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第2章 建筑材料的基本性质
本章内容
第一节 材料的物理性质
第二节 材料与水有关的性质
第二节 材料的力学性质
第四节 材料的热工性质
第五节 材料的耐久性
第一节 材料的物理性质
固体物质
闭口孔隙
开口孔隙
材料体积组成示意图
一、材料的密度、表观密度和堆积密度
定义
指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
公式
式中：ρ —密度，g/cm
m—材料在干燥状态下(105+5 ℃烘干至恒重）的质量，g
v—材料在绝对密实状态下的体积，cm
测试方法
将岩石粉碎磨细，干燥后用李氏瓶测定体积，材料磨得越细越好，测得的体积越接近真实体积。
密　度
定义
指材料在自然状态下，单位体积的质量。
公式
式中：ρ0—表观密度，g/cm 或Kg/m
m—材料的质量，g或Kg
v0—材料自然状态下的体积，cm 或m
测试方法
对于规则形状的材料，可用量具测得其体积；对于不规则形状的材料，可采用静水称量法和封蜡法测定。
表观密度
定义
粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量。
公式
式中：ρo —堆积密度，Kg/m
m —材料的质量，Kg
vo —材料的堆积体积，m
测试方法
将干燥的散粒材料试样装入规定尺寸的容器来测定的。不同的装料方式，颗粒排列的松紧程度不同，材料的堆积密度又可分为自然堆积密度、紧密堆积密度。
堆积密度
常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度
材料名称 密度(g/cm3) 表观密度(kg/m3) 堆积密度(kg/m3)
石灰岩 2.6～2.8 1800～2600 —
花岗岩 2.7～3.0 2000～2850 —
水泥 2.8～3.1 — 1200～1300
混凝土用砂 2.5～2.6 — 1 450～1650
混凝土用石 2.6～2.9 — 1 400～1700
普通混凝土 — 2100～2500 —
粘土 2.5～2.7 — 1 600～1800
钢材 7.85 7 850 —
铝合金 2.7～2.9 2 700～2 900 —
烧结普通砖 2.5～2.7 1 500～1 800 —
建筑陶瓷 2.5～2.7 1 800～2 500 —
红松木 1.55～1.60 400～800 —
玻璃 2.45～2.55 2 450～2 550 —
泡沫塑料 — 10～50 —
密实度
定义
材料体积中固体物质充实的程度。
公式
密实度反映材料的密实程度，D越大，材料越密实，含有孔隙的材料，密实度均小于1。
二、材料的密实度和孔隙率
孔隙率
定义
材料体积中孔隙体积所占的比例。
公式
孔隙率与密实度的关系：P+D=1
材料的密实度和孔隙率是从不同方面反映材料的密实程度，通常采用孔隙率表示。
孔隙特征
孔隙构造
连通的孔：
彼此连通且与外界相通
封闭的孔：
相互独立且与外界隔绝
孔隙大小
微孔、细孔、大孔
封闭孔
连通孔
填充率
定义
散粒材料在某种堆积体积内被其颗粒填充的程度。
公式
三、材料的填充率和空隙率
定义
散粒材料在某种堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占的比例。
公式
空隙率与填充率的关系：P’+D’=1
空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂量的依据。
空隙率
　 材料在空气中与水接触时，根据材料表面被水润湿的情况，分亲水性材料和憎水性材料两类。
　　当材料分子与水分子间的相互作用力大于水分子间的作用力时，材料表面就会被水所润湿。此时在材料、水和空气的三相交点处，沿水滴表面所引切线与材料表面所成夹角θ≤90°，这种材料属于亲水性材料。
第二节 材料与水有关的性质
亲水性与憎水性
　 如果材料分子与水分子间的相互作用力小于水本身分子间的作用力，则表示材料不能被水润湿。此时，润湿角90°＜θ＜180°，这种材料称为憎水性材料。
　 大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料，而沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料。
材料润湿边角
　　吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质。吸水性的大小用吸水率表示。
　　吸水率为材料浸水后在规定时间内吸入水的质量（或体积）占材料干燥质量（或干燥时体积）的百分比。?
　　质量吸水率：
吸水性
　　体积吸水率：　
　　材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙构造特征有关。
　　材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。
　　含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分比。计算式为：
吸湿性
影响材料吸湿性的因素有：
(1)自身的特性(亲水性、孔隙率和孔隙特征)。
(2)周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，材料的含水率就越大。
(3)材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，称为平衡含水率。
　　材料在长期饱和水作用下不被破坏，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。
　　计算式为：
耐水性
软化系数一般在0～1间波动，其值越小，材料耐水性越差。
软化系数大于0.80的材料，通常可以认为是耐水材料。
材料的耐水性主要取决于其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。
一般随溶解度增大，开口孔隙增多而变小。溶解度很小或不溶的材料以及具有较多封闭孔隙的材料， 软化系数一般较大，而材料的耐水性较好。
　　抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性可用渗透系数表示。
抗渗性
　　
材料的抗渗性也可以用抗渗等级Pn来表示。
影响材料抗渗性的因素：
与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。
孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性
　　抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，强度也无显著降低的性能。
　　材料的抗冻性用抗冻等级Fn表示。n表示材料试件经n次冻融循环试验后，质量损失不超过5%，抗压强度降低不超过25%。n的数值越大，说明抗冻性愈好。
抗冻性
　　材料传导热量的性能称为导热性。材料的导热性用导热系数表示。
　　导热系数的物理意义是指，单位厚度的材料，当两个相对侧面温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。
　　
第三节 材料的热工性质
导热性
式中：λ——材料的导热系数(W/(m K))。
Q——传导的热量(J)。
d——材料的厚度(m)。
A——材料传热的面积(m2)。
z——传热时间(s)。
t1―t2——材料两侧的温度差(K)。
材料的导热系数越小，其热传导能力越差，绝热性能越好。工程上把λ≤0.175W/(m K) 的材料称为绝热材料。
　　材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。热容量用比热表示，1g材料温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量称为比热。比热的计算式为：
式中：Q——材料的热容量(J)。
C——材料的比热容，J/(g K )。
m——材料的质量(g)。
t1―t2——材料受热或冷却前后的温差(K)。
热容量
比热容与材料质量的积，称为材料的热容量值，即材料温度上升1K须吸收的热量或温度降低1K所放出的热量。
材料比热容对保持室内温度稳定作用很大，比热容大的材料能在热流变化、采暖、空调不均衡时，缓和室内温度的波动；屋面材料也宜选用比热容大的材料。常用材料的热性质见下表。
材料名称 导热系数，W/(m·K) 比热容，kJ/(kg·K )
铜 370 0.38
钢 55 0.46
石灰岩 2.66～3.23 0.749～0.846
花岗岩 2.91～3.45 0.716～0.92
大理岩 2.45 0.875
普通混凝土 1.8 0.88
粘土空心砖 0.64 0.92
松木 0.17～0.35 2.51
玻璃 2.7～3.26 0.83
泡沫塑料 0.03 1.30
水 0.60 4.187
密闭空气 0.023 1
常用材料的热性质指标
材料在温度变化时产生的体积变化。一般材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。
温度变形在单向尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩，材料的热变形性常用线膨胀系数来衡量，其计算式如下：
热变形性
式中：α——线膨胀系数(1/K)。
ΔL——材料的变形量(mm)。
t2―t1——材料在升、降温前后的温度差(K)。
L——材料原来的长度(mm)。
材料的线膨胀系数一般都较小，但由于土木工程结构的尺寸较大，温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解决温度变形问题。
第四节 材料的力学性质
　　材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。
　　当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。
强度
根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度。
材料受力示意图
(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲
　　材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：
式中：f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度，MPa
F——材料承受的最大荷载，Ｎ
A——材料的受力面积，mm2
式中：f——材料的抗弯(折)强度，MPa
F——材料承受的最大荷载，Ｎ　
L——两支点之间的距离，mm
b——材料受力截面的宽度，mm
h——材料受力截面的高度，mm
　　材料的抗弯强度的计算式为：
　　材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同。
　　材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失，这种性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。
　　材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍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。不能恢复的变形称为塑性变形。
弹性与塑性
材料的弹性和塑性变形曲线
　　材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。
　　在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。
脆性与韧性
第五节 材料的耐久性
　　材料的耐久性是指其在长期的使用过程中，能抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。
由于环境作用因素复杂，耐久性也难以用一个参数来衡量。工程上通常用材料抵抗使用环境中主要影响因素的能力来评价耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗老化和抗碳化等性质。
环境对材料的破坏作用，可分为物理作用、化学作用和生物作用，不同材料受到的环境作用及程度也不相同。
影响材料耐久性的内在因素很多，除了材料本身的组成结构、强度等因素外，材料致密程度、表面状态和孔隙特征对耐久性影响很大。
工程上常用提高密实度、改善表面状态和孔隙结构的方法来提高耐久性。

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