第01章基本性質(zhì)

1、第一章建筑材料的基本性質(zhì) 建筑材料的基本性質(zhì)，是指材料處于物理、化學、力學、生物等環(huán)境時，必須具有的性質(zhì)。因為建筑材料所處建筑物的部位不同、使用環(huán)境不同、對材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求性質(zhì)也就有所不同。 如：化學侵蝕、生物作用、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、沖蝕磨損、荷載作用等。 1.1 1.1 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 材料科學與工程的主要研究內(nèi)容（P4） 一、組成： 材料的組成包括材料的化學組成、礦物組成和相組成。 （一）化學組成 是指構(gòu)成材料的化學元素及化合物的種類及數(shù)量。決定性質(zhì).。 （二）礦物組成 將無機非金屬材料中具有特定晶體結(jié)構(gòu) 、特定的物理力學性能的

2、組織結(jié)構(gòu)稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。如天然石材、無機膠凝材料等，其礦物組成在化學組成確定的情況下是決定材料性質(zhì)的主要因素。 （三）相組成 材料中具有相同物理、化學性質(zhì)的均勻部分稱為相 。建筑材料大多數(shù)可看做復合材料，如：混凝土可以認為是集料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復合材料。 界面.1.1 1.1 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)分為：宏觀結(jié)構(gòu)、細觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。本書主要指的是微觀結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)。（一）宏觀結(jié)構(gòu) 建筑材料 的宏觀結(jié)構(gòu)是指能用眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸在10-3m級以上。 表1.1宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征 1.1 1.1

3、 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（二）顯微結(jié)構(gòu) 顯微結(jié)構(gòu)是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-3-1mm之間 。 建筑材料的細觀結(jié)構(gòu)： 混凝土可分為基相、集料相、界面； 天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體結(jié)構(gòu)； 鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體等； 木材分為木纖維、導管髓線、樹脂管等。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)（三）微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)?？捎秒娮语@微鏡或X射線來分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。 微觀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍在10-6-10-10m之間。材料的許多物理性質(zhì)如強度、硬度、熔點、導熱、導電

4、性都是由微觀結(jié)構(gòu)決定的 。 在微觀結(jié)構(gòu)層次上，材料可分為晶體、玻璃體等。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（三）微觀結(jié)構(gòu) 1、晶體 晶體是質(zhì)點(原子、分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質(zhì)。晶體質(zhì)點間鍵能的大小以及結(jié)合鍵的特性決定晶體材料的特性。 原子晶體、離子晶體、分子晶體、金屬晶體 2、玻璃體 玻璃體是熔融物在急冷時，質(zhì)點來不及按一定規(guī)律排列而形成的內(nèi)部質(zhì)點無序排列的固體或閉態(tài)液體。玻璃體結(jié)構(gòu)的材料沒有固定的熔點和幾何形狀，且各向同性。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)（三）微觀結(jié)構(gòu) 3、微粉、超

5、微顆粒、膠體 微粉-是指粒徑在0.0001-0.1mm間的各種礦物或金屬粉末，通常指散粒的顯微層次。 超微顆粒-是指粒徑在10-6-10-4m間的各種微粒，它一般大于微觀尺度的原子團，小于微粉。納米材料.。 以膠粒(粒徑為10-7-10-10m的固體顆粒）作為分散相，分散在連續(xù)相介質(zhì)中，形成的分散體系稱為膠體。1.11.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造三、構(gòu)造 是指材料的宏觀組織狀況，如巖石層理、木材紋理、鋼材中的裂紋、膠合板、迭合板的迭合等。 1、空隙特征：開口、閉口 2、孔隙大小 對材料性質(zhì)的影響.金屬晶體結(jié)構(gòu)模型氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)微粉 1.2 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)1 1

6、、密度、表觀密度和堆積密度、密度、表觀密度和堆積密度（1）密度： 材料的密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計算： =m/v 式中：密度, g/cm3 m材料的質(zhì)量，g V材料的絕對密實體積，cm3 測試時，材料必須是絕對干燥狀態(tài)。含孔材料則必須磨細后采用排開液體的方法來測定其體積。李氏瓶法. 近似密度 （視密度)-排液置換法。（2 2） 表觀密度表觀密度 表觀密度：是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計算：Vm00（3 3）堆積密度）堆積密度 Vm000V02 2、材料的密實度與孔隙率、材料的密實度與孔隙率 密實度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充密實度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)

7、所充實的程度。以實的程度。以D D表示，按下式計算：表示，按下式計算： 孔隙率是材料中孔隙體積占總體積的百分率?？紫堵适遣牧现锌紫扼w積占總體積的百分率。%1001%10000VVVP%1000VVD3 3、材料的填充率度與空隙率、材料的填充率度與空隙率 填充率是指粉狀或顆粒狀材料在其堆積體填充率是指粉狀或顆粒狀材料在其堆積體積內(nèi)，被其顆粒填充的程度。以積內(nèi)，被其顆粒填充的程度。以 表示，按下表示，按下式計算：式計算： 空隙率是指粉狀或顆粒狀材料在某堆積體積內(nèi)，空隙率是指粉狀或顆粒狀材料在某堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積所占的比例。按下式計算：顆粒之間的空隙體積所占的比例。按下式計算： D 在建

8、筑工程中，計算材料用量、構(gòu)件的自重，配料計算以及確定堆放空間時經(jīng)常要用到材料的密度、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。對于含孔材料，三者的測試方法要點如下：測定密度時，需先將材料磨細，之后采用排出液體或水的方法來測定體積。測定表觀密度時，直接將材料放入水中，即直接采用排開水的方法來測體積；測定堆積密度時，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測試其自然堆積狀態(tài)下體積。小結(jié) 材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 密度、表觀密度、孔隙率 散粒材料： 近似密度（視密度）、密度、表觀密度、堆積密度、空隙率4 4、材料與水有關的性質(zhì)、材料與水有關的性質(zhì)（1）材料的親水性與憎水性材料的親水性與憎水性固體材料與水接觸時，有些能被

9、水潤濕，而有些則不能被水潤濕，對這兩種現(xiàn)象來說，前者為親水性，后者為憎水性。材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結(jié)構(gòu)。親水性材料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內(nèi)聚力；反之，憎水性材料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內(nèi)聚力。工程實際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤濕邊角的大小劃分，潤濕邊角為在材料、水和空氣的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。其中潤濕邊角愈小，表明材料愈易被水潤濕。當材料的潤濕邊角時，為親水性材料；當材料的潤濕邊角時，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細管作用自動將水吸入材料內(nèi)部；水在憎水性材料表面不僅不

10、能鋪展開，而且水分不能滲入材料的毛細管中。 圖1 材料潤濕示意圖（）親水性材料；（）憎水性材料親水性材料和憎水性材料 親水性材料： 石料、磚、混凝土、木材等。 憎水性材料： 瀝青、石蠟等。 親水性材料能通過毛細管作用，將水分吸入材料內(nèi)部。憎水性材料一般能阻止水分滲入毛細管中，故能降低材料的吸水作用，用作防水材料，或用在親水材料的表面處理。（2 2）材料的吸水性與吸濕性）材料的吸水性與吸濕性材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。干燥的材料處在較潮濕的空氣中時，便會吸收空氣中的水分；而當較潮濕的材料處在較干燥的空氣中時，便會向空氣中放出水分。前者是材料的吸濕過程，后者是材料的干燥過程。由

11、此可見，在空氣中，某一材料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。（2 2）材料的吸水性與吸濕性）材料的吸水性與吸濕性 1)1)含水率：含水率： 材料在任一條件下含水的多少稱為材料的材料在任一條件下含水的多少稱為材料的含水率含水率，并以，并以h h表示，其計算公式為：表示，其計算公式為：%1001mmmWh2）吸水率：材料能吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。吸水的大小以吸水率來表示。 a.質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率 質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比：b.b.體積吸水率體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以表示。體積吸水率的計算

12、公式為：%1001.0WgbvVmmWg材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。 3）吸濕性 材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。 材料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當空氣中濕度在較長時間內(nèi)穩(wěn)定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時材料的含水率保持不變，其含水率叫作材料的平衡含水率。 3. . 材料的耐水性材料的耐水性材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)。衡量材料耐水性的指標是材料的軟化系數(shù)KR： 式中 KR 材料的軟化系數(shù) fb 材料

13、吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。 fg 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）gbRffK軟化系數(shù)反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質(zhì)變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強度則有不同程度的降低。當材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強度的嚴重降低。材料耐水性限制了材料的使用環(huán)境，軟化系數(shù)小的材料耐水性差，其使用環(huán)境尤其受到限制。軟化系數(shù)的波動范圍在0至1之間。工程中通常將0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數(shù)也不得小于0

14、.75 。 4. .材料的抗?jié)B性材料的抗?jié)B性抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當材料兩側(cè)的水壓差較高時，水可能從高壓側(cè)通過內(nèi)部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側(cè)。這種壓力水的滲透，不僅會影響工程的使用，而且滲入的水還會帶入能腐蝕材料的介質(zhì)，或?qū)⒉牧蟽?nèi)的某些成分帶出，造成材料的破壞。 (1)(1)滲透系數(shù)滲透系數(shù)材料的滲透系數(shù)可通過下式計算AtHQdK K滲透系數(shù), （cm / h）; Q滲水量， （cm3 ） A 滲水面積, （cm2 ） H -材料兩側(cè)的水壓差，（cm） d 試件厚度 （cm） t 滲水時間 （h） 材料的滲透系數(shù)越小，

15、說明材料的抗?jié)B性越強。(2)(2)抗?jié)B等級抗?jié)B等級 材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級。 如W4、W6、W8、W10等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水壓而不滲透。 3 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)1.1.材料的理論強度材料的理論強度 理論上，材料受外力作用而引起破壞的原因，主要是由于拉力造成質(zhì)點間結(jié)合鍵斷裂脆裂，或由于剪力造成質(zhì)點間的滑移而破壞。材料受壓破壞，實際上也是由于壓力引起內(nèi)部產(chǎn)生拉應力或切應力而造成的破壞。各種建筑材料

16、都具有較高的理論強度。其理論強度遠遠大于材料的實際強度，如鋼材的理論強度為30MPa，混凝土的理論強度可達到400 MPa等。 材料的理論抗拉強度: dEft 3 材料的力學性質(zhì)材料的力學性質(zhì)2.2.材料的強度材料的強度材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內(nèi)部的應力多由外力（或荷載）作用而引起，隨著外力增加，應力也隨之增大，直至應力超過材料內(nèi)部質(zhì)點所能抵抗的極限，即強度極限，材料發(fā)生破壞。在工程上，通常采用破壞試驗法對材料的強度進行實測。將預先制作的試件放置在材料試驗機上，施加外力（荷載）直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞荷載值，計算材料的強度。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強

17、度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強度的計算式如下：AFfmax抗壓強度試驗影響材料強度試驗結(jié)果的主要因素.材料的抗彎強度與受力情況有關，一般試驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則抗彎強度用下式計算：2max23bhLFfw3.3.彈性和塑性彈性和塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。4. 4. 脆性和

18、韌性脆性和韌性 材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結(jié)普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度相對較高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性?；炷链嘈云茐幕炷另g性破壞5.徐變和應力松弛 固體材料在持久荷載作用下，變形隨著時間的延長而逐漸增長的現(xiàn)象。 材料在持久荷載作用下，若所產(chǎn)生的變形因受約束而不能增長時，則其應力將隨時間延長而逐漸減小，這一現(xiàn)象成為應力松弛。6.材料的持久強度和疲勞極限 材料在承受持久荷載下的強度，稱為持久強度。 在規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)

19、下，所對應的極限應力即為疲勞極限。7. 沖擊韌性、硬度、磨損、磨耗 材料抵抗沖擊或震動等動荷載作用的性能，稱為沖擊韌性。 材料抵抗其他較硬物體壓入的能力稱為硬度。 材料受外界物質(zhì)的摩擦作用而造成質(zhì)量和體積損失的現(xiàn)象稱為磨損。 材料同時受到摩擦和沖擊兩種作用而造成的質(zhì)量和體積損耗現(xiàn)象稱為磨耗。 5 5 材料與熱有關的性質(zhì)材料與熱有關的性質(zhì)1. 1. 導熱性導熱性當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質(zhì)，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數(shù) 表示。導熱系數(shù)的定義和計算式如下所示：)(12TTAtQd 在物理意義上，導熱系數(shù)為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1時、在單位時間

20、(1s)內(nèi)通過單位面積(1)的熱量。2. 2. 熱容量和比熱熱容量和比熱 材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為材料的熱容量。單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計算式如下所示：)(12TTmQC熱容量), 6 6 材料的耐久性材料的耐久性 材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外來自然因素及有害介質(zhì)的作用，能長久地保持其使用性能的性質(zhì)。 材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。這些作用將使材料發(fā)生體積的脹縮，或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴展。時間長久之后即會使材料逐漸破壞。在寒冷地區(qū)，凍融變化對材料會起著顯著的破壞作用。在高溫環(huán)境下，經(jīng)常處于高溫狀態(tài)的建筑物或構(gòu)筑物，所