建筑材料课件第一章-材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质 主要内容§1材料的组成结构与构造§2★材料的密度、表观密度和孔隙率§3材料的力学性质§4★材料与水有关的性质§5★材料的耐久性§6材料与热有关的性质 §1材料的组成、结构与构造材料的组成、结构与构造是决定材料性能的内部因素。材料的组成包括化学组成和矿物组成。一、材料的组成 一）化学组成1)定义组成材料的化学元素种类和数量，直接影响材料的化学性质，也是决定材料物理力学性质的重要因素。土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关，如水泥中CaO、MgO含量影响着水泥的安定性。2)表示方法金属→化学元素的含量来表示，如碳素钢以碳元素含量来划分：25Mn（平均含C=0.25%、含Mn0.7%-1.2%的镇静钢）。非金属→元素氧化物含量，如水泥的SiO2、Al2O3含量。有机高分子材料→低分子化合物，如乙烯。 二）矿物组成指组成材料的矿物种类和数量，矿物是具有一定化学成分和一定结构及物理力学性质的物质和单质的总称，是构成岩石和无机非金属材料的基本单元。例如硅酸盐水泥熟料的矿物组成：C3S、C2S、C3A、C4AF。三）链节合成高分子材料常以其链节表示，链节是一种或几种低分子化合物按特定结构构成的单元。如聚乙烯的链节是C2H4等。四）组成与材料性能的关系组成决定性能→高铝水泥与硅酸盐水泥。组成相同时，结构决定性能→金刚石与石墨的成分均为C，但由于C原子排列不同，前者为无色极坚硬的晶体，后者为黑色光滑的无定型粉末。 二、材料的结构材料的结构是指材料的微观组织状况，可分为微观结构和显微结构。一）微观结构能用显微镜观察到的组成材料的原子、分子的排列方式、结合状况等。材料的微观结构可分为晶体、非晶体。 1）晶体晶体是质点(原子、分子、离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列（远程有序）而形成的固体。按晶体质点间键能的大小以及结合键的特性，可将晶体分为：原子晶体、离子晶体、金属晶体、分子晶体。其性能如下表： 材料的微观结构常见材料主要特性原子晶体(以共价键结合)金刚石、石英、刚玉强度、硬度、熔点均高，密度较小离子晶体(以离子键结合)氧化钠、石膏、石灰岩强度、硬度、熔点较高，但波动大，部分可溶，密度中等分子晶体(以分子键结合)蜡及有机化合物晶体强度、硬度、熔点较低，大部分可溶，密度小金属晶体(以金属键结合)铁、钢、铜、铝及其合金强度，硬度变化大，密度大 实际材料中的晶体，都有各种晶格缺陷，主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷会显著改变晶体材料的性质。此外，材料的性质还与晶粒的大小和分布状态有关。2)非晶体无定形结构或玻璃体结构。它是一种不稳定的结构，具有较高的化学活性，如硅酸盐水泥熟料。 二）显微结构指用光学显微镜可以观察到的材料组成及结构，其尺度范围在0.001～1mm，对材料性质有重要影响。例如水泥混凝土材料可分为水泥基相、集料分散相、界面过渡区及孔隙等，它们的状态、数量及性质将决定水泥混凝土的物理力学性能。钢材的晶粒尺寸直接影响钢材的强度。对于土木工程材料而言，从显微结构层次上研究并改善材料的性能十分重要。 三）微粉、超微颗粒及胶体1）微粉粒径在0.0001~0.1mm间的各种矿物或金属粉末。2）超微颗粒（纳米微粒）粒径在10-6~10-4mm间的各种微粒。由于纳米微粒有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理化学性能，在土木工程中也得到了应用。例如磁性液体、纳米涂料等。 3）胶体超微颗粒在介质中形成的分散体系。按其物理力学性质取决于介质还是微粒，将胶体分为溶胶和凝胶。溶胶—凝胶互变的性质称为触变性。 三、材料的构造指材料的宏观组织状况，材料的性质与其构造有密切联系。构造致密的材料强度高→如钢材；疏松多孔的材料密度和强度低→如无机非金属材料；层状或纤维状的材料各项异性→木材。材料的孔多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外，还与孔隙的构造特征有关。 孔特征参数孔隙多少（孔隙率P）随着孔隙率的增大，材料表观密度减小，强度下降。孔隙大小（孔半径r）对于开口孔隙，粗大孔隙易于水分透过，但不易被水充满；极细孔隙，水分易被吸入，但不易在其中流动；介于两者之间的毛细孔隙，既易被水充满，水分又易在其中渗透，对材料的抗渗性、抗冻性及抗侵蚀性能不利。 孔隙结构(孔隙分布)含有大量分散不连通孔隙的材料具有良好的保温隔热性能。含有大量与外界连通的微孔或气泡的材料具有良好的吸声隔音性能。孔隙形状(开口与闭口孔)闭口孔隙，不易被水分及溶液侵入，对材料的抗渗、抗冻及抗侵蚀性能的影响较小。 §2材料的密度、表观密度和孔隙率是本章的重点要求掌握基本概念、计算等内容主要讲解块状材料与散体材料的：密度ρ与视密度ρ’表观密度γ与堆积密度γ’密实度D、孔隙率P与空隙率P’ 一、密度一）定义材料在绝对密实状态下单位体积的质量。二）公式ρ＝m/Vρ—g/cm3，密度m—g，绝对密实状态下的质量V—cm3，绝对密实状态下的体积三）注意必须强调材料绝对密实状态的概念必须强调密度是材料自身固有的性质，与外界条件变化与否无关 二、表观密度一）定义在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量。二）公式γ＝m/V0γ—g/cm3(kg/m3)，表观密度m—g(kg)，材料自然状态下的质量V0—cm3(m3)，材料自然状态下的体积三）注意必须强调材料自然状态的概念自然状态包括孔隙、含水状态等，如干燥状态下的表观密度，或某种含水状态下的表观密度 三、密实度与孔隙率一）孔隙率材料中孔隙体积与总体积的百分比P＝(V0－V)/V0＝(1－γ/ρ)×100%二）密实度D＝V/V0×100%P＝1－D三）注意孔隙率与密度及表观密度的关系孔隙率与密实度的关系几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率(P8表1-1) 四、散粒材料的视密实度、堆积密度与孔隙率一）视密度散粒材料采用排液置换法测定体积，计算得到的密度，ρ’=m/V’。V’—采用排液置换法测得的包含内部闭口孔隙的体积。二）堆积(表观)密度自然状态下散粒材料单位体积的质量γ’。按堆放的紧密程度不同，又分疏松堆积密度、振实堆积密度和紧密堆积密度。计算公式可以按表观密度进行 三）孔隙率P’＝(1－γ’/ρ’)×100%注意：γ’是指材料干燥状态下的堆积表观密度；是颗粒之间的空隙和开口孔隙占总体积的百分率。四）压实度散粒状材料被压实的程度KY=ρ’/ρm’×100%ρ’施工现场的材料,经压实后的实测干堆积密度；ρm’试验室内,将相同材料试样在一定条件下，经充分压实后的最大干堆积密度。 例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40cm3，质量为85.50g，吸水饱和后的质量为89.77g，烘干后的质量为82.30g。试求该材料的密度、视密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、自然状态下的含水率。解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40×(1-0.24)=2.7g/cm3开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积=(89.77-82.3)÷1/40=0.187=18.7%闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.24-0.187=0.053=5.3%视密度=干质量/包含闭口孔隙的体积=82.3/40×(1-0.187)=2.53 g/cm3含水率=水的质量/干重=(85.5-82.3)/82.3=0.039=3.9% §3材料的力学性质材料在外力的作用下有关变形的性质和抵抗破坏的能力。材料在荷载作用下发生形状及体积变化的有关性质，主要有弹性变形、塑性变形、徐变及松弛等。一、材料的变形性质 一）弹性变形与塑性变形1）定义弹性变形是外荷作用下产生、卸荷后自行消失的变形。塑性变形是外荷去除后，不能自行恢复到原有形状而保留的变形。材料破坏前有显著塑性变形，称为塑性破坏。破坏前无显著塑性变形，称为脆性破坏。2）影响因素材料是塑性破坏还是脆性破坏，除取决于自身成分、组织、构造等因素外，还与受荷条件、试件尺寸、加荷速度及荷载类型有关。 3）塑性材料与脆性材料根据材料破坏前有无显著塑性变形，可分为塑性材料和脆性材料。塑性材料：铜、低碳钢、铝、沥青；脆性材料：石、砖、混凝土、砂浆块。塑性材料与脆性材料可转化性、相对性。二）横向变形与体积变形泊松比μ=│ε1/ε│；体积比θ=(VB-V0)/V0=ε(1-2μ)在弹性变形条件下，泊松比为常数，当为塑性变形或接近断裂时，μ=0.5。三）徐变与应力松弛固体材料在持久荷载的作用下，变形随时间的延长而逐渐增长的现象称徐变。材料在持久荷载作用下，若变形因受约束不能增长，其应力随时间延长而逐渐减小的现象叫应力松弛。徐变和应力松弛与应力大小、环境温度和湿度有关。 当应力未超过某一极限值时，徐变的发展随时间延长而减小，最后变形停止增长；当应力达到或超过某一极限值时，徐变随时间延长而增加，最后导致材料破坏。 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。有抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度。1）材料强度试验材料强度常用破坏性试验测定，根据破坏荷载求材料强度，公式为：二、材料强度抗压、抗拉、抗剪强度：抗弯强度中间集中荷载：两个对称集中荷载： 2）影响材料强度测定的主要因素①试件的形状、尺寸、表面状况棱柱体或圆柱体试件的抗压强度测试值小于立方体；形状相似的小试件的抗压强度测试值高于大试件；试件受压面有缺损，抗压强度测试值降低。②测试时试件的温度及湿度温度升高会降低钢材及沥青材料的强度；潮湿会降低砖、木材、混凝土等的强度。③试件加荷速度及试验装置情况等加荷速度快时，测得的强度值偏高；采用刚度大的试验机测得的强度值偏高。3）材料的强度等级按国家标准规定的试验方法进行测定，将材料按静力强度的高低划分为若干等级。如普通混凝土按静力抗压强度划分为C20、C30、…、C80等。建筑钢材按静力拉伸屈服强度划分为Q215、Q235、Q345等。 二）材料的持久强度和疲劳极限在持久荷载下的强度为持久强度，持久强度低于暂时强度。交变应力超过某一极限且多次反复作用后，会导致材料破坏，该应力值称为疲劳极限。疲劳极限远低于静力强度，甚至低于屈服强度。疲劳破坏为无显著变形的突然破坏。三）材料的理论强度结构完整的理想固体材料所具有的强度。由于各种材料都有结构和构造缺陷，材料的实际强度远低于理论强度。 材料抵抗冲击或震动等动荷载作用的性能，以试件受冲击时单位体积(面积)内所能吸收的冲击功来表示。材料的冲击韧性可以反映材料既具有一定强度，又具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，所用的材料要求考虑冲击韧性。脆性材料的韧性小；塑性材料韧性大三、材料的冲击韧性 硬度：材料抵抗其他较硬物体压入的能力。磨损：受摩擦作用而造成质量和体积损失的现象。磨耗：同时受摩擦和冲击作用而造成质量和体积损耗的现象。材料的硬度大、韧性高、构造密实，抗磨损和磨耗的能力较强。四、材料的硬度、磨损及磨耗 §4材料与水有关的性质是本章的重点要求掌握基本概念、计算等内容亲水性与憎水性——润湿角的概念含水率、平衡含水率、吸水率的概念及计算软化系数的概念 一、亲水性与憎水性接触角θ：从三相接触点，沿液-气表面所引切线与固-液表面所形成的夹角。 固体材料在空气中与水接触，按其是否易被水湿润分为亲水性材料与憎水性材料。大多数建筑材料，如石料、砖、混凝土、木材属于亲水材料；沥青、石蜡为憎水材料。亲水材料通过毛细管作用将水吸入材料内部；憎水材料能阻止水分渗入毛细管中，可用作防水材料或对亲水材料进行表面处理。 二、吸水性1）定义材料吸收水分的性质称为吸水性。材料中含水的多少用含水率表示，含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分比。气干状态的含水率称为平衡含水率。吸水饱和状态的含水率称为材料的吸水率。2）质量吸水率与体积吸水率 3）材料的吸水性取决于材料本身的亲水性及孔隙率的大小和孔隙特征；材料吸水率相差很大，吸水率大是不利的。材料受水作用后不损坏，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表示有时耐水性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，材料软化系数不宜小于0.85~0.9；受潮较轻或次要结构，材料软化系数不宜小于0.7~0.85。三、耐水性 材料抵抗压力水渗透的性能称为抗渗性。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。材料的抗渗性常用渗透系数表示：材料的抗渗性也可用抗渗等级表示，水工材料和防水材料有抗渗要求。四、抗渗性 §5材料的耐久性材料破坏作用：物理、化学、生物作用。物理作用包括干湿变化、温度变化及冻融作用。化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液或气体对材料的侵蚀破坏。生物及生物化学作用是指材料被昆虫、菌类等蛀蚀及腐朽。耐久性是材料的一种综合性质，工程中所指的耐久性，就是指材料在所处的环境条件下，保持其原有性能，抵抗破坏作用的能力。一、材料破坏作用与耐久性 一)冰胀压力作用材料毛细孔隙中充满水并快速冻结时，由于水结冰体积增加9%，在孔隙中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。二)水压力作用受冻降温时，不同孔径的孔隙水结冰膨胀，迫使尚未结冰的多余水移向附近气泡或试件边缘，产生的水压力，使孔壁受拉应力，造成材料体积膨胀。三)显微析冰作用材料孔隙中的盐类稀溶液结冰，溶液浓度提高，这样周围未结冰水因浓度差，向已结冰区迁移并迅速结冰。某一材料是否容易被冰冻破坏，与冻结温度、冻结速度及冻结频繁程度有关。二、冰冻对材料的破坏作用 材料的抗冻性常用抗冻等级来表示，是标准尺寸的试验材料在水饱和状态下，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，所经受的冻融循环次数。材料抗冻性与其孔隙率、孔隙特征和孔隙饱水程度有关，并受到材料变形能力、抗拉强度及耐水性的影响。抗冻性可作为矿物材料抵抗环境物理作用的耐久性综合指标。三、材料的抗冻性 §6材料与热有关的性质材料传导热量的性质称为导热性。材料的导热性用导热系数表示材料的孔隙率、孔隙特征及含水率是影响导热性的主要因素。孔隙率越大，导热性越低。含有大量分散不连通孔隙的材料导热性越低。含水率增加，导热性提高。导热性对于隔热保温具有重要意义。一、导热性 二、比热及热容量材料温度升高(降低)1K时，所吸收(放出)的热量，称为该材料的热容量(J/K)。1kg材料的热容量，称为该材料的比热[J/(kg·K)墙体材料的热学性质对于建筑节能具有重要意义。 例题某石灰岩密度2.62g/cm3，孔隙率1.2%，今将该石灰岩破碎成碎石，其堆积密度1580kg/m3，求此碎石的视密度和空隙率。已知：ρ=2.62g/cm3P=1.2%γ′=1580kg/cm3求:ρ′、P′解：由P=(1-γ/ρ)×100%，得γ=(1-P)×ρ=2.59(g/cm3)ρ′=γ=2.59g/cm3P′=(1-γ′/ρ′)×100%=23.55% 例题某块状材料密度2.60g/cm3，干燥表观密度1600kg/m3，现将一重954g的该材料浸入水中，吸水饱和后称重为1086g，试求该材料的孔隙率、重量和体积吸水率。已知：ρ=2.60g/cm3γ干=1600kg/m3=1.6g/cm3G=954gG1=1086g求:P、Wm、Wv解：P=(1-γ/ρ)×100%=(1-1.6/2.6)×100%=38.46%Wm=(G1-G)/G=13.84%Wv=γ干Wm/ρ水=1.6×13.84%/1=22.14% 例题某工地碎石密度2.65g/cm3，堆积密度1.68g/cm3，视密度2.61g/cm3，求该碎石的孔隙率和空隙率。已知：ρ=2.65g/cm3γ′=1.68g/cm3ρ′=2.61g/cm3，求:P、P′。解：γ=ρ′=2.61g/cm3P=(1-γ/ρ)×100%=1.51%P′=(1-γ′/ρ′)×100%=35.63% 进入第三章学习