第2章建筑材料的基本性质（课件）- 《建筑材料》同步教学（人民邮电出版社）

建 筑 材 料 2024/8/3 Page 1 第 2 章 2.1 材料的组成、结构与构造 2.2 建筑材料的基本物理性质 2024/8/3 Page 2 建筑材料的基本性质 2.3 建筑材料基本性质检测 2.4 建筑材料的力学性质 2.5 建筑材料的耐久性 2.6 材料的装饰性 建筑物是由各种建筑材料建筑而成的，这些材料在建筑物的各个部位要承受各种各样的作用，因此要求建筑材料必须具备相应性质。例如，结构材料必须具备良好的力学性质；墙体材料应具备良好的保温隔热性能、隔音吸声性能；屋面材料应具备良好的抗渗防水性能；地面材料应具备良好的耐磨损性能等。一种建筑材料要具备哪些性质，这要根据材料在建筑物中的功用和所处环境来决定。一般而言，建筑材料的基本性质包括物理性质、化学性质、力学性质和耐久性。 本章选择建筑材料中一些带有共性的性质进行讨论，从材料的组成、结构、构造与其性质的关系等一些基本概念讲起，探讨了建筑材料的物理性质、力学性质、耐久性等。 2024/8/3 Page 3 ● 了解材料的组成、结构、构造与性质的关系。 ● 熟悉建筑材料的基本物理性质。 ● 熟悉建筑材料的力学性质。 ● 熟悉建筑材料的耐久性。 2024/8/3 Page 4 学习目标 2024/8/3 Page 5 2.1.1 材料的组成 建筑材料的组成通常是指其化学成分和矿物组成。 化学成分是指材料的化学元素及化合物的种类和含量。 矿物的概念源自于地质学。矿物是指地质作用中各种化学成分所形成的自然单质和化合物，具有相对固定的化学成分和内部结构。矿物是组成地壳的基本物质单元。建筑材料中引伸了这一概念，通常将人造的无机非金属材料中具有特定晶体结构和特定物理力学性能，且与天然矿物相似的组织称为矿物。矿物组成即指材料中的矿物种类及含量。 2.1 材料的组成、结构与构造 2024/8/3 Page 6 2.1.2 材料的结构 材料的结构是决定材料物理力学性能的重要因素。材料的结构是指在尺寸为～ 的组织状态。材料的结构可分为微观结构和细观结构。 2.1 材料的组成、结构与构造 1．微观结构 晶体 玻璃体 胶体 2．细观结构 细观结构是从材料内部组织和相的层次来研究材料的，其尺寸为10−6～10−3m。借助光学显微镜就可观察材料的细观结构。 2024/8/3 Page 7 2.1.3 材料的构造 材料构造是指宏观的组织状态和具有待定性质的材料单元的组合情况。其尺寸在10−3m以上。材料构造的研究，就是研究材料孔隙和相同或不同材料单元间的搭配对材料性能的影响。不同材料的搭配所形成的复合材料，其综合性能优于各个单一材料。因而，复合材料是近几十年材料研究应用领域十分关注的问题，关于复合材料的研究已成为一门新兴的学科。 材料内部孔隙对强度的影响，最明显之处就是减小了材料承受荷载的有效面积。更深入的研究表明，应力在孔隙处的分布都发生变化，最简单的例子是在孔隙处的应力集中（重分布）。孔隙不仅影响材料的力学性质还影响材料的物理性质，如导热性、水渗透性、抗冻性等。孔隙对材料性质的影响不仅取决于孔隙率，还与孔隙大小、形状、分布等特征有着密切关系。 按孔隙特征可将材料分为致密结构（如钢铁等）、 多孔结构（如泡沫塑料等）和微孔结构（如石膏等）。 由材料单元组合而成的材料性能取决于各单元的性质、组合方式、所占比例等因素。按组合方式可将材料分为堆聚结构（如水泥、混凝土等）、纤维结构（如木材、纤维增强塑料等）、层状结构（如胶合板等）和散粒结构（如膨胀珍珠岩等）。 综上所述，材料的组成、结构与构造决定材料的性质。材料组成、结构与构造的变化带来了材料世界的千变万化。 2.1 材料的组成、结构与构造 2024/8/3 Page 8 2.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 2.2 建筑材料的基本物理性质 8 1．密度 密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量 2．表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量 3．堆积密度 散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度 2024/8/3 Page 9 2.2.1 材料的密度、表观密度和堆积密度 2.2 建筑材料的基本物理性质 9 1．孔隙率和密实度 孔隙率是指材料内部孔隙体积占自然状态下总体积的百分率 2．空隙率和填充率 空隙率是指散粒材料（如砂、石等）颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率 2024/8/3 Page 10 2.2.3 材料的亲水性和憎水性 材料与水接触时，根据材料是否能被水润湿，可将其分为亲水性和憎水性两类。亲水性是指材料表面能被水润湿的性质；憎水性是指材料表面不能被水润湿的性质。 当材料与水在空气中接触时，将出现图2.3所示的两种情况。在材料、水、空气三相交点处，沿水滴的表面作切线，切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角（用θ表示）。当θ越小，表明材料越易被水润湿。一般认为，当θ≤90°时，如图2.3（a）所示，材料表面吸附水分，能被水润湿，材料表现出亲水性；当θ＞90°时，如图2.3（b）所示，材料表面不易吸附水分，不能被水润湿，材料表现出憎水性。 2.2 建筑材料的基本物理性质 10 2024/8/3 Page 11 2.2.4 材料的吸水性和吸湿性 2.2 建筑材料的基本物理性质 11 1．吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法：质量吸水率和体积吸水率。 （1）质量吸水率 （2）体积吸水率 2．吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示，可用下式计算。 2024/8/3 Page 12 2.2.5 材料的耐水性、抗渗性和抗冻性 2.2 建筑材料的基本物理性质 12 1．耐水性 材料长期在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。 2．抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。 材料的抗渗性通常采用渗透系数表示。 3．抗冻性 材料在饱和水状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，且强度也不显著降低的性质。 为保证建筑物具有良好的室内小气候，降低建筑物的使用能耗，因此要求材料具有良好的热工性质。通常考虑的热工性质有导热性、热容量。 2024/8/3 Page 13 2.2.6 材料的导热性和热容量 2.2 建筑材料的基本物理性质 13 1．导热性 当材料两侧存在温差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传导热量的能力称为导热性。 2．热容量 材料容纳热量的能力称为热容量，其大小用比热表示。 声音是由于振动引起的，材料吸收声音的性质称为吸声性，常以吸声系数α来表示， α为具有一定声能（E0）的声波传到材料表面时，被材料吸收的声能（E1）与入射总声能（E0）之比： 吸声系数是评定材料吸声性能的主要指标，它与声音的频率和入射方向有关。同一种吸声材料对不同频率的声音，吸收程度不同。通常以材料对125Hz、 250Hz、 500Hz、 1000Hz、 2000Hz和4000Hz 6个频率的吸声系数来衡量材料的吸声性能。对6个频率的吸声系数平均值大于0.2的材料，被认为是吸声材料。 一般来说，具有细微而连通的孔隙，且孔隙率较大的材料，其吸声效果较好；若具有粗大的或封闭的孔隙，则吸声效果较差。另外，材料的构造形态、厚度、使用环境等因素也对其吸声性能产生一定的影响。 材料隔绝声音的性质，称为隔声性。常以隔声量R（或TL）表示，其数值以分贝（dB）为单位，表达式如下： 式中， E0—入射的总声能； E2—透过材料的声能。 一般来说，材料的结构越密实，密度越大，则其隔声量越大，隔声效果越好。 2024/8/3 Page 14 2.2.7 材料的吸声性和隔声性 2.2 建筑材料的基本物理性质 14 2024/8/3 Page 15 密度是材料在密实状态下单位体积的质量。各种建筑材料试样均可进行密度测定。 2.3.1 材料密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 1．主要仪器设备 2．试样制备 3．试验方法及步骤 4．试验结果确定 2024/8/3 Page 16 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积（包括内部的封闭孔隙体积）的质量。其试验方法有容量瓶法和广口瓶法，其中容量瓶法用来测试砂的表观密度，广口瓶法用来测试石子的表观密度，下面我们就以砂和石子为例分别介绍两种试验方法。 2.3.2 材料表观密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 1．砂的表观密度试验（容量瓶法） 2．石子表观密度试验（广口瓶法） 2024/8/3 Page 17 1．规则几何形状试样（如砖）体积密度的测定 （1）主要仪器设备 游标卡尺、天平、烘箱、干燥器等。 （2）试样制备 将规则形状的试样放（105±5）℃的烘箱内烘干至恒重，取出放入干燥器中，冷却至室温待用。 （3）试验方法与步骤 ① 用游标卡尺量出试样尺寸（试件为正方体或平行六面体时以每边测量上、中、下三个数值的算术平均值为准；试件为圆柱体，按两个垂直方向量其直径，各方向上、中、下量三次，以6次的平均值为准确定直径），并计算出其体积（V0）。 ② 用天平称量出试件的质量（m）。 （4）试验结果确定 按下式计算出表观密度 p0 。 式中， m—试样的质量， g； V0—试样体积（包括开口孔隙、闭口孔隙体积和材料绝对密实体积）。 2.3.3 材料体积密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 2024/8/3 Page 18 2．不规则形状试样（卵石等）体积密度的测定 对于形状不规则的试件，则须用排液置换法才能求其体积。如果被测试件溶于水或其吸水率大于0.5%，则试件须进行蜡封处理（蜡封法）。 （1）试验材料 将试件（建议用石灰石）破碎成长5～7cm的碎块3～5个。用毛刷刷去表面石粉，然后置于（105±5） ℃烘箱内烘干至恒重，并在干燥器内冷却至室温。 （2）仪器与设备 液体静力天平（感量0.1g）、烘箱及干燥器、石蜡。 （3）试验方法及步骤 ① 称出试件在空气中的质量m（精确至0.1g，以下同）。 ② 将试件置于熔融石蜡中， 1～2s后取出，使试件表面沾上一层蜡膜（膜厚不超过1mm）。如果蜡膜上有气泡，先用烧红的细针将其刺破，然后再用热针蘸蜡封住气泡口，以防水分渗入试件。 ③ 称出蜡封试件在空气中的质量m1。 ④ 称出蜡封试件在水中的质量m2。 ⑤ 检定石蜡的密度ρ蜡（一般为0.93g/cm3）。 2.3.3 材料体积密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 2024/8/3 Page 19 （4）试验结果确定 按下式计算材料的体积密度ρ0（精确至0.01g/cm3）。 式中， m—试件在空气中的质量， g； m1—蜡封试件在空气中的质量， g； m2—蜡封试件在水中的质量， g； ρ蜡—石蜡密度， g/cm3。 试件的结构均匀时，以三个试件测定值的算术平均值作为试验结果，各个测定值的差不得大于0.02g/cm3。如试件结构不均匀时，应以5个试件测定值的算术平均值作为试验结果，并注明最大、最小值。 2.3.3 材料体积密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 2024/8/3 Page 20 堆积密度是指粉状或颗粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。下面我们就以细骨料和粗骨料为例介绍两种堆积密度的测试方法。 2.3.4 材料堆积密度检测 2.3 建筑材料基本性质检测 2．粗骨料堆积密度的测定 1．细骨料堆积密度的测定 2024/8/3 Page 21 2.4.1 强度与比强度 2.4 建筑材料的力学性质 1．材料的强度 材料在荷载（外力）作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。 2024/8/3 Page 22 2.4.1 强度与比强度 2.4 建筑材料的力学性质 2．材料的比强度 对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。 材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形，其值的大小与外力成正比；不能自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形属永久性变形。 完全弹性材料是没有的。一些材料在受力不大时只产生弹性变形，而当外力达到一定限度后，即产生塑性变形，如低碳钢，其变形曲线如图2.4（a）所示。很多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，如普通混凝土，其变形曲线如图2.4（b）所示。 2024/8/3 Page 23 2.4.2 弹性和塑性 2.4 建筑材料的力学性质 材料受外力作用，当外力达到一定限度时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显塑性变形，这种性质称为脆性，具有脆性的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，因此其抵抗冲击荷载或震动作用的能力很差。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如混凝土、玻璃、天然岩石、砖瓦、陶瓷等。 材料在冲击荷载或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧性指标 表示。材料的韧性系指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功。其计算公式为 式中， —试件的冲击韧性指标， J/mm2； Ak—试件破坏时所消耗的功， J； A—试件受力净截面积， mm2。 在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用材料，均应具有较高的韧性。 2024/8/3 Page 24 2.4.3 脆性和韧性 2.4 建筑材料的力学性质 1．硬度 硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。 2．耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨损的能力，材料的耐磨性常用磨损率表示。 2024/8/3 Page 25 2.4.4 硬度和耐磨性 2.4 建筑材料的力学性质 2024/8/3 Page 26 材料的耐久性是指用于建筑物的材料，在环境的多种因素作用下不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的能力。 耐久性是材料的一种综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还长期受到周围环境因素和各种自然因素的破坏作用。这些破坏作用主要有以下几个方面。 2.5 建筑材料的耐久性 （1）物理作用 （2）化学作用 （3）生物作用 （4）机械作用 2024/8/3 Page 27 1．室外装修功能 室外装修的目的应兼顾建筑物的美观和对建筑物的保护作用。室外装修的效果是通过装修材料的质感、线条和色彩来表现的。质感就是材料质地的感觉，主要通过线条的粗细、凹凸面光线吸收和反射程度不一而产生的感观效果。这些方面都可以通过选用性质不同的装修材料或对同一种装修材料采用不同的施工方法而达到，例如，丙烯酸酯涂料，可以做成有光、平光、无光的，也可以做成凹凸、拉毛或彩砂的。 2．室内装修功能 室内装修主要指内墙装修、地面装修和吊顶装修。室内内墙装修的目的是保护墙体材料，保证室内使用条件，创造一个舒适、美观而整洁的生活环境。同时也辅助墙体起到吸音、隔音的功能，如采用泡沫塑料壁纸，平均吸音系数可达0.05。 内墙的装饰效果同样也是由质感、线条和色彩三个因素构成。所不同的是，人与内饰面的距离比外墙面近得多，所以质感要细腻逼真，线条应该是细致的，色彩应根据主人的爱好及房间内在的性质决定，至于明亮度可以用浅淡明亮的也可以用平整无反光的装饰材料。 2.6.1 装饰材料的功能 2.6 材料的装饰性 2024/8/3 Page 28 在选用装饰材料时，首先应从建筑物的使用要求出发。不仅要求装饰材料美观，而且要有多种功能，能长期保持它的特征，保持适宜的环境，并能有效地保护主体结构材料。 装饰材料用于不同的环境、不同的部位时，对它的要求也不同。因此在选用装饰材料时，应结合建筑物的特点，使之与室内外环境相协调。应使材料的颜色深浅合适，色调柔和美丽，应运用装饰材料的花纹、图案及材料的粗糙或细致、平滑或凹凸，巧妙地拼装成各种花式图案，最大限度地表现装饰材料的装饰效果。例如，用金黄色琉璃瓦做屋面的北京故宫，金碧辉煌，熠熠生辉，使宫殿显得富丽堂皇；广州火车站一带的建筑群，用浅淡色调的材料涂喷或镶贴于墙面，使建筑物的艺术造型与气候相适应，与绿化相融合，更显出南方城市的轻快流畅，幽雅宜人。 2.6.2 装饰材料的选用 2.6 材料的装饰性 复习思考题 2024/8/3 Page 29 1．何谓材料的密度、表观密度和堆积密度？如何计算？ 2．何谓材料的亲水性和憎水性？材料的耐水性如何表示？ 3．材料的孔隙率与孔隙特征对材料的表观密度、吸水、吸湿、抗渗、抗冻、强度及保温隔热等性能有何影响？ 4．材料的密度、表观密度、堆积密度是否随其含水量的增加而加大？为什么？ 5．何谓材料的耐久性？它包括哪些内容？ 6．何谓材料的强度？根据外力作用方式不同，各种强度如何计算？其单位如何表示？ 7．某地红砂岩，已按规定将其磨细，过筛。烘干后称取50g，测得其体积为18.9cm3。另有卵石经洗净烘干后称取1000g，将其浸水饱和后用布擦干。又用广口瓶盛满水，连盖称得其重790g，然后将卵石装入，再连盖称重为1409g，水温为25℃，求红砂岩及卵石的密度。 8．某一块状材料的全干质量为100g，自然状态体积为40cm3，绝对密实状态下的体积为33cm3，试计算其密度、表观密度、密实度和孔隙率。 $$