项目1材料的基本性质（课件）- 《建筑材料》同步教学（北理工版）

项目1　材料的基本性质 任务1.1　材料的物理性质 任务1.2　材料的力学性质 任务1.3　材料的耐久性 返回 1 任务1.1　材料的物理性质 １.１.１　材料与质量有关的性质 １.１.１.１　密度 密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量.材料的密度可按下式计算: 材料在绝对密实状态下的体积,是指材料不包括孔隙体积在内的固体物质所占的体积.土木工程材料中,除钢材、玻璃等材料可近似地直接量取其密实体积外,其他绝大多数材料都含有一定的孔隙,故可将材料磨成细粉,经干燥至恒重后,用李氏瓶法测定其密实体积. 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.１.２　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.材料的表观密度可按下式计算: 材料在自然状态下的体积是指包括孔隙体积在内的材料体积.外形规则材料的表观体积,可直接用尺度量后计算求得;外形不规则材料的表观体积,可将材料表面涂蜡后用排水法测定. 当材料的孔隙中含有水分时,其质量(包括水的质量)和体积均会发生变化,从而影响材料的表观密度,因此,所测得的表观密度必须注明其含水状态.通常,材料的表观密度是指材料在气干状态(长期在空气中的干燥状态)下的表观密度.另外,在不同的含水状态下,还可测得材料的干表观密度、湿表观密度及饱和表观密度. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.１.３　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.自然堆积状态下的体积,包括颗粒之间的空隙体积在内,通常用容器的标定容积表示.材料的堆积密度可按下式计算: １.１.１.４　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,即材料的密实体积与总体积之比,用D 表示.材料的密实度可按下式计算: 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 孔隙率 孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分数,用P 表示.材料的孔隙率可按下式计算: 材料孔隙率的大小,表明材料的密实程度.孔隙率及孔隙特征(如孔隙的大小、是否封闭或连通、分散情况等)影响材料的力学、耐久及导热等性质. 材料的密度、表观密度、孔隙率是材料最基本的物理参数,它们反映了材料的密实程度.密度与表观密度除用以计算孔隙率外,还可用以计算材料的体积与质量. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.１.５　填充率与空隙率 对于松散颗粒状态材料,如砂、石子等,可用填充率和空隙率表示互相填充的疏松致密程度. １. 填充率 填充率是指散粒状材料在堆积体积内被颗粒所填充的程度,用D′表示.材料的填充率可按下式计算: 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 空隙率 空隙率是指散粒状材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积状态下总体积的百分数,用P′表示.材料的空隙率可按下式计算: 在建筑工程中,材料的密度、表观密度和堆积密度常用来计算材料的用量、构件的自重、配料计算及确定材料的堆放空间. 几种常用材料的密度、表观密度和堆积密度见表１-１. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.２　材料与水有关的性质 １.１.２.１　亲水性与憎水性 固体材料在空气中与水接触时,根据其表面能否被水润湿,可分为亲水性材料与憎水性材料. 材料的亲水性与憎水性可用润湿角θ 来说明,如图１-１所示. 在材料、水、空气三者相交点处,沿水滴表面作切线,此切线与材料表面的夹角,称为润湿角θ.θ 越小,表明材料越容易被水湿润;θ＝０时,材料完全被水浸润;θ 越大,表明材料越难被水湿润. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.２.２　吸水性与吸湿性 １. 吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性,吸水性的大小通常用吸水率表示.吸水率可分为质量吸水率和体积吸水率. (１)质量吸水率.质量吸水率是指材料吸水饱和时,所吸收的水分质量占材料干燥状态时质量的百分率.材料的质量吸水率可按下式计算: (２)体积吸水率.体积吸水率是指材料吸水饱和时,所吸收的水分体积占材料干燥状态时体积的百分率.材料的体积吸水率可按下式计算: 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 材料的吸水性除与材料本身的亲水性或憎水性有关外,还与材料的孔隙特征有关.一般孔隙率越大,吸水性越强.孔隙率相同时,具有开口且连通的微小孔隙构造的材料,吸水性一般要强于封闭的或粗大连通孔隙构造的材料. 不同材料的吸水率相差甚大,如花岗岩等致密岩石的质量吸水率为０.１％~０.７％,普通混凝土的质量吸水率为２％~３％,而木材或其他轻质材料的质量吸水率常大于１００％,即湿质量是干质量的几倍,此时,最好用体积吸水率表示其吸水性.材料吸水后,表观密度增大,导热性增大,强度降低,体积膨胀,一般会对材料造成不利影响. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 吸湿性 材料吸收空气中水分的性质称为吸湿性,材料的吸湿性可用含水率表示.含水率是指材料中所含水的质量与材料干燥状态下的质量的百分比.材料的含水率可按下式计算: 干材料在空气中能吸收空气中的水分,湿材料在空气中又会失去水分,最终材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡.此时,材料的含水率称为平衡含水率. 材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙率有关,特别是孔隙特征,还与周围环境的温度和湿度有关.一般环境中温度越高,湿度越低,含水率越小.材料吸湿后,除本身质量增加外,还会降低其绝热性、强度及耐久性,对工程产生不利影响. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.２.３　耐水性 材料在水的作用下长期不发生破坏,强度也不显著降低的性质称为耐水性. 一般材料含有水分时,由于内部微粒之间结合力的减弱而强度有所降低,即使致密的材料也会因此影响强度.若材料中含有某些易被水软化的物质(黏土、石膏等),强度降低就更为明显.因此,对长期处于水中或潮湿环境中的建筑材料,必须考虑其耐水性. 材料的耐水性用软化系数Ks 表示,按下式计算: 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 材料的软化系数的范围为０~１.软化系数的大小,有时成为选择材料的重要依据.工程中,通常把Ks 大于０.８５的材料称为耐水材料,对于经常与水接触或处于潮湿环境中的重要建筑物,必须选用耐水材料建造;用于受潮较轻或次要的建筑物时,材料的软化系数也不得小于０.７５. １.１.２.４　抗渗性 抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗渗透的性质.材料的抗渗性通常用渗透系数K 和抗渗等级P 表示. １. 渗透系数K 根据达西定律,在一定时间内,透过材料试件的水量Q 与试件的断面面积A 及水位差H 成正比,与试件厚度d 成反比,即 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 抗渗等级P 抗渗等级是指材料在规定的试验条件下,承受规定的水压力而不渗透,如P８、P１０,分别表示承受０.８MPa、１MPa的水压力不渗透. 材料的抗渗性与材料的亲水性、孔隙率、孔隙特征、裂缝等有关.孔隙封闭且孔隙率小的材料,抗渗性较高. 地下建筑物及储水建筑物常受到压力水的作用,所以,要求所用的材料具有一定的抗渗性. １.１.２.５　抗冻性 抗冻性是指材料在吸水饱和状态下,经多次冻融循环而不破坏,同时,也不严重降低强度的性质.当充满材料孔隙的水结冰时,由于体积增大约９％,冰对孔壁产生巨大压力,使孔壁开裂.当冰融化后,水又进入裂缝,再冻结时,裂缝进一步扩展.冻融次数越多,材料的破坏程度越严重. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.３　材料与热有关的性质 １. 导热性 材料传导热量的性质称为导热性.即当材料两侧表面存在温差时,热量会由温度较高的一面传向温度较低的一面,材料的导热性可用导热系数表示. 以单层平板为例,材料导热示意图如图１-２所示,若t１ ＞t２ ,经过时间z,由温度为t１的一侧传至温度为t２ 的一侧的热量为: 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 材料的导热性与材料的孔隙率、孔隙特征有关.孔隙率越大, 导热系数越小.具有互不连通封闭微孔构造材料的导热系数,要比粗大连通孔隙构造材料的导热系数小.当材料的含水率增大时,导热系数也随之增大. 材料的导热系数对建筑物的保温、隔热有重要的意义.在大体积混凝土温度及温度控制计算中,混凝土的导热系数是一个重要的指标. 几种常用材料的导热系数见表１-２. ２. 热容量 热容量是指材料在受热时吸收热量、冷却时放出热量的能力.质量为１k-材料的热容量,称为该材料的比热容. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.４　材料的基本性质检测 本试验以石子为例,测量密度、表观密度、容积密度、堆积密度和吸水率.密度(又称为真实密度、绝对密度)是材料在绝对密实状态下单位体积的质量;表观密度(又称为视密度、近似密度)表示材料单位细观外形体积(包括内部封闭孔隙)的质量;容积密度(又称为体积密度、表观毛密度)表示材料单位宏观外形体积(包括内部封闭孔隙和开口孔隙)的质量. １.１.４.１　试样及其制备 取最大粒径小于或等于２０mm 的碎石,将试样筛去５mm 以下的颗粒,缩分至３k-,洗净后分成三份备用. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 密度试样:将一份洁净试样破碎成小于５mm 的颗粒,用四分法缩分到１５０-,用瓷研钵研磨成可通过６３μm 标准筛的粉末. 表观密度、容积密度试样:两份洁净试样. 堆积密度试样:取４０k-试样放入浅盘,在(１０５±５)℃的烘箱中烘干至恒重,取出冷却至室温. １.１.４.２　密度试验 １. 试验设备 天平(最小分度值０.０１-或０.００１-)、李氏比重瓶(图１-３)、干燥器、温度计、浅盘、毛巾等. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 试验步骤 将试样装入称量瓶中,放入(１０５±５)℃的烘箱内,干燥４h以上,取出,放入干燥器内冷却至室温.比重瓶、蒸馏水、试样应预先放在试验室内,以保持温度一致. (１)方法１(称量精度０.００２-). １)称取试样两份,每份１０-(m０),分别小心地装入洁净的比重 瓶中. ２)向比重瓶内注入蒸馏水,其体积不超过比重瓶容积的一半,将比重瓶放入水浴中煮沸１０~１５min或将比重瓶放在真空干燥器内,以排除试样中的气泡. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ３)擦干比重瓶,待冷却至室温后,注入蒸馏水至标记处,并称其质量(m２). ４)清空比重瓶并将其冲洗干净,注入蒸馏水至标记处,并称其质量(m１). (２)方法２(称量精度０.０１-). １)将蒸馏水分别注入两个比重瓶中至０~１mL刻度线上,擦干比重瓶内颈,记录比重瓶的初始体积读数V(以水的弯月面底部切线为准),精确至０.０５mL. ２)称取试样两份,每份６０-(m０),分别小心地装入比重瓶中,记录其体积读数V１.手掌托住比重瓶底部水平摇动,排除随试样夹带进入的空气后,记录比重瓶的最终体积读数V２,精确至０.０５mL. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ３. 结果计算 密度ρ 按下式计算(精确至０.０１-/cm３): 以平行试验结果的算术平均值作为测定值,若两次试验结果的差值大于０.０２-/cm３,应重新取样进行试验. １.１.４.３　表观密度、容积密度、吸水率试验 １. 试验设备 天平(最大称量≥２k-,最小分度值０.５-)、溢流容器、烘箱、干燥器、浅盘、毛巾等. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 试验步骤 (１)将两份洁净试样分别浸入盛水的容器中,水面高出试样. (２)浸泡２４h后取出,用拧干的湿毛巾擦去试样表面的水分,并立即称其质量(msa),精确至０.５-. (３)立即将水饱和的试样置于吊篮中,将吊篮和试样浸入水中,小心地除去附在吊篮和试样上的气泡,称试样在水中的质量(msw),精确至０.５-.称量时溢流容器中水面的高度由溢流孔控制,称量装置如图１-４所示. (４)提起吊篮,将试样置于浅盘中,放入(１０５±５)℃的烘箱中烘干至恒重,取出后放入干燥器内冷却至室温,称量质量(mda). 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ３. 结果计算 表观密度ρ′按下式计算(精确至１０k-/m３): 容积密度ρ０ 按下式计算(精确至１０k-/m３): １.１.４.４　堆积密度试验 １. 试验设备 磅秤(５０k-,最小分度值５０-)、１０L容量筒、平头铁铲等. 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 ２. 试验步骤 (１)称１０L容量筒质量(m３). (２)用铁铲将试样自距筒口５cm 左右处自由落入容量筒,装满容量筒并除去凸出筒口表面的颗粒,以合适的颗粒填入凹陷部分,使表面凸起部分和凹陷部分的体积大致相等,称取容量筒和试样的总质量(m４). ３. 结果计算 堆积密度ρ′０按下式计算(精确至１０k-/m３): 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 １.１.４.５　孔隙率、空隙率计算 总孔隙率P 按下式计算(结果保留两位有效数): 开口孔隙率PK 按下式计算(结果保留两位有效数): 闭口孔隙率PB 按下式计算(结果保留两位有效数): 上一页 下一页 返回 任务1.1　材料的物理性质 空隙率P′按下式计算(结果保留两位有效数): 上一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 １.２.１　材料的强度和比强度 １. 强度 材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力,称为强度.通常,以材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力来表示,也称为极限强度. 材料抵抗由静荷载产生应力破坏的能力,称为材料的静力强度.它是以材料在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值来表示的. 由于外力作用情况不同,材料主要有抗拉、抗压、抗弯、抗剪四种强度.材料的静力强度是通过对材料试件进行破坏试验而测得的.表１-３中列出各种强度测定时,试件的受力情况和各种强度的计算公式. 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 材料的静力强度主要取决于材料的成分、结构与构造.不同种类的材料,强度不同;同一种材料,受力情况不同时,强度也不同.如混凝土、砖、石等脆性材料,抗压强度较高,抗弯强度很低,抗拉强度则更低;而低碳钢、有色金属等塑性材料的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度则大致相等.同一种材料的结构构造不同时,强度也有较大差异.如孔隙率大的材料,强度往往较低.又如层状材料或纤维状材料会表现出各向强度有较大的差异.细晶结构的材料强度一般要高于同类粗晶结构材料. 除上述内在因素会影响材料强度外,测定材料强度时的试验条件(如试件尺寸和形状、试验时的加荷速度、试验时的温度与湿度、试件的含水率等)也会对试验结果有较大的影响.如测定混凝土强度时,同样条件下,棱柱体试件的抗压强度要小于同样截面尺寸立方体试件的抗压强度.尺寸较小的正方体试件强度要高于尺寸较大的立方体试件强度. 上一页 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 如在压力机压板和试件之间加润滑剂,环箍效应将大大减小,试件将出现直裂破坏[图１-５(b)],测得的强度也较低. 试件受压面上所受到凹凸不平及缺棱掉角的影响,会引起应力集中使强度测定值降低.一般加荷速度较快时强度的测定值要比加荷速度较慢时强度的测定值高.所以,测定材料强度时,必须严格按照相关标准规定的方法进行. 对于以强度为主要指标的材料,通常以材料强度值的高低划分成若干等级,称为强度等级,如水泥、混凝土、砂浆等用强度等级来表示. ２. 比强度 比强度是按单位体积质量计算的材料强度,即材料的强度与其表观密度之比,是衡量材料轻质高强的一项重要指标.比强度越大,材料轻质高强的性能越好.优质的结构材料,具有较高的比强度.轻质高强的材料是未来建筑材料发展的主要方向. 上一页 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 １.２.２　材料的变形 材料在外力作用下,由于质点间平衡位置改变,质点产生相对位移而造成形状与体积的变化,称为材料的变形. １. 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形,当外力取消后,又能完全恢复原来形状的性质称为弹性.这种能完全恢复的变形称为弹性变形(或瞬时变形). 材料在外力作用下产生变形,当外力取消后,不能恢复到原来形状,且不产生裂缝的性质称为塑性.这种不能恢复的变形称为塑性变形(或永久变形). 实际上,完全的弹性材料是没有的.当应力不大时,有些材料表现为弹性,而应力超过某一限度后,即发生塑性变形,如建筑钢材;有些材料受力后,弹性变形与塑性变形同时发生,外力取消后,弹性变形消失,塑性变形不能消失,如混凝土. 上一页 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 ２. 脆性与冲击韧性 材料在外力作用下达到一定限度突然产生破坏,破坏时无明显塑性变形的性质称为脆性.具有这样性质的材料称为脆性材料,如石料、混凝土、生铁、石膏、陶瓷等.这类材料的抗拉强度远小于抗压强度,不宜承受冲击或振动荷载. 材料在冲击、振动荷载作用下抵抗破坏的性能,称为冲击韧性.冲击韧性用材料冲击破坏时消耗的能量表示.有些材料在破坏前有显著的塑性变形,如低碳钢、有色金属、木材等.这类材料在冲击振动荷载作用下,能吸收较多的能量,有较高的韧性.用于桥梁、路面、吊车梁等受冲击、振动荷载作用的、有抗震要求及负温下工作的结构材料,要求有较高的冲击韧性. 选用材料时,要考虑材料的脆性与冲击韧性. 上一页 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 ３. 徐变 固体材料在恒定外力的长期作用下,变形随时间延长而逐渐增大的现象,称为徐变. 对于非晶体材料来说,徐变是由于材料在外力作用下,内部产生类似液体的黏性流动而造成的;对于晶体材料来说,则由于在切应力的作用下,材料内部晶格错动和滑移而发生徐变. １.２.３　材料的硬度、磨损及磨耗 １. 硬度 材料抵抗其他较硬物体压入的能力,称为硬度.硬度大的材料耐磨性较好,但不易加工. 上一页 下一页 返回 任务１.２　材料的力学性质 一般来说,硬度较大的材料,强度也较高,有些材料硬度与强度之间有较好的相互关系.测定硬度的方法简单,而且不破坏被测材料,所以,有些材料可以通过测定硬度来推算其强度,如在测定混凝土结构强度时,可用回弹硬度来推算其强度的近似值. ２. 磨损及磨耗 材料受摩擦作用而减少质量和体积的现象称为磨损;材料同时受摩擦和冲击作用而减少质量和体积的现象称为磨耗,如地面、路面等经常受摩擦的部位,要求材料具有较好的抗磨性能. 硬度大、强度高、韧性好、构造均匀致密的材料,抗磨性较好. 上一页 返回 任务１.３　材料的耐久性 材料的耐久性是指在各种外界因素的作用下,能长期正常工作、不破坏、不失去原来性能的性质. 材料在建筑物中,除受到各种力的作用外,还长期受到环境中各种自然因素的破坏,这些破坏包括物理作用、化学作用及生物作用. 物理作用包括干湿变化、温度变化及冻融变化.干湿变化及温度变化引起材料胀缩,并导致内部裂缝扩展,长此以往材料就会破坏.在寒冷地区,冻融变化对材料的破坏作用更为明显. 化学作用主要是酸、碱、盐等物质的水溶液及气体对材料的侵蚀作用,使材料变质而破坏. 生物作用是指昆虫、菌类对材料的蛀蚀,使材料产生腐朽等破坏. 下一页 返回 任务１.３　材料的耐久性 各种材料可能会由于不同的作用而破坏.如砖、石、混凝土等建筑材料大多由于物理作用而破坏;金属材料易被氧化腐蚀;木材及其他植物纤维组成的天然有机材料,常因生物作用而破坏;沥青及高分子合成材料,在阳光、空气、热的作用下会逐渐硬脆老化而破坏.因此,建筑材料在储运及使用过程中应采取妥善的措施,提高材料的耐久性. 材料的耐久性是一项综合性质,它包括材料的抗渗性、抗冻性、抗风化性、抗化学侵蚀性、抗碳化性、大气稳定性及耐磨性等. 影响材料耐久性的内在因素很多,主要包括材料的组成与构造、材料的孔隙率及孔隙特征、材料的表面状态等.在工程中,必须考虑材料的耐久性.提高材料耐久性的主要措施有:根据使用环境选择耐久性较好的材料;采取各种方法尽可能地降低材料的孔隙率;改善材料的孔隙结构;对材料表面进行表面处理以增强抵抗环境作用的能力. 上一页 返回 表１-１　几种常用材料的密度、表观密度和堆积密度 返回 图１-１　材料的浸润示意图 返回 图１-２　材料导热示意图 返回 表１-２　几种常用材料的导热系数 返回 图１-３　李氏比重瓶 返回 图１-４　称量msw的示意图 返回 表１-３　试件的受力情况和各种强度的计算公式 返回 图１-５　混凝土立方体试件受压破坏情况 返回 $$