Transcript 第一章材料的基本性质

第一章 建筑材料的基本性质
主要内容：
材料的基本物理性质
材料的力学性质
材料的耐久性
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1.1
材料的基本物理性质
1.材料与质量有关的性质
2.材料与水有关的性质
3.材料与热有关的性质
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1.1.1 与质量有关的性质
密度
表观密度
堆积密度
密实度与孔隙率
空隙率与填充率
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1.1.1、材料与质量有关的性质
1、密度－－材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
ρ=
m
ρ－密度，g/cm3
V
V－材料在绝对密实状态下的体积,cm3
m － 材料的质量，g
绝对密实状态下的体积是不包含孔隙在内的体
积。密实材料的体积为绝对密实体积，如钢材、玻
璃等。一般材料内部均含有孔隙，在测定有孔隙的
材料密度时，应将材料磨成粉末，干燥后，用李氏
瓶测定其体积。
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什么叫近似密度（视密度）？
对于砂、石子，内部有少量闭口孔，直接以排液法
测得的体积称为近似体积（视体积），计算所得的密度
称为近似密度（视密度），以ρa表示。
m
a 
va
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1.1.1、材料与质量有关的性质
2、表观密度－－材料在自然状态下，单位体积的质
量。
ρ0=
m
ρ0－密度，g/cm3
V0
V0－材料在自然状态下的体积，cm3
m － 材料的质量，g
测定材料表观密度时，外形规则材料可通过直接度
量外形尺寸，按几何计算体积；
对于外形不规则的不吸水材料，可直接用排水法测定材
料的体积，对于吸水材料，用封蜡法测定材料的体积。
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1.1.1、材料与质量有关的性质
3、堆积密度－－散粒材料或粉末材料在自然堆积状态下，
单位体积的质量。
ρ’0＝
m
V0’
ρ’0－堆积密度，kg/m3
m － 材料的质量，kg/m3
V’0－材料的自然堆积体积，m3
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1.1.1、材料与质量有关的性质
表1－3 常用建筑材料的密度、视密度、体积密度、堆积密度数值
材料名称
密度ρ
（g/cm3)
表观密度ρ0
（g/cm3)
堆积密ρ’0
（g/cm3)
钢材
7.85
7.85
-
花岗岩
2.6-2.9
2.6-2.85
-
石灰岩
2.6-2.8
2.4-2.7
-
玻璃
2.5-2.6
2.5-2.6
-
烧结普通砖
2.5-2.7
1.5-1.8
-
建筑陶瓷
2.5-2.7
1.8-2.5
-
普通混凝土
2.6-2.8
2.3-2.5
-
建筑用砂
2.6-2.8
2.55-2.75
1450-1700
碎石
2.6-2.9
2.55-2.85
1400-1700
木材
1.55
0.4-0.8
-
泡沫塑料
1.0-2.6
0.01-0.05
-
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小结：材料的密度、表观密度与堆积密度
名称
定义
密度
材料在绝对密实状态下,
单位体积的质量。
表观密度
堆积密度
表达式
单位

m
v
g/cm3
材料在自然状态下，单位
体积的质量。
0 
m
㎏/m3或
g/cm3
材料在堆积状态下，单位
体积的质量。
 0 
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v
o
m
v0 '
㎏/m3
备注
1.1.1、材料与质量有关的性质
4、结构中的孔隙构造及孔隙尺寸与材
料性质的关系
1）、孔隙分类
球状孔隙
按孔隙的尺寸大小分为：
细微孔隙、细小孔隙、
较粗大孔隙、粗大孔隙。
按孔隙构造分为：
开口孔隙（连通孔隙）（常压水能进入）
闭口孔隙（封闭孔隙）（常压水不能进入）
按孔隙的形状分为：
球状孔隙、片状孔隙、
尖角孔隙
管状孔隙、尖角孔隙。
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开口孔隙
固体物质
封闭孔隙
片状孔隙
1.1.1、材料与质量有关的性质
2）、孔隙的来源与产生原因
a、天然形成：木材内部的孔隙是木材生长需要而产生的，岩石中
的孔隙是造岩运动时产生的。
b、人为形成：泡沫塑料、加气混凝土。
c、制造缺陷：玻璃中的气泡、粘土砖、混凝土和钢材中的裂纹。
d、生产工艺和组成要求产生：混凝土、砂浆、石膏等凝结硬化后
由于水分蒸发产生的孔隙。
3）、孔隙对材料性质的影响
孔隙率越高，则材料的表观密度、堆积密度、强度越小，保温
性、隔声性、吸水性越强。
孔隙构造、形状、大小对材料的性质也有很大影响。球状孔隙
对强度的影响小于片状、尖角孔隙，开口孔隙对材料的吸水性的影
响大于闭口孔隙，对保温性的影响较小。
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加气混凝土砌块吸水分析
某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、表观密度仅700
kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样方式往墙上浇水，发觉
原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇
水不少，但实则吸水不多，请分析原因。
原因分析：加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为
“墨水瓶”结构，肚大口小，或闭口孔结构，毛细管作用差，只
有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔，故吸水及导湿均缓慢。材
料的吸水性不仅要看孔隙率大小，还需看孔的结构特征。
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1.1.1、材料与质量有关的性质
5、密实度与孔隙率
1）、密实度－－材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度。
2）、孔隙率－－材料在自然状态下，孔隙体积占材料总体积的百分率。
V
ρ0
V0
ρ
密实度D值反映了材料的
密实程度，钢材、玻璃的
密实度 D = 1。
D＝ －×100％＝－ ×100％
VP V0- V
P＝ －＝
V0
×100％ ＝(1－D)
P+D=1
V0
开口孔隙率PK 材料内开口孔隙体积占总体积的百分率。 PK＝VK/V0
闭口孔隙率Pb 材料内闭口孔隙体积占总体积的百分率。 PB＝VB/V0
VP=VK+VB
P=PK+Pb
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1.1.1、材料与质量有关的性质
6、空隙率与填充率
VKVB
1）、空隙率－－散粒材料在堆积状态下，颗
粒间空隙体积占材料堆积体积的百分率。
ρ’0
P’＝ －＝
＝（1－
V’0 V’0
ρ0
VS
V0’- V0
） ×100％
2）填充率－－散粒材料在堆积状态下，颗粒
体积占材料堆积体积的百分率。
ρ’0
D’＝ ── ＝ ── ×100％
V’0
ρ0
V0
＝1－P’
D’+P’=1
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Vp
V
Vs
V0
V0’
1.1.1、材料与质量有关的性质
例：普通粘土砖的尺寸为240×115×53mm，测得其干重为2600g，
吸水饱和后的质量为2900g（假设开口孔吸水后全部存留孔中而不流
出），将其磨细烘干后取50g，用李氏瓶 测得体积19.23cm3，计算该砖
的密度、表观密度、密实度、孔隙率、开口孔隙率、闭口孔隙率。
m
＝50 / 19.23 = 2.6 g / cm3 。
解：密度 ρ＝－
V
表观密度
ρ 0＝
m
＝2600/(24×11.5×5.3）＝1.777g/cm3。
V0
密实度 D= ρ0 / ρ=1.777 / 2.6 = 0.683= 68.3%。
孔隙率 P=1- D =1 – 0.683= 0.317 =31.7%。
开口孔隙率 PK=（2900－2600）/ (24×11.5×5.3）=0.205=20.5%
闭口孔隙率 Pb＝P - PK=31.7 % -20.5 % = 11.2 % 。
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1.1.2、材料与水有关的性质
1.亲水性和憎水性
2.吸水性与吸湿性
3.耐水性
4.抗渗性
5.抗冻性
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1.1.2
材料与水有关的性质
一、材料的亲水性与憎水性
θ
θ
气
气
液
液
固
亲水性
固
憎水性
亲水材料：水分子间的内聚力小于水分子与固体材料分子间的吸引力时，
材料表面容易被水浸润，该材料为亲水材料。 θ ≤90 0。大多数材料为亲水
材料，如混凝土、粘土砖、木材等。
憎水材料水分子间的内聚力大于水分子与固体材料分子间的吸引力时，材
料表面不能被水浸润，该材料为憎水材料。 θ ＞90 0。如沥青、塑料等。
憎水材料具有良好的防水性能，可作为防水材料使用，或亲水材料的表面
处理。对于保温隔热及吸声等多孔材料应进行憎水处理，避免性能下降。
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材料与水有关的性质
1.1.2
二、吸水性与吸湿性
1、吸水性：材料在水中吸收水分的性质。
a、质量吸水率：
材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料绝干质量的百分比。
Wm=
mb－mg
×100％
mg
mb－ 材料吸水饱和时所吸水的质量，Kg或g；
mg－材料干燥状态下的质量，g或Kg。
材料的质量吸水率Wm 可以大于1，如海绵的质量吸水率大于1。
b、体积吸水率：
材料在吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然状态下的体积的百分比。
Wv=
mb－mg
V0
1
× ρ
w
×100％
ρw－水的密度；
V0－材料干燥状态下的体积，cm3或m3。
材料的体积吸水率小于1。 WV = Wm· ρ0
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Wv = PK
1.1.2
材料与水有关的性质
2、吸湿性：材料在空气中吸收水分的性质,用含水率表示。
m含 - m 干
W含 
100%
m干
平衡含水率：材料中的水分与空气湿度达到平衡时的含水率叫做平衡含水率。
3、影响材料吸水率(含水率）的因素：
a、材料的性质（亲水或憎水）。
b、材料的孔隙率和孔隙构造。
4、含水对材料性质的影响：
a、材料质量增加。
b、材料的强度下降。 C、材料的保温性能降低。
d、材料的耐久性下降（易产生冻害、易被腐蚀）。
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1.1.2
材料与水有关的性质
例题1：含水率5％的湿砂多少克烘干后质量为100kg？
解： m含＝m干 （1＋w含）＝100（1＋5％）＝105（g）。
例题2：将100g湿砂烘干至恒重后称其质量为95g，该砂的含
水率是多少？
解：w含＝（100-95）/95＝5.26%.
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1.1.2
材料与水有关的性质
三、耐水性
材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。
结构材料的耐水性用软化系数KR表
KR＝
fb
fb－ 材料在吸水饱和状态下的抗压强度 ，Mpa；
fg
fg－ 材料在绝干状态下的抗压强度 ，Mpa。
KR≥0.85时为耐水材料。一般结构，材料的软化系数
KR≥0.75；重要结构，材料的软化系数KR≥0.85。
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1.1.2
材料与水有关的性质
四、抗渗性
H
材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。
衡量指标：
①渗透系数k，
Qd
K
At  H
单位cm/h ，
k越大，材料的抗渗性越差。
②抗渗等级Pn：表示能抵抗渗透的最大水压力。
eg:P6、P8、P10…指能抵抗的最大水压力为
0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…
混凝土及砂浆的抗渗性常用抗渗等级表示。
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A
d
1.1.2
材料与水有关的性质
五、抗冻性
材料在冻融循环作用下，保持其原有性质的能力。
冻融循环：
在－15℃冻结，20℃的水中融化，这样的过程为一次冻融循
环。
结构材料的抗冻性用抗冻等级表示。如F25、F50、
F100、……表示材料经25、50、100次冻融循环后仍能满足质
量损失≯5％，强度下降≯25％的要求。
影响材料抗冻性的因素：
1、材料的孔隙构造和孔隙率（开口孔隙率）。
2、孔隙的充水程度。
3、材料自身的强度。
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冻融破坏的原因
材料有孔且孔隙含水；
水→冰，体积膨胀9％，结冰压力高达100MPa，
结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂；
裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度，
饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏；
反复多次加剧破坏，最终材料崩溃；
严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等处
在水位升降范围内的混凝土或砖建筑物、构筑物均需考虑冻融破坏。
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1.1.3、 材料的热工性质
材料的热容
材料的导热性
材料的热变形性
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1、材料的热容性
(1).热容---指材料温度变化时吸收或放出的热量。
(2).比热容---单位质量的材料温度升高1度时所需吸收的热量称为比
热容，简称比热，用符号c表示。c可用来表示不同材料的热容性大小。
Q
c
m(t 2  t1 )
(3).建筑材料的热容性对于保持建筑物内部温度稳定性具有重要意义。
比热容大的材料有利于减少室内温度波动。
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2、材料的热工性质－导热性
导热性－材料传导热量的能力称为导热性。其大小用
热导率或导热系数（λ）表示。
(T1 -T2 )  A  t
Q
d
Qd

A T1  T2   t
式中 λ－导热系数（W/m.K）
Q－传导的热量（J）
A－热传导面积（m2）
d－材料的厚度（m）
t－热传导时间（s）
(T1-T2)－材料两侧温差（K）
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Q
T1
A
T2
★导热系数λ的物理意义：
表示单位厚度的材料，当两侧温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。
★影响材料导热系数的因素有：
1.材料的组成与结构：
λ金属＞ λ无机非金属＞ λ有机高分子；
λ晶体＞ λ非晶体
2.孔隙率及孔隙构造
相同材料，P越大， λ越小；
P相同时，微孔、封闭孔材料λ较小。
3.含水情况
含水率增加， λ增大，绝热性下降（原因？）。所以，绝热材料一定
要注意防水防潮。
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常用土木工程材料的热工性质指标
材料名称
导热系数W/(m·K)
比热J/(g·K)
钢
55
0.46
铜
370
0.38
花岗岩
3.49
0.92
普通混凝土
28
0.88
水泥砂浆
0.93
0.84
普通粘土砖
0.81
0.84
粘土空心砖
0.64
0.92
松木
0.17～0.35
2.51
泡沫塑料
0.03
1.30
冰
2.20
2.05
水
0.60
4.19
静止空气
0.025
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孔隙率对材料导热性质的影响
某工程顶层屋面欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面，
见图1。请问选择何种材料？
A
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图 材料剖面
B
分析
保温层的目的是尽量减少外界温度变化对住户的影
响，材料保温性能的主要衡量指标为导热系数，其中导
热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多
孔结构，B材料为较密实结构，多孔材料的导热系数较小，
适于作保温层材料。
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3、材料的热变形性
1.热变形性---指材料温度变化时的尺寸
变化。一般材料“热胀冷缩”。
2.线膨胀系数---
L
 
L(t2  t1 )
3.土木工程上一般不希望材料的热变形性
过大。而且希望相配合材料之间的线膨胀
系数相等或差别不大（为什么？）
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α---线膨胀系数
L---材料原长
△L—材料的线变形量
t1,t2---材料前后的温度
1.2
材料的力学性质
一、材料的受力变形
1 、弹性变形
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料的变形立即消失并能
完全恢复到原来形状的性质称为弹性。材料的这种变形称为弹性变形。应
变和应力成正比，其比值称为材料的弹性模量。E=σ/ε（Mpa)。
2 、塑性变形
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料仍能保持变形后的形
状并且不产生裂缝的性质称为塑性。材料的这种变形称为塑性变形。
3 、徐变（蠕变）
材料在恒定外力作用下产生，随着时间而缓慢增长的变形称为徐变变形，
简称徐变。
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注
意
完全的弹性材料与完全的塑性材料是不存在的，有的材料
在低应力作用下，主要发生弹性变形，而在应力接近或高于其
屈服强度时则产生塑性变形。例如建筑钢材。
有的材料为弹塑性材料，弹塑性材料---即在外力作用下，
既发生弹性变形又发生塑性变形，如混凝土。
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荷载
A
0
b
ob—塑性变形
a
变形
ab—弹性变形
弹塑性材料的变形曲线
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1.2
材料的力学性质
二、材料的强度
1、强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。
2、材料强度的计算
抗拉、抗压、抗剪强度：
P
P
P
f=－
A
P
P
P
P
抗弯强度：f =
P
L
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3PL
2bh2
b
材料的力学性质
1.2
3、材料的比强度：
材料强度与表观密度的比值（f/ρ0)。是衡量材料轻质高强的主要指标。
常用材料的强度值
材
料
单位MPa
抗压强度
抗拉强度
抗弯强度
比强度（抗压）
花岗岩
100-250
5-8
10-14
0.070
普通粘土砖
7.5-30
-
1.8-4.0
0.006
普通混凝土
7.5-60
1-4
-
0.017
普通低碳钢
200-400
200-400
-
0.054
松木（顺纹）
30-50
80-120
60-100
0.200
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1.2
材料的力学性质
三、材料的脆性与韧性
1.脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突
然破坏而又无明显的塑性变形的性质。
脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）具有抗压强度远大于抗拉强
度的特点，抵抗冲击或震动荷载的能力很差。工程上适宜用在受压
部位，如基础、柱、墙体等。
2.韧性－在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而
不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材等。
桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。
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1.2
材料的力学性质
请看材料脆性、韧性破坏动画演示
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1.2
材料的力学性质
四、硬度和耐磨性
1.硬度－指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体
刻划、压入其表面的能力。
测定方法：刻划法、回弹法、压入法。
请看压入法硬度实验动画
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1.2
材料的力学性质
2.耐磨性－材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。
m1  m2
磨损率N 
A
m1－－试件磨损前的质量（g）；
m2－－试件磨损后的质量（g）；
A－－试件受磨面积（cm2）。
楼梯踏步、路面、地面等部位材料应有一定耐磨性。
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1.3
材料的耐久性
一、概念
材料的耐久性是指材料在使用期间，受到各种内在的或外来
因素的影响，能经久不变质不破坏，能保持原有性能不影响使用
的性质。这是一个综合性指标。
二、材料耐久性的影响因素
1、内因---材料自身的内部因素因：
材料内部存在不稳定的化学组分，如Ca(OH)2、挥发份、杂质等；
材料内部存在一些缺陷，如孔隙、裂缝等。
2、外因---材料服役环境因素：
材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受
到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、
机械及生物的作用等。
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材料耐久性的影响因素
物理作用---有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作
用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时
间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化
对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于
高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐
热性能。
化学作用---包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐
等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。
机械作用---包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料
疲劳，冲击、磨损、磨耗等。
生物作用---包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀
而破坏。
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材料耐久性的影响因素
砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，
也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学
作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥
青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化
而使材料变脆或开裂。
材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。
例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来
表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表
示。
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三、提高耐久性的措施
1.减轻介质对材料的破坏作用
2.提高材料密实度
3.对材料进行憎水或防腐处理
4.在材料表面设置保护层
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第1章
小节
本章学时：讲课4，实验2
主要内容：材料的基本物理性质、力学性质、耐久性等。
重点：
掌握密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、密实度、空隙率、填充率
的概念、计算公式、测试方法及其相互关系；
掌握强度公式、计算及实验方法；
掌握亲水性（憎水性）、吸水性（吸湿性）、耐水性的概念、吸水率
的计算公式。
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