建筑材料基礎(chǔ)性質(zhì) 材料的物理性質(zhì)

1.1材料的基本物理性質(zhì)材料體積組成：塊狀材料1-固體物質(zhì)2-閉口孔隙3-開口孔隙材料體積組成：散粒材料材料的孔隙：材料實(shí)體內(nèi)部被空氣所占據(jù)的空間（一個(gè)）材料的空隙：材料（一般指散粒材料）實(shí)體之間被空氣所占據(jù)的空間（一堆）。材料的密度（絕對(duì)密度）、表觀密度、體積密度和堆積密度。密度絕對(duì)密度表觀密度體積密度堆積密度根據(jù)材料所處的體積狀況不同密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量絕對(duì)密度(density)是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量，絕對(duì)密度一般簡稱密度，按下式計(jì)算：

塊材的體積狀態(tài)見圖1.3。絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積是指不包括孔隙在內(nèi)的體積。絕對(duì)密度1.1.1絕對(duì)密度關(guān)于密度（絕對(duì)密度）計(jì)算中的體積問題注意：材料在致密狀態(tài)下的體積指的是不包含材料內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)本身的體積，亦稱實(shí)體積。對(duì)于致密材料（如鋼材、玻璃、瀝青等）而言，內(nèi)部是不含孔隙的，故體積很容易測定；但是對(duì)于絕大多數(shù)材料而言，在自然狀態(tài)下材料是含有一些孔隙的。1.1.1絕對(duì)密度常見近似無孔隙材料鋼、玻璃常見有孔隙材料未燒透的紅磚水泥混凝土1.1.1絕對(duì)密度含孔材料的體積測定方法：

一般采用李氏瓶測定有孔材料的實(shí)體積測定有孔隙材料的密度時(shí)，應(yīng)把材料磨成細(xì)粉（粒徑小于0.2mm），以排除其內(nèi)部孔隙，經(jīng)干燥至恒重后，再用密度瓶（李氏瓶）測定其絕對(duì)密實(shí)體積，材料磨得越細(xì)，測得的密度值越準(zhǔn)確。思考題：如何測量有孔隙材料的密度？關(guān)于密度（絕對(duì)密度）計(jì)算中的體積問題1.1.1觀看動(dòng)畫絕對(duì)密度李氏瓶1.1.1絕對(duì)密度測量有孔隙材料密度的方法與步驟：1.1.1絕對(duì)密度判斷題：下列說法中，哪些是正確的？哪些是錯(cuò)誤的？1.1.1練習(xí)題一塊黏土磚的密度等于磚的質(zhì)量與體積（長寬高的乘積）的之比值。一塊規(guī)則的立方體玻璃的密度等于玻璃的質(zhì)量與體積（長寬高的乘積）的之比值。

表觀密度(apparentdensity)是指只包括封閉孔隙體積而不含開口孔隙體積計(jì)算出的密度。按下式計(jì)算：表觀密度1.1.2由于大多數(shù)材料或多或少含有一些孔隙，故一般材料的表觀密度總是小于密度。表觀密度當(dāng)材料含水時(shí)，重量增大，體積也會(huì)發(fā)生變化，所以測定表觀密度時(shí)須同時(shí)測定其含水率，注明含水狀態(tài)。材料的含水狀態(tài)有干燥、氣干、飽和面干和濕潤四種。1.1.2

體積密度(bulkdensity)是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量(有時(shí)稱為容重)。按下式計(jì)算：

材料自然狀態(tài)下的體積包括材料內(nèi)部所有封閉孔隙體積和開口孔隙體積，測定材料的體積密度時(shí)，材料的質(zhì)量可以是任意含水狀態(tài)下的，須注明含水情況，如未注明則均指干燥材料的體積密度。體積密度1.1.3體積密度測定材料在自然狀態(tài)下的體積的方法：（1）若材料外觀形狀規(guī)則，可直接度量外形尺寸，按幾何公式計(jì)算；（2）若外觀形狀不規(guī)則，可用排液法測得，為了防止液體由孔隙滲入材料內(nèi)部而影響測定值，應(yīng)在材料表面涂蠟(同時(shí)也為封閉開口孔隙)。如果要測定砂石真正意義上的表觀密度，應(yīng)蠟封開口孔后用排水法測定。1.1.3觀看動(dòng)畫

某教室鋼筋混凝土梁尺寸為b×h×l＝250mm×550mm×6000mm，采用C25混凝土，體積密度為ρ0

＝2400kg／m3。試求此梁的質(zhì)量。體積密度練習(xí)題1.1.3

某教室鋼筋混凝土梁尺寸為b×h×l＝250mm×550mm×6000mm，采用C25混凝土，體積密度為ρ0

＝2400kg／m3。試求此梁的質(zhì)量。體積密度V0=b×h×l＝250mm×550mm×6000mm=0.825m3m=ρ0×V0=2400kg／m3×0.825m3=1980kg1.1.3練習(xí)題

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕對(duì)干燥時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的體積密度(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。練習(xí)題體積密度1.1.3

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕對(duì)干燥時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的體積密度(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。練習(xí)題體積密度1.1.3

堆積密度(accumulationdensity)指粒狀材料或粉末狀材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。計(jì)算式如下：堆積密度1.1.4堆積密度材料的堆積密度反映散粒構(gòu)造材料堆積的緊密程度及材料可能的堆放空間！堆積體積絕對(duì)體積內(nèi)部開閉孔體積顆粒間空隙體積1.1.4堆積密度堆積密度測定：散粒材料在自然堆積狀態(tài)下的體積，是指既含顆粒內(nèi)部的孔隙，又含顆粒之間空隙在內(nèi)的總體積。散粒材料的體積可用已標(biāo)定容積的容器測得。砂子、石子的堆積密度即用此法求得。1.1.4觀看動(dòng)畫堆積密度1.1.4在建筑工程中，需確定材料的用量、構(gòu)件的自重、材料的配比以及材料的運(yùn)輸量與堆放空間等經(jīng)常用到材料的密度、體積密度、表觀密度和堆積密度值。常用建筑材料的密度、表觀密度、體積密度和堆積密度數(shù)值見表1.1。堆積密度1.1.4材料的密度（絕對(duì)密度）、表觀密度、體積密度和堆積密度的關(guān)系。根據(jù)材料所處的體積狀況不同絕對(duì)密實(shí)的體積內(nèi)部閉孔體積表觀密度內(nèi)部開孔體積體積密度顆粒間空隙體積堆積密度絕對(duì)密度小結(jié)孔隙率和密實(shí)度孔隙率(porosity)指材料內(nèi)孔隙體積占材料在自然狀態(tài)下總體積的百分率，孔隙率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，可分為連通的與封閉的兩種，連通孔隙不僅彼此貫通且與外界相通，而封閉孔隙則不僅彼此不連通且與外界相隔絕。

表達(dá)式如下：（1）孔隙率密實(shí)度(densecondition)指材料體積(自然狀態(tài))內(nèi)固體物質(zhì)所充實(shí)的程度，表達(dá)式如下：

密實(shí)度反映材料的密實(shí)程度，D值越大，則材料越密實(shí)。（2）密實(shí)度——單塊材料

材料內(nèi)部孔隙示意

1.1.5孔隙率和密實(shí)度——單塊材料

注意：含有孔隙的材料，密實(shí)度均小于1。密實(shí)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部基本上無孔隙，結(jié)構(gòu)致密，密實(shí)度高，孔隙率小。特點(diǎn)是：①材料受力的有效面積大，強(qiáng)度和硬度較高；②吸水性?。虎劭?jié)B性和抗凍性較好；④耐磨性較好；⑤絕熱性差。如鋼材、天然石材、玻璃等。1.1.5孔隙率和密實(shí)度——單塊材料

有孔隙結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部基本上有孔隙，孔隙率高。特點(diǎn)是：①強(qiáng)度較低；②抗?jié)B性和抗凍性較差；③吸水性較大；④絕熱性較好。如加氣混凝土、石膏制品、燒結(jié)普通磚等。加氣混凝土砌塊的多孔構(gòu)造

1.1.5空隙率與填充率空隙率(voidratio)(P′)是指散粒材料在堆積體積(V′0)中，顆粒之間的空隙體積(Vk)所占的比例。（1）空隙率密實(shí)度填充率(fillratio)(D′)是指散粒材料在某堆積體積中，固體物質(zhì)體積(Vv)所充實(shí)的程度。對(duì)于致密材料，如普通天然砂、石，可用表觀密度ρ′近似替代干燥時(shí)體積密度ρ0。在配制混凝土、砂漿等材料時(shí)，砂、石的空隙率是作為控制混凝土中骨料級(jí)配與計(jì)算混凝土砂率時(shí)的重要依據(jù)。（2）填充率——散粒狀材料

材料填充率示意圖D′+P′=1空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒之間相互填充的致密程度。思考：空隙率與孔隙率有什么區(qū)別？1.1.6空隙率與填充率——散粒狀材料孔隙率與空隙率的區(qū)別比較項(xiàng)目孔隙率空隙率適用場合個(gè)體材料內(nèi)部堆積材料之間作用可判斷材料性質(zhì)可進(jìn)行材料用量計(jì)算計(jì)算公式1.1.6空隙率與填充率——散粒狀材料空隙率性質(zhì)指標(biāo)在工程中的應(yīng)用砂子、石子等，因其致密，強(qiáng)度高，適合做承重的混凝土骨料。顆粒狀構(gòu)造的材料顆粒間存在大量的空隙，其空隙率主要取決于顆粒級(jí)配。用作混凝土骨料時(shí)，要求緊密堆積。

1.1.6空隙率與填充率1.1.6——散粒狀材料對(duì)于混凝土的粗細(xì)骨料，空隙率越小，說明其顆粒大小搭配的越合理，用其配置的混凝土越密實(shí)，水泥越節(jié)約。在砼中，砂石間的空隙需要水泥漿填充。其空隙越大，拌制砼所需的水泥漿量越多，如果要節(jié)約水泥，減少砼的成本，就需要采用空隙率盡可能小的砂石。在配制混凝土?xí)r，砂、石的空隙率是作為控制混凝土中骨料級(jí)配與計(jì)算混凝土含砂率時(shí)的重要依據(jù)?？障堵逝c填充率判斷題。1.材料的孔隙率越小，密度越大。2.同一種材料，其表觀密度越大，則其孔隙率越大。1.1.6練習(xí)題吸水性1.1.7材料與水有關(guān)的性質(zhì)

親水性與憎水性吸水性與吸濕性耐水性抗?jié)B性抗凍性吸水性1.1.7觀察

水在材料的表面有自動(dòng)收縮成珠的趨勢，不能潤濕材料的表面。

水在材料的表面是自動(dòng)散開和鋪展的，并自發(fā)地潤濕了材料表面。觀看動(dòng)畫吸水性1.1.7親水性和憎水性的表示方法潤濕角：

（a）θ≤90o親水性材料（b）θ>90o憎水性材料吸水性1.1.7材料的吸水性定義：材料在水中吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。表示：吸水性的大小以吸水率來表示。吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。

吸水性1.1.7質(zhì)量吸水率質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比。

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕干時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的質(zhì)量水率(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。練習(xí)題吸水性1.1.7

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕干時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的質(zhì)量水率(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。練習(xí)題吸水性1.1.7吸水性1.1.7體積吸水率體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率。材料吸水達(dá)飽和時(shí)的體積吸水率，即為材料的開口孔隙率。吸水性1.1.7材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。對(duì)于細(xì)微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進(jìn)去，而開口大孔雖然水分易進(jìn)入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。吸水率對(duì)材料性質(zhì)的影響（強(qiáng)度、保溫性、抗?jié)B性、抗凍性），例如：混凝土的吸水率越大，抗凍性越差。各種材料的吸水率很不相同，差異很大，如花崗巖的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，粘土磚的吸水率達(dá)8％～20％，而木材的吸水率可超過100％。吸水性1.1.7吸水率增大對(duì)材料性能的影響強(qiáng)度下降體積膨脹保溫性能降低抗凍性變差不良的、負(fù)面的吸水性

吸水性(waterimbibition)指材料在水中吸收水分的性質(zhì)，用質(zhì)量吸水率wm或體積吸水率wv表示。質(zhì)量吸水率是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率；體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分率。表達(dá)式分別如下：1.1.7總結(jié)吸濕性1.1.8有的季節(jié)，木門關(guān)不上了，它變大了；有的季節(jié)，木門關(guān)不緊了，它變小了；為什么呢？討論吸濕性1.1.8定義：材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為材料的吸濕性；表示方法：含水率（w含）公式：吸濕性1.1.8平衡含水率潮濕空氣中v吸收

>v放出干燥空氣中v吸收

<v放出

v吸收

=v放出

平衡含水率吸濕性1.1.8吸濕性對(duì)工程有較大的影響舉例：木材翹曲、開裂石灰潮濕、脫落保溫材料效果降低吸濕性1.1.8吸濕性的影響因素材料本身的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分；周圍空氣的相對(duì)濕度；周圍環(huán)境的溫度；吸濕性1.1.8吸水率與含水率的區(qū)別比較項(xiàng)目吸水率含水率適用場合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質(zhì)量比或體積比吸收水分的質(zhì)量比吸收水量達(dá)到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕干時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的含水率(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。吸濕性1.1.8練習(xí)題

從室外取來的質(zhì)量為2700g的一塊燒結(jié)普通磚，浸水飽和后的質(zhì)量為2850g，而絕干時(shí)的質(zhì)量為2600g。求此磚的含水率(燒結(jié)普通磚實(shí)測規(guī)格為240mm×115mm×53mm)。吸濕性1.1.8練習(xí)題耐水性

耐水性(waterresistance)指材料長期在水的作用下，保持其原有性質(zhì)的能力。用軟化系數(shù)Kp表示：一般來說，材料含有水分時(shí)，強(qiáng)度都有所下降，因?yàn)樗衷诓牧系奈⒘１砻嫖?，削弱了微粒間的黏合力。Kp值的大小，表明材料浸水飽和后強(qiáng)度下降的程度。Kp愈小，表明材料吸水后強(qiáng)度下降愈大，即耐水性愈差。材料的軟化系數(shù)Kp為0～1.0。不同材料的Kp值相差頗大，如黏土Kp＝0，而金屬Kp＝1。工程中將Kp≥0.85的材料稱為耐水材料。當(dāng)選擇受水作用的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，Kp是項(xiàng)重要指標(biāo)。經(jīng)常位于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)所用材料，Kp不宜小于0.85；受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)所用材料，Kp不宜小于0.70。1.1.9抗?jié)B性抗?jié)B性(impermeability)指材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質(zhì)。抗?jié)B性用滲透系數(shù)Ｋ來表示，計(jì)算式如下：1.1.10抗?jié)B系數(shù)越小，表明抗?jié)B性能越好?？?jié)B性1.1.10抗?jié)B等級(jí)

定義：指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，石料、砼或砂漿所能承受的最大水壓力。表示方法：字母P+可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級(jí)。舉例：如P4、P6、P8、P10…，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?？?jié)B性是決定材料耐久性的主要指標(biāo)（抗凍性和抗侵蝕性）。材料的抗?jié)B性與材料內(nèi)部的空隙率特別是開口孔隙率有關(guān)，開口空隙率越大，大孔含量越多，則抗?jié)B性越差。材料的抗?jié)B性還與材料的增水性和親水性有關(guān)，增水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。地下建筑及水工建筑等，因經(jīng)常受壓力水的作用，所用材料應(yīng)具有一定的抗?jié)B性。對(duì)于防水材料則應(yīng)具有好的抗?jié)B性?？箖鲂?.1.11定義：材料飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融交替作用，既不破壞強(qiáng)度又不顯著下降的性質(zhì)。指標(biāo)：抗凍等級(jí)，材料的抗凍性通常用抗凍等級(jí)表示?？箖龅燃?jí)是材料在吸水飽和狀態(tài)下(最不利狀態(tài))，經(jīng)凍融循環(huán)作用，強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失均不超過規(guī)定值時(shí)所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。用符號(hào)Fn來表示，其中n即為最大凍融循環(huán)次數(shù)，如F25、F50、F100、F150等?！箟簭?qiáng)度下降≯25%；質(zhì)量損失≯5%時(shí)能經(jīng)受凍融循環(huán)的最大次數(shù)。例如：F150混凝土——該混凝土能夠抵抗的最大凍融循環(huán)次數(shù)為150次?？箖鲂?.1.11材料吸水后，在負(fù)溫作用條件下，水在材料毛細(xì)孔內(nèi)凍結(jié)成冰，體積膨漲所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。

凍融循環(huán)凍融破壞的表現(xiàn)：表面出現(xiàn)剝落、裂紋、質(zhì)量損失，強(qiáng)度降低。凍融破壞的原因：孔隙中水結(jié)冰體積膨脹，對(duì)孔壁造成壓力。導(dǎo)熱性1.1.12能源緊缺是一個(gè)世界性的問題，建筑行業(yè)是個(gè)耗能大戶，國家規(guī)定高層建筑必須采用節(jié)能建筑材料，其中包括墻體節(jié)能、屋面節(jié)能和門窗節(jié)能。建筑節(jié)能保溫材料熱工性質(zhì)導(dǎo)熱性熱容量導(dǎo)熱性1.1.12材料傳遞熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性，以導(dǎo)熱系數(shù)表示，即

式中：λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·K）；Q

—總傳熱量，J；

a

——材料厚度，m；A

——熱傳導(dǎo)面積，m2；

Z

—熱傳導(dǎo)時(shí)間，h；T2-T1—材料兩側(cè)溫度差，K。材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，傳導(dǎo)的熱量就愈多。

導(dǎo)熱性1.1.12材料的組成（化學(xué)組成、礦物組成）微觀結(jié)構(gòu)（晶體、玻璃體、膠體）孔隙結(jié)構(gòu)（連通、封閉、粗大、細(xì)小）濕度（λ水＝0.58，遠(yuǎn)大于空氣的0.023(W/m.K)）溫度(對(duì)大部分材料隨溫度升高而增大)熱流方向（主要針對(duì)纖維材料）影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素導(dǎo)熱性1.1.12λ小λ大熱流方向影響導(dǎo)熱性的因素：導(dǎo)熱性1.1.12材料的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)

化學(xué)組成不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，所以不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)也不同。如：一般情況下，導(dǎo)熱系數(shù)的大小為：金屬材料﹥非金屬材料﹥有機(jī)材料影響導(dǎo)熱性的因素：導(dǎo)熱性1.1.12影響導(dǎo)熱性的因素：孔隙率和空隙構(gòu)造特征

P↑，導(dǎo)熱性↓，原因是靜止空氣的λ＜一般材料的λ。

P一定時(shí)，隨著連通孔和粗孔的增多，λ↑，因?yàn)槿艨紫洞执蠡蜇炌ǎ瑢?duì)流作用加強(qiáng)，λ↑。材料的濕度和溫度材料受潮后，λ↑，導(dǎo)熱性↑，保溫隔熱性↓（λ水＞λ空氣）材料再受凍，λ進(jìn)一步↑，保溫隔熱性進(jìn)一步↓(λ冰＞λ水)。棉襖浸水后保暖性變差？孔多的材料保溫性能好？導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性(thermalconduction)指材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)，用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示，計(jì)算式如下：導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是：面積為1m2、厚度為1m的材料，當(dāng)兩側(cè)溫差為1K時(shí)，經(jīng)1h所傳遞的熱量。材料導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示材料的絕熱性能愈好。各種建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，非金屬材料在0.035～3.50W／(m·K)，如發(fā)泡塑料λ＝0.035W／(m·K)，大理石λ＝3.48W／(m·K)。工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料。1.1.12熱容量1.1.13熱容量是指材料受熱時(shí)吸收熱量和冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，用比熱表示，即式中C——材料的比熱容，kJ／(kg·K)。

Q——材料的熱容量，kJ；

m

——材料的重量，kg；