第1章建筑材料的基本性质.ppt
第一章 建筑材料的基本性质,2/73,概 述,一、学习目的与内容 二、本章的学习要求、重点和难点,3/73,一、学习目的与内容,1 学习目的 了解建筑材料基本性质，以便按要求正确选用 材料。 2 学习内容 将具有共同性和比较重要的材料性质作为基本 性质进行重点讲述，其它性质将在有关章节中介绍,4/73,二、本章的学习要求、重点和难点, 学习要求 了解建筑物及其周围环境对材料的基本要求； 熟练掌握材料的物理性质、力学性质、与水有 关的性质和耐久性； 了解材料热学性质的一般概念； 了解材料的组成、结构和构造； 了解材料性质与其组成、结构、构造的关系。,5/73, 重点和难点 重 点：材料的物理性质、力学性质、与水 有关的性质和耐久性。 难 点：基本物理性质相互之间的关系； 材料组成、结构、构造对材料性质的影响。,6/73,第一节 材料的组成、结构及构造,一、材料的组成,材料的组成是指材料的化学组成和矿物组成 （一）化学组成 材料的化学组成是指组成材料的化学元素种类和数量 材料的化学组成，直接影响材料的化学性质，也是决定材料 物理性质和力学性质的重要因素 材料化学组成的表示： 金属： 以化学元素含量百分数表示 无机非金属材料：以元素的氧化物含量表示 有机高分子材料：以构成高分子材料的单体表示,8/73,（二） 矿物组成, 材料中具有特定化学成分、特定结构和特定物理力学性能的物质或单质称为矿物 材料的矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量 矿物是构成岩石和各类无机非金属材料的基本单元。 如： 花岗岩的矿物组成主要是石英和长石； 石灰岩的矿物组成为方解石； 硅酸盐水泥的矿物组成主要是硅酸钙、铝酸钙 材料的矿物组成直接影响无机非金属材料的性质,9/73,（三）相组成, 材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相 凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料 建筑材料大多数是多相固体，可以看作复合 材料,如混凝土,二、材料的结构,材料的结构是指材料的内部组织情况，可分为: 微观结构 显微结构 宏观结构,11/73,（一）微观结构,微观结构是原子分子层次的结构，可用电子显微镜或X射线衍射仪来分析研究该层次的结构特征，寸范围在10-1010-6m（Å级，1Å=10-1nm）。 材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导电性等都是由微观结构所决定的。 材料在微观结构层次上可分为晶体、非晶体。,12/73,1.晶体,晶体是由原子、离子或分子等质点在空间按一定方式重复排列而成的固体. （1）特征 具有固定的几何外形，各向异性，在一定的压力下具有固定的熔点，受到外力作用时可产生弹性变形,NaCl晶体中Na+、Cl-离子有规则排列,方解石,石英,菱锰矿,13/73,14/73,（2）晶体分类,按组成晶体的质点及化学键的不同，晶体可分为： 原子晶体，如石英 离子晶体，如CaCl2 分子晶体，如有机化合物 金属晶体，如钢铁材料,15/73,（2）晶格缺陷,肖特基缺陷(a)、弗伦克尔缺陷(b),置换型杂质(a)、间隙型杂质(b),16/73,（2）晶格缺陷,17/73,2. 非晶体,非晶体结构又称无定形结构或玻璃体结构。 上近程有序，远程无序。其有序范围只有有序单位尺寸的几倍距离。 玻璃体的特点是无一定的几何外形，无熔点而只有软化现象，各向同性，化学性质不稳定。,钠硅玻璃结构,粉煤灰中的玻璃微珠,18/73,(二）显微结构,显微结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构，其尺寸范围在10-610-3m（微米级） 如：金属材料的金相组织；木材的木纤维;水泥水化产物形貌等 材料细观特征、数量、分布和界面性质对材料性能有重要影响,19/73,20/73,（三）宏观结构,宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织，其尺寸在10-3m级（毫米级）以上。 材料的宏观结构可按其特征分为： 致密结构（钢材、玻璃等） 多孔结构（泡沫塑料、加气混凝土等） 纤维结构（竹材、纤维板等） 层状结构（胶合板等）,21/73,22/73,(四）微粉、超微颗粒和胶体,粒径在10-710-4m间的各种矿物或者金属粉末，通常属于散粒的显微层次,1. 微粉,2. 超细颗粒,粒径在10-910-7m间的各种微粒，一般大于微观尺度的原子团，小于通常的微粉 由它可构成各种纳米材料,23/73,胶体是指粒径为10-710-9m的颗粒在介质中形成的分散体系。 溶胶在胶体结构中，介质对胶体的物理力学性能起决定作用。 凝胶胶粒数量较多或在物理化学作用下，胶粒相互吸附凝聚而形成网状结构，胶体反映出胶粒的物理力学性质。,溶胶 凝胶,3. 胶体,24/73,第二节 材料的密度、表观密度和孔隙率,25/73,一、密 度,密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 材料的密度可按下式计算： 式中 密度，g/cm3； m材料的质量，g； V材料在绝对密实状态下的体积， g/cm3 。 每种材料的密度是固定不变的。,26/73,二、表观密度,表观密度（俗称容重）是指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量。材料的表观密度可按下式计算： 式中 表观密度，g/cm3(kg/m3)； m材料的质量，g(kg)； V0材料在自然状态下的体积，cm3(m3)。 材料的表观密度通常是指在气干状态下的表观密度.,27/73,孔隙率,孔隙率是指材料中孔隙体积与总体积的百分比。材料的孔隙率可按下式计算： Vp V0 V 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。,28/73,孔隙的构造特征,材料中的孔隙，可分为与外界连通的开口孔和与外界隔绝的闭口孔。孔隙本身又按尺寸大小分为极细孔隙（D1.0mm）,闭口孔,开口孔,29/73,几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率,30/73,第三节 材料的力学性质,材料的力学性质是指材料在外力作用下的有关变形性质和抵抗破坏的能力。 材料的变形性质 材料的强度,31/73,一、材料的变形性质,材料的变形性质是指材料在荷载作用下发生形状及体积变化的有关性质。 （一）弹性变形与塑性变形 弹性变形是指在外荷载作用下产生、卸荷后可以自行消失的变形。 塑性变形是指在外力去除后，材料不能自行恢复到原来的形状而保留的变形，也称残余变形。,32/73,33/73,（二）横向变形与体积变化,材料受拉伸或者压缩时，除了产生轴向变形外，还产生横向变形。受压时轴向缩短而横向膨胀；受拉时，则与之相反 材料受拉伸或者压缩时，会发生体积变化,34/73,（三）徐变与应力松弛,固体材料在外力作用下，变形随时间的延长而逐渐增长的现象称为徐变 材料在荷载作用下，若所产生的变形因受约束而不能发展时，其应力将随时间的延长而逐渐减小，这一现象称为应力松弛,35/73,二、材料的强度,材料的强度是指材料抵抗外力（荷载）作用引起的破坏的能力 （一）材料的静力强度 在静荷载作用下，材料达到破坏前所承受的应力极限值，称为材料的静力强度（简称材料强度）或极限强度 根据作用荷载的不同，材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）和抗剪强度等,36/73,材料强度的测定,材料强度的测定常用破坏性试验方法来进行。即将材料制成试件，置于试验机上，按规定的速度均匀地加荷，直到试件破坏，由试件破坏时的荷载值，按相应计算公式，可求得材料强度,37/73,抗压、抗拉及抗剪强度的计算,式中 f材料强度，MPa； F破坏时荷载，N； A试件受力断面面积，mm2,38/73,抗弯强度的计算,抗弯强度的计算公式分别为： （中间加一个集中荷载）和 在跨度的三分点上作用两个集中荷载） 式中 fm抗弯强度，MPa； F破坏荷载，N； L梁的跨度，mm； b、h梁断面的宽与高，mm。,39/73,影响材料强度测定结果的主要因素,（）材料本身的组成、结构和构造 不同品种的材料，强度不同。即使同种材料，其内部孔隙率、构造等不同时，强度也不相同 （）试件的形状和尺寸 多数情况下，材料的强度随试件尺寸的增加而降低，当尺寸大到一定程度后，强度不再下降，这一现象称为尺寸效应。试件的形状也会对材料的强度结果产生影响。以脆性材料的单轴抗压强度为例，采用棱柱体或圆柱体试件测得的强度要比采用立方体试件测得的强度小,40/73,（）试件的表面状态,试件的表面状态同样会对强度结果产生影响。试件表面（受压面）凹凸不平或有掉角等缺损时，会引起应力集中而降低强度测定值,41/73,（）试件端部的约束情况,试件端部的约束情况不同，压板与试件承压面之间的摩擦力，测定的强度也不同。出现正摩擦时，强度偏高，负摩擦时，强度偏低。脆性材料立方体试件在有（正摩擦）无摩擦时的破坏特征,42/73,（）试验加荷速度,试验时，若加荷速度较快，则由应力引起的材料变形的增长速度落后于应力增长速度，破坏时的强度值偏高；反之，强度试验值偏低 （）其它因素 除了上述因素外，试验时试件的温度、湿度、含水状态及试验装置等也会对材料强度测定结果产生影响,43/73,3材料的强度等级,每一种材料由于品质不同，强度值有很大差别 为了生产和使用方法，国家标准规定，材料按静力强度的高低划分若干强度等级 脆性材料按其静力抗压强度的高低划分若干强度等级 建筑钢材按其静力拉伸屈服强度划分若干强度等级,44/73,（二）材料的持久强度及疲劳极限,材料在承受持久荷载下的强度，称为持久强度 静力强度是材料在承受短期荷载条件下具有的强度，也称暂时强度 实际结构物中材料承受的荷载大多为持久荷载。材料在持久荷载作用下会产生徐变，使塑性变形增加，故材料的持久强度一般低于暂时强度,45/73,材料承受的荷载随时间而交替变化时，其应力也随时间而交替变化。这种交变应力超过某一极限、且多次反复作用后，即会导致材料破坏，该应力极限值称为疲劳极限 疲劳极限与静力破坏不同，它常在没有显著变形的情况下，突然断裂。疲劳极限远低于静力强度，甚至低于屈服强度,46/73,（三）材料的理论强度,固体材料的强度取决于结构中各质点（原子、离子、分子）之间的相互作用力 材料的理论抗拉强度可按下式计算： fm材料理论抗拉强度 E材料的弹性模量 材料的表面能 d0组成材料质点间的距离,47/73,（四）材料的实际强度,在自然界中，各种材料都有结构及构造缺陷，如晶格缺陷、孔隙、微裂纹等。由于缺陷的存在，材料的实际强度要比理论强度小得多（通常相差1001000倍）,48/73,三、材料的冲击韧性,材料抵抗冲击或震动等荷载作用的性能，称为冲击韧性。冲击韧性以试件受冲击时，单位体积或单位面积内所能吸收的冲击功来表示 脆性材料受冲击后易碎裂；强度低的材料不能承受较大的冲击荷载。故材料冲击韧性可反映材料既有一定强度，又有良好受力变形的综合性能 桥梁、路面、桩及有抗震要求的结构所用的材料需考虑冲击韧性,49/73,四、材料的硬度、磨损及磨耗,材料抵抗其它较硬物体压入的能力称为硬度 材料受外界物质的摩擦作用而造成质量和体积损失的现象称为磨损 材料同时受到摩擦和冲击两种作用而造成的质量和体积损耗现象称为磨耗,50/73,第四节 材料与水有关的性质,51/73,固体材料在空气中与水接触时，按其是否易被水湿润分为亲水性材料和憎水性材料两类 两类材料与水接触时，界面上有着不同的状态,一、亲水性与憎水性,52/73,气固、 气液及液固分别表示气固、气液及液固界面间的界面张力，为接触角。当三力达到平衡时具有以下关系： 气固= 液固 +气液cos,53/73,1.当气固液固= 气液时， cos=1，=0°，液体 完全湿润固体 2.当0气固液固 气液时， 0 cos 1， 90°，液体能湿润固体 3.当气固液固 0时， 90° ，液体不能湿润固体,54/73,二、吸水性,材料吸收水分的性质称为吸水性 材料中所含水的质量与材料干燥质量的百分比为含水率 材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡时，材料处于气干状态，此时材料的含水率称为平衡含水率 材料吸水达到饱和状态时的含水率称为材料的吸水率 。吸水率可用质量吸水率和体积吸水率两种方式表达,55/73,质量吸水率：,体积吸水率：,56/73,Wv与Wm的关系为：,式中 G1材料吸水饱和状态下的质量 G材料干燥状态下的质量 水水的密度 V 0材料在自然状态下的体积 材料的干表观密度,57/73,三、耐水性,材料受水的作用 不会损坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性以软化系数K软表示。软化系数表示的是材料浸水后强度降低的程度 有时耐水材料是选择材料的重要依据。经常位于水中或受潮严重的重要结构，其材料的软化系数 不宜小于0.850.90；受潮较轻或次要结构，材料软化系数也不宜小于0.700.85,58/73,四、抗渗性,材料抵抗压力水渗透的性能称为抗渗性。材料的抗渗性与材料的孔隙率及孔隙特征有关 渗透系数或抗渗等级 式中 K渗透系数，ml/（cm2·s）或/s； Q透水量， ml； A透水面积， cm2 ； H水头差，； t透水时间，s,59/73,第五节 材料的耐久性,60/73,一、常见材料的主要破坏原因,材料在使用过程中所受到的破坏作用 （1） 物理作用：干湿变化、温度变化及冻融作用等 （2） 化学作用：酸、碱、盐等物质的水溶液或气体对材料的侵蚀破坏 （3） 生物及生物化学作用：昆虫、菌类等蛀蚀及腐蚀,61/73,2. 常见材料的主要破坏原因,一般矿物质材料（如石料、砖及混凝土等）：当暴露于大气中或处于水位变化区时，主要发生物理破坏作用；当处于水中时，除物理作用还发生化学侵蚀作用 (2) 金属材料：主要是化学腐蚀及电化学腐蚀作用 (3) 沥青质及合成高分子材料：主要是阳光、空气及热的作用,62/73,工程中所指的材料耐久性，是指材料在所处环境条件下，保持其原有性能、抵抗所受破坏作用的能力 材料的耐久性包含抗渗、抗冻等许多方面 抗冻性是指材料在水饱和状态下，能经受多次冻融而不产生宏观破坏，同时微观结构不明显劣化、强度也不严重降低的性能,二、材料的耐久性,63/73,（一）冰冻对材料破坏作用,冰冻对材料的破坏作用与材料组织结构及其含水状况有关。水结冰时体积增大9%，其破坏作用可概括为冰胀压力作用、水压力作用及显微析冰作用三种,64/73,.冰胀压力作用,当材料孔隙中充满水并快速冰结时，在孔隙内将产生很大的冰胀压力，使毛细管壁受到拉应力，导致材料破坏。冰胀压力的大小及破坏作用程度，取决于材料孔隙的水饱和程度及材料的变形能力 水结冰时的破坏作用，主要发生在充满了水的较粗孔隙内和毛细孔隙内。孔隙中水的冰点随孔径减小而降低，故极细孔隙中的水，在一般情况下不会结冰。粗大气孔，水易进易出，不易充满其中,65/73,当其受冻降温时，不同直径的孔隙内的水逐渐结冰，并伴随着体积增加，在某些孔隙内已结冰的水的体积膨胀，迫使尚未结冰的多余水移向附近气泡或试件边缘。在这一过程中产生水压力，使孔壁受到拉应力，造成材料体积膨胀 当冰融化时，材料体积收缩，但会留下部分残余变形 经多次冻融后，材料将会遭到破坏,.水压力作用,66/73,材料孔隙中的水，一般为盐类的稀溶液，一旦结冰，则析出纯冰并使溶液浓度提高。此时，若相邻较细孔中尚未结冰并仍存在着原浓度的溶液，即产生了浓度差，水则向已结冰区域迁移并迅速结冰。同时，对纯水而言，当温度下降时其表面张力增大，也会向孔径较大的孔隙转移，并使已结的冰晶增大，称为析冰现象 当材料中所含孔隙较少并已充满水时，析冰作用使水向较粗一级的孔隙内迁移，使较粗毛细孔隙内水分增多、冰晶增大，致使冻胀压力和水压力作用更为严重，此时析冰现象使冻融破坏作用加剧,.显微析冰作用,67/73,4. 影响冰冻破坏的因素,某一材料是否容易被冰冻破坏，与冻结温度、冻结速度及冻融频繁程度等因素有关 温度越低、降温越快、冻融间隔时间越短，材料越易破坏。处于建筑物水位变化区的材料，在寒冷季节交替地受到水饱和和冻融作用，其破坏最为严重。此时建筑物的耐久性主要取决于材料的抗冻性,68/73,（二）材料的抗冻性,（1） 材料的抗冻性用抗冻等级表示 （2） 抗冻等级是指标准尺寸的材料试件，在水饱和状态下，经受标准的冻融作用后，其强度不严重降低、质量不显著损失、性能不明显下降时，所经受的冻融循环次数 （3） 影响因素材料抵抗冻融破坏作用的能力，与其孔隙率及孔隙特征和孔隙内的充水状况有关，并受到材料变形能力、抗拉强度及耐水性的影响,69/73,第六节 材料与热有关的性质,70/73,一、导热性,材料传导热量的性质称为导热性。材料导热性的大小用导热系数表示： 式中 导热系数，W(m·K) Q通过材料的热量，J d材料厚度或传导的距离，m A材料传热面积，m2 Z导热时间，s t材料两侧的温度差，K,71/73,（1）孔隙率 材料的孔隙中含有空气，而空气的导热 性很小，所以材料的孔隙率愈大，导热性愈低 （2）孔隙特征 空气在粗大和连通的孔隙中较易对 流，使导热性增大，故具有细微或封闭孔隙的材 料，比具有粗大或连通孔隙的材料导热性低 （3）含水率 水的导热性大大超过空气；材料含水率增大时其导热性也相应提高；若水结冰，其导热性进一步增大；对于纤维结构的材料，顺纤维方向的导热性比横纤维方向的大,影响材料导热性的因素,72/73,材料温度升高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量，称为该材料的热容量(JK)。l kg材料的热容量，称为该材料的比热J(·K) 式中 Q材料吸收或放出的热量，J C材料的比热，J(kg·K) G材料的质量，kg t2- t1 材料受热（或冷却）前后的温度差，K,二、比热及热容量,73/73,几种材料的导热系数及比热,本章结束！,
