注冊結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)建筑材料的基本性質(zhì)講義

HYPERLINK"/"PAGEPAGE15頁第十章土木工程材料第一節(jié)建筑材料的基本性質(zhì)建筑物是由多種建筑材料組合而成,因建筑材料所處的環(huán)境和部位不同,所起的作用也各有不同,所以要求材料具有各種相應的性質(zhì)。如用于受力結(jié)構(gòu)的材料,要承受各種外力的作用,因此所用的材料要具有所需的力學'性質(zhì);根據(jù)某些建筑功能的需要,要求材料要有相應的防水、保溫、絕熱、吸聲、防火、裝飾以及耐熱、耐腐蝕等性質(zhì);由于建筑物在長期使用過程中,經(jīng)常受到風吹、日曬、雨淋、冰凍所引起的溫度變化、干濕交替、凍融循環(huán)等作用，這就要求材料必須具有一定的耐久性能。因此,建筑材料的應用與其性質(zhì)是緊密相關(guān)的。建筑材料所具有的各項性質(zhì)又是由于材料的組分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造等內(nèi)部因素所決定的，為了保證建筑物能經(jīng)久耐用,就需要我們掌握建筑材料的性質(zhì)和了解它們與材料組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的關(guān)系,并合理地選用材料。一、材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造(一)材料的組成材料的組成是指材料的化學成分或礦物成分而言。它不僅影響著材料的化學性質(zhì)，而且也是決定材料物理力學性質(zhì)的重要因素。1.化學組成當材料與外界自然環(huán)境以及各類物質(zhì)相接觸時,它們之間必然要按照化學變化規(guī)律，發(fā)生作用。如材料受到酸、堿、鹽類物質(zhì)的侵蝕作用,如材料遇到火焰時的耐燃、耐火性能,以及鋼材與其他金屬材料的銹蝕等等都屬于化學作用。建筑材料有關(guān)這方面的性質(zhì)都是由材料的化學組成所決定的。2.礦物組成某些建筑材料如天然石材、無機膠凝材料等,其礦物組成是決定其材料性質(zhì)的主要因素。水泥所含有的熟料礦物不同或其含量不同,表現(xiàn)出的水泥性質(zhì)就各有差異。例如，在硅酸鹽水泥中,熟料礦物硅酸三鈣含量高的,其硬化速度較快,強度也較高。(二)材料的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造建筑材料的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有著密切關(guān)系。也可以說材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是決定建筑材料性質(zhì)的極其重要因素。因此,要掌握建筑材料性質(zhì),合理使用材料并能解決某些工程問題的話,就需要具備材料結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的有關(guān)知識。研究材料的結(jié)構(gòu)大體上可以劃分為:宏觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)三個1.材料的微觀結(jié)構(gòu)這里所指的結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)的原子、分子層次的微觀結(jié)構(gòu)。一般要借助于電子顯微鏡、X射線衍射儀等具有高分辨率的設(shè)備進行觀察、分析,其分析程度是以"埃"(1A＝10－10m)為單位表示的。材料的許多物理性質(zhì),如強度、硬度、彈塑性、導熱性等都有密切的關(guān)系。材料的結(jié)構(gòu)可以分為晶體、玻璃體和膠體。晶體是指材料的內(nèi)部質(zhì)點(原子、分子或離子)呈現(xiàn)規(guī)則排列的、具有一定結(jié)晶形狀的固體。因其各個方向的質(zhì)點排列情況和數(shù)量不同,故晶體具有各向異性的性質(zhì)。然而,晶體材料又是由大量排列不規(guī)則的晶粒組成,因此,所形成的材料整體又具有各向同性的性質(zhì)例如:石英、金屬等均屬于晶體結(jié)構(gòu)。按晶體質(zhì)點及結(jié)合鍵的特性,可將晶體分成:原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。不同種類的晶體所構(gòu)成的材料表現(xiàn)出的性質(zhì)不同。(1)原子晶體是由中性原子構(gòu)成的晶體,其原子之間由共價鍵來聯(lián)系。原子之間靠數(shù)個共用電子結(jié)合,具有很大的結(jié)合能,結(jié)合比較牢固,因而這種晶體的強度、硬度與熔點都是比較高的。石英、金剛石、碳化硅等屬于原子晶體。(2)離子晶體是由正、負離子所構(gòu)成的晶體。因為離子是帶電荷的,它們之間靠得失電子,產(chǎn)生所形成的離子鍵來結(jié)合。離子晶體一般比較穩(wěn)定,其強度、硬度熔點較高,但在溶液中要離解成離子,如NaCl、KCl、MgCl等。(3)分子晶體中性的分子由于電荷的非對稱分布而產(chǎn)生的分子極化,或是由于電子運動而發(fā)生的短暫極化所形成的一種結(jié)合力,即范德華力。因為這種結(jié)合力較弱,故其硬度小,熔點也低。一般分子晶體大部分屬于有機化合物。(4)金屬晶體金屬晶體是由金屬陽離子排列成一定形式的品格,如體心立方晶格、面心立方晶格和緊密六方晶格。在晶格間隙中有自由運動的電子,這些電子稱為自由電子。金屬鍵是通過自由電子的庫侖引力而結(jié)合的。自由電子可使金屬具有良好的導熱性及導電性。在金屬材料中,晶粒的形狀和大小也會影響材料的性質(zhì)。常采用熱處理的辦法,使金屬晶粒產(chǎn)生變化,以收到調(diào)節(jié)和控制金屬材料機械性能(強度、韌性、硬度等)的效果。金屬晶體在外力作用下具有彈性變形的特點。當外力達到一定程度時,由于某一晶面上的剪應力達到一定限度,沿該晶面發(fā)生相對的滑動,因而材料產(chǎn)生塑性變形。軟鋼和一些有色金屬(銅、鋁等)都是具有塑性的材料。玻璃體是熔融的物質(zhì)經(jīng)急冷而形成的無定形體,是非晶體。熔融物經(jīng)慢冷,內(nèi)部質(zhì)子可以進行規(guī)則地排列而形成晶體;若是冷卻速度較快,達到凝固溫度時,它還具有很大的粘度,致使質(zhì)點來不及按一定的規(guī)則進行排列,就已經(jīng)凝固成為固體,此時得到的就是玻璃體結(jié)構(gòu)。因其質(zhì)點排列無規(guī)律,具有各向同性,而且沒有固定的熔點,熔融時只出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由于在急冷過程中,質(zhì)點間的能量以內(nèi)能的形式儲存起來,使玻璃體具有化學不穩(wěn)定性,即具有潛在的化學活性,在一定條件下容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應。如:火山灰、?；郀t礦渣等。膠體是指一些細小的固體粒子(直徑約1~100μm)分散在介質(zhì)中所組成的結(jié)構(gòu)。一般屬于非晶體。由于膠體的質(zhì)點很微小,表面積很大,所以表面能很大,吸附能力很強,使膠體具有很強的粘結(jié)力。膠體由于脫水或質(zhì)點凝聚作用,而逐漸產(chǎn)生凝膠。凝膠體具有固體性質(zhì),在長期應力作用下又具有粘性液體的流動性質(zhì)。這是由于固體微粒表面有一層吸附膜,膜層越厚,流動性越大。如:混凝土的強度及變形性質(zhì)與水泥水化形成的凝膠體有很大的關(guān)系。非晶體材料在外力作用下,其彈性變形和塑性變形沒有明顯的界限,一般會同時產(chǎn)生彈性變形和塑性變形。2.亞微觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu)也稱為細觀結(jié)構(gòu)。一般是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。儀器的放大倍數(shù)可達一千倍左右,能有幾千分之一毫米的分辨能力,可分析材料的結(jié)構(gòu)組織分析天然巖石的礦物組織;分析金屬材料品粒的粗細及其金相組織,如鋼材中的鐵素體、珠光體、滲碳體等組織;觀察木材的木纖維、導管、髓線、樹脂道等顯微組織;分析組成混凝土材料的粗細骨粒、水泥石(包括水泥的水化產(chǎn)物及未水化顆粒)以及孔隙等。材料內(nèi)部各種組織的性質(zhì)各不相同,這些組織的特征、數(shù)量、分布,以及界面之間的結(jié)合情況都對建筑材料的整體性質(zhì)起著重要的影響作用。因此,研究分析材料的亞微觀結(jié)構(gòu)是有其非常重要意義的。3.材料的宏觀結(jié)構(gòu)建筑材料的宏觀結(jié)構(gòu)是指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小,以及更大尺寸的構(gòu)造情況。因此,這個層次的結(jié)構(gòu)也可以稱為宏觀構(gòu)造。建筑材料的宏觀結(jié)構(gòu)(構(gòu)造),按孔隙尺寸可以分為:(1)致密結(jié)構(gòu)基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。(2)多孔結(jié)構(gòu)是指具有粗大孔隙的結(jié)構(gòu)。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造輕質(zhì)材料等。(3)微孔結(jié)構(gòu)是指微細的孔隙結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)材料時,增加拌和水量或摻入可燃性摻料,由于水分蒸發(fā)或燒掉某些可燃物而形成微孔結(jié)構(gòu)。如石膏制品、黏土磚瓦等。按構(gòu)成形態(tài)可分為:(1)聚集結(jié)構(gòu)是由骨料與膠凝材料結(jié)合而成的材料。它所包括的范圍很廣,如水泥混凝土、砂漿、瀝青混凝土、石棉水泥制品、木纖維(或刨花)水泥板,以及燒土制品、陶瓷、增強塑料等材料均可屬于這類結(jié)構(gòu)。(2)纖維結(jié)構(gòu)是指木材纖維、玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結(jié)構(gòu)。其特點是平行纖維方向與垂直纖維方向的強度及導熱性等性質(zhì)都具有明顯的方向差異,即各性性質(zhì)。其使用方式有散鋪、制成氈片或織物,以及膠結(jié)成板材等。(3)層狀結(jié)構(gòu)采用粘結(jié)或其他方法將材料疊合成層狀的結(jié)構(gòu)。如膠合板、木質(zhì)疊合人造板、紙面石膏板、蜂窩夾芯板、隔熱芯料金屬板和層狀填料塑料板等。(4)散粒結(jié)構(gòu)是指松散顆粒狀結(jié)構(gòu)。如混凝土骨料、用做絕熱材料的粉狀或粒狀的填充料等。從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的結(jié)構(gòu)上來研究建筑材料的性質(zhì)才能深入其本質(zhì),對改進與提高材料性能以及開發(fā)新型材料都有著重要意義。二、建筑材料的基本物理性質(zhì)(一)材料的密度、表觀密度和堆積密度1.密度(ρ)密度是材料在絕對密實狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計算:ρ＝m/V式中ρ——密度,g/cm3;M——材料的重量,g;V——材料在絕對密實狀態(tài)下的體積,cm3。這里指的"重量"與物理學中的"質(zhì)量"是同一含義,在建筑材料學中,習慣上稱之為“重量”。對于固體材料而言,rn是指干燥至恒重狀態(tài)下的重量。所謂絕對密實狀態(tài)下的體積是指不含有任何孔隙的體積。建筑材料中除了鋼材、玻璃等少數(shù)材料外,絕大多數(shù)材料都含有一定的孔隙、如磚、石材等塊狀材料。對于這些有孔隙的材料,測定其密度時，應先把材料磨成細粉,經(jīng)干燥至恒重后,用比重瓶(李氏瓶)測定其體積,然后按上式計算得到密度值。材料磨得越細,測得的數(shù)值就越準確。2.表觀密度(ρo)表現(xiàn)密度是指材料在自然狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計算:Ρo＝m/V0ρo——表觀密度,g/cm3或kg/m3;m——材料的重量,g或kg;Vo——材料的自然狀態(tài)下的體積,cm3或m3材料在自然狀態(tài)下的體積包含了材料內(nèi)部孔隙的體積。當材料含有水分時,它的重量積都會發(fā)生變化。一般測定表觀密度時,以干燥狀態(tài)為準,如果在含水狀態(tài)下測定表度,須注明含水情況。在試驗室中測定的通常為烘干至恒重狀態(tài)下的表觀密度。質(zhì)地堅硬的散粒狀材料,如砂、石,要磨成細粉測定密度需耗費很大的能量,一般測定其密度,在應用過程中(如混凝土配合比計算過程)近似代替其密度。3.堆積密度(ρ'0)堆積密度是指粉狀或散粒狀材料在堆積狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計算:ρ'0=m/V'0(10-1-3)其中ρ'0——堆積密度,kg/m3;M——材料的重量,kg;V'0——材料的堆積體積,m3。這里,材料的重量是指自然堆積在一定容器內(nèi)材料的重量;其堆積體積是指所用容器的容積。容器的容積視材料的種類和規(guī)格而定。材料的堆積體積既包含內(nèi)部孔隙也包含顆粒之間的空隙。(二)材料的孔隙率和空隙率孔隙率是指材料體積內(nèi),孔隙體積所占的比例。用下式計算:孔隙率P==(1－)×100％(10-1-4)孔隙率相對應的是密實度,即材料體積內(nèi),被固體物質(zhì)充實的程度?？捎孟率接嬎?密實度D==×100%(10-1-5)孔隙率或密實度的大小直接反映了材料的致密程度。材料內(nèi)部孔隙的構(gòu)造可分為連通孔和封閉孔,連通孔不僅彼此貫通還與外界相通,而封閉孔不僅彼此不連通,而且與外界相隔絕孔隙按尺寸的大小又可分為極微細孔隙、細小孔隙和較粗大孔隙?？紫兜拇笮?、分布、數(shù)量及構(gòu)造特征對材料的性能產(chǎn)生很大的影響。空隙率是指散粒狀材料在某堆積體積中，顆粒之問的空隙體積所占的比例。用下式計算：（10-1-6）與空隙率相對應的是填充率，即材料在某堆積體積中被顆粒填充的程度?？捎孟率接嬎悖海?0-1-7）(三)材料的親水性和憎水性組成建筑物的材料經(jīng)常與水或空氣中的水分接觸，而處于材料、水和空氣的三相體系中，水分與不同材料表面之間的相互作用不同。在三相交點處，沿水滴表面的切線與水和材料的接觸面之間的夾角θ，稱潤濕邊角。一般認為：當θ≤90°時．如圖10-1-1（a），表示水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與材料分子間的吸引力，這種材料稱為親水性材料；當θ>90°時．如圖10-l-l(b)，表示水分子之間的內(nèi)聚力大于水分子與材料分子間的吸引力，這種材料稱為憎水性材料、建筑材料中的混凝上、木材、磚等為親水材料，瀝青、石蠟等為憎水性材料。親水性材料表面做憎水處理，可提高其防水性能。(四)材料的吸水性和吸濕性材料在水中能吸收水分的性質(zhì),稱為吸水性,常用吸水率來表示。按下式計算:式中W吸——材料的吸水率,%;M0——材料在干燥狀態(tài)下的重量,g;M——材料在吸水飽和狀態(tài)下的重量,g。吸水率有重量吸水率和體積吸水率之分,上式定義的吸水率為重量吸水率,體積吸水率是指材料吸入飽和水的體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分率。材料的吸水率與孔隙有很大關(guān)系,若材料具有微細而連通的孔隙,則吸水率較大，若具有封閉孔隙,則水分難以滲入,吸水率較小;若具有的孔隙較粗大,水分雖容易滲入，但不易在孔內(nèi)保留,僅起到潤濕孔壁的作用,吸水率也較小。所以,不同的材料或同種材料不同的內(nèi)部構(gòu)造,其吸水率會有很大的差別。吸濕性是指材料吸收空氣中水分的性質(zhì),常以含水率表示,按下式計算:式中W含——含水率,%;M0——材料在干燥狀態(tài)下的重量,g;M1——材料在含水狀態(tài)下的重量,g?？諝鉂穸劝l(fā)生變化時,含水率也會隨之發(fā)生變化。與空氣濕度達到平衡時的含水率稱平衡含水率。通常材料大量吸濕后,會造成材料重量增加、體積改變、強度降低，對于保溫材料來說,還會顯著降低其保溫絕熱性能。(五)材料的耐水性、抗?jié)B性和抗凍性材料長期在飽和水的作用下不破壞,而且強度也不顯著降低的性質(zhì),稱為耐水性,常用軟化系數(shù)表示。按下式計算:K軟＝R飽/R干K軟——軟化系數(shù);R飽——材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度,MPa;R干——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度,MPa。一般材料吸水后,材料內(nèi)部的結(jié)合力有所削弱,造成強度不同程度的降低,即使是致密的花崗巖長期浸泡水中,強度也會降低3%左右。K軟在0~1之間波動,通常將軟化系數(shù)大于0.85的材料,認為是耐水材料?？箲K性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì),一般用滲透系數(shù)K或抗?jié)B等級P表示。K=(10-1-11)K——滲透系數(shù),cm/h;Q——透水量,cm3;d——試件厚度,cm;A——透水面積?,cm-;t——時間,h;H——靜水壓力水頭,cm.凝土材料的抗?jié)B等級可用下式計算:P=10H-1P——抗?jié)B等級;H——六個試件中有三個試件開始滲水時的水壓力,MPa。滲透系數(shù)越小或抗?jié)B等級越高,表明材料的抗?jié)B性越好。各種防水材料及受壓力水作用部位的材料,都要具有一定的抗?jié)B性?？箖鲂允侵覆牧狭显谖栵柡蜖顟B(tài)下下,能經(jīng)受多多次凍融循循環(huán)作用而而不破壞、強強度又不顯顯著降低的的性質(zhì),常用抗凍凍等級F表示?？箖鰞龅燃壉硎臼驹嚰芙?jīng)經(jīng)受的最大大凍融循環(huán)環(huán)次數(shù)。當材料內(nèi)部孔隙隙充滿水,且水溫降降至負溫時時,水會結(jié)冰冰而產(chǎn)生體體積膨脹(約增大9％)，對孔壁壁產(chǎn)生很大大的壓力(可達100MMPa),造成孔壁壁開裂。反反復的凍融融又造成材材料內(nèi)外層層產(chǎn)生明顯顯的應力差差和溫度差差,將對材料料產(chǎn)生不同同程度的破破壞。材料的抗?jié)B性和和抗凍性與與孔隙率、孔孔隙大小和和特征等有有很大關(guān)系系?？紫堵市⌒〖熬哂蟹夥忾]孔的材材料有較高高的抗?jié)B性性和抗凍性性;若具有細細微而連通通的孔隙,則對抗?jié)B滲性和抗凍凍性均不利利，若孔隙隙吸水后還還有一定的的空間,則可緩解解冰凍的破破壞作用。（六)材料的導熱性和和熱容量材料傳導熱量的的性質(zhì)稱為為導熱性。當當材料兩側(cè)側(cè)表面存在在溫度差時時,熱量會從從材料的一一面?zhèn)鞯搅砹硪幻妗２牟牧系膶釤嵝钥捎脤嵯禂?shù)λλ表示,采用下式式計算:λ=(10-1--12))λ——導熱系數(shù),,W/((m.K));Q——傳導熱量,,J;δ——材料厚度度，m；（τ1－τ2）——材料兩側(cè)溫差，K；F——材料傳熱面積，m2；Z——傳熱時間，s。導熱系數(shù)越小表表明材料越越不易導熱熱，通常將將λ≤0.23的材料稱稱為絕熱材材料。導熱系數(shù)λ與材材料層厚度度δ之比的倒倒數(shù)，稱之之為熱阻R，R=δ/λ（m2·K/W），它表表明熱量通通過材料層層時所受到到的阻力。導熱系數(shù)或熱阻阻是評定材材料保溫絕絕熱性能的的主要指標標。通?？卓紫堵试酱蟠?、表觀密密度越小，導導熱系數(shù)越越小；具有有細微而封封閉孔的材材料比具有有較粗大或或邊通孔的的材料導熱熱系數(shù)小；；由于水的的導熱系數(shù)數(shù)較大（0.52），水的的導熱系數(shù)數(shù)更大（2.33），所以以材料受潮潮或冰凍后后，導熱性性能會受到到嚴重影響響。材料的的導熱系數(shù)數(shù)還與組成成、結(jié)構(gòu)、深深度等因素素有關(guān)。材料受熱時吸收收熱量，冷冷卻時放出出熱量的性性質(zhì)，稱為為熱容量，可可用比熱容容表示：（10--1-133）式中c———比熱容，J/(kkg·K));Q——材料吸收收或放出的的熱量，J；m———材料的重重量，kg；（τ1－τ2）——材料受熱或冷卻卻前后的溫溫度差，K。比熱容c與材料料重量m的乘積，稱稱為熱容量量。材料的的熱容量對對保持室內(nèi)內(nèi)溫度的穩(wěn)穩(wěn)定性、冬冬季施工等等有很重要要的作用。三、建筑材料的的力學性質(zhì)質(zhì)（一）強度與比比強度強度是指材料抵抵抗外力破破壞的能力力。當材料料受到外力力作用時，內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)生應應力。外力力增大，應應力也隨之之增高，當當應