第一章 材料的基本性质1（课件）- 《建筑材料（第4版） 》同步教学（机械工业版）

第１章 材料的基本性质 第１章 材料的基本性质 1.1材料的物理性质 1.导热性与导热系数 当材料的两侧存在温度差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递至温度低的一侧，材料的这种传导热量的性质，称为材料的导热性。 导热性大小用导热系数来表示，导热系数按式（1-13）计算： 式（1-13） 式中： ——材料的导热系数，（W/(m·K)）； —— 传导的热量，（J）； ——材料的厚度，（m）； ——材料传热面积，（m2）； ——传热时间，（s）； ——材料两侧温度差，（K）。 第１章 材料的基本性质 材料的导热性表示单位厚度的材料，当两侧温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。 导热系数是评定材料保温隔热性能的重要指标，导热系数越小，材料的保温隔热性能越好。 导热系数与材料内部孔隙构造有密切关系。 材料的孔隙率较大，则其导热系数较小，但如果孔隙粗大而且贯通，由于对流作用的影响，材料的导热系数反而会增大； 材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。 第１章 材料的基本性质 2．热容量与比热 材料的热容量指材料在温度升高时吸收热量，冷却时放出热量的性质。热容量的大小用比热来表示。 材料吸收或放出的热量及比热，按式（1-14）、（1-15）计算： 　　式（1-14） 　　式（1-15） 式中： —— 材料的热容量，（kJ）； ——材料的重量，（ kg）； ——材料的比热，（kJ/(kg·K)）； ——材料受热或冷却前后的温度差，（K）。 材料 钢材 花岗岩 混凝土 松木 粘土砖 空气 水 冰 导热系（w/m·k） 58.00 2.90 1.80 0.15 0.55 0.025 0.60 2.20 比热（J/g·k） 0.46 0.80 0.88 1.63 0.84 4.19 4.186 2.09 第１章 材料的基本性质 表1-1 常用材料的热工性质指标 第１章 材料的基本性质 3．热阻与传热系数 热阻是指材料层（墙体或其他围护结构）抵抗热流通过的性质。 热阻按式（1-16）计算： 　式（1-16） 式中： R ——材料层热阻，（m2·K / W）； ——材料层的厚度，（m）； λ ——材料的导热系数，（W/(m·K)）。 第１章材料的基本性质 热阻的倒数1/R称为材料层（墙体或其他围护结构）的传热系数。 传热系数是指材料两面温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。 热阻和传热系数都是评定建筑材料保温隔热性能的重要指标。 人们习惯于把防止室内热量的散失称为保温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温隔热统称为绝热。 材料的传热系数越小，其热阻越大，则材料的导热性能越差，其保温隔热性能越好。 第１章 材料的基本性质 1.2材料的力学性质 1.2.1强度 1. 材料的强度 材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏时能力材料叫强度。 当材料受到外力作用时，单位面积上产生的内力叫做内应力。 随着外力的逐渐增加，应力也相应增大，直至材料内部的质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料便破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。 第１章 材料的基本性质 材料在使用过程中所受的外力主要有拉力、压力、抗、剪力以及弯力等。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗折（抗弯）强度等。 材料的这些强度是按照标准方法通过静力试验来测定的。 材料的受力状态如图1-2所示。 第１章 材料的基本性质 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可按式（1-17）计算： 式（1-17） 式中： ——材料的强度（MPa）； P ——试件破坏时的最大荷载（N）； ——试件受力面积（mm2）。 材料的抗折（抗弯）强度与材料的受力情况、截面形状等有关。对于矩形截面的条形试件，在两端支承，中间作用一集中荷载时，其抗折强度可按式（1-18）计算： 　　式（1-18） 式中： f——材料的抗折（弯）强度（MPa）； P——试件破坏时的最大荷载（N）； ——试件两支点间的距离（mm）； ——试件截面的宽度（mm）； ——试件截面的高度（mm）。 第１章 材料的基本性质 材料的强度与其组成及构造有关。不同的材料由于其组成和构造不同，其强度不同； 同一种材料，即使其组成相同，但构造不同，材料的强度也有很大差异。材料的孔隙率越大，则强度越小。 材料的强度还与试验条件有关，如试件的形状、尺寸和表面状态、试件的含水率、加载速度、试验温度、试验设备的精确度以及试验操作人员的技术水平等。 为了使试验结果比较准确，而且具有可对比性，国家规定了各种材料强度的标准试验方法。在测定材料强度时必须严格按照规定的标准方法进行。 第１章 材料的基本性质 材料的抗冻性与其强度、孔隙率大小及特征、吸水饱和程度及抵抗冰胀应力的能力等因素有关。 材料强度越高，其抗冻性越好； 材料具有细小的开口孔隙，孔隙率大且处于饱水状态下，材料容易受冻破坏。 若材料孔隙中虽然含水，但未达到饱和，则即使受冻也不致产生破坏； 若材料具有粗大的开口孔隙，因水分不易存留，很难达到吸水饱和程度，所以抗冻性也较强。一般来说，密实的材料、具有闭口孔隙且强度较高的材料，具有较强的抗冻能力。 第１章 材料的基本性质 材料的抗冻性与其强度、孔隙率大小及特征、吸水饱和程度及抵抗冰胀应力的能力等因素有关。 材料强度越高，其抗冻性越好； 材料具有细小的开口孔隙，孔隙率大且处于饱水状态下，材料容易受冻破坏。 若材料孔隙中虽然含水，但未达到饱和，则即使受冻也不致产生破坏； 若材料具有粗大的开口孔隙，因水分不易存留，很难达到吸水饱和程度，所以抗冻性也较强。一般来说，密实的材料、具有闭口孔隙且强度较高的材料，具有较强的抗冻能力。 第１章 材料的基本性质 材料的抗冻性与其强度、孔隙率大小及特征、吸水饱和程度及抵抗冰胀应力的能力等因素有关。 材料强度越高，其抗冻性越好； 材料具有细小的开口孔隙，孔隙率大且处于饱水状态下，材料容易受冻破坏。 若材料孔隙中虽然含水，但未达到饱和，则即使受冻也不致产生破坏； 若材料具有粗大的开口孔隙，因水分不易存留，很难达到吸水饱和程度，所以抗冻性也较强。一般来说，密实的材料、具有闭口孔隙且强度较高的材料，具有较强的抗冻能力。 第１章 材料的基本性质 2. 强度等级 大多数建筑材料按其极限强度的大小，划分为若干不同的等级，称为材料的强度等级。 对于脆性材料，主要根据其抗压强度大小来划分强度等级，如烧结普通砖、砂浆、混凝土等； 对于塑性和韧性材料，主要根据其抗拉强度大小来划分强度等级，如钢材等。 强度值与强度等级不能混淆，强度值是表示材料力学性质的指标，强度等级则是根据强度值划分的级别。划分材料强度等级，对掌握材料性能和正确选用材料具有重要意义。 第１章 材料的基本性质 3. 比强度 比强度是指材料的强度与其表观密度的比值，它是衡量材料轻质高强的一个主要指标。 选用优质的建筑结构材料应具有较高的比强度， 一方面可以节省空间，采用尽可能小的截面满足强度要求； 另一方面也可以减小结构体的自重、降低工程造价等。比强度越大，则材料轻质高强性能越好。 表1-3以钢材、混凝土和木材为例，进行强度和比强度的比较。 材料 表观密度 （kg/m3） 抗压强度 MPa 比强度 低碳钢 7850 360 0.045 普通混凝土 2400 40 0.017 松木（顺纹） 500 34.3 0.069 第１章 材料的基本性质 表1-2 几种常用建筑材料的强度比较 第１章 材料的基本性质 1.2.2 弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，材料变形即可消失，并且能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。 这种完全能恢复的变形，称为弹性变形。材料在弹性变性范围内，其应力与应变的比值是一个常数，这个比值称为材料的弹性模量，即 E＝σ/ε。 弹性模量E是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E越大，则材料越不易变形。 材料在外力作用下产生变形，当外力撤消后，材料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。这种不能消失的变形，称为塑性变形。 第１章 材料的基本性质 在建筑材料中，没有纯弹性材料。 许多材料受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定限度后，即产生塑性变形。 如建筑钢材，当外力小于弹性极限时，仅产生弹性变形；若外力大于弹性极限后，则除了产生弹性变形外，还产生塑性变形。 有的材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，如果撤消外力，则弹性变形可以消失，但塑性变形却并不能消失。 第１章 材料的基本性质 1.2.3 脆性与韧性 材料在外力作用下，当外力达到一定程度时，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质，称为脆性。大部分无机非金属材料均属于脆性材料，如混凝土、砖、石等，脆性材料的特点是塑性变形很小，抵抗冲击、振动荷载的能力差，抗压强度高，抗拉强度低。 材料在冲击或动力荷载的作用下，能吸收较大能量并产生较大变形而不发生破坏的性质，称为韧性。建筑钢材、木材、橡胶等属于韧性材料。韧性材料的特点是塑性大，抗拉、抗压强度都较高。对于要求承受冲击和振动荷载作用的结构，如吊车梁、桥梁、路面等，应选用具有较高韧性的材料。 第１章 材料的基本性质 1.2.4 硬度与耐磨性 硬度是指材料表面抵抗其它物体压入或刻划的能力。不同材料的硬度采用不同的测定方法。钢材、木材和混凝土等材料的硬度常采用压入法测定，如布氏硬度（HB）是以单位面积压痕上所受到的压力来表示的。天然矿物的硬度常采用刻划法测定，矿物硬度分为10级，其硬度递增的顺序为：滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7；黄晶8；刚玉9；金刚石10。材料的硬度越大，则其耐磨性越好，加工越困难。 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性与材料的组成、结构及强度、硬度有关。建筑中用于地面、踏步、台阶等处的材料，均应考虑其耐磨性。 第１章 材料的基本性质 1.3 材料的耐久性 材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，能保持其原有性能不变的性质。 材料在使用过程中，除了受到各种外力作用，还受到物理、生物和化学等自然因素的破坏作用。 物理作用主要有材料的干湿交替、温度变化、冻融循环等。这些变化会使材料体积产生收缩或膨胀，长期反复作用会使材料产生破坏。 生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材及植物纤维材料的腐烂等。 第１章 材料的基本性质 化学作用主要指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀、水泥石的化学腐蚀等。 耐久性是材料的一项综合性质，而且随材料的组成与结构不同，其耐久性的内容也不相同。 如无机矿物材料（混凝土、石材等），主要是因冻融、风化、碳化、干湿变化等物理作用而破坏，当与水接触时，可能因化学作用而破坏； 金属材料，主要是因化学腐蚀作用而破坏；木材主要考虑生物作用带来的损坏。 感谢聆听 $$