1、建筑材料建筑材料 第一章第一章 材料的基本性質材料的基本性質 l1.1 材料的物理性質材料的物理性質 l 1.2 材料的力學性質材料的力學性質l 1.3 材料的耐久性材料的耐久性第第1章章 土木工程材料的基本性質土木工程材料的基本性質 1.1 材料的物理性質材料的物理性質 1.1.1 1.1.1 1. 1.幾種密度幾種密度 1.1.固體（實體）固體（實體） 2.2.閉口孔隙閉口孔隙 3.3.開口孔隙開口孔隙 （1 1）密度）密度 ： 材料在絕對密實狀態下，單位實體體積的干質材料在絕對密實狀態下，單位實體體積的干質量。量。 （不包括開口和閉口孔隙體積）（不包括開口和閉口孔隙體積）vmV VV V

2、0 0V VK KV VB B（2 2）表觀密度）表觀密度 ： 材料單位表觀體積（閉口孔隙材料單位表觀體積（閉口孔隙+ +開口孔隙開口孔隙+ +實體）的干質量。實體）的干質量。KBVVVmVm00V VV V0 0兩種密度異同：兩種密度異同：m為為材料的烘干質量；材料的烘干質量； 體積不同，為體積不同，為實體體積，表觀體積。實體體積，表觀體積。 密度密度 表觀密度表觀密度 l l（3）堆積密度）堆積密度 ：l 散粒狀材料在自然狀態下單位堆積體積散粒狀材料在自然狀態下單位堆積體積（開口（開口+閉口閉口+實體實體+空隙）的質量。空隙）的質量。反映散粒堆積的緊密（壓實）程度及可能的堆放空間。反映散粒

3、堆積的緊密（壓實）程度及可能的堆放空間。SKBVVVVmVm00思考：思考：l顆粒材料的密度為顆粒材料的密度為，表觀密度為，表觀密度為0，堆積，堆積密度密度0 ，則三種密度的關系？，則三種密度的關系？ 00 B. 00 C.00 D.00 1.1.2. 1.1.2. 孔隙率和空隙率孔隙率和空隙率孔隙的特征孔隙的特征l （1）按孔隙尺寸大小，可把孔隙分為微孔、細）按孔隙尺寸大小，可把孔隙分為微孔、細孔和大孔三種孔和大孔三種l （2）按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤）按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔、連通孔。立孔、連通孔。l （3）按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為按孔隙與外界之間是

4、否連通，把孔隙分為開口孔、封閉孔。開口孔、封閉孔。孔隙對材料的影響：（孔隙對材料的影響：（1 1）孔隙的多少（孔隙率）孔隙的多少（孔隙率） （2 2）孔隙的特征）孔隙的特征1.1.孔隙率和密實度孔隙率和密實度%100)1 (%100%100000VVVP總體積孔隙體積PVVD1%100%100%10000總體積實體體積孔隙率孔隙率 密實度密實度 孔隙率是指材料內部孔隙體積占材料孔隙率是指材料內部孔隙體積占材料總體積的百分率。總體積的百分率。密實度是指材料的體積被固體物質充實的程度。密實度是指材料的體積被固體物質充實的程度。V VV V0 02.2.空隙率與填充率空隙率與填充率 散粒狀材料散粒狀

5、材料%100)1 (%100%10000000VVVp堆積體積空隙體積空隙率空隙率 pVVD1%100%100%1000000堆積體積顆粒體積填充度填充度 空隙率是指散粒材料堆積體積中，顆粒間空隙體積空隙率是指散粒材料堆積體積中，顆粒間空隙體積占總體積的百分率。占總體積的百分率。填充率是指散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。填充率是指散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。1.1.3 1.1.3 材料與水有關的性質材料與水有關的性質1. 材料的親水性與憎水性l 濕潤邊角：在材料、水和空氣的三向交叉點處沿水滴表面做切線，此切線與材料和水接觸面的夾角 ，稱為濕潤邊角。親水性材料：親水性材料：潤濕角潤濕

6、角9090（表現為親水性）（表現為親水性） 水分子間內聚力水分子與材料分子間吸引力水分子間內聚力水分子與材料分子間吸引力憎水性材料：憎水性材料：潤濕角潤濕角9090（表現為憎水性）（表現為憎水性） 水分子間內聚力水分子與材料分子間吸引力水分子間內聚力水分子與材料分子間吸引力2. 2. 材料的吸水性與吸濕性材料的吸水性與吸濕性 (1) 吸水性：材料在水中能吸收水分的性質吸水性：材料在水中能吸收水分的性質飽飽水狀態（吸水飽和）水狀態（吸水飽和） 質量吸水率：材料飽水狀態質量吸水率：材料飽水狀態, ,所吸水分質量占干質量的百所吸水分質量占干質量的百分率分率 體積吸水率：材料飽水狀態體積吸水率：材料飽

7、水狀態, ,所吸收水分體積占干體積百所吸收水分體積占干體積百分率分率 吸水性大小可用吸吸水性大小可用吸水率表示。吸水率水率表示。吸水率分為質量吸水率和分為質量吸水率和體積吸水率體積吸水率100%-mmmW干干濕質干濕體OH1-2Vmm1W思考思考：l 質量吸水率和體積吸水率可以大于質量吸水率和體積吸水率可以大于100%嗎？嗎？l 材料的孔隙率越大，吸水率越大，對嗎？材料的孔隙率越大，吸水率越大，對嗎？l l 材料的吸水性不僅與材料的親水性或憎水性有關，材料的吸水性不僅與材料的親水性或憎水性有關，而且與孔隙率的大小和孔隙特征有關而且與孔隙率的大小和孔隙特征有關。對于孔特。對于孔特征相近的材料，一

8、般孔隙率越大，吸水性也越強。征相近的材料，一般孔隙率越大，吸水性也越強。具有粗大孔隙的材料，雖然水分容易滲入，但僅具有粗大孔隙的材料，雖然水分容易滲入，但僅能潤濕孔壁表面而不易在孔內存留，因而吸水率能潤濕孔壁表面而不易在孔內存留，因而吸水率不高；密實材料以及僅有封閉孔隙的材料是不吸不高；密實材料以及僅有封閉孔隙的材料是不吸水的，水的，開口細微連通且孔隙率大，吸水性強開口細微連通且孔隙率大，吸水性強。若體積材料具有細小而連通的孔隙，則其質量吸水率較大，往往超過100%，這時可用體積吸水率表示； 若是封閉的孔隙，水分不容易滲入粗大且連通的孔隙，水分不易留存，故材料的體積吸水率小于孔隙率，這類材質常

9、采用質量吸水率表示它的吸水性。（2）吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的）吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質性質 自然狀態自然狀態 含水率：自然狀態，材料所含水分質量占其干質含水率：自然狀態，材料所含水分質量占其干質量的百分率量的百分率吸濕性的大小用含吸濕性的大小用含水率表示。水率表示。100%-mmmW干干含含l 有一塊磚重有一塊磚重2625g，其含水率為，其含水率為5% ，該濕磚，該濕磚所含水量為多少？所含水量為多少？l 解：解：gxxxmmmWbm125%5%1002625%100吸水率與含水率的異同吸水率與含水率的異同：l 材料的吸水率反映了材料在標準測試方法之下吸材料的吸水率反映了

10、材料在標準測試方法之下吸收水分的能力的大小，收水分的能力的大小，是恒值。是恒值。l 材料的含水率反映材料在自然狀態下含水的狀態，材料的含水率反映材料在自然狀態下含水的狀態，不一定已經達到吸水飽和，當材料與空氣濕度達不一定已經達到吸水飽和，當材料與空氣濕度達到平衡時就不在吸收空氣中水分，此時含水率稱到平衡時就不在吸收空氣中水分，此時含水率稱為平衡含水率。為平衡含水率。是變值。是變值。 3.3.材料的耐水性材料的耐水性 材料長期在水的作用下既不破壞，強度又不顯著降低材料長期在水的作用下既不破壞，強度又不顯著降低的性質稱為耐久性。的性質稱為耐久性。 指標：指標：軟化系數軟化系數l 原因：原因：隨含水

11、量增加，減弱其內部結合力，導致強度隨含水量增加，減弱其內部結合力，導致強度下降。下降。KR的范圍在01之間。 l KR0.85， 稱為耐水材料稱為耐水材料 gbRffKf fb b材料飽水狀態抗壓強度，材料飽水狀態抗壓強度，MPaMPaf fg g材料干燥狀態抗壓強度，材料干燥狀態抗壓強度，MPa MPa 4. 4.材料的抗滲性材料的抗滲性 抵抗壓力水滲透的性質抵抗壓力水滲透的性質 （1 1）滲透系數）滲透系數 （2 2）抗滲等級：抗滲等級越高，其抗滲性越好。）抗滲等級：抗滲等級越高，其抗滲性越好。 指石料、砼或砂漿所能指石料、砼或砂漿所能承受的最大水壓力。承受的最大水壓力。如：最大承水壓力為

12、如：最大承水壓力為0.2MPa0.2MPa，表示為，表示為P P2 2，另有，另有P P4 4、P P6 6 、P P8 8、P P1010滲透系數：滲透系數： AtHQdKSK Ks s的意義：的意義：抗滲系數越小，表明抗滲性能越好。抗滲系數越小，表明抗滲性能越好。5. 材料的抗凍性材料的抗凍性l材料飽水狀態下，能經受多次凍融交材料飽水狀態下，能經受多次凍融交替作用，既不破壞，強度又不顯著降低的替作用，既不破壞，強度又不顯著降低的性質。性質。l抗凍等級：抗凍等級：能經受凍融循環的能經受凍融循環的最大次數最大次數，l 記為記為F50、F100、F200、F300 ：孔隙率越：孔隙率越大，材料的

13、抗凍性大，材料的抗凍性是否越差？是否越差？材料的孔隙包括開口孔隙和閉口孔隙兩種，材料的孔材料的孔隙包括開口孔隙和閉口孔隙兩種，材料的孔隙率則是開口孔隙率和閉口孔隙率之和。材料受凍融隙率則是開口孔隙率和閉口孔隙率之和。材料受凍融破壞主要是因其孔隙中的水結冰所致。進入孔隙的水破壞主要是因其孔隙中的水結冰所致。進入孔隙的水越多，材料的抗凍性越差。水較難進入材料的閉口孔越多，材料的抗凍性越差。水較難進入材料的閉口孔隙中。若材料的孔隙主要是閉口孔隙，即使材料的孔隙中。若材料的孔隙主要是閉口孔隙，即使材料的孔隙率大，進入材料內部的水分也不會很多。在這樣的隙率大，進入材料內部的水分也不會很多。在這樣的情況下

14、，材料的抗凍性不會差。情況下，材料的抗凍性不會差。4.4.材料的熱工性質材料的熱工性質l 4.1導熱性導熱性l 導熱性是指材料傳導熱量的能力。用導熱系數來表示。導熱性是指材料傳導熱量的能力。用導熱系數來表示。l l 材料的導熱系數越小，表示其絕熱性能越好。材料的導熱系數越小，表示其絕熱性能越好。l 通常氣體的導熱系數通常氣體的導熱系數液體的導熱系數液體的導熱系數固體的導熱系數固體的導熱系數 AtTTQa)(21l 4.2熱容量熱容量l 熱容量是指材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能熱容量是指材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力。其大小用比熱容來表示。力。其大小用比熱容來表示。l 比熱容的大小直接

15、影響建筑內部空間的溫度變化率。比熱容的大小直接影響建筑內部空間的溫度變化率。l 設計過程中選用導熱系數較小而熱容量較大的材料，設計過程中選用導熱系數較小而熱容量較大的材料，有利于保持建筑物室內溫度的穩定性。有利于保持建筑物室內溫度的穩定性。)(21TTmQc思考某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面，請問某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面，請問選擇何種材料？選擇何種材料？ A B保溫層的目的是較少外界溫度變化對住戶的影響，材料保溫性能的主要描述指標為導熱系數和熱容量，其中導熱系數越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結構，B材料為密實結構，多孔材料的導熱系數較小，適

16、于作保溫層材料。l 某材料的體積吸水率為某材料的體積吸水率為10%，表觀密度為，表觀密度為3.0g/cm3,體積密度為體積密度為1500kg/m3。試求該材料。試求該材料的質量吸水率、開口孔隙率、閉口孔隙率，并估的質量吸水率、開口孔隙率、閉口孔隙率，并估計該材料的抗凍性如何？計該材料的抗凍性如何？l l1.2 材料的力學性質材料的力學性質 及材料耐久性及材料耐久性l 本節的學習目標本節的學習目標l 1）掌握材料的強度和比強度概念。）掌握材料的強度和比強度概念。認識到材料的實際強度與實驗強度的認識到材料的實際強度與實驗強度的關系。關系。l 2）理解影響強度的因素。）理解影響強度的因素。l 3）掌

17、握彈性材料與塑性材料的差別。）掌握彈性材料與塑性材料的差別。l 4）掌握脆性材料與韌性材料的差別，）掌握脆性材料與韌性材料的差別，并知道強度與硬度的關聯。并知道強度與硬度的關聯。l 5）了解材料的耐久性）了解材料的耐久性 。學習思路材料受力材料受力材料強度材料強度變形變形耐久性耐久性材料的力學性質材料的力學性質學習思路學習思路影響材料的因素影響材料的因素變化變化破壞：破壞：當外力超過材料的承受極限當外力超過材料的承受極限時，材料出現斷裂等喪失使用功能時，材料出現斷裂等喪失使用功能的變化。的變化。變形：變形：在外力的作用下，材料在外力的作用下，材料通過形狀的改變來吸收能量。通過形狀的改變來吸收能

18、量。彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形脆性材料脆性材料韌性材料韌性材料 1.2 材料的力學性質材料的力學性質l1.2.1 材料的強度及強度等級材料的強度及強度等級l 強度強度(Strength) (Strength) 材料抵抗外力破壞的能力材料抵抗外力破壞的能力l 1.1.幾種強度：幾種強度：材料受力動畫材料受力動畫l （1 1）抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度）抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度三種受力方式三種受力方式l 抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度表示公式抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度表示公式 （MPaMPa） FF破壞時的破壞時的最大最大荷載，荷載，N N A A受力截面面積，受力截面面積，mmmm2

19、 2AFf（2）抗彎強度（抗折強度）（對于矩形斷面和條）抗彎強度（抗折強度）（對于矩形斷面和條形斷面）形斷面）223bhFLf 單點加荷：單點加荷：三分點加三分點加荷：荷：2bhFLf L L/2/2L L/2/2第四種受力方式第四種受力方式2.2.強度等級：強度等級：不同材不同材料，強度等級有不同的劃分方料，強度等級有不同的劃分方法，具體劃分在各章分講。法，具體劃分在各章分講。3.3.比強度比強度 指材料強度與其表觀密度之比。指材料強度與其表觀密度之比。 意義：意義：反映材料輕質高強的指標。反映材料輕質高強的指標。 值越大，材料越輕質高強值越大，材料越輕質高強試驗條件l 工程實例分析工程實例

20、分析l （1）測試強度與加荷速度）測試強度與加荷速度l 人們在測試混凝土等材料的強度時可觀察到，同人們在測試混凝土等材料的強度時可觀察到，同一試件，加荷速度過快，所測值偏高。請分析原一試件，加荷速度過快，所測值偏高。請分析原因。因。l 原因分析：材料的強度除與其組成結構有關外，原因分析：材料的強度除與其組成結構有關外，還與其測試條件有關，包括加荷速度、溫度、試還與其測試條件有關，包括加荷速度、溫度、試件大小和形狀等。當加荷速度較快時，荷載的增件大小和形狀等。當加荷速度較快時，荷載的增長大于材料變形速度長大于材料變形速度 ，測出的數值就會偏高。為，測出的數值就會偏高。為此，在材料的強度測試中，一

21、般都規定其加荷速此，在材料的強度測試中，一般都規定其加荷速度范圍。度范圍。 l(2) 磚浸水后強度下降l某地發生歷史罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見下圖。請分析原因。 l l l 未燒透的紅磚原因分析：這些紅磚沒有燒透，磚內開口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強度下降，特別是當有水進入磚內時，未燒透的粘土遇水分散，強度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導致房屋倒塌。1.2.2 材料的彈性與塑性材料的彈性與塑性l 1.彈性：彈性：外力作用產生變形外力作用產生變形, ,外力取消變形外力取消變形完全完全恢復恢復。l 可恢復的材料變形稱為彈性變形可恢復的材料變

22、形稱為彈性變形可逆變形。可逆變形。l 指標：指標：彈性模量（常數）彈性模量（常數）l 意義：意義：E表示材料抵抗變形的指標，表示材料抵抗變形的指標，E值越大，值越大，材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強。材料越不易變形，即抵抗變形的能力越強。E彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形l 2.塑性塑性外力作用產生變形外力作用產生變形,外力取消變形外力取消變形不能不能恢復。恢復。l 1）有的材料在應力水平較低時，變形特征主要）有的材料在應力水平較低時，變形特征主要表現為彈性，而應力水平較高時，主要為塑性。表現為彈性，而應力水平較高時，主要為塑性。例如鋼材。例如鋼材。圖圖1.2.1 低碳鋼受拉的應力低碳鋼受

23、拉的應力應變曲線應變曲線ab圖圖1.2.2 混凝土的變形曲混凝土的變形曲線線ob塑性變形塑性變形荷載荷載Aba0變形變形l 2）有的材料受力后，彈塑性變形同時產生，取消）有的材料受力后，彈塑性變形同時產生，取消外力，彈性變形可以恢復，塑性變形不能恢復。外力，彈性變形可以恢復，塑性變形不能恢復。 1.2.3 1.2.3 材料的脆性與韌性材料的脆性與韌性 1.1.脆性脆性材料受外力達到一定程度后突然破壞，材料受外力達到一定程度后突然破壞，破壞時無明顯的塑性變形的性質。破壞時無明顯的塑性變形的性質。 脆性材料：石、磚、混凝土、陶瓷、玻璃脆性材料：石、磚、混凝土、陶瓷、玻璃、砂漿、砂漿等。等。 2.2.韌性韌性在沖擊外力和震動荷載作用下，材料能在沖擊外力和震動荷載作用下，材料能吸收大量的能量，產生一定變形而不致破壞的性吸收大量的能量，產生一定變形而不致破壞的性質。質。 韌性材料：低碳鋼、木材、玻璃鋼等。韌性材料：低碳鋼、木材、玻璃鋼等。1.2.4 1.2.4 材料的硬度和耐磨性（了解性內容）材料的硬度和耐磨性（了解性內容） 1. 1.硬度