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1、模块1 建筑材料的基本性质,本模块主要讲述建筑材料的基本物理性质、力学性质、耐久性及其影响建筑材料性质的因素。本章的相关知识，集合到一点，都和材料的体积有关，特别是开口孔隙体积。在其他条件一致下，某种材料的孔隙率越大，一般与水有关的性质，如吸水性、吸湿性越大，耐水性、抗渗性、抗冻性越差；而孔隙率一定的条件下，开口孔隙体积越大，则与水有关的性质受其影响越大。,模块概述,学习目标,掌握建筑材料的各项物理性质的概念、表达方式及计算分析；了解建筑材料的力学性质及耐久性。,技能目标,掌握孔隙和孔隙特征对材料性能的影响；掌握材料的工程选用与判断。,工程导入,质量为3.4kg，容积为10L的容量筒装满绝干石
2、子后的总质量为18.4kg。若向筒内注入水，待石子吸水饱和后，为注满此筒共注入水4.27kg。将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为18.6kg（含筒重）。求该石子的吸水率，表观密度，堆积密度，开口孔隙率。,章节结构：,1.1 材料的基本物理性质1.2 材料的力学性质1.3 材料的耐久性,1.1 材料的基本物理性质,材料的总体积=材料固体物质所占体积V+孔隙体积Vp+空隙体积Vs孔隙体积Vp=自身封闭的孔隙体积Vb+外界连通的（开 口）孔隙体积Vk,1.1.1 与质量有关的物理性质,1.材料的体积组成,孔隙大小,孔隙状态：,孔径 0.01 极细孔隙孔径 1.0 细小孔隙孔径 1.0 粗大孔
3、隙,封闭孔隙指常压下吸不到水，当水压太大时可以通过材料内部的毛细通道进入其中,材料的孔隙特征,绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙的固体物质的真实体积。绝对密实状态下的体积测定：将材料磨成粒径少于0.2mm的细粉，用排液法（密度瓶法）测定的实际体积。,2.密度是指材料在绝对密实状态下单位体积所具有的质量。计算式为：,2.密度,表观密度是指材料在包含内部闭口孔隙下（即自然状态下）单位体积的质量。计算式为：材料的表观体积是指包含孔隙的体积。一般是指材料长期在空气中干燥，即气干状态下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。,3.表观密度,体积密度是指材料在自然状态下单位体积所具有的
4、质量。计算式为：,4.体积密度,表观体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。外形规则的材料：几何体积为表观体积外形不规则的材料：排液法测定，测前其表面用薄蜡 层密封体积密度一般以干燥状态下的测定值为准。,【工程实例1.1】：某种材料试样，其形状不规则，要求测定其体积密度。已知材料的干燥质量为m，表面涂以密度为蜡的石蜡后，称得质量为m1。将涂以石蜡的石子放入水中称得在水中的质量为m2。试求该材料的体积密度。解假设石蜡和涂以石蜡的石子的体积分别为V蜡和V固，则,该材料的体积密度为：,堆积密度是指粉状、颗粒状或纤维状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。计算式为：砂子、石子等散粒材料的堆积体积，是在特定条
5、件下所填充的容量筒的容积。材料的堆积体积包含了颗粒之间或纤维之间的孔隙。,5.堆积密度,表1.1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率,常用建筑材料的有关数据见表1.1所示。,续表1.1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率,【思考题1】：有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为24011553mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62 cm3。试计算该砖的密度及体积密度。解该砖的密度为体积密度为,1.密实度与孔隙率（1）密实度 密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比
6、例。密实度反映材料的致密程度。计算式为：,1.1.2 与体积有关的物理性质,（2）孔隙率 孔隙率是指材料体积内，孔隙体积占材料总体积的百分率即孔隙体积所占的比例。计算式为：孔隙率与密实度的关系为：,【工程实例1.2】已知某种普通粘土砖o=1700kg/m，=2.5g/cm。求其密实度和孔隙率。【解】依已知条件可求其密实度为：D=（o）100%=（17002500）100%=68%其孔隙率为：P=（1-0)100%=(1-0.68)100%=32%对于含有孔隙的固体材料密实度均小于1 根据材料内部孔隙构造的不同，孔隙分为连通的和封闭的两种。几种常用材料的孔隙率列于表1.1。,（1）填充率 填充率
7、是指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。其计算式为：,2.材料的填充率与空隙率,（2）空隙率 空隙率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。其计算式为：空隙率与填充率的关系为：注：空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。,【思考题2】某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解石子的孔隙率P为：石子的空隙率P为：,材料在空气中与水接触时，根据材料表面被水润湿的情况，分亲水性材料和憎水性材料两类当材料分子与水分子间的相互作用力大于水分子间的作用力时
8、，材料表面就会被水所润湿。此时在材料、水和空气的三相交点处，沿水滴表面所引切线与材料表面所成的夹角90图1.1(a)，这种材料属于亲水性材料。,1.1.3 与水有关的物理性质,1.亲水性与憎水性,如果材料分子与水分子间的相互作用力小于水本身分子间的作用力，则表示材料不能被水润湿。此时，润湿角90180图1.1(b)，这种材料称为憎水性材料。亲水性材料：大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等；依据其含水情况分为干燥、气干、饱和面干、湿润状态四种基本状态。憎水性材料：沥青、石蜡和某些高分子材料等；可用作防水材料和亲水性材料的表面处理。,图1.1 材料的润湿示意图（a）亲水性材料（b）憎
9、水性材料,吸水性是指材料在浸水状态下吸入水分的能力。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率为材料浸水后在规定时间内吸入水的质量（或体积）占材料干燥质量（或干燥时体积）的百分比。有质量和体积吸水率之分。质量吸水率指材料吸水饱和时，其所吸收的水分的质量占材料干燥时质量的百分率。,2.吸水性,体积吸水率指材料体积内被水充实的程度。,材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙构造特征有关。,质量吸水率与体积吸水率的关系：,一般孔隙率越大，吸水性越强，封闭的孔隙，水分不易进入；粗大开口的孔隙，水分不易存留，其体积吸水率常小于孔隙率，用质量吸水率表示其吸水性。轻质材料，具有很多开口而微小的孔隙，其质量吸水率超过100
10、%，用体积吸水率表示其吸水性。吸水对材料的不良影响：体积密度、导热性增大 体积膨胀，强度降低,【思考题3】：有一块烧结普通砖，在吸水饱和状态下重2900g，其绝干质量为2550g。砖的尺寸为24011553mm，经干燥并磨成细粉后取50g，用排水法测得绝对密实体积为18.62 cm3。试计算该砖的吸水率、密度、孔隙率。解该砖的吸水率为该砖的密度为表观密度为孔隙率为,材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分比。计算式为：,3.吸湿性,含水率的影响因素：材料本身的特性、周围环境 的温度、湿度吸水率是指存留吸水达到饱和状
11、态时的含水率。,材料在长期饱和水作用下不被破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示。计算式为：,4.耐水性,软化系数K软的大小，表命材料浸水后的强度降低的程度，其值为01，K软值越小，强度降低越多，耐水性越差。常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料 K软0.85 受潮较轻的或次要结构物的材料 K软0.75 耐水的材料 K软0.80,【工程实例1.3】某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为164、168、155 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解该石材的软化系数为由于该石材的软化系数为0.92，大于0.85，故该石材可用于水下工
12、程。,抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性表示方法：用渗透系数K或抗渗等级Pn表示。,5.抗渗性,K计算式为：,注：K愈小的材料其抗渗性愈好例如：某防水混凝土的抗渗等级为P6，表示该混凝土试件经标准养护28d后，按照规定的试验方法在0.6MPa压力水的作用下无渗透现象。抗渗性的影响因素：孔隙率与孔隙特征密切相关,抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，强度也无显著降低的性能。抗冻性的表示方法：用抗冻等级Fn表示。n表示材料试件经n次冻融循环试验后，质量损失不超过5%，抗压强度降低不超过25%，n 称作抗冻等级。n的数值越大，抗冻等级
13、越高,说明抗冻性能愈好。材料的抗冻性的影响因素：材料的密实度、强度、孔隙构造特征、耐水性以及吸水饱和程度有关。,6.抗冻性,东北地区冬天温度很低，为了避免给水管的胀裂，常采用地下埋设（在地下水位线上），采用抗冻性管道，尽量避免架空布置，否则应在外面包裹保温措施。,知识拓展：我国东北地区给水管的布置要求,材料传导热量的性能称为导热性。材料的导热性用导热系数表示。导热系数的物理意义是指，单位厚度（1m）的材料，当两个相对侧面温差为1K时，在单位时间（1s）内通过单位面积（1）的热量。计算式为：,1.1.4 与热有关的性质,1.导热性,材料的导热性影响因素：材料的成分、内部孔隙构造等有关。注：材料的
14、导热系数越小，绝热性能越好。材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。（水和冰的导热系数高于空气导热系数）绝热材料应经常处于干燥状态。,材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。热容量用比热容表示，1g材料温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量称为比热容。比热容的计算式为：材料的比热与质量的乘积为材料的热容量值Q容=cm。,2.比热容,注：不同材料的比热容不同；同种材料在不同环境下的 比热容也不同；材料的比热容对保证建筑物内部温度的稳定性意义 很大；常用建材的比热容见表1.2所示,表1.2 常用建材的比热容,材料的耐燃性是指材料在火焰和高温作用下可否燃烧的性质。我国相关规范把材料按
15、照耐燃性分为非燃烧材料、难燃烧材料和可燃烧材料三类。一般非燃烧材料如钢铁、砖、石等；难燃烧材料如纸面石膏板、水泥刨花板等和可燃烧材料如木材、竹材等。在现实工程中，在建筑物的不同部位，依据其使用特点和重要性选择不同耐燃性的材料。耐火性是指材料在火焰和高温作用下，保持其不被破坏、性能不明显下降的能力，用其耐受时间（h）表示，称为耐火极限。一般耐燃的材料不一定耐火，而耐火的一般都耐燃。如钢材是非燃烧材料，但其耐火极限仅有0.25h。,3.耐燃性与耐火性,1.2 材料的力学性质,本节主要内容：一、材料的强度、比强度 二、材料的弹性与塑性 三、材料的脆性与韧性 四、材料的硬度、耐磨性,1.2.1 材料的
16、强度与比强度,材料在外力(荷载)作用而引起破坏的最大能力即抵抗破坏的能力，称为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度等(图1.2)。,1.2 材料的力学性质,在试验室采用破坏试验法测试材料的强度。按照国家标准规定的试验方法，将制作好的试件安放在材料试验机上，施加外力(荷载)，直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：,材料的抗弯强度与试件受力情况
17、、截面形状以及支承条件有关。通常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间作用一集中荷载。材料的抗弯强度的计算式为：,材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同。,图1.2 材料受力示意图,(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲,材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失并能完全恢复原来形状的性质，这种性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性模量E是指应力与应变的比值，其计算公式为：,1.2.2 材料的弹性与塑性,E值是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E越大，材料越不易变形。材料在外力作用下产生变
18、形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。不能消失（恢复）的变形称为塑性变形。材料的弹性和塑性变形曲线见图1.3所示。有的材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，见图1.4所示。,图1.3 材料的弹性和塑性变形曲线,图1.4 材料的弹塑性变形曲线,材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料无显著的塑性变形而突然断裂的性质称为脆性。在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。如：混凝土、砖、石、陶瓷等。在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。韧性材料如：建筑钢材、木材。,1.2.3 材料的脆性与韧性
19、,材料的韧性是用冲击试验来测试的，以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。其计算公式为：,硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻化的能力。硬度的测定方法：刻化法 莫氏硬度（10级）压入法 布氏法（布氏硬度）、洛氏法（洛氏硬度）、维氏法（维氏硬度）。注：莫氏硬度（10级）为：滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7；黄玉8；刚玉9；金刚石10.,1.2.4 材料的硬度与耐磨性,1.材料的硬度,耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。常用磨损率（B）表示。,注：一般强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。一般道路路面、地面、踏步等部位的材料应考虑耐磨性。,2.材料的耐磨性,1.3
20、 材料的耐久性,一、概念耐久性是指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力。二、材料使用过程中承受的作用1.各种外力作用2.周围环境及自然因素的破外作用 物理作用 材料的干湿变化、温度变化、冻融变化等 化学作用 酸、盐、碱的水溶液及气体对材料的浸蚀作用 生物作用 昆虫、菌类等对材料的蛀蚀、腐朽等破坏作用三、土木工程材料耐久性与破坏因素的关系（见表1.4）,表1.4 土木工程材料耐久性与破坏因素的关系,注：*表示可参考强度变化率、开裂情况、变形情况、破坏情况等进行评定,三、影响材料耐久性的因素（1）材料在使用过程中承受的各种外力作用。(2)材料的周围环境及自然因素的破外作用。主要包括物理作用如材料的干湿变化、温度变化、冻融变化等；化学作用如酸、盐、碱的水溶液及气体对材料的浸蚀作用；生物作用如昆虫、菌类等对材料的蛀蚀、腐朽等破坏作用。（3）材料内部因素。主要是指材料的化学组成、结构和构造特。,
