1.1-材料的物理性质（课件）- 《建筑材料》同步教学（哈尔滨工程大学出版社）

项目1 建筑材料的基本性质 目 录 CONTENT 行业PPT模板http：///hangye/ 1 2 3 材料的物理性质 材料的力学性质 材料的耐久性 PART 01 材料的物理性质 1.1.1 与质量有关的性质 1.材料的体积构成 块状材料在自然状态下的总体积(V0)包括固体物质的体积(V)及其内部孔隙的体积(V孔)，如图1-1(a)所示。材料内部的孔隙按孔隙特征分为闭口孔隙(不与外界连通)和开口孔隙(与外界连通)，如图1-1(b)所示。 1.1.1 与质量有关的性质 散粒材料是指具有一定粒径材料的堆积体，如建筑工程中常用的砂、碎石等。散粒材料的堆积体积(V'0)包括固体颗粒体积(V)、颗粒的开口孔隙体积(V开)、颗粒的闭口孔隙体积(V闭)和固体颗粒之间的空隙体积(V空)，如图1-2所示。 1.1.1 与质量有关的性质 2.材料的密度、表观密度与堆积密度 (1)密度。密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按式(1-1)计算。 ρ= (1-1) 式中，ρ为材料的密度(g/cm3 或kg/m3)；m 为材料在干燥状态下的质量(g或kg)；V 为材料在绝对密实状态下的体积(cm3 或m3)。 材料在绝对密实状态下的体积是指材料自身内在固体物质所占的不包括孔隙在内的体积，又称密实体积。 提示 1.1.1 与质量有关的性质 PROJECT Introduction (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，按式(1-2)计算。 ρ0= (1-2) 式中，ρ0 为表观密度(g/cm3 或kg/m3)；m 为材料在干燥状态下的质量(g或kg)；V0 为材料 在自然状态下的体积(cm3 或m3)，或称表观体积。 1.1.1 与质量有关的性质 材料在自然状态下的体积是指材料的固体物质体积与材料内所含全部孔隙(包括开口孔隙和闭口孔隙)体积之和。 1.1.1 与质量有关的性质 在自然状态下，当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积均将发生变化，这会影响材料的表观密度，故所测材料的表观密度必须注明其含水状态，如吸水状态(湿表观密度)、烘至恒重(干表观密度)。 通常所说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。 提示 1.1.1 与质量有关的性质 (3)堆积密度。堆积密度是指疏松状(小块、颗粒、纤维)材料单位堆积体积的质量，按式(1-3)计算。 ρ'0= (1-3) 式中，ρ'0为堆积密度(g/cm3 或kg/m3)；m 为材料在干燥状态下的质量(g或kg)；V'0为材料在堆积状态下的体积(cm3 或m3)。 材料的堆积体积包括固体颗粒体积、颗粒内部孔隙体积和颗粒之间的空隙体积，用既定容积的容器(容量筒)测量。 提示 1.1.1 与质量有关的性质 密度、表观密度、堆积密度是材料的主要物理性质，常用来计算材料的密实度、孔隙率、用量、自重、运输量及堆积空间等。另外，材料的表观密度会影响材料的其他性质，如强度、隔声、导热性等。一般情况下，材料的表观密度越大，则材料的强度越高，隔声效果越好，热导率越高。几种常用材料的密度、表观密度和堆积密度如表1-1所示。 1.1.1 与质量有关的性质 1.1.1 与质量有关的性质 1.1.1 与质量有关的性质 3.材料的密实度与孔隙率 (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，即材料的固体物质的体积与总体积之比，也可由材料的密度与表观密度计算。 式中，D 为材料的密实度(%)；V 为材料在绝对密实状态下的体积(cm3)；V0为材料在自然状态下的体积(cm3)；ρ0 为材料的表观密度(g/cm3)；ρ 为材料的密度(g/cm3)。 含有孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的ρ0 与ρ越接近，即ρ0/ρ越接近于1，材料就越密实。材料的很多性能(如强度、吸水性、耐久性、导热性等)均与密实度有关。 1.1.1 与质量有关的性质 【例1-1】 普通黏土砖ρ0=1850kg/m3，ρ=2500kg/m3。求其密实度。 【解】 (2)孔隙率。孔隙率是指材料体积内孔隙(开口孔隙和闭口孔隙)体积占材料在自然状 态下总体积的百分比，按式(1-5)计算。 式中，P 为材料的孔隙率(%)；V孔为材料中孔隙的体积(cm3)；ρ0 为材料的表观密度(g/cm3)。 密实度与孔隙率的关系可用式(1-6)表示。 D+P=1 (1-6) 1.1.1 与质量有关的性质 【例1-2】 求例1-1中普通黏土砖的孔隙率。 【解】 材料的孔隙率与密实度从两个不同的方面反映了材料的同一性质，通常采用孔隙率这 一指标。材料孔隙率的大小表明了材料的密实程度。 材料的许多性质，如吸水性、吸湿性、透水性、吸声性、抗冻性、抗渗性、保温隔热性能等，除与孔隙率的大小有关外，还与孔隙的构造特征有关。材料内部的开口孔隙增多，会使材料的吸水性、吸湿性、透水性、吸声性提高，抗冻性和抗渗性变差；材料内部的闭口孔隙增多，会提高材料的保温隔热性能。 1.1.1 与质量有关的性质 4.材料的填充率与空隙率 对于散粒材料，如砂、石等互相填充的疏松致密程度，可用填充率和空隙率表示。 (1)填充率。填充率是指散粒材料的堆积体积内被颗粒所填充的程度，按式(1-7)计算。 式中，D'为散粒材料在堆积状态下的填充率(%)。 1.1.1 与质量有关的性质 式中，D'为散粒材料在堆积状态下的填充率(%)。 (2)空隙率。空隙率是指散粒材料的堆积体积内颗粒之间的空隙体积所占的百分数，以P'表示，按式(1-8)计算。 散粒材料的空隙率与填充率的关系为 D'+P'=1 (1-9) 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的紧密程度。散粒材料的空隙率越大，则填充率越小。 在配置混凝土时，砂、石的空隙率是控制集料级配与计算混凝土砂率的重要依据。 提示 1.1.2 与水有关的性质 在材料、水与空气三相的交点处，沿水滴表面所引切线与水和材料表面所成的夹角称为润湿角，常用符号θ表示。 1.亲水性与憎水性 材料在空气中时，根据其能否被润湿，可分为亲水性材料和憎水性材料。 材料的亲水性和憎水性通常用润湿角来说明。 提示 1.1.2 与水有关的性质 当材料在空气中与水接触时，如果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，则材料的表面会被水润湿，此时θ≤90°[图1-3(a)]，这种材料称为亲水性材料；如果材料分子与水分子间的相互作用力小于水分子间的作用力，则材料不会被水润湿，此时θ>90°[图1-3(b)]，这种材料称为憎水性材料。 1.1.2 与水有关的性质 亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。憎水性材料则能阻止水分深入毛细管中，从而降低材料的吸水性。大多数建筑材料，如砖、石、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面均能被润湿。沥青、石蜡等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。因此，憎水性材料经常作为防水材料或者作亲水性材料表面的憎水处理使用。 1.1.2 与水有关的性质 2.吸水性 吸水性是材料在水中能吸收水分的性质。吸水性的大小可用吸水率表示。吸水率有质 量吸水率和体积吸水率两种。 质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分数，可按式(1-10)计算。 式中，W 质为材料的质量吸水率(%)；m湿为材料吸水饱和状态下的质量(g)；m干为材料在绝对干燥状态下的质量(g)。 1.1.2 与水有关的性质 体积吸水率是指材料吸水饱和时，材料体积内被水充实的程度，即材料吸收水分的体积 占干燥材料自然体积的百分数，可按式(1-11)计算。 式中，W 体为材料的体积吸水率(%)；V水为材料吸收水分的体积(cm3)；V0 为干燥材料在自然状态下的体积(cm3)；ρH2O为水的密度，常温下取1g/cm3；其他符号含义同前。 质量吸水率与体积吸水率存在如下关系： W 体=W 质·ρ0 (1-12) 1.1.2 与水有关的性质 材料的吸水率不仅取决于材料的亲水性与憎水性，也与材料的孔隙率和孔隙特征有关。一般来说，孔隙率越大，吸水率越大，但不是全部孔隙都能被水所充满。因为对于封闭的孔隙，水分不易渗入；而对于粗大的孔隙，水分又不易存留，故材料的体积吸水率常小于孔隙率。这类材料常用质量吸水率表示它的吸水性。 对于某些轻质材料，如加气混凝土、软木等，由于具有很多开口而微小的孔隙，所以它们的质量吸水率往往大于100%，即湿质量为干质量的几倍。在这种情况下，最好用体积吸水率表示其吸水性。 提示 1.1.2 与水有关的性质 3.吸湿性 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。 含水率是指材料所含水的质量占材料干燥质量的百分数，可按式(1-13)计算。 式中，W 含为材料的含水率(%)；m含为材料含水时的质量(g)；m干为材料干燥到恒重时的质量(g)。 材料的含水率的大小除与材料本身的成分、组织构造等因素有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。 提示 1.1.2 与水有关的性质 随着空气湿度大小的变化，材料既能从空气中吸收水分，又能向外界释放水分，当材料中所含水分与空气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。一般情况下，材料的含水率多指平衡含水率。 在空气中，材料中所含水分向外散发的性质称为材料的还水性。例如，木门窗制作后如长期处于空气湿度小的环境中，为了与周围湿度相平衡，木材便向外散发水分，于是门窗会因其体积收缩而干裂。 建筑材料含水后，其质量增加，导热性增大，强度降低，抗冻性变差，对工程不利，所以应对工程中某些部位的材料采取有效的防护措施，避免其吸水。 提示 1.1.2 与水有关的性质 4.耐水性 材料长期在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，软化系数是指材料在吸水饱和状态下的抗压强度与其在干燥状态 下的抗压强度的比值，可按式(1-14)计算。 式中，K软为材料的软化系数；f饱为材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa)；f干为材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。 1.1.2 与水有关的性质 材料的软化系数为0~1。对于一般材料，随着含水率的增加，水分会渗入材料颗粒之间的缝隙中，降低颗粒之间的结合力，使材料的强度降低。因此，对于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，其软化系数不宜小于0.85~0.90；用于受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.70~0.85。软化系数越大，材料的耐水性越好。软化系数大于0.85的材料，通常可以被认为是耐水的材料。 1.1.2 与水有关的性质 5.抗渗性 材料抵抗水、油等液体压力作用渗透的性质称为抗渗性(不透水性)。材料的抗渗性以 渗透系数(K)和抗渗等级(P)表示。 渗透系数是指单位厚度的材料在单位水压作用下，单位时间内透过单位面积的水量，按式(1-15)计算。 式中，K 为渗透系数(cm/h)；Q 为渗透水量(cm3)；d 为材料的厚度(cm)；A 为透水面积(cm2)；t为透水时间(h)；H 为材料两侧的水压差(cm)。 1.1.2 与水有关的性质 材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。一些防水材料的防水性常用渗透系数 来表示。材料的抗渗性主要与材料的孔隙率及孔隙特征有关。 抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水 压力。用字母P 及可承受的水压力(以0.1MPa为单位)来表示抗渗等级。 P=10p-1 (1-16) 式中，P 为抗渗等级；p 为开始渗水前的最大水压力(MPa)。 1.1.2 与水有关的性质 例如，P4，P6，P8，P10，…表示试件能承受0.4MPa，0.6MPa，0.8MPa，1.0MPa，…的水压而不渗透。可见抗渗等级越高，抗渗性就越好。 材料的抗渗性与材料的亲水性、孔隙率及孔隙特征有关。绝对密实材料或具有封闭孔隙的材料，具有较高的抗渗性。通常，混凝土的抗渗性用抗渗等级来表示。材料的抗渗性对地下建筑物、水工构筑物的影响较大。 1.1.2 与水有关的性质 6.抗冻性 材料在吸水饱和状态下，经多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。 材料的抗冻性以抗冻等级(F)表示。 抗冻等级是将规定的标准试件在标准试验条件下浸水饱和，在-15℃温度条件下冻结后，在室温的水中融化，质量损失不大于5%，强度降低不超过25%所能承受的最大的冻融循环次数。 提示 1.1.2 与水有关的性质 例如，F10表示在标准试验条件下，材料质量损失不大于5%，强度降低不超过25%，所能承受的冻融循环次数最多为10次。抗冻等级越高，表示材料可以经受的冻融循环次数越多，抗冻性越好，耐久性越好。 材料经多次冻融交替作用后，其表面会出现剥落、裂纹等现象，产生质量损失，强度也会降低。冰冻的破坏作用是由材料孔隙内的水分结冰引起的。水在结冰时体积约增大9%，对孔壁产生很大的压力，在压力的反复作用下，孔壁开裂。 1.1.2 与水有关的性质 材料的冻融是由表及里逐层进行的，因此在材料内外产生明显的温度差。冻融温差所引起的温度应力加速了孔壁的破坏。此外，材料冻融循环的破坏作用还与连通孔隙被水充满的程度有关，因而冻融循环的次数越多，对材料的破坏作用越严重，一般材料将出现表面脱屑、剥落或产生裂纹，强度也将降低。 水工建筑或处于水位变化部位的结构会交替受到水的饱和冻融作用，尤其是在冬季气温达-15℃的地区，因此一定要对所使用的材料进行抗冻性检验。材料的抗冻性与材料本身的组织构造、强度、吸水性、耐水性等因素有关。 提示 1.1.3 与热有关的性质 1.导热性 热量由材料的一面传到另一面的性质，称为导热性。导热性是材料的一个非常重要的 热物理指标，它说明材料传递热量的一种能力。材料的导热能力用导热系数(λ)来表示。在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料，当两侧温度差为1K时，在单位时间(1s)内通过单位面积(1m2)的热量。 导热系数按式(1-17)计算。 式中，λ为导热系数[W/(m·K)]；Q 为传导热量(J)；δ 为材料厚度(m)；A 为传热面积(m2)；t为传热时间(h)；T2-T1 为材料传热时两侧的温度差(K)。 λ值越小，材料的绝热性能越好。 各种建筑材料的导热系数差别较大，如泡沫塑料的λ=0.035W/(m·K)，而大理石的λ=3.5W/(m·K)。 1.1.3 与热有关的性质 BUSINESS REPORT 材料的导热系数主要与材料结构及其化学成分、表观密度(包括材料的孔隙率、孔洞的性质和大小等)，以及材料的温度、湿度有关。 1.1.3 与热有关的性质 大多数的材料是由固体物质和其间的气孔组成的。例如，轻集料混凝土的总孔隙率为30%~60%，而40%~70%由固体物质组成。所以，材料的表观密度取决于孔隙率。当材料的密度一定时，孔隙率越大，则表观密度越小，导热系数也就越小。反之，材料的导热系数随着表观密度的增大而增大。这是因为材料的导热系数是由材料固体物质的导热系数和材料气孔中空气的导热系数决定的。空气在静态状况下，0℃时的导热系数为0.023W/(m·K)，与材料的固体物质的导热系数相差悬殊。 由于空气的导热系数很小，因此表观密度小的材料的导热系数也小。 提示 1.1.3 与热有关的性质 由于材料中存在着气孔，因此材料中的传热方式不单纯是导热，同时还存在着孔隙中气体的对流传热和孔壁之间的辐射传热。随着材料气孔尺寸的增大，孔内气体对流和孔壁之间的辐射换热量会增加，材料的导热系数也会明显增大。因此，在生产表观密度小、孔隙多的材料(如加气混凝土、泡沫玻璃等)时，应从工艺上保证孔隙率大、气孔尺寸小，这是改善材料热物理性能的重要途径。 1.1.3 与热有关的性质 材料的导热系数还与湿度、温度有关。由于受气候、施工水分和使用的影响，建筑材料都含有一定的湿度。湿度对导热系数有着极其重要的影响。材料受潮后，其孔隙中含有水分(包括蒸汽水和液态水)，而水的导热系数为λ=0.58W/(m·K)，比静态空气的导热系数 λ=0.023W/(m·K)大20多倍，所以材料的导热系数将增大。如果孔隙中的水分冻结成冰，而冰的导热系数λ=2.33W/(m·K)约是水的4倍，则材料的导热系数将更大。 材料受潮或受冻将严重影响其保温效果，所以工程中应特别注意保温材料的防潮。 提示 1.1.3 与热有关的性质 2.热容量 材料被加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容。热容的大小用比热容(简称比热)表示。比热是指单位质量材料温度升高1K时所吸收的热量或降低1K时所放出的热量，用c表示，按式(1-18)计算。 式中，c为材料的比热[J/(g·K)]；Q 为材料吸收或放出的热量(J)；m 为材料的质量(g)；T2-T1 为材料受热或冷却前后的温差(K)。 比热容是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同材料的比热容不同，即使是同一种材料，由于所处状态不同，比热容也不同。例如，水的比热容为4.186J/(g·K)，而结冰后的比热容为2.093J/(g·K)。 1.1.3 与热有关的性质 PROJECT Introduction 材料的比热容对保持建筑物内部温度的稳定有很大意义。比热容大的材料能在热流变动或采暖设备供热不均匀的情况下，缓和室内温度的变动。常用建筑材料的导热系数与比热容如表1-2所示。 1.1.3 与热有关的性质 1.1.3 与热有关的性质 3.耐燃性与耐火性 (1)耐燃性。耐燃性是指材料在火焰或高温作用下可否燃烧以及燃烧的难易程度的性质。耐燃性是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。 (2)耐火性。耐火性是材料在火焰和高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。材料的耐火性用耐火极限表示。 耐火极限是在标准耐火试验条件下，材料从受到火的作用时起，至失去承载能力、完整性被破坏或失去隔火作用时所用时间(用h表示)。 提示 1.1.3 与热有关的性质 思政目标：加强学生从内容与形式相统一、质与量相统一的辩证思维角度理解事物的内在结构及其体现的相应特征，引导学生理解创新精神和探索科学的精神，提升学生产生新思想、发现和创造新事物的创造力。 请阅读下面一段材料：提起钻石，你可能会想到光彩夺目、闪烁耀眼的精美饰品，以及它高昂的价格；提起石墨，你可能会想到黑乎乎、滑腻腻的碳棒。纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体；石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨很软，在纸上画过会留下痕迹，有滑腻感。金刚石和石墨的“形”或“性”有着天壤之别，但它们具有相同的“质”，它们是一对“孪生”兄弟，都由碳元素组成，被称为同素异形体。图1-4和图1-5分别为金刚石的结构模型和石墨的结构模型。 同学们可以说一说金刚石和石墨各有什么特性吗? 观察金刚石和石墨的结构模型，同学们可以说出为什么这两者都由碳元素组成，但性能却有天壤之别吗? 这告诉我们一个什么道理? 思 政 课 堂 1.1.3 与热有关的性质 1.1.3 与热有关的性质 非常感谢您的观看 $$