建筑材料的基本性能第一章第二節(jié)

第二節(jié) 建筑材料的基本性能主要介紹建筑材料的基本物理性質(zhì)、力學(xué)性能、材料的耐久性以及有關(guān)參數(shù)、性能指標(biāo)和計(jì)算公式等，通過對(duì)材料基本性能的了解與掌握，為今后的學(xué)習(xí)與實(shí)踐打下一定的基礎(chǔ)。 本節(jié)提要 本 章 內(nèi) 容1.1 材料的基本物理性質(zhì)1.2 材料的力學(xué)性質(zhì)1.3 材料的耐久性 1.1 材料的基本物理性質(zhì)材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下（內(nèi)部不含任何孔隙），單位體積的質(zhì)量稱為材料的密度，以表示。其計(jì)算式為：絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括材料內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)的真實(shí)體積。 1.1.1 材料的基本物性參數(shù)1.1.1.1 密度mV 表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積所具有的質(zhì)量，其計(jì)算式為： 表觀體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。對(duì)外形規(guī)則的材料，其幾何體積即為表觀體積；對(duì)外形不規(guī)則的材料，可用排水法測定。一般所指的表觀密度，是以干燥狀態(tài)下的測定值為準(zhǔn)。 1.1.1.2 表觀密度0 0mV 堆積密度（舊稱松散容重），是指散狀（粉狀、粒狀或纖維狀）材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積（包含了顆粒內(nèi)部的孔隙即顆粒之間的空隙）所具有的質(zhì)量。其計(jì)算式為： 常用建筑材料的基本物理參數(shù)見表1.1。1.1.1.3 堆積密度 0 0mV 表1.1 常用建筑材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率 材料 密度(kg/m3) 表觀密度0(kg/m3) 堆積密度0(kg/m3)孔隙率(%)石灰?guī)r 2.60 18002600 _ _花崗巖 2.602.90 25002800 _ 0.53.0碎石(石灰?guī)r) 2.60 _ 14001700 _砂 2.60 _ 14501650 _普通粘土磚 2.502.80 16001800 _ _粘土空心磚 2.50 10001400 _ _ 材料 密度(kg/m3) 表觀密度0(kg/m3) 堆積密度0(kg/m3)孔隙率(%)水泥 3.10 _ 12001300 _普通混凝土 _ 21002600 _ 520木材 1.55 400800 _ 5575鋼材 7.85 7850 _ 0泡沫塑料 _ 2050 _ _玻璃 2.55 _ _ _續(xù)表1.1 (1) 密實(shí)度 密實(shí)度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實(shí)的程度，也就是固體物質(zhì)的體積占總體積的比例，以D表示。其計(jì)算式為： 1.1.1.4 密實(shí)度與孔隙率 00 100%VD V (2) 孔隙率 孔隙率是指材料體積內(nèi)孔隙體積占材料總體積的百分率，以P表示。其計(jì)算式為： 0 00 01 (1 ) 100%V V VP V V 材料的總體積是由該材料的固體物質(zhì)與其所包含的孔隙所組成的。建筑材料的許多性能如強(qiáng)度、吸水性、耐久性、導(dǎo)熱性等均與材料的孔隙有關(guān)。孔隙按其尺寸大小又可分為微孔、細(xì)孔和大孔。 幾種常用建筑材料的孔隙率見表1.1。 1P D (1) 填充率 填充率是指散粒狀材料在其堆積體積內(nèi)，被其顆粒填充的程度，以D表示。其計(jì)算式為： 1.1.1.5 填充率與空隙率 00 100%VD V (2) 空隙率 空隙率是指散粒狀材料在堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占堆積體積的百分率，以P表示。 其計(jì)算式為： 0 0 0 00 0 01 (1 ) 100%V V VP V V 空隙率的大小反映了散粒狀材料的顆粒之間相互填充的致密程度。 1P D 填充率與空隙率的關(guān)系為： 潤濕是水在材料表面被吸附的過程，材料被水潤濕的程度可用潤濕角表示，如圖1.1所示。 一般認(rèn)為，潤濕角90（如圖1.1（a）所示）的材料為親水性材料。反之，90時(shí)，表明該材料不能被水潤濕，稱為憎水性材料(如圖1.1（b）所示)。 1.1.2 材料與水有關(guān)的性質(zhì)1.1.2.1 親水性與憎水性 圖1.1材料的潤濕示意圖 (a)親水性材料；（b）憎水性材料 (1) 吸水性材料在浸水狀態(tài)下吸入水分的能力稱為吸水性。吸水性的大小，以吸水率表示，有兩種表示方法：質(zhì)量吸水率和體積吸水率。 質(zhì)量吸水率材料吸水達(dá)飽和時(shí)，其所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥時(shí)質(zhì)量的百分率，可表示為： 1.1.2.2 吸水性與吸濕性100%m mW m 干濕質(zhì)干 體積吸水率是指材料體積內(nèi)被水充實(shí)的體積。即材料吸水達(dá)飽和時(shí)，所吸收水分的體積占干燥材料自然體積的百分率，可按下式計(jì)算：0 0V 1100%= 100%V Vm mW 水干濕體水質(zhì)量吸水率與體積吸水率有如下的關(guān)系： 0 01W W W 體質(zhì)質(zhì)水 (2) 吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小可用含水率表示。材料所含水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率，稱為材料的含水率，可用下式計(jì)算： 100%m mW m 干含含干 材料長期在飽和水作用下而不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。一般材料隨著含水量的增加，會(huì)減弱其內(nèi)部的結(jié)合力，強(qiáng)度也會(huì)不同程度地降低。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，可按下式計(jì)算： 1.1.2.3 耐水性K ff 飽軟干 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性（或不透水性），可用滲透系數(shù)K表示。材料的透水性可用達(dá)西定律來描述，即在一定時(shí)間內(nèi)，透水材料試件的水量與試件的斷面積及水頭差（液壓）成正比，與試件的厚度成反比?？捎孟率奖硎荆?1.1.2.4 抗?jié)B性W K 100%h hW K Atd Ath 或 滲透系數(shù)反映了材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。對(duì)于混凝土和砂漿材料，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)p表示。材料抗?jié)B性的好壞與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān) 。 抗凍性是材料抵抗凍融循環(huán)作用，保持其原有性能的能力。對(duì)結(jié)構(gòu)材料，主要指保持強(qiáng)度的能力，并以抗凍標(biāo)號(hào)來表示?？箖鰳?biāo)號(hào)是用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)，所能抵抗的最多凍融循環(huán)次數(shù)來表示，記作D25、D50、D100、D150等。 1.1.2.5 抗凍性 材料抗凍性的高低決定于材料的吸水飽和程度和材料對(duì)結(jié)冰體積膨脹所產(chǎn)生的壓力的抵抗能力。抗凍性常作為考查材料耐久性的一個(gè)指標(biāo)。 材料的強(qiáng)度愈高，耐水性愈好，其抗凍性愈好。 材料傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱能力的大小可以用導(dǎo)熱系數(shù)（）表示。導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于厚度為1m的材料，當(dāng)其相對(duì)兩側(cè)表面的溫度差為1K時(shí)，經(jīng)單位面積（1m2）單位時(shí)間（1s）所通過的熱量。1.1.3 材料的熱工性質(zhì)1.1.3.1 導(dǎo)熱性 材料的導(dǎo)熱系數(shù)除與其本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、密度有關(guān)外，還與材料的含水率及環(huán)境溫度等有關(guān)。 2 1( )QAt T T 可用下式表示： 材料加熱或冷卻時(shí)，吸收或放出熱量的性質(zhì)，稱為熱容量。熱容量的大小用比熱容（也稱熱容量系數(shù)，簡稱比熱）表示，比熱容表示1g材料，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量，或降低1K時(shí)放出的熱量。材料吸收或放出的熱量和比熱，可用下式計(jì)算： 1.1.3.2 比熱容 2 1( )Q cm T T 2 1( )Qc m T T 比熱是反映材料的吸熱或放熱能力大小的物理量。 常見建筑材料的熱工指標(biāo)見表1.2。 表1.2幾種典型材料的熱工性質(zhì)指標(biāo) 材料 導(dǎo)熱系數(shù)(W/（mK）) 比熱容(J/（gK）) 鋼材58 0.48銅材370 0.38花崗巖3.49 0.92混凝土1.51 0.84燒結(jié)普通磚0.8 0.88松木0.170.36 2.72泡沫塑料0.03 1.30冰2.20 2.05水0.6 4.19 密閉空氣0.023 1.00 在建筑工程中常把1/稱為材料的熱阻，用R表示。導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻都是評(píng)定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標(biāo)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱阻越大，則材料的保溫隔熱性能越好。常將0.175W/（mK）的材料稱為絕熱材料。 1.1.3.3 材料的保溫隔熱性 聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)稱為材料的吸聲性，用吸聲系數(shù)(吸收聲功率與入射聲功率之比)表示。吸聲系數(shù)越大，材料的吸聲性越好。吸聲系數(shù)與聲音的頻率和入射方向有關(guān)。通常使用的六個(gè)頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz。 1.1.4 材料的聲學(xué)性質(zhì)1.1.4.1 吸聲性 一般將上述6個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)0.20的材料稱為吸聲材料。最常用的吸聲材料大多為多孔材料。影響材料吸聲效果的主要因素有： (1) 材料的孔隙率和體積密度 (2) 材料的孔隙特征 (3) 材料的厚度 (1) 隔空氣聲透射聲功率與入射聲功率的比值稱為聲透射系數(shù)，用表示，該值越大則材料的隔聲性越差。材料的隔聲能力用隔聲量R（R=10lg(1/)來表示，單位為dB。與聲透射系數(shù)相反，隔聲量越大，材料的隔聲性能越好。 1.1.4.2 隔聲性 (2) 隔固體聲固體聲是由于振源撞擊固體材料，引起固體材料受迫振動(dòng)而發(fā)聲，并向四周輻射聲能。固體聲在傳播過程中，聲能的衰減極少。彈性材料如地毯、木板、橡膠片等具有較高的隔固體聲的能力。 1.2 材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性能，就是指材料在外力（荷載）作用下，抵抗破壞和變形的能力。 1.2.1 材料的強(qiáng)度材料因抵抗外力（荷載）作用而引起破壞的最大能力，即為該材料的強(qiáng)度。其值是以材料受力破壞時(shí)單位面積上所承受的力表示。計(jì)算式為： Ff A 材料在建筑物上所承受的力，主要有拉力、壓力、彎曲力及剪應(yīng)力等。材料抵抗上述外力破壞的能力，分別稱為抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度。靜力強(qiáng)度的分類和計(jì)算公式見表1.3。大部分建筑材料，根據(jù)極限強(qiáng)度的大小，可劃分為若干不同的強(qiáng)度等級(jí)。 材料的強(qiáng)度與材料本身的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等有很大關(guān)系。鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度都很高，如表1.4所示。 表1.3靜力強(qiáng)度分類 強(qiáng)度類別 舉例 計(jì)算式 附注 抗壓強(qiáng)度fc(MPa) fc=F/A F破壞荷載(N)A受荷面積(mm2) l跨度(mm) b斷面寬度(mm)h斷面高度(mm) 抗拉強(qiáng)度ft(MPa) ft=F/A抗剪強(qiáng)度f v(MPa) fv=F/A抗彎強(qiáng)度ftm(MPa) ftm=3Fl/(2bh2) 表1.4 鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較 材料 表觀密度0（kg/m3） 抗壓強(qiáng)度fc（MPa） 比強(qiáng)度fc/0 普通混凝土 2400 29.4 0.012低碳鋼 7860 415 0.053松木 500 34.3(順紋) 0.069 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)，稱為彈性。這種當(dāng)外力取消后瞬間即可完全消失的變形，稱為彈性變形。 這種變形屬于可逆變形，其數(shù)值的大小與外力成正比。其比例系數(shù)E稱為彈性模量。 1.2.2 材料的彈性和塑性 在彈性變形范圍內(nèi)，彈性模量E為常數(shù)，其值等于應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即： 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，但不破壞，并且當(dāng)外力停止作用后，不能自動(dòng)恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)，稱為塑性。這種不能消失的變形稱為塑性變形或不可恢復(fù)變形。 E 在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質(zhì)，稱為脆性。在沖擊、震動(dòng)荷載作用下，材料能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不致破壞的性質(zhì)，稱為韌性。韌性值可用材料受荷載達(dá)到破壞時(shí)所吸收的能量來表示，即： 1.2.3 材料的脆性和韌性 kk AA 硬度是材料表面抵抗其他物體壓入或刻劃的能力。硬度的測定方法有刻劃法和壓入法。 按刻劃法，材料的硬度可劃分為110級(jí)(莫氏硬度)。木材、混凝土、鋼材等的硬度常用鋼球壓入法測定（布氏硬度HB）。 耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力，常用磨損率表示： 1.2.4 材料的硬度和耐磨性 1 2m mB A 1.3 材料的耐久性材料長期抵抗各種內(nèi)外破壞因素或腐蝕介質(zhì)的作用，保持其原有性質(zhì)的能力稱為材料的耐久性。材料的耐久性是材料的一項(xiàng)綜合性質(zhì)，一般包括耐水性、抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性、抗老化性、耐熱性、耐溶蝕性、耐磨性等多項(xiàng)性能。破壞作用一般可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用等。 n物理作用包括干濕交替、凍融循環(huán)、光、電、熱、溫度差、濕度差等，這些都將引起材料的膨脹、收縮或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。n化學(xué)作用包括各種酸、堿、鹽及其水溶液以及各種腐蝕性氣體對(duì)材料產(chǎn)生的破壞作用。n生物作用是指昆蟲、菌類等對(duì)材料所產(chǎn)生的蛀蝕、腐朽等破壞作用。