第一章材料的基本性质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,一,章 建筑材料的基本性质,内容：,材料的组成、结构和构造,材料的基本物理性质,材料的基本力学性质,材料的耐久性,材料的热工性能,材料的装饰性能,1.1 材料的组成、结构和构造,一、,材料的组成,-是指材料的化学成分、矿物组成和配料组成。,1、材料的化学组成,定义,构成材料的化学元素及化合物的种类与数量。,与性质关系,材料的化学性质、物理性质与化学组成密切相关。,举例,钢材易锈蚀是因为含Fe，钢材中C含量的多少，确定钢的性质，C愈高，脆性愈大，韧性就愈差；,水泥的化学组成不同，或相互比例不同，性质也不同。,2.矿物组成,定义,矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。,矿物,材料中具有特定的晶体结构，特定的物理力学性质的组织结构。,与性质关系,矿物组成在其化学成分确定的条件下，是决定材料性质的主要因素。,举例,水泥中的熟料矿物，其相对含量不同，水泥性能不同。,3.相组成,定义,材料中结构相近，性质相同的均匀部分。自然界中的物质分为气象、液相固相三种形态。,材料中，同种化学成分由于加工工艺不同，温度压力等环境的不同，可形成不同的相。如，铁碳合金中有铁素体、渗碳体、珠光体。,复,(,混）合材料,由两相或两相以上的物质组成的材料。如混凝土。,与性质关系,复（混）合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切关系。,界面为,多相材料中相与相之间的分界面，是较薄弱区。改善界面性能可以提高材料性能。,宏观结构,细观结构,微观结构,二、材料的结构,1.宏观结构,指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。在,10,-3,m,以上。,材料的宏观结构及其相应的主要特征,2.细观结构,定义,指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在,10,-3,10,-6,m。,研究领域,该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、,晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小和分布。,举例,钢铁的铁素体、渗碳体、珠光体。,3.微观结构,定义,用,电子显微镜、,X-,射线衍射仪,等手段来研究的原子级或分子级结构。尺寸范围在,10,-6,-10,-10,m,。,分类,晶体,玻璃体,胶体,3.微观结构,晶体,非晶体（玻璃体）,原子排列示意图,3.微观结构,（1）晶体,定义,质点在空间上按特定的规则呈周期性排列。,近程有序，远程有序。,晶体结构的分类,原子晶体，如石英,分子晶体，如有机化合物,离子晶体，如,CaCl,2,金属晶体，如钢铁,3.微观结构,（2）玻璃体,定义,：,质点呈无规则空间网络结构，化学性质不稳定，,易与其他物质起化学反应,。,近程有序，远程无序。,玻璃体结构特点：,质点排列不规则，没有固定的几何形状。,各向同性，破坏时没有明显的,解理面,（矿物在外力作用下，沿一定的结晶方向裂成光滑平面的性质）。,没有固定的熔点。,具有化学活性，如火山灰，粒化高炉矿渣等。,3.微观结构,（3）胶体,定义：,粒径为 10,-7,10,-10,m 的固体颗粒为分散相，分散在连续相介质中形成的分散体系。,胶体结构特点：,总表面积大。表面能大，吸附能力强。,既具有固体性质，又具有粘性液体的流动性质。,分类,溶胶结构,：胶粒少,凝胶结构,：胶粒多,定义,构造指具有特定性质的材料结构单元间的相互搭配,情况,。,构造与结构关系,与结构相比构造更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。,如材料的(孔隙、层理、纹理、疵病等),构造与性能的关系,木材的宏观和微观构造决定了木材的各向异性；,具有特定构造的节能墙板，其构造赋予了墙板良好的保温、隔声、防火抗震等性能。,三、材料的构造,空隙,1.2 材料的物理性质,一、材料的密度,1.实际密度,指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：,式中：,实际密度，g/cm,3,或 kg/m,3,；,m,材料的质量，g 或 kg；,V,材料的绝对密实体积，cm,3,或 m,3,。,实际密度的测量,绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙在内的体积。,实际密度的测量：,1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等,量测几何体积称重代入公式,2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材,磨成细粉 李氏比重瓶法测试,李氏瓶法,试,验,演,示,2.表观密度,材料单位表观体积的质量。按下式计算：,式中：体积密度，g/cm,3,或 kg/m,3,；,m,材料的质量，g 或 kg；,材料的自然体积，cm,3,或 m,3,。,规则材料,开口孔,闭口孔,表观密度的测量,自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况,表观密度一般是采用材料在气干状态下的质量和体积来测定。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。,表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。,因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。,工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积,砂表观密度,s,的测定（kg/m,3,）,式中：,m,0,砂试样的烘干质量，g；,m,0,300g；,m,1,砂试样、水及容量瓶总质量，g;,m,2,水及容量瓶总质量，g。,测定瓶+砂+水的质量,m,1,测定瓶+水的质量,m,2,3.堆积密度,堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：,式中：,0,材料的堆积密度,g/cm,3,或 kg/m,3,；,m,材料的质量，g 或 kg；,材料的堆积体积，cm,3,或 m,3,。,堆积密度的测量,堆积体积是指包含颗粒,内部孔隙,和,颗粒之间的空隙,在内的体积。,堆积密度的测量：,1）容器法：,散粒材料装入容器量测体积称净重 代入公式,2）自然堆积法：,堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式,V,0,颗粒状材料,砂堆积密度的测定,将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积,几种密度的比较,比较项目,实际密度,表观密度,体积密度,堆积密度,材料状态,绝对密实,近似绝对密实状态,自然状态,堆积状态,材料体积,V,V,0,计算公式,应用,判断材料性质,用量计算、体积计算,材料名称,密度,(g/cm,3,),表观密度,(kg/m,3,),堆积密度,(kg/m,3,),石灰岩,2.62.8,18002600,花岗岩,2.73.0,20002850,水泥,2.83.1,12001300,混凝土用砂,2.52.6,1 4501650,混凝土用石,2.62.9,1 4001700,普通混凝土,21002500,粘土,2.52.7,1 6001800,钢材,7.85,7 850,铝合金,2.72.9,2 7002 900,烧结普通砖,2.52.7,1 5001 800,建筑陶瓷,2.52.7,1 8002 500,红松木,1.551.60,400800,玻璃,2.452.55,2 4502 550,泡沫塑料,1050,常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度,4、密实度,密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：,式中：,密度；,0,材料的表观密度。对于绝对密实材料，因,0,=,，故密实度,D,=1 或100%。对于大多数土木工程材料，因,0,，故密实度,D,1 或,D,100%。,5、孔隙率,材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率,P,按下式计算：,式中：,V,材料的绝对密实体积，cm,3,或 m,3,；,V,0,材料的表观体积，cm,3,或 m,3,；,0,材料的表观密度,g/cm,3,或 kg/m,3,；,密度,g/cm,3,或 kg/m,3,。,孔隙率与密实度的关系：,P+D,=1,孔隙率对材料性能的影响（见下图）,吸 水率,强 度,耐 久性,表观 密度,孔 隙率,孔隙对材料性能的影响,6、空隙率,空隙率是指散粒材料在其堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率 按下式计算：,式中：,0,材料的体积密度；,材料的堆积密度。,空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。,孔隙率与空隙率的区别,比较项目,孔隙率,空隙率,适用场合,个体材料内部,堆积材料之间,作 用,可判断材料性质,可进行材料用量计算,计算公式,例题：某材料密度为2.65g/cm,3,，表观密度为2.53 g/cm,3,，将表观体积为367cm,3,、重量为929g的该材料浸入水中，吸水饱和后称得重量为957g，问此材料的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率各为多少?,(1）孔隙率：,P,=1-2.53/2.65=4.53%,(2)开口孔隙率：,（3）,闭口孔隙率,4.53%-1.1%=3.43%,解,：,1.3 材料的基本力学性质,内容：,材料的强度,材料的弹性与塑性,材料的脆性与韧性,材料的硬度与耐磨性,一、材料的强度,1.材料的强度,材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。,根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯（抗折）强度等。,抗压,抗拉,抗剪,抗弯,不同材料的承载特点是不同的：,混凝土、石材、砖抗压强度高；钢材、各类纤维抗拉强度高,强度等级：,建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。,如：混凝土按抗压强度划分为 15、20、25、30,水泥按抗压和抗拉强度划分为32.5、42.5、52.5等六个强度等级,砂浆按抗压强度划分为M2.5M20六个等级,热轧钢筋按屈服强度划分、级,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：,式中：,f,材料强度，MPa；,F,max,材料破坏时的最大荷载，N；,A,试件受力面积，mm,2,。,抗弯强度的计算：,中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：,式中：,f,w,材料的抗弯强度，MPa；,F,max,材料受弯破坏时的最大荷载，N；,A,试件受力面积，mm,2,；,L、b、h,两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。,常见建筑材料的强度/MPa,抗拉强度,抗弯强度,5,8,10,14,2.6,5.0,混凝土,10,100,1,4,松木(顺纹),30,50,80,120,60,100,建筑钢材,240,1500,240,1500,材料,抗压强度,花岗岩,100,250,普通粘土砖,10,30,材 料,表观密度(kg/m,3,),强度f,c,(MPa),比强度（f,c,/,o,）,低碳钢,7860,415,0.053,松 木,500,34.3,0.059,混凝土,2400,60,0.025,碳纤维,几种材料的强度比较,比强度,定义：,指按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比（,f,/,0,）。,意义：,比强度，轻质高强,在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料，减轻自重，节约材料。,轻质高强是未来材料的发展方向。,二、材料的弹性与塑性,1、弹性,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。,2、塑性,材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能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。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。,分段的弹性变形和塑性变形,低碳钢的曲线,同时进行的弹性变形和塑性变形,混凝土的曲线,三、材料的脆性与韧性,脆性在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。,脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。,韧性在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。,四、材料的硬度与耐磨性,1、硬度,材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。,刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。,回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。,2、耐磨性,耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：,式中：,G,材料的磨耗率，（g/cm,2,）；,m,1,材料磨损前的质量，（g）；,m,2,材料磨损后的质量，（g）；,A,材料试件的受磨面积（cm,2,）。,1.4 材料与水有关的性质,1.材料的亲水性与憎水性,与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。,亲水性,憎水性,亲水性材料：,90,;,憎水性材料,：,90180,亲水性与憎水性演示图：,2.材料的吸水性,材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。,（1）质量吸水率,质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为：,式中：,m,b,材料吸水饱和状态下的质量（g或k,g）；,m,g,材料在干燥状态下的质量（,g或kg）。,（2）体积吸水率,体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以,W,V,表示。体积吸水率,W,V,的计算公式为：,式中:,m,b,材料吸水饱和状态下的质量（,g或kg）；,m,g,材料在干燥状态下的质量（,g或kg）。,V,0,材料在自然状态下的体积，（cm,3,或 m,3,）；,w,水的密度,（g/cm,3,或 kg/m,3,），常温下取,w,=1.0 g/cm,3,。,影响吸水率大小的因素：,材料的本性亲水性或憎水性材料,材料的孔结构孔径大小、开口与 否、孔隙率大小等,吸水性对材料的影响：,导热性增大、热阻降低对围护结构材料不利,强度降低、体积膨胀,3.材料的吸湿性,材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率,h,表示，其计算公式为：,式中：,m,s,材料吸湿状态下的质量（g或kg）,m,g,材料在干燥状态下的质量（,g或kg）。,当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。,影响含水率大小的因素,：,材料的本性亲水性或憎水性材料,环境温度、湿度气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高,吸湿性对材料的影响,：,导热性增大、热阻降低对围护结构材料不利,体积膨胀对木结构和木制品不利,湿胀干缩 -与周围环境平衡的平衡含水率,吸水率与含水率的区别,比较项目,吸水率,含水率,适用场合,在水中吸收水分,在空气中吸收水分,表示方法,吸收水分的质量比或体积比,吸收水分的质量比,吸收水量,达到饱和,与空气中水分平衡通常小于吸水率,4.材料的耐水性,材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数,K,R,表示：,式中：,K,R,材料的软化系数；,f,b,材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；,f,g,材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。,软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。,一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。,软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将,K,R,0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。,5.抗冻性,抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。,材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。,抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。,材料的抗冻等级可分为,F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。,影响抗冻性的因素,1.材料的密实度（孔隙率）密实度越高则其抗冻性越好。,2.材料的孔隙特征 开口孔隙越多则其抗冻性越差。,3.材料的强度 强度越高则其抗冻性越好。,4.材料的耐水性 耐水性越好则其抗冻性也越好。,5.材料的吸水量大小 吸水量越大则其抗冻性越差。,6.材料的抗渗性,抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。,（1）渗透系数,材料的渗透系数,K,可通过下式计算:,式中：,K,渗透系数,（cm/h）;,Q,渗水量，（cm,3,）；,A,渗水面积,（cm,2,）；,H,材料两侧的水压差，（cm）；,d,试件厚度（cm）；,t,渗水时间（h）。材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,（2）抗渗等级,材料的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，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。,（3）影响材料抗渗性的因素,材料亲水性和憎水性 通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；,材料的密实度 密实度高的材料其抗渗性也较高；,材料的孔隙特征 具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。,冻融破坏的原因,材料有孔且孔隙含水,水冰体积膨胀9，结冰压力高达100MPa,结冰压力超过材料的抗拉强度时，材料开裂,裂缝的增加也进一步增加了材料的饱水程度,饱水程度的增加进一步加剧了冻融破坏,反复多次进一步加剧最终材料崩溃,严寒地区道路、桥梁、水坝、堤防、海上钻井平台、跨海大桥等均需考虑冻融破坏,冻融破坏的桥梁,1.5 材料的耐久性,一、定义,材料的耐久性,是指材料在使用条件下，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性质不破坏、不变质的能力。,耐久性是一个综合性性能，主要包括：,耐水性、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性、抗老化性、耐磨性,二、破坏作用,1、物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。,2、化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。,3、机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。,4、生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,三、侵蚀介质,物理介质温度、湿度、冻融、阳光、辐射,化学介质酸、碱、盐的溶液或气体、水、大气,生物介质昆虫、菌类、,白蚁,机械介质荷载、冲击、震动、磨损、磨耗,如沥青的老化、木材的腐蚀、钢材的腐蚀等等,四、耐久性的特点,长期性、后期加剧作用；,多种介质同时作用；,材料劣化结构失效服务寿命降低,