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1、1,第一章 建筑材料的基本性能,李庚英 E-mail: 电话：8367533 汕头大学土木工程系,土 木 工 程 材 料 学,绪论,定义:构成建筑物的各种材料。 分类: 按化学成分： 无机材料有机材料复合材料按功能： 承重材料和非承重材料保温和隔热材料吸声和隔声材料防火材料装饰材料等,分类:,结构材料墙体材料 按用途分 屋面材料地面材料饰面材料等,第一章 建筑材料的基本性质,内容： 材料的基本物理性质 材料的基本力学性质 材料的耐久性,1.1 材料的基本物理性质,内容： 材料的状态参数 材料与水有关的性质 材料的热工性质,一、材料的状态参数 1、密度,定义：材料在绝对密实状态下单位体积 的质

2、量。 公式：,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,2、体积密度,定义：材料在自然状态下单位体积质量。 公式：,体积密度的测量,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 表观密度的测量： 1）对形状规则的材料：砖、混凝土、石材 烘干量测几何体积称重代入公式 2）对形状不规则的材料： 烘干蜡封浮力天平,3、堆积密度,定义：散粒料在规定装填条件下单位

3、体积质量。 公式：,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,4、表观密度,定义：材料的质量与表观体积之比。 公式：,表观密度的测量,堆积体积是指包含颗粒内部孔隙在内的体积，及材料排开水的体积。,5、孔隙率,定义：材料中孔隙的体积占材料总体积的百分率。 公式：,6、开口孔隙率,定义：材料中能被水饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率 。,7、闭口孔隙率,定义：材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比

4、的百分率。即闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率。,8、空隙率,定义：散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒材料在自然状态下的体积之比的百分率。 公式：,例题：,已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40立方厘米，质量为85.50克，吸水饱和后的质量为89.77克，烘干后的质量为82.30克。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、含水率。 解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40（1-0.24）=2.7克/立方厘米 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积=（89.77-82.3）1/40=0.187闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.

5、24-0.187=0.053表观密度=干质量/表观体积=82.3/40（1-0.187）=2.53含水率=水的质量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.039,二、材料与水有关的性质：,1、亲水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）大于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面吸附水分，即被水润湿，表现出亲水性，这种材料称为亲水材料。亲水性材料 90 2、憎水性：当水与材料接触时，材料分子与水分子之间的作用力（吸附力）小于水分子之间的作用力（内聚力），材料表面不吸附水分，即不被水润湿，表现出憎水性，这种材料称为憎水材料。憎水性材料 90,润湿角示意图,3、吸水性,定义

6、：材料吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示。 吸水率有两种表示方法：质量吸水率 体积吸水率 质量吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的质量与材料在绝对干燥状态下的质量之比。 体积吸水率是材料在浸水饱和状态下所吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比。 公式：,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,4、吸湿性,定义：材料在空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。 公式 ：式中 W含材料的质量含水率（） m湿材料含水时的质量（） m干材料烘干

7、到恒重的质量（）,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 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,5、耐水性,定义：材料长期在饱水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。 公式：,材料软化系数的要求,软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。 对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软0.85； 受潮较轻的或次要结构物的材料，其K软0.85；K软0.80的材料，

8、一般称为耐水的材料,6、抗渗性,定义：材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。用渗透系数K表示。 公式：达西定律 式中K材料的渗透系数（ml/cm2.s） W透过材料试件的水量（ml） t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm） d试件的厚度（cm）,三、耐久性,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

9、坏的桥梁,大贝尔特海峡工程（Denmark 丹 麦）,海上钻井平台,Highway Bridge in Service of 20 Years 使用20年的高速公路桥梁,四、材料的热工性质,1、导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率（）表示。 公式 式中 热导率（W/m.K） 热阻 R=1/ Q传导的热量（J） A热传导面积（m2） 材料的厚度（m） t热传导时间（s） (T2-T1)材料两侧温差（K）,热工性质,材料的热导率越小，绝热性能越好。 影响热导率的因素： 材料内部的孔隙构造密闭的空气使降材料的含水情况含水、结冰使增 常见热导率参数： 泡沫塑料 0.035 水 0.58

10、大理石 3.5 冰 2.2 钢材 58 空气 0.023 混凝土 1.51 松木 1.170.35,热工性质,2、热容量材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。大小用比热容（比热）表示 公式 Q=cm(T2T1) 式中 Q材料吸收或放出的热量（J） c材料的比热(J/g.K) m材料的质量（g） (T2T1) 材料受热或冷却前后的温差（K),比热的建筑物理意义,材料的 比热对保持建筑物内部温度稳定有很大关系，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不匀时，缓和室内温度的波动。 常见材料的比热（单位 J/g.K ） 钢材 c=0.48 空气 c=1.00 木材 c=2.72 水 c

11、=4.18,2.2 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、比强度,强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。 依受力形式有： 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度等 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 C7.5C60 水泥按抗压和抗拉强度划分为325#725# 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,二、材料的弹性与塑性,弹性材料在外力

12、的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 弹性模量 E=/ 塑性材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。,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,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。 桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等,

13、材料的脆性与韧性,材料的硬度与耐磨性,硬度是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。 莫氏硬度（10级） 1滑石 2石膏 3方解石 4 萤石 5磷石灰 6正长石 7 石英 8黄玉 9刚玉 10金刚石 肖氏硬度 布氏硬度（HB）,定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质。 包括：抗冻性混凝土、砖、石材 抗风化性陶瓷、砖 抗老化性有机建材 耐化学腐蚀金属材料,3 材料的耐久性,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,侵蚀介质,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,西直门桥,冻融破坏的水库坝面,