密實(shí)度?？紫堵逝c密實(shí)度從不同方面反映了材料的性質(zhì)，孔隙率同樣對(duì)于材料的諸多性質(zhì)有著直接影響，如表觀(guān)密度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐水性、導(dǎo)熱性、抗凍性、抗?jié)B性等。材料的這些性質(zhì)還與孔隙的形狀和大小有關(guān)，一般孔隙率較小、封閉微孔較多的材料強(qiáng)度較高，抗?jié)B性、抗凍性較好，而吸水性、導(dǎo)熱系數(shù)較小。表2－1常用建筑材料的密度、表觀(guān)密度、堆積密度及孔隙率

3.填充率

顆粒狀材料的堆積體積中，顆粒體積占總體積的比率稱(chēng)為填充率，其計(jì)算公式為式中：V0′——排水法求得的材料體積（cm3）；D′——填充率，反映了堆積體積中顆粒所填充的程度。(2-6)

4.空隙率

顆粒狀材料的堆積體積中，顆粒間的空隙體積占總體積的比率稱(chēng)為空隙率，其計(jì)算公式為(2-7)在填充和黏結(jié)顆粒狀材料時(shí)，空隙率為確定膠結(jié)材料的需要量提供了依據(jù)。由式(2－7)有:P′+D′=1,即填充率與空隙率的和為1。2.1.3材料與水有關(guān)的性質(zhì)

1.親水性與憎水性

材料在空氣中與水接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種不同的現(xiàn)象，即親水性與憎水性。所謂的親水性就是水在材料表面易于擴(kuò)張，材料表面被潤(rùn)濕，表現(xiàn)出與水較強(qiáng)親合力，這樣的材料稱(chēng)為親水性材料。如圖2.1所示，對(duì)于親水性材料，水滴表面的切線(xiàn)與水和固體接觸面所形成潤(rùn)濕邊角θ≤90°，θ愈小，浸潤(rùn)性愈好。θ>90°，材料表面不能被水潤(rùn)濕，表現(xiàn)為憎水性，這樣的材料稱(chēng)為憎水性材料。常見(jiàn)的磚、混凝土、木材等建筑材料對(duì)水有較強(qiáng)的吸附作用，屬于親水性材料；瀝青、塑料、油漆等對(duì)水有排斥作用，屬于憎水性材料，工程上常將憎水性材料作為防水材料。圖2.1材料潤(rùn)濕邊角

(a)親水性材料；(b)憎水性材料

2.吸水性與吸濕性

（1）吸水性。材料吸收水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸水性，吸水性用吸水率來(lái)表示，吸水率用質(zhì)量吸水率和體積吸水率來(lái)表示。

質(zhì)量吸水率指材料吸收水分的質(zhì)量與干燥材料在自然狀態(tài)下質(zhì)量的比率，其計(jì)算公式為(2-8)式中：Ww——質(zhì)量吸水率；m1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量(g)；m——材料在絕對(duì)干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g)。體積吸水率指材料吸收水分的體積與干燥材料在自然狀態(tài)下體積的比率，其計(jì)算公式為(2-9)式中：Wv——體積吸水率；V0——吸收水分的體積(cm3)；V——干燥材料自然狀態(tài)下的體積(cm3)。兩種吸水率之間的關(guān)系為（2－10)式中：ρ0——干燥表觀(guān)密度。吸水率與材料的組成尤其是孔隙率和孔隙特征有關(guān)，若材料具有連通細(xì)微的孔隙，其吸水率較大，而粗大的孔隙水分不易留存、封閉孔隙水分不易滲入，其吸水率較低，如木材吸水率大于100%、黏土磚為8~20%、普通混凝土為2%~4%，花崗巖為0.5%~0.7%。

（2）吸濕性。材料在空氣中也可吸收水分，這種性質(zhì)稱(chēng)為材料的吸濕性。吸濕性用含水率來(lái)表示，即(2－11)式中：W——材料的含水率；mk——吸濕后的質(zhì)量(g)；m——材料在絕對(duì)干燥下的質(zhì)量(g)。材料的含水率隨著空氣濕度和溫度的大小而變，最終與空氣濕度達(dá)到平衡，此時(shí)的含水率稱(chēng)之為平衡含水率。

材料不同，其吸濕性不同。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)口孔隙率較大的親水材料具有較強(qiáng)的吸濕性，如木材的吸濕性就特別明顯，木材因吸收水分導(dǎo)致重量增加，強(qiáng)度降低、體積改變。

3.耐水性

材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不被破壞，且強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱(chēng)為耐水性。一般材料吸水后，隨著含水量的增加造成其內(nèi)部結(jié)合力的削弱，強(qiáng)度的降低。如花崗巖長(zhǎng)期浸水，其強(qiáng)度有所降低，而木材、黏土磚則更為明顯。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，即(2－12)式中：K——軟化系數(shù)；f1——材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）；f——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。軟化系數(shù)的取值范圍為0~1之間，軟化系數(shù)的大小表明了材料在浸水后強(qiáng)度降低的程度，軟化系數(shù)愈小，說(shuō)明材料強(qiáng)度降低愈多，其耐水性愈差。軟化系數(shù)有時(shí)可成為選擇材料的依據(jù)之一。對(duì)于嚴(yán)重水浸蝕或潮濕環(huán)境下的重要結(jié)構(gòu)材料其軟化系數(shù)應(yīng)在0.85~1之間，對(duì)于受潮濕較輕或次要的建筑物所用材料其軟化系數(shù)應(yīng)在0.7~0.85之間。通常軟化系數(shù)大于0.85的材料可認(rèn)為是耐水材料。

4.抗?jié)B性

材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質(zhì)稱(chēng)為抗?jié)B性，抗?jié)B性用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級(jí)來(lái)表示。

單位時(shí)間內(nèi)單位靜水壓力作用下通過(guò)單位截面積材料的水量稱(chēng)為抗?jié)B系數(shù)，抗?jié)B系數(shù)K表示為(2－13)式中：Q——透水量(cm3)；K——滲透系數(shù)(cm/h)；d——材料試件厚度（cm）；A——透水面積(cm2)；t——滲透時(shí)間（h）；H——靜水壓力水頭(cm)。砂漿、混凝土材料用抗?jié)B等級(jí)來(lái)表示其抗?jié)B性，抗?jié)B等級(jí)為S=10H-1(2－14)式中：S——抗?jié)B等級(jí)（無(wú)量綱）；H——滲水壓力(MPa)。滲透系數(shù)愈小則抗?jié)B等級(jí)愈高，材料的抗?jié)B性愈好。用于水工、地下建筑物、屋面的防水材料都具有一定的抗?jié)B性，以防止漏水、滲水現(xiàn)象發(fā)生。

5.抗凍性

材料在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)多次凍融循環(huán)作用而不破壞、強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱(chēng)為抗凍性。

當(dāng)材料內(nèi)部孔隙充滿(mǎn)水且水溫降至負(fù)溫時(shí)，水凍結(jié)體積膨脹（約9%）對(duì)孔壁產(chǎn)生很大壓力，冰融化時(shí)壓力又驟然消失，這樣使材料凍融交界層間產(chǎn)生明顯的壓力差，材料經(jīng)過(guò)多次這樣循環(huán)后，其表面將出現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，造成強(qiáng)度降低、質(zhì)量損失。材料的抗凍性與材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和降溫速度等因素有關(guān)，材料的密實(shí)程度愈高、強(qiáng)度愈高，其抗凍破壞的能力也愈強(qiáng)，抗凍性愈好；材料孔隙細(xì)微且連通，充水程度飽和、降溫速度快，對(duì)其抗凍性不利。

材料的抗凍性用抗凍標(biāo)號(hào)Dn表示，Dn為材料所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)，即材料達(dá)到規(guī)定破壞程度（強(qiáng)度降低、質(zhì)量損失）所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。

冬季室外溫度低于-10℃的地區(qū)，建筑材料須進(jìn)行抗凍性檢驗(yàn)。2.1.4材料與熱有關(guān)的性質(zhì)

1.導(dǎo)熱性

材料傳導(dǎo)熱量的能力稱(chēng)為導(dǎo)熱性，材料的導(dǎo)熱能力用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示。(2－15a)式中：λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)［W/(m·K)］；Q——傳導(dǎo)的熱量（J）；d——材料厚度（m）；T2-T1——材料兩側(cè)溫差(K)；A——材料傳熱面積（m2）；t——導(dǎo)熱時(shí)間（s）。由式（2－15a）有材料傳導(dǎo)熱量：(2－15b)

材料導(dǎo)熱系數(shù)除與式（2－15a）各量有關(guān)外，還與材料的組成、孔隙率、含水率等有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，材料孔隙率小、含水率高，則導(dǎo)熱系數(shù)大。材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小，決定了材料的保溫性。導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，保溫性差；反之導(dǎo)熱系數(shù)小，絕熱性能強(qiáng)，保溫性好。工程上習(xí)慣把導(dǎo)熱系數(shù)<0.2W/(m·K)的材料稱(chēng)為保溫隔熱材料。在工程設(shè)計(jì)與施工中為使結(jié)構(gòu)具有良好的保溫性能，應(yīng)使材料處于干燥狀態(tài)，且選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。

2.熱容量與比熱

材料溫度每升高或降低1℃所吸收或放出的熱量稱(chēng)為材料的熱容量，熱容量計(jì)算公式：Q=cm(T2-T1)(2－16)式中：Q——材料的熱容量（J）；c——材料的比熱［J/(g·K)］；m——材料的質(zhì)量（g）；T2-T1——溫度差（K）。由式（2－15）有比熱計(jì)算公式：(2－17)即質(zhì)量1g的材料，溫度每改變1K時(shí)所吸收或放出的熱量。比熱與熱容量成正比，比熱、熱容量也是反映材料熱性能的重要指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)物上選擇不同比熱、熱容量的材料對(duì)穩(wěn)定室內(nèi)溫度的變化有重要的影響。

3.耐火性與耐燃性

材料在高溫或火作用下保持其原有性能不明顯下降的性質(zhì)稱(chēng)為耐火性。材料的耐火性用耐火度表示，依據(jù)耐火度不同材料可分為：耐火材料（耐火度>1580℃）、難熔材料（耐火度1350℃~1580℃）和易熔材料（耐火度<1350℃）。

材料在高溫或火作用下可否燃燒的性質(zhì)稱(chēng)為耐燃性。根據(jù)耐燃性的不同，材料可分為易燃材料（如纖維織物等）、可燃材料（如木材等）、難燃材料（如紙面石膏板、水泥刨花板等）、非燃材料（如磚、石、鋼材等）。

值得注意的是耐燃材料不一定耐火，但耐火材料一般耐燃，如鋼材為非燃材料，但耐火性較差。

工程上可根據(jù)建筑物或熱工設(shè)備特點(diǎn)、重要性來(lái)選擇不同的耐火、耐燃材料。 2.2材料的力學(xué)性質(zhì)

2.2.1強(qiáng)度

材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。在外力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，外力增加應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)外力增加到某一極限值時(shí)，材料發(fā)生了破壞，此時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為強(qiáng)度極限（材料的強(qiáng)度）。根據(jù)外力作用方式的不同，強(qiáng)度可分為拉（壓）強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。

材料的各種強(qiáng)度可通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)得，如通過(guò)拉壓、剪切、彎曲試驗(yàn)可分別測(cè)得材料的拉壓、剪切、彎曲強(qiáng)度。軸向拉壓、剪切荷載作用下的材料強(qiáng)度（應(yīng)力）為(2－18)式中：σ——拉壓、剪切應(yīng)力（強(qiáng)度）（Mpa）；F——軸向拉（壓）、剪切荷載（N）;A——材料的受力面積（mm2）。兩端鉸支的矩形截面試件在跨中集中力作用下，材料的抗彎（折）強(qiáng)度為(2－19)式中：σm——材料的抗彎（折）強(qiáng)度（MPa）；P——集中荷載（N）;L——試件的長(zhǎng)度（跨長(zhǎng)）(mm)；b、h——試件截面的寬度（mm）、高度(mm)。材料的強(qiáng)度與其組成和構(gòu)造有關(guān)，不同種類(lèi)的材料其強(qiáng)度不同。相同種類(lèi)的材料當(dāng)其內(nèi)部構(gòu)造不同時(shí)，其強(qiáng)度有較大的差異，材料的致密度愈高，其強(qiáng)度愈高。如混凝土、磚、石、鑄鐵等脆性材料，它們的抗壓強(qiáng)度較高、但抗拉強(qiáng)度較低，而鋼材這樣的塑性材料其抗拉、抗壓強(qiáng)度均較高。脆性、塑性材料制作的構(gòu)件分別用于承受壓力和拉力。作為衡量材料力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)的抗拉（壓）強(qiáng)度用強(qiáng)度等級(jí)（標(biāo)號(hào)）來(lái)表示，所謂的強(qiáng)度等級(jí)（標(biāo)號(hào)）就是對(duì)以強(qiáng)度值為主要指標(biāo)的材料，按其強(qiáng)度值的高低劃分成若干等級(jí)。脆性、塑性材料分別以抗壓、抗拉強(qiáng)度來(lái)劃分強(qiáng)度（標(biāo)號(hào)）等級(jí)。如普通硅酸鹽水泥有425、525、625等標(biāo)號(hào)，混凝土有75、100、…、600等標(biāo)號(hào)。單位體積質(zhì)量材料具有的強(qiáng)度稱(chēng)為比強(qiáng)度。比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)，比強(qiáng)度越大，材料的輕質(zhì)高強(qiáng)性能越好。高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)常采用比強(qiáng)度大的材料。輕質(zhì)高強(qiáng)材料是建筑材料發(fā)展的方向。

掌握材料的力學(xué)性質(zhì)，合理地選用材料對(duì)于設(shè)計(jì)、施工都是非常重要的。2.2.2彈性和塑性

在外力作用下材料要產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后變形若能夠完全恢復(fù)，材料的這種性質(zhì)稱(chēng)為彈性，恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。變形若不能恢復(fù)，材料的這種性質(zhì)稱(chēng)為塑性，不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。在彈性范圍內(nèi)材料的變形符合胡克定理。

事實(shí)上，完全彈性或完全塑性的材料是不存在的，有些材料在彈性極限范圍內(nèi)表現(xiàn)為彈性，在超過(guò)彈性極限后則表現(xiàn)為塑性，如建筑鋼材就屬于這種類(lèi)型。有的材料受力后，同時(shí)產(chǎn)生彈性變形與塑性變形，當(dāng)外力去除后，彈性變形得到恢復(fù)而保留了塑性變形。在圖2.2中，加載產(chǎn)生的總變形為oa，卸載后變形ab得到了恢復(fù)，而變形bo不能恢復(fù)，則ab為彈性變形，而bo為塑性變形，如混凝土材料就屬于這種類(lèi)型。圖2.2材料的彈塑性變形2.2.3脆性和韌性

在外力作用下材料無(wú)明顯變形而突然破壞的性質(zhì)稱(chēng)為脆性。脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，脆性材料往往作成受壓構(gòu)件。脆性材料抗沖擊、抗振動(dòng)的能力差?；炷?、鑄鐵、石材、磚等都是脆性材料。

在沖擊或振動(dòng)載荷作用下，材料吸收較大能量產(chǎn)生一定變形而不致破壞的性質(zhì)稱(chēng)為韌性或沖擊韌性。可通過(guò)沖擊試驗(yàn)來(lái)確定材料的韌性，韌性用材料受載荷作用達(dá)到破壞時(shí)所吸收的能量來(lái)表示。建筑鋼材、木材等均屬于韌性材料。路面、橋梁、吊車(chē)梁及有抗震要求的結(jié)構(gòu)均需考慮材料的韌性。2.2.4硬度和耐磨性

材料表面抵抗較硬物體刻劃或壓入的能力稱(chēng)為材料的硬度。非金屬材料硬度用莫氏硬度表示。

所謂莫氏硬度就是用系列標(biāo)準(zhǔn)硬度的礦物塊對(duì)材料表面刻劃，由劃痕確定硬度等級(jí)。由刻劃礦物不同分為十個(gè)等級(jí)，莫氏硬度的十個(gè)等級(jí)見(jiàn)表2－2。

表2－2莫氏硬度等級(jí)表

金屬材料硬度等級(jí)用壓入法測(cè)定。主要有布氏硬度法（HB）和洛