建筑材料的基本性质论述

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1、第一章 建筑材料的基本性质,土木工程的各个部位都处于不同的环境条件并起一定的作用。如梁、板、柱以及承重的墙体主要承受各种荷载作用；房屋屋面要承受风霜雨雪的作用且能保温、防水； 基础除承受建筑物全部荷载外，还要承受冰冻及地下水的侵蚀；墙体要起到抗冻、隔声、保温隔热等作用。这就要求用于不同工程部位的材料应具有相应的性质。 这些性质归纳起来可分为： 一、物理性质 与各种物理过程（水、热作用）有关的性质； 二、力学性质 材料在荷载作用下的变形及抵抗变形的能力； 三、耐久性 材料在使用环境中，受到各种作用（物理作用、化学作用及生物作用等）而影响使用功能。 建筑材料所具有的各种性质，主要取决于材料的组成和

2、结构状态，同时还受到环境条件的影响。为了能够合理地选择和正确地使用材料，必须了解材料的各种性质以及性质与组成、结构状态的关系。,一、 材料的组成 材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。 材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。 材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。,第一节 材料的组成、结构与构造,、为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，小于0.2和则为0.20.4，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而则强度较高。,A,B,二、 材料的结构,材料的结构是指材料的微观组织状态。材

3、料的化学组成相同，微观结构的差别将导致材料性能的差异。 如图：化学组成相同的水泥熟料，由于的显微结构发育良好，则不然，结果在比表面积相似的情况下，熟料的 d、 d(d=day 天)抗压强度分别比熟料高10.7 MPa和6.8 MPa。, 化学组成相同，微观结构不同的两种熟料,微观结构 材料的微观结构与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。 材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体形式。 （1）晶体材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。 （2）玻璃体熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体。 特点：质

4、点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等）,粉煤灰玻璃体,（3）胶体作为分散相的粒子(粒径在1 100 m) ，分散在分散介质中形成的分散体系。 分散介质可以是气体、液体和固体，相应形成气溶胶、溶胶和凝胶。如油漆、涂料等为溶胶；混凝土为凝胶。 溶胶失水后成为具有一定强度的凝胶结构，可以把材料中的晶体或其他固体颗粒粘结为整体。 胶体因比表面积大，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等）。混凝土的强度和变形性质与水泥水化形成的凝胶体有很大的关系。,水泥凝胶体,三、材料的构造,材料的宏观构造是指可用肉眼

5、能观察到的外部和内部的结构。建筑材料常见的构造形式有：,大理岩的致密表面,1.致密构造 致密构造的材料内部基本上无孔隙，结构致密。 这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。,2.纤维构造,纤维构造的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。,竹的纤维构造,3.多孔构造,多孔构造的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高。 具有多孔构造的材料，其性质决定于孔隙的特征、多

6、少、大小及分布情况，一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。,加气砼砌块的多孔构造,4.层状构造,层状构造的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。各向异性 :材料在各方向的力学和物理性能呈现差异的特性。,胶合板的层状构造,5.散粒构造,散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其

7、致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。,陶粒的粒状构造,6.纹理构造,天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。,大理石的纹理结构,开口孔隙与闭口孔隙的概念,第二节 材料的密度 、表观密度和孔隙率,一、 密度 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 =m/V 式中 材料的密度，kg/m3或g/cm3 ； m 材料的质量（干燥至恒重）， kg或g ； V 材料在绝对密实状态下的体积， m

8、3或cm3 。 注： 由微观结构和组成所决定，与其所处的环境或状态无关。,密度的测量： 1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃、建筑塑料等，量测几何体积称重代入公式 2）除了钢材，玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。例如：砖、混凝土、石材、粉煤灰、矿物细粉等，在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。,密度的测定,在李氏瓶中注入煤油至突颈下部，记下刻度数。将李氏瓶放在盛水的容器中，在试验过程中保持水温为20。 称取6090g经烘干的试样，用漏斗将试样逐渐送入李氏瓶内，使液面上升至接近20 cm3的刻度为止。再称剩下的试样，计算送入李氏瓶中的试样质

9、量m(g)。 将注入试样后的李氏瓶液面的读数，减去未注前的读数，得试样得绝对体积V(cm3)。,李氏瓶测定密度,二、表观密度 表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。 =m/V0 式中 材料的表观密度，kg/m3或g/cm3； m 材料的质量，kg或g； V0 材料在自然状态下的体积，m3或cm3。,自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。需注明含水情况。否则当其是求干表观密度。 表观密度的测量： 1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材：烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料：可用封蜡排液法测得。,蜡封排液法,三、孔隙率

10、 材料的孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分率。 孔隙率的计算公式为： P=(V0V)/V0100% 式中 P 材料孔隙率，； V0材料在自然状态下的体积，cm3或m3； V 材料的绝对密实体积，cm3或m3。 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率的大小、孔隙特征对材料的性能如吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度等影响较大。,四、散粒材料的视密度、堆积表观密度及空隙率 视密度可按式=m/V计算，其中：体积由排液置换法测得，一般包含颗粒内部的闭口孔隙体积。 堆积表观密度是指散粒或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量，可按式 =m/V0 计算。,材料的堆积表观密度反映散粒构造材料堆积的

11、紧密程度及材料可能的堆放空间。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。,自然堆放状态下体积的测量： 1）容器法： 散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 2）自然堆积法： 堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式,砂堆积表观密度的测定,将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料体积,空隙率 空隙率是指散粒状材料颗粒之间空隙体积所占的比例。可代入 P9式（13）计算。其中：密度以视密度代入。 空隙率的大小反映了散粒材料颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制砼骨料级配和计算合理砂率的依据。,几种密度的比较,一、材料的变形性质 1、弹性变形和塑性变形,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后

12、能完全恢复到变形前形状的性质称为弹性。可完全恢复的变形称为弹性变形。 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。不可恢复的变形称为塑性变形。 实际上，完全弹性的材料是不存在的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性，所以可称之为弹塑性材料 。,弹性变形与塑性变形,弹塑性材料的变形曲线,二、 材料的强度,材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。 （一）材料的静力强度 根据所受外力的作用形式不同，材料强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（抗折）强度、抗剪强度等。 不同材料的承载特点是不同的： 混凝土、石材、砖抗压强度高

13、 钢材、各类纤维抗拉强度高,不同的外力作用形式,(a) 受压 (b) 受拉 (c) 受弯 (d)受剪,材料的抗压、抗拉、抗剪强度可统一由下式计算： f =F /A 抗弯强度的计算:中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算： 材料强度除与材料的组成、结构或构造有关外，还受试件形状、尺寸、表面状态、温湿度及其它试验条件等因素影响。,如： 小尺寸试件测试的强度值高于大尺寸试件； 加载速度快时测得的强度值高于加载速度慢的； 立方体试件的测得值高于棱柱体试件； 受压试件与加压钢板间无润滑作用的（如未涂石蜡等润滑物时），测得的强度值高于有润滑作用。,强度等级：依据国家标准规定，材料按静力

14、强度的高低，划分为若干等级，即强度等级。 例如：混凝土强度等级：C20、C25、C30、C35、C40等；砂浆强度等级：M5、M7.5、M10等。,三、材料的冲击韧性,材料在冲击、振动荷载作用下，能吸收较大的能量产生一定的变形而不破坏，这种性质称为韧性。在工程中使用时可用作承受冲击和震动荷载的构件。如桥梁、牛腿柱、吊车梁、电梯井等。材料的韧性用冲击试验来检验。 材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时无明显塑性变形，这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、砂浆等。脆性材料的特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使

15、用时可用作承压构件。,材料的脆性,四、材料的硬度、磨损及磨耗,硬度是指材料表面耐较硬物体刻划或压入而产生塑性变形的能力。通常用压入法，刻划法和回弹法测定材料的硬度。 压入法（韧性材料）：布氏硬度值 刻划法用于天然矿物硬度的划分（脆性材料），按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。 回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。,材料受外界物质的摩擦作用而造成的质量和体积损失的现象称为磨损。 材料同时受摩擦和冲击作用而造成的质量和体积损失的现象称为磨耗。,路面磨损裂纹,经过几年的使用，某水泥混凝土路面出现露石现象。 路面由于长年受到车辆及行人的磨损，表面水泥砂浆层剥落，导致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不够。,出现露石的路面,第四节 材料与水有关的性质,一、亲水性和憎水性 接触角 当材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角，称为接触角，角愈小，表明材料愈易被水润湿。,（）亲水性材料 （）憎水性材料,材料润湿示意图,亲水性材料（90），如砖、石