[工学]第一章-建筑材料的基本性质.ppt

材料试验与质量控制,建筑系,材料试验与质量控制,石家庄铁路职业技术学院,任课教师：高鹤,第一章 建筑材料的基本性质,材料的组成、结构和构造,材料的物理性质,材料的基本力学性质,材料的耐久性,1.1,材料的组成、结构和构造,环境是影响材料性质的,外部因素,，材料的组成和结构是影响材料性质的,内部因素,。,一、材料的组成,（一）化学组成,指构成材料的基本,化学元素或化合物,的种类和数量。如水泥的化学组成有,CaO,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Fe,2,O,3,等。,（二）矿物组成,指构成材料的,矿物种类和数量,。无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组织结构称为矿物。如水泥熟料的矿物组成有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等。,（三）金属材料的晶体组织,金属材料多为合金，组成合金的固溶体、化合物以及它们之间的混合物都可以称为一种晶体组织。,二、材料的结构和构造,（一）微观结构,微观结构是指用高倍显微镜、电子显微镜或,X,射线衍射仪等手段来研究的结构。其分辨尺寸在,纳米,10,-6,mm,以上。材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶体。,（,1,）晶体,物质中的分子、原子、离子等质点在空间呈周期性规则排列的结构称为晶体,。根据晶体的质点及化学键的不同分为：原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体。,（,2,）玻璃体,玻璃体也称,非晶体或无定型体,。它与晶体的区别在于质点呈不规则排列，没有特定的几何外形，没有固定的熔点，但具有较大的硬度。,（,3,）胶体,粒径为,10,-6,mm,10,-4,mm,大小的固体颗粒（胶粒）分散在连续介质中（水或油）组成的,分散体系,称为胶体。,（二）宏观构造,宏观构造是指用,肉眼或在,10,100,倍放大镜,或显微镜下就可以分辨的粗大级组织，尺寸范围在,1mm,以上。宏观构造直接影响材料的密度、渗透性、强度等性质。相同组成的材料，如果质地均匀、结构紧密，则强度高，反之则强度低。,按照内部孔隙尺寸分为以下几类：,（,1,）,致密结构,密度和表观密度极其接近的材料，一般可认为是,无孔隙或少孔隙,的材料，如钢材、玻璃、塑料等。,（,2,）,多孔结构,材料中含有均匀分布的孔的结构称为多孔结构。如混凝土，石膏制品等。,（,3,）,纤维结构,由纤维装物质构成的材料结构。如木材、玻璃棉等。,（,4,）,层状结构,用机械或粘接等方法把层状结构的材料积压在一起成为整体。如胶合板、纸面石膏板等。,（,5,）,散粒结构,指松散颗粒状结构，如砂子、卵石、碎石等。,材料内部被空气占据的空间称为孔隙。孔隙分为开口孔隙和闭口孔隙，开口孔隙分为：开口贯通和开口不贯通。,另外，孔隙按尺寸大小分为三种：,微细孔隙孔径,0.01mm,毛细孔隙,0.01mm,孔径,1.0mm,闭口气孔,开口气孔,三、材料的孔隙,1.2,材料的物理性质,一、材料与质量有关的性质（,4,个密度）,（一）密度,材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为,密度,，（,绝对密实体积指不包括材料孔隙在内的体积,）,。,用,表示。,密度,，,kg/m,3,；,m,材料在干燥状态下的质量,，,kg,；,V,干燥材料的绝对密实体积,，,m,3,。,钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。,大多数有孔隙的材料，在测定材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定其体积（,排液法,）。材料磨的越细，测得的密度数值就越精确。砖、石等材料的密度即用此法测得。,（二）视密度,指材料在包含内部闭口孔隙（开口孔隙,除,外）条件下的单位体积的质量。,V,材料的自然状态下不含开口孔隙的体积。或直接用排水法测得实际体积的近似值。,（三）表观密度,材料在自然状态下单位体积的质量成为,表观密度,，用,0,表示。,0,表观密度,，,kg/m,3,；,m,材料的质量,，,kg,；,V,0,材料在自然状态下的体积,，,m,3,。,自然状态下的体积指包含材料内部孔隙的体积。,（四）堆积密度,散粒或粉状材料，如砂、石子、水泥等，在自然堆积状态下单位体积的质量称为,堆积密度,，用,0,表示。,0,堆积密度,，,kg/m,3,；,m,材料的质量,，,kg,；,V,0,材料的自然堆积体积（包括材料颗粒体积和颗粒之间空隙的体积）,，,m,3,。,测定散粒材料的堆积密度时，按一定的方法将散粒材料装入一定的容器中，则堆积体积为容器的容积。,小结：,对于同种材料（如一堆碎石），测得的四种密度的关系？,质量一样，而四种体积存在一个关系：,V,是指实体体积,V,=V+V,b,V,0,=V+V,b,+V,k,V,0,=V+V,b,+V,k,+V,空,故，,0,0,二、与疏密度有关的性质,（一）密实度,D,指材料体积内被固体物质所填充的程度（即密实体积占自然体积的百分率）。,（二）孔隙率,P,指材料的自然体积内，孔隙体积占自然体积的百分率。,开口孔隙率：,闭口孔隙率：,孔隙率与密实度的关系：,P+D=1,（三）填充率,D,指散粒材料的堆积体积中，被其颗粒填充的程度（即自然体积占堆积体积的百分率）。,空隙,（四）空隙率,P,散粒材料自然堆积体积中颗粒之间的空隙所占的比例称为散粒材料的空隙率，其计算公式为：,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,课堂练习：,1,、有一卵石试样，洗净烘干后质量为,1000g,，将其浸水饱和，用布擦干表面称重为,1005g,，再装入盛满水后重为,1840g,的广口瓶内，然后称重为,2475g,，试求试样的,表观密度,和,视密度,。,解,：,（,1,）表观密度,已知,m=1000g,，,V,0,=V,排开水,=,V,k,=,（,2,）视密度,：,已知：,m,干,、,V,0,2,、一块标准尺寸的黏土砖,(,240mm115mm53mm,),，干燥状态质量为,2420g,，吸水饱和后为,2640g,，将其烘干磨细后称取,50g,，用排水法测得体积为,19.2cm,3,，试求,P,k,和,P,b,解,：开口孔隙率,P,b,=P-P,k,=36.5%-15.0%=21.5%,0,=m/V,0,=2420/(2411.55.3)=1.65g/cm,3,=m/V=50/19.2=2.60g/cm,3,闭口孔隙率,P,b,=P-P,k,三、材料与水有关的性质,建筑物中的材料在使用过程中经常会直接或间接与水接触，如水坝、桥墩、屋顶等，为防止,建筑物受到水的侵蚀而影响使用性能,，有必要研究材料与水接触后的有关性质。,（一）材料的亲水性与憎水性,材料容易被水润湿的性质称为,亲水性,。具有这种性质的材料称为亲水性材料，如砖、石、木材、混凝土等。,材料不容易被水润湿的性质称为,憎水性,，具有种性质的材料称为憎水性材料，如石蜡、沥青、油漆、塑料等。憎水性材料一般用于防水。,亲水性材料,憎水性材料,材料的亲水性与憎水性可用润湿角,来说明，当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，该切线与固体、液体接触面的夹角称为,润湿角,。,润湿角,越小，,表明材料越易被润湿。实验表明，当润湿角,90,时，这种材料称为亲水性材料；当润湿角,90,时，称为憎水性材料。,（二）材料的吸水性,材料浸入水中吸收水的能力称为材料的,吸水性,，常用质量吸水率来表示。,吸水率包括质量吸水率,(W,m,),和体积吸水率（,W,v,）两种。,W,m,材料的质量吸水率,，,；,m,干,材料干燥状态下的质量,，,g,；,m,饱,材料吸水饱和状态下的质量,，,g,。,1,、质量吸水率,W,v,材料的体积吸水率,，,；,V,0,材料干燥状态下的体积,，,cm,3,；,V,水,材料吸水饱和状态下的体积,，,cm,3,。,2,、体积吸水率,W,v,与,W,m,之间的关系：,W,v,=W,m,0,。,0,为材料在干燥状态下的表观密度。,材料的吸水率的大小主要取决于,材料本身的亲水性与憎水性,，但与材料的,孔隙率大小和孔隙隙特征,也有关系。,对于亲水性材料，孔隙率越大，吸水性越强,。,但若是闭口孔隙水分也不易进入，粗大的开口孔隙，水分不易吸满和保留；具有,密集微细连通而开口孔隙的材料,，吸水率才最大。,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为,吸湿性,，吸湿性常用质量含水率来表示。,W,h,材料的含水率,，,；,m,0,材料干燥状态下的质量,，,g,；,m,材料含水时的质量,，,g,。,材料的吸水性和吸湿性大对材料的性能都是,不利,的。,材料吸水或吸湿后质量增加，体积膨胀，产生变形，影响材料的各种使用性能。,（三）材料的吸湿性,（四）材料的耐水性,材料长期在水作用下不破坏，且其强度也不显著降低的性质称为,耐水性,，材料的耐水性用软化系数表示。,K,R,材料的软化系数；,f,0,材料干燥状态下的强度,，,MPa,；,f,1,材料在吸水饱和状态下的强度,，,MPa,。,K,R,0.85,为耐水性材料。,K,R,越小，说明材料吸水后强度下降越多，耐水性越差。对于经常位于水中或受潮严重的重要结构的材料，,K,R,0.85,；受潮较轻的或次要结构物的材料，,K,R,0.75,。,课堂练习：,3,、一质量为,8.1Kg,的干混凝土试块，体积为,150mm,150mm150mm,，质量吸水率为,4,，试求混凝土试块的表观密度及体积吸水率。,解,：,已知条件：,m,干,8100g,；,V,0,(,自然状态下的体积,),15cm15cm15cm,3375cm,3,；,W,m,4,；求：,0,、,W,v,（,V,0,自然状态下的体积,),W,v,=W,m,0,=4%2.4=9.6%,4,、红砖干燥时表观密度为,1900Kg/m,3,，密度为,2.5 g/cm,3,，质量吸水率为,10,，试求该砖的孔隙率和体积吸水率。,解：,已知,条件,：,0,1900Kg/m,3,；,2.5g/cm,3,；,W,m,10,；求：,P,、,W,v,（,V,0,为自然状态下体积，,V,为实际体积,）,W,v,=W,m,0,=10%1.9=19%,四、材料与热有关的性质,（一）材料的导热性,材料的传导热量的能力称为材料的导热性，其大小以导热系数,表示。,导热系数，,W/(m,K,),；,Q,总传热量,，,J,；,d,材料厚度，,m,；,A,热传导面积,，,m2,；,Z,热传导时间,，,h,；,T,2,-,T,1,材料两面温度差,，,K,或,。,材料的导热性取决于其化学组成、结构、,孔隙率与孔隙特征,、,含水率,及导热时的温度。,一般情况下材料的孔隙率越大，导热系数越小；粗大和连通的孔隙使导热系数增大，微小和闭口孔隙减小导热系数。,孔隙中的介质对导热系数影响较大，静态空气的,为,0.023 W/(mK),，,水的,为,0.58 W/(mK),，,为空气的,20,倍，冰的,为,2.33W/(mK),，,是空气的,80,倍。,所以当材料的含水率增大时，导热系数也增大，当孔隙中的水结成冰时，导热系数更大。,（二）材料的比热容,材料的比热容的物理意义是指质量为,1g,的材料，当温度升高（或降低）,1K,（或,）时所吸收（或释放）的热量。用公式表示为,c,材料的比热容,，,J/(g,K,),或,J/(g,),；,Q,材料吸收或放出的热量,，,J,；,m,材料的质量，,g,；,t,2,-,t,1,材料受热或冷却前后的温度差,，,K,或,。,比热容是反映材料吸热或放热能力大小的物理量。水的比热容最大为,4.186,J/(g,K,),1.3,材料的基本力学性质,一、材料的强度,材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度，以材料受外力破坏时单位面积上所承受的外力表示。材料在建筑物上所承受的外力主要有拉力、压力、剪力和弯力，材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为,抗拉、抗压、抗剪和抗弯强度,。,材料的这些强度是采用标准试件，通过试验来测定的。,f,材料的抗拉、抗压、抗剪强度,，,MPa,；,F,最大破坏载荷,，,N,；,A,受力面积,，,mm,2,。,1,、抗拉、抗压、抗剪强度,拉力,压力,剪力,强度公式：,P,P,P,P,P,P,2,、抗弯强度,P,l,P/2,P/2,l=3a,a,a,a,抗弯强度的测试有两种方法如图所示,:,b,h,试验时将试件放在两个支点上，中间作用一集中载荷,P,，则抗弯强度公式为：,试验时将两个相等的集中载荷,P/2,分别作用在试件两个支点间的三分点处，则抗弯强度公式为：,3,、影响材料强度的因素,材料强度的大小与材料的组成、结构、构造及测定强度值的试验条件有关。,对于同种材料来说，孔隙率,，强度；对多数材料来说，温度，强度，含水率强度。例如：钢材温度升高时，强度会明显降低；砖、木材等含水率增加时，强度会降低。,试验条件的不同主要是指试件尺寸以及试验时的加荷速度。试验时应按照相关规范来进行操作。,4,、比强度,材料的比强度是指材料的强度与其表观密度的比值，是衡量材料,轻质高强,性能的重要指标。优质的结构材料应具有较高的比强度，才能尽量以较小的尺寸满足强度要求，同时可以较大幅度的减小结构体的自重,。,二、材料的弹性与塑性,（一）弹性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变形能完全恢复的性质称为弹性,。这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。具有这种性质的材料称为弹性材料。这种材料的变形服从虎克定律，应力与应变成正比。,弹性材料的变形曲线,0,A,（二）塑性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，仍保持变形后的形状，并不破坏的性质称为塑性。,这种不可恢复的变形称为塑性变形。,塑性材料的变形曲线,0,A,B,实际上,纯的弹性材料和塑性材料是没有的,。有的材料受力时先发生弹性变形，再发生塑性变形，如建筑钢材；有的材料在受力后弹性和塑性变形同时发生，这种材料称为弹塑性材料，如混凝土。,三、材料的脆性与韧性,材料在一定限度的外力作用下无明显的塑性变形时就突然破坏的性质称为脆性,，具有这种性质的材料称为脆性材料。脆性材料达到破坏荷载时的变形值很小，受冲击和震动荷载的能力很差，宜做承压构件。如砖、石材、混凝土等。,材料在冲击或震动荷载作用下能承受很大的变形也不致破坏的性质称为韧性,，具有这种性质的材料称为韧性材料。如低碳钢、低合金钢等属于韧性材料。,四、材料的硬度,硬度是材料抗穿刺能力的度量，反映材料的耐磨性和加工的难易程度。,压入法测量材料的,布氏硬度,。,用压力除以压痕面积所得到的值为布氏硬度值，可按下式计算：,F,D,布氏压头,材料表面,d,1.4,材料的耐久性,材料的耐久性是指材料在所处环境条件下，抵抗所受破坏作用，在规定的时间内，不变质、不损坏，保持其原有性能的性质。,耐久性是衡量材料乃至结构在长期使用条件下的安全性能。,建筑物中材料所受的破坏作用归纳如下：,（,1,）,物理作用,包括温度变化、干湿交换、冻融循环作用。,（,2,）,化学作用,包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液的侵蚀和日光、紫外线等对材料的作用。,（,3,）,机械作用,包括荷载的持续作用，交变荷载对材料引起的疲劳、冲磨、气蚀作用。,（,4,）,生物作用,主要指菌类、昆虫等危害，导致材料发生腐朽、虫蛀等。,材料的耐久性是一项综合性能，工程中材料常常是发生一种或几种破坏，所以必须针对材料所处的环境来讨论才有实际意义。为提高材料的耐久性，延长建筑物的使用寿命和减少维修费用，可根据实际情况和材料的破坏特点采取相应的措施。,如：,金属材料主要考虑化学作用而引起的锈蚀；,沥青和高分子材料主要是受热、空气、阳光作用氧化而老化变脆；,混凝土材料主要发生物理和机械破坏作用；,木材最易受生物作用而腐蚀、腐朽。,课堂练习：,5,、已知甲材料在绝对密实状态下的体积为,40cm,3,，在自然状态下体积为,160 cm,3,；乙材料的密实度为,80,，求甲、乙两材料的孔隙率，并判断哪种材料较宜做保温材料？,解：（,1,）甲材料的孔隙率,P,甲,（,V,0,-V,）,/V,0,100,（,160,40,）,/160100,75,（,2,）乙材料的孔隙率,P,乙,1,D,1,80,20,（,3,）,P,甲,P,乙,故甲材料宜做保温材料,6,、一边长为,200mm,的立方体试块，进行抗压强度试验时，破坏荷载为,1600KN,，试求该试块抗压强度为多少？,解：,f,F/A,160010,3,/(200200)=40.0 MPa,7,、一水泥胶砂抗弯试件，尺寸为,4040160mm,，,F,3.84KN,，,L,100mm,，求抗弯（抗折）强度。,解：,f,3FL/2bh,2,33840100/(24040,2,),9.0,MPa,