2 材料的基本性质（课件）- 《建筑材料（第2版）》同步教学（清华大学版）

2.1 材料的组成与结构 2.2 材料的基本物理性质 2.3 材料的力学性质 2.4 材料的耐久性 2. 建筑材料基本性质 2.1.1 材料的组成 化学组成：构成材料的化学元素的种类及数量。一般用氧 化物（酸性、碱性）的形式表示。如，CaO、SiO2。 矿物组成：矿物是具有一定化学成分、特定的晶体结构及物理力学性能的单质或化合物。无机非金属材料。如水泥的矿物组成：C3S、C2S、C3A、C4AF ——对于岩石、水泥等材料，矿物组成是决定其性质的关键因素 2.1.2 材料的结构 材料的内部组织状态，为材料自身固有，反映材料特性，是材性最重要的决定因素。 宏观——肉眼或放大镜。毫米级的粗大组织。尺寸在10-3m 级以上，最粗的结构形式。 细观（亚微观）——光学显微镜。微米级的组织结构。 尺 寸范围10-3~10-6 m。 微观——电子显微镜或 x-ray 衍射。原子、分子级的结构， 尺寸范围10-6~10-10 m。 密度、表观密度和堆积密度 密实度与孔隙率 填充率与空隙率 材料与水有关的性质 材料的热工性质 2.2 材料的基本物理性质 4 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，g/cm3。 　  V—— 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。 所谓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实体积。 2.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量，g/cm3 或，kg/m3 。按下式计算： V0＝V+Vk+Vb 所谓自然状态下的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积 2.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 6 ρρρ 堆积密度是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，有紧堆积密度及松堆积密度之分，kg/m3 。 V0'——材料的堆积体积 ，m3。 V0'＝V+Vk+Vb＋V空 2.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 密实度是材料体积内被固体物质充实的程度 孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。 或 即：D+P=1 2.2.2 密实度与孔隙率 填充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算： 空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算： 或 2.2.2 填充率与空隙率 亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性 耐水性 抗渗性 抗冻性 2.2.3 材料与水有关的性质 当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。 润湿角θ≤90°为亲水性材料; 润湿角θ>90°为憎水性材料。 亲水性与憎水性 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，即 式中：W ---材料质量吸水率，%； mg--- 材料干燥状态下质量，g; mb--- 材料吸水饱和状态下质量， 吸水性与吸湿性 吸水性也可以用体积吸水率表示，即材料吸入水的体积占材料自然状态体积的百分率。 吸水性与吸湿性 一般孔隙率越大,吸水性越强。材料具有闭口孔隙,水分不易进入；;粗大开口孔隙；水分易渗入孔隙；但材料孔隙表面仅被水湿润；不易吸满水分；微小开口且连通孔隙(毛细孔)的材料，具有强的吸水能力。材料吸水会使材料的强度降低、表观密度和导热性增大、体积膨胀。 材料在一定温度和湿度下的空气中吸附水分的能力称为吸湿性，用含水率表示，即 式中：Wh-- 材料含水率，%; ms--材料吸湿状态下的质量，g； mg---材料干燥状态下的质量,g。 吸水性与吸湿性 材料吸湿性作用一般是可逆的，材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。 材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性，用软化系数表示，即 式中：KR ---材料的软化系数； fb ---材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa fg ---材料在干燥状态的抗压强度，MPa 。 耐水性 材料的软化系数的范围在0～1之间，通常软化系数大于等于0.85的材料称为耐水材料 。 材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质，材料的抗渗性用渗透系数或抗渗等级表示，渗透系数越小,表示材料抗渗性越好。 材料抗渗性与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。开口大孔,水易渗入，材料的抗渗性能差；微细连通孔也易渗入水,材料的抗渗性能差；闭口孔，水不能渗入,即使孔隙较大，材料的抗渗性能也良好。 抗渗性是决定材料满足使用性能和耐久性的重要因素。 抗渗性 抗冻性是指材料经受若干次冻融循环而不破坏的性质(质量损失率不大于5%,材料强度损失不大于25%)。 冰冻作用的主要原因是由材料孔隙内的水分结冰、体积膨胀引起的，冰膨胀对材料孔壁产生巨大的压力，由此产生的拉应力超过材料的抗拉强度极限时，材料内部产生微裂纹,强度下降。 材料抗冻性以抗冻等级来表示。 抗冻性 热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，用比热容表示，即 式中　C ——材料的比热容，kJ／(kg·K)； Q ——材料的热容量，kJ； 　 m ——材料的重量，kg； 　 t1-t2 ——材料受热或冷却前后的温度差，K。 围护结构材料需要需要材料热容量较大，导热系数较小。 2.2.4 材料的热工性质 导热系数 材料传递热量的能力 式中：λ——材料的导热系数，w/（m·K）； 　　 Q ——总传热量，J； 　　 δ——材料厚度，m； A ——热传导面积，m2； Z ——热传导时间，h； 　 T2-T1——材料两侧温度差，K。 　　　 2.2.4 材料的热工性质 强度与比强度 弹性与塑性 韧性与脆性 2.3 材料的力学性质 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。 根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。 a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切 2.3.1 强度与比强度 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算： 式中 f——材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa； 　 P——材料破坏时的最大荷载，N；　 A——受力截面面积，mm2。 2.3.1 强度与比强度 抗弯强度计算: 式中fm——抗弯强度，MPa； 　 P——弯曲破坏时的最大荷载,N； b，h ——试件横截面的宽和高,mm;　　 L—— 两支点间的距离，mm。 2.3.1 强度与比强度 影响材料强度的因素 1.材料的组成、结构 2.孔隙率与孔隙特征 3.试件的形状和尺寸 4.加荷速度 5.试验环境的温度、湿度 6.受力面状态 比强度：材料的强度与其表观密度的比值（f/ρo）。用于评价材料是否轻质高强。 表 2.3 常用结构材料的比强度 2.3.1 强度与比强度 材料 强度/MPa 表观密度/(kg·m-3) 比强度 低碳钢 420 7850 0.054 普通混凝土(抗压) 40 2400 0.017 松木(顺纹抗拉) 10 50 0.200 玻璃钢(抗弯) 450 2000 0.225 2.3.2 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质，称为弹性。 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，称为塑性。 材料在弹性范围内,弹性变形大小与其外力的大小成正比,应力与应变的比值称为弹性模量。 外力作用于材料并达到一定值时，材料并不产生明显变形即发生突然破坏，材料的这种，称为脆性。 材料在冲击、动荷载作用下能吸收大量能量并能承受较大的变形而不突然破坏的性质，称为韧性。 脆性材料具有较高的抗压强度,但抗拉强度和抗弯强度较低,抗冲击能力和抗振能力较差。 韧性材料破坏时能吸收较大的能量,其主要表现为在荷载作用下能产生较大变形。 2.3.3 韧性与脆性 2.4 材料的耐久性 材料在使用过程中，抵抗各种内在或外部环境因素的破坏作用，长期保持其原有性能，不变质，不破坏的性质称为耐久性。耐久性是一项综合性质。 物理作用——冷热、干湿、冻融循环作用 化学作用——酸、碱、盐的侵蚀作用，日光中的紫外 线等的作用 机械作用——荷载的持续作用或交变作用 生物作用——菌类、昆虫的侵害作用 耐久性试验（快速模拟）：干湿、冻融、化学介质侵渍等 $$