1、第一章第一章 建筑材料的基本性质建筑材料的基本性质建筑材料 歌剧院需要怎歌剧院需要怎样性质的建筑样性质的建筑材料？材料？问题导入？选择结构材料关注什么？选择保温材料关注什么？选择防水材料关注什么？教学目标教学目标 通过本章的学习，了解在不同使用环境下，各类建筑材料的基本性质，并掌握各性质的涵义，影响这些性质的因素。并能联系工程中的实际应用研究和改进材料的性质，对后面具体材料的学习作一个很好的铺垫。本章内容本章内容第一节第一节 建筑材料的组成、结构及构造建筑材料的组成、结构及构造1.1 材料的组成1.2 材料的结构与构造第二节第二节 建筑材料的基本物理性质建筑材料的基本物理性质2.1 材料与质量2、有关的性质2.2 材料与水有关的性质2.3 材料与热有关的性质第三节第三节 建筑材料的力学性质建筑材料的力学性质3.1 强度与比强度3.2 弹性与塑性3.3 韧性与脆性3.3 硬度与耐磨性第四节第四节 材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性4.1 耐久性4.2 环境协调性课堂练习复习思考题 1.1.1 材料的材料的组成组成 1 化学组成化学组成 1 矿物组成矿物组成 1 相组成相组成 化学组成 指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。指构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。 无机非金属建筑材料无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。的化学组成以各种氧化物含量来表示。 3、金属材料金属材料以元素含量来表示。以元素含量来表示。 化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。性质。如水泥化学组成：如水泥化学组成： SiO2 2024% CaO 6267% Fe2O3 2.56.0% AL2O3 47% MgO 1mm)孔隙的构造：孔隙的构造： 开口孔隙开口孔隙 闭口孔隙闭口孔隙闭口气孔开口气孔孔隙形成的原因孔隙形成的原因(1) (1) 水分子的占据作用水分子的占据作用 建筑材料加水拌和建筑材料加水拌和, ,用水量通常超过理论上的用水量用水量通常超过理论上的用水量, ,多余的水分占据多余的水分占据的空间即为孔4、隙的空间即为孔隙(2(2）外加剂的发泡作用）外加剂的发泡作用 如生产加气混泥土等的各种发泡剂如生产加气混泥土等的各种发泡剂, ,可在材料中形成大量的孔隙可在材料中形成大量的孔隙(3) (3) 火山作用火山作用 火山爆发时火山爆发时, ,喷到空中的岩浆喷到空中的岩浆, ,冷却后在岩石中形成大量的孔隙冷却后在岩石中形成大量的孔隙l 孔隙孔隙对材料性质的影响对材料性质的影响( (孔隙孔隙增多增多) ) (1). (1).材料的体积密度减小材料的体积密度减小 (2).(2).材料受力的有效面积减小材料受力的有效面积减小, ,强度降低强度降低 (3).(3).体积密度减小体积密度减小, ,导热系数和热容5、随之减小导热系数和热容随之减小 (4).(4).透气性透气性, ,透水性透水性, ,吸水性变大吸水性变大 (5).(5).对抗冻性对抗冻性, ,要以孔隙大小和形态而定要以孔隙大小和形态而定, ,有些能提高抗冻性有些能提高抗冻性 散粒材料是指具有一定粒径材料的堆积体，如工程中常用的砂、石子等。其体积构成包括固体物质体积、颗粒内部孔隙体积及固体颗粒之间的空隙体积。见图1-2。 粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。图 1-2 散粒材料散粒材料2.1.1.2 材料的含水状态材料的含水状态 材料在大气中或水中会吸6、附一定的水分，根据材料吸材料在大气中或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况，将材料的含水状态分为附水分的情况，将材料的含水状态分为干燥状态干燥状态、气干气干状态状态、饱和面干状态饱和面干状态及及湿润状态湿润状态4种，见图种，见图13。材料。材料的含水状态会对材料的多种性质产生一定影响。的含水状态会对材料的多种性质产生一定影响。 干燥状态 气干状态 饱和面干燥状态 湿润状态 图 1-3 材料含水状态饱和水 表面水饱和水 表面水 干燥状态 气干状态 饱和面干燥状态 湿润状态 图 1-3 材料含水状态骨料的含水状态可分：骨料的含水状态可分： 干燥状态干燥状态不含水分或含水率接近于零；不含水分7、或含水率接近于零； 气干状态气干状态在大气中干燥，含水率与大气湿度相在大气中干燥，含水率与大气湿度相平衡平衡，但末达到饱和状态；但末达到饱和状态； 饱和面干状态饱和面干状态材料内部开口孔隙吸水达到饱和而其表材料内部开口孔隙吸水达到饱和而其表面干燥；面干燥； 湿润状态湿润状态材料不仅内部开口孔隙含水达到饱和，而且材料不仅内部开口孔隙含水达到饱和，而且表面还附着一部分自由水。表面还附着一部分自由水。如果你要如果你要计算普通混凝土配合比，一般以干燥状态的骨料计算普通混凝土配合比，一般以干燥状态的骨料为基准为基准，而一些，而一些大型水利工程常以饱和面干状态的骨料为大型水利工程常以饱和面干状态的骨料为基8、准基准。饱和水 表面水饱和水 表面水 干燥状态 气干状态 饱和面干燥状态 湿润状态 图 1-3 材料含水状态l 密度密度：n定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。 n表达式： =m/V （g/cm3 ） m材料干燥时的质量（g） V材料在绝对密实状态下的体积材料在绝对密实状态下的体积（cm3 ） 即不包括任何孔隙在内的体积。 n意义：反映材料的结构状态，例如：用密度控制玻璃的生产是否存在绝对密实的材料？2.1.2 密度、表观密度与堆积密度目前国内大多数玻璃厂家都把玻璃密度测定作为工厂控制工艺生产的重要手段目前国内大多数玻璃厂家都把玻璃密度测定作为工厂控制工艺生产的重要手段之一。许多工厂都9、按规定制度每日测定玻璃密度之一。许多工厂都按规定制度每日测定玻璃密度, ,因以密度与玻璃化学组成关系因以密度与玻璃化学组成关系密切密切, ,且测定速度快、精度高。当密度在较小范围内波动时且测定速度快、精度高。当密度在较小范围内波动时, ,可视生产基本正常可视生产基本正常, ,当密度波动值超过允许范围时当密度波动值超过允许范围时, ,可根据产品质量及日常对生产工艺情况的了解可根据产品质量及日常对生产工艺情况的了解, ,进行综合推断造成密度波动的是哪种氧化物。进行综合推断造成密度波动的是哪种氧化物。1密实材料，如金属材料、玻璃、花岗岩等材料的内部密实而没有孔隙Vm 密度：材料的密度（材料的密度（110、）密度）密度l密度密度：V 的测定： a. 比较密实的材料，如玻璃、钢材等，通常认为其处于绝对密实状态下，直接采用排水法测其体积； b. 一般多孔材料，如普通粘土砖，石块等，应磨成细粉（粒径小于0.2mm）排除其内部孔隙，用比重瓶（李氏瓶）测其实际体积；2.1.2 密度、表观密度与堆积密度请看密度试验视频请看密度试验视频l表观密度表观密度l定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。 l表达式： （g/cm3 ）或(kg/m3 ) m材料的质量（g 或kg） V0材料在自然状态自然状态下的体积，也称表观体积(cm3 或 m3 )。包括材料孔隙在内的体积，既包括开口孔隙，也包括闭口孔隙。l意义：反映11、材料轻重的量，也与材料的强度有关，是选择结构材料和承重材料的依据。 lV0的测量：对形状规则的材料，直接测量尺寸，计算体积； 对形状不规则的材料，蜡封蜡封后用排水法测量。00Vm材料的密度（材料的密度（2）表观密度）表观密度2材料的内部有许多孔隙孔隙材料，如砖头、混凝土、木材等孔表观密度：VVmVm00与材料含水状态有关，测定时须注明含水状态与材料含水状态有关，测定时须注明含水状态通常指气干状态表观密度。通常指气干状态表观密度。闭口孔视密度：VVmVm表面不封蜡，排水法测量l堆积密度堆积密度 定义：堆积密度指粉状或颗粒状材料在某种堆积状态堆积状态下，单位体积的质量。 表达式： （kg/m3 ）12、 m材料的质量（kg） 堆积体积（m3 ） 的特点：包括了材料间的空隙体积。包括了材料间的空隙体积。 的测定：用既定容积的容量筒测定。 0V0V0V00Vm3内部有孔隙材料的材料破碎成颗粒堆积在一起，如石子、砂砾等堆积材料颗粒的内部有许多孔隙堆积材料颗粒之间存在许多空隙空孔堆积密度：VVVmVm00材料的密度（材料的密度（3）堆积密度）堆积密度松散堆积密度；通常测定值振实堆积密度；混凝土配合比设计用紧密堆积密度。道路、岩土工程请看堆积密度试验动画请看堆积密度试验动画名称名称定义定义表达式表达式单位单位备注备注密度密度表观密度表观密度堆积密度堆积密度00vmvmvom0材料的密度、表观密度与堆积13、密度小结材料在绝对密实状态下材料在绝对密实状态下, ,单位体积的质量。单位体积的质量。材料在自然状态下，单材料在自然状态下，单位体积的质量。位体积的质量。材料在某种堆积状态下，材料在某种堆积状态下，单位体积的质量。单位体积的质量。g/cmg/cm3 3/m/m3 3/m/m3 3或或g/cmg/cm3 3l密实度密实度 定义：在材料体积内，固体物质的体积占总 体积的比例。 表达式：2.1.3.1%100%100000mmVVDl 孔隙率孔隙率l定义：材料体积内，孔隙体积占总体积的比例。 l表达式： 孔隙率与密实度的关系？孔隙率与密实度的关系？ D +P =1 孔隙率与材料性质的关系？孔隙率与材14、料性质的关系？ 材料的强度、材料的表观密度、吸水率、抗渗性、抗冻性、保温性能等。 两个孔隙率相同的同种同体积的材料吸水率是否一定相同？两个孔隙率相同的同种同体积的材料吸水率是否一定相同？%1001%1001%1000000P材料的性质除了与孔的多少有关外，还与孔的特征、孔的形状有关。材料的性质除了与孔的多少有关外，还与孔的特征、孔的形状有关。孔的特征：包括开口孔和闭口孔，孔隙尺寸的大小、孔的形状、孔隙在材料内部的分布均匀程度等。工程中常用%100%1000000VVDl填充率填充率 定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比例。 表达式：2.1.3.2 材料空隙率示意图材料空隙率示意图15、工程中常用DP1%1001%1001%1000000000l空隙率空隙率 定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积的空隙占总体积的比例。 表达式： 材料空隙率示意图材料空隙率示意图 石膏能否用于砌筑桥墩、大坝？ 建筑红砖能否用作防水材料？ 长期与水接触的建筑部位和潮湿部位对建筑材料有哪些要求？ 与水有关的性质包括：亲水性和憎水性；亲水性和憎水性；吸水性和吸湿性；耐水性；抗渗性和抗冻吸水性和吸湿性；耐水性；抗渗性和抗冻性。性。2.2 材料与水有关的性质材料与水有关的性质2.2.1 亲水性与憎水性亲水性与憎水性l根据材料在空气中与水接触时，能否被润湿分为 亲水性材料：润湿角90 憎水性材料：润湿角916、0180 l 建筑中大部分材料属于亲水材料，砖、木材、 混凝土l 沥青、石蜡、油漆、塑料等属于憎水材料可用作防水材 料，也可用于亲水材料的表面处理。 2.2.2 吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。l 吸水性吸水性%100干干吸质mmmWl计算材料吸水率时一般用质量吸水率，但对于某些轻质多孔材料，如加气混凝土、软木等，由于具有很多开口且细微的孔隙，其质量吸水率一般超过100%，此时常用体积吸水率来表示其吸水性。请看吸水率测试试验请看吸水率测试试验 体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然17、体积的百分率，并以W体表示。体积吸水率W体的计算公式为：%10010HVmmW干吸体lW体可用来说明材料内部孔隙水充满的程度，材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。l 材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。l对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。l 吸水率对材料性质的影响（强度、保温性、抗渗性、抗冻性），例如：瓷砖的吸水率越大，抗冻性越差。例如：瓷砖的吸水率越大18、，抗冻性越差。 材料的吸水率通常是固定值。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.50.7，混凝土的吸水率为23，粘土砖的吸水率达820，而木材的吸水率可超过100。l材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性（潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分）。l材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。l 吸湿性吸湿性%100干干含含mmmWl材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。l材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。l选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？选择19、瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？ 某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。 分析：加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。 2.2.3 耐水性耐水性 耐水性是指材料长期在饱和水作用下，而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。 干饱软ffK）的抗压强度（：材料吸水饱和状态下饱M20、Paf）压强度（：材料干燥状态下的抗干MPaf 一般材料吸水后，强度降低，但降低的程度不同，例如：石膏，普通粘土砖、木材，花岗岩例如：石膏，普通粘土砖、木材，花岗岩 因为水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，则有不同程度的强度降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。 软化系数的范围波动在01之间，当软化系数大于0.80时，认为是耐水性的材料。受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物（如地下构筑物、基础、水工结构），则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造.材料软化系数的要求材料软化系数的要求工程对材料软化系数的要求 对经常处于水中或受21、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0.75； K软0.80的材料，一般称为耐水的材料。材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗性。用渗透系数或抗渗等级表示（一定厚度的材料， 在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积 的水量），抗渗等级是在规定试验方法下材料所 能抵抗的最大水压力，用“Pi”表示。如P6表示可 抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标（其他指标：抗冻性抗冻性和抗侵蚀性抗侵蚀性）。材料的抗渗性与材料致密程度、内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗22、性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。2.2.4 抗渗性抗渗性AdH 材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏强度又不显著下降的性质。 用抗冻等级表示。抗冻等级Fi，i表示冻融循环的次数。2.2.5 抗冻性抗冻性F150混凝土混凝土该混凝土能够抵抗的最大冻融循环次数为该混凝土能够抵抗的最大冻融循环次数为150次次思考题:孔隙率越大，材料23、的抗冻性是否越差？ 抗冻性实验通常是将规定的标准试件浸水饱和后，在零下15条件下冻结一定时间，然后在室温的水中融化，进行反复冻融，试件强度降低及质量损失不超过规定值（质量损失不大于5%，强度损失不大于25%），材料表面不明显损伤，所对应的最大循环次数，定为该材料的抗冻等级。材料的抗冻性材料的抗冻性oC-20-1001020304050601. 材料的内部一般都充满着孔隙，2. 如果浸入水中，孔隙中便会吸水3. 气温下降，孔隙中的水会结冰并膨胀4. 气温上升，孔隙中的冰会逐渐融化5. 经过反复的浸水、冰冻、融化、干燥，材料的内部逐渐出现裂缝，表面会逐渐脱落，使材料的强度逐渐损失，质量变小。6. 24、材料的质量损失5，强度损失25时，冻融的循环次数为材料的抗冻等级由于结冰产生的膨胀会导致材料的表面部分破裂，内部产生裂纹。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。 冻融破坏的表现：表面出现剥落、裂纹、质量损失，强度降低。 冻融破坏的原因：孔隙中水结冰体积膨胀，对孔壁造成压力。 厨房的瓷砖有剥落现象，试分析原因，如何解决？冻融破坏的原因冻融破坏的原因 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25、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； 反复多次加剧破坏，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。思考题:南方温暖潮湿地区，是否要考虑材料的抗冻性？ 孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的解答：材料的孔隙包括开口孔隙和闭口孔隙两种，材料的孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破孔隙率则是开口孔隙率和闭口孔隙率之和。材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进入孔隙的水越多，坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。进26、入孔隙的水越多，材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材材料的抗冻性越差。水较难进入材料的闭口孔隙中。若材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料的孔隙主要是闭口孔隙，即使材料的孔隙率大，进入材料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻料内部的水分也不会很多。在这样的情况下，材料的抗冻性不会差。性不会差。思考：材料吸水但不饱和时，抗冻性怎样？ 能源紧缺是一个世界性的问题，建筑行业是个耗能大户，国家规定高层建筑必须采用节能建筑材料，其中包括墙体节能、屋面节能和门窗节能。墙体节能、屋面节能和门窗节能。2.3 材料的热工性质材料的热工性质建筑节能建筑节能保温材料保温材料27、热工性质热工性质导热性导热性热容量热容量l 定义定义：材料传导热量的能力（冬季材料保持热量不传递出去；夏季材料阻碍热量传入室内）。l 表示方法表示方法：用导热系数表示，导热系数的物理意义是：厚度为1 m的材料，当温度每改变1 K时，在l h时间内通过1 m2面积的热量。用公式表示为 式中 材料的导热系数，w/（mK）；Q 传导的热量，J；a 材料的厚度，m；A 材料传热的面积，m2；Z 传热时间，h；（t1-t2）材料两侧温度差，K l 在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（ 越大，传热越快，越大，传热越快，保温性越差）保温性越差）。2.3.128、 导热性导热性)(12ttFZQd棉袄浸水后保暖性变差？棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？孔多的材料保温性能好？ At2t1Q 各种材料的导热系数差别很大，常见建筑材料的导热系数范围是0.0353.5 W(mK)，工程中通常把0.23 W(mK)的材料称为绝热材料绝热材料（保温和隔热材料）。常用建筑材料的热工性质指标材料名称 导热系数W/(mK) 比热J/(gK) 钢 55 0.46 玻璃0.9 花岗岩 3.49 0.92 普通混凝土 1.510.88 水泥砂浆 0.93 0.84 普通粘土砖 0.81 0.84 粘土空心砖 0.64 0.92 松木 0.170.35 2.51 泡沫29、塑料 0.03 1.30 冰冰 2.20 2.05 水水 0.60 4.19 静止空气静止空气 0.023 l 影响导热性的因素：影响导热性的因素：材料的化学组成与结构材料的化学组成与结构 化学组成不同的材料，其导热系数不同，所以不同材料的导热系数也不同。 如：一般情况下，导热系数的大小为： 金属材料非金属材料 有机材料孔隙率和空隙构造特征孔隙率和空隙构造特征 一般来说：P，导热性，原因是静止空气的一般材料的。 P一定时，随着连通孔和粗孔的增多，因为若孔隙粗大或贯通，对流作用加强，。材料的湿度和温度材料的湿度和温度 材料受潮后，导热性，保温隔热性（水空气）。材料受潮后再受冻,进一步，保温隔热性30、进一步(冰水)。棉袄浸水后保暖性变棉袄浸水后保暖性变差？差？孔多的材料保温性能孔多的材料保温性能好？好？某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料？ AB材料名称材料名称 导热系数导热系数W/(mK) 比热比热J/(gK) 钢钢 55 0.46 玻璃玻璃0.9 花岗岩花岗岩 3.49 0.92 普通混凝土普通混凝土 1.510.88 水泥砂浆水泥砂浆 0.93 0.84 普通粘土砖普通粘土砖 0.81 0.84 粘土空心砖粘土空心砖 0.64 0.92 松木松木 0.170.35 2.51 泡沫塑料泡沫塑料 0.03 1.30 冰冰 2.20 2.05 水水 0.60 431、.19 静止空气静止空气 0.023 讨论：保温层的目的是外界温度变化对住户保温层的目的是外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要描述指标为的影响，材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见好。观察两种材料的剖面，可见A材料为材料为多孔结构，多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。的导热系数较小，适于作保温层材料。 1.1.中空玻璃为什么比同厚度的实心玻璃保温中空玻璃为什么比同厚度的实心玻璃保温性能好？性能好？2.2.保温材料为什么保持干燥状态保温效果32、较保温材料为什么保持干燥状态保温效果较好？好？2.3.2 比热容比热容l 定义：材料温度升高（或降低）1K时，所吸收（或放出）的热量，称为材料的热容量，1kg材料的热容量，称为材料的比热容（简称比热）。l 在建筑工程中的作用：大比热容的材料对保持室内温度的相对稳定相对稳定有很大影响。材料名称 比热J/(gK) 钢 0.46 铜 0.38 花岗岩 0.92 普通混凝土 0.88 水泥砂浆 0.84 普通粘土砖 0.84 粘土空心砖 0.92 松木 2.51 泡沫塑料 1.30 冰 2.05 水 4.19 思考题:地球为何适宜人类居住？月球呢？水立方的原理？ 水立方”的外形看上去就像一个蓝色的水盒33、子，而墙面就像一个个无规则的泡泡。这些泡泡所用的材料“ETFE”，这种材料的耐腐蚀性、保温性俱佳，自洁能力强。国外的抗老化试验证明，它可以使用15至20年。 水立方”设计采用了泡沫理论，建筑外墙分布着3000个不规则的气枕，即使出现外膜破裂，8小时内就可以将破损的外膜修补或更换。ETFE膜立面装配系统在国家游泳中心的运用、尝试是迄今世界上规模最大、构造最复杂、技术综合最全面的一次。 耐火材料耐火材料难熔材料难熔材料易熔材料易熔材料第三节第三节 材料的力学性质材料的力学性质一、材料的强度与强度等级请看材料受拉破坏动画演示请看材料受拉破坏动画演示请看材料受压破坏动画演示请看材料受压破坏动画演示请看34、材料受弯破坏动画演示请看材料受弯破坏动画演示 材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。 在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直预先35、制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。 强度强度 根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。如下图所示：形式。如下图所示： 材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：AFfmaxf-材料强度， MPaFmax-材料破坏时的最大荷载，NA-试件受力面积，mm2bhPPPPPPPP2aaal=3aP2l单位：MPa ，1MPa=1N/mm36、2 材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：2max23bhLFfw式中 fw-材料的抗弯强度， MPaFmax-材料受弯破坏时的最大荷载，NL-两支点的间距，mmb、h-试件横截面的宽及高，mm影响材料强度的外界因素 试件的形状 相同底面积的试件，高度越大，强度值越小。 试件尺寸150150150300150150减小200200200100100100150150150减小 加荷速度 （施力速度） 加荷速度越快，测定的强度值越大加荷速度越快，测定的强度值越大 试验环境的温湿度 一般情况下环境越潮湿，测定37、的强度值越低一般情况下环境越潮湿，测定的强度值越低 内部结构 疏松及孔隙率较大的材料，其质点间的联系较弱，有效疏松及孔隙率较大的材料，其质点间的联系较弱，有效受力面积减小，孔隙附近产生应力集中，故测定的强度值越受力面积减小，孔隙附近产生应力集中，故测定的强度值越低。如多空砖，加气混凝土砌块；低。如多空砖，加气混凝土砌块； 具有层状或纤维状构造的材料在不同方向受力时，强度具有层状或纤维状构造的材料在不同方向受力时，强度性能不同。如木材，顺纹横纹抗压强度不同性能不同。如木材，顺纹横纹抗压强度不同 为了使试验结果准确，具有可比性，国家对材料试验方为了使试验结果准确，具有可比性，国家对材料试验方法、步38、骤及试验设备有统一的规定，在测定材料强度时，必法、步骤及试验设备有统一的规定，在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。须严格按照规定的试验方法进行。硬度大、耐磨损、但易折断、硬度大、耐磨损、但易折断、难磨平难磨平收缩小、不易翘曲、木纹挺直、收缩小、不易翘曲、木纹挺直、硬度也好、牢度好硬度也好、牢度好V字形花纹、较美观、但易翘字形花纹、较美观、但易翘曲变形曲变形 材料的强度等级 按强度值的高低划分为若干等级，按强度值的高低划分为若干等级， 即材料的强度等级或牌号。即材料的强度等级或牌号。 脆性材料按脆性材料按抗压抗压强度划分；强度划分； 钢材按抗拉钢材按抗拉屈服屈服强度划分。强度划分。39、 石材按极限抗压强度分石材按极限抗压强度分9个等级：个等级：MU10MU100； 烧结普通砖按抗压强度分烧结普通砖按抗压强度分5个等级：个等级：MU10MU30 ； 普通混凝土按抗压强度分普通混凝土按抗压强度分12个等个等级：级：C7.5C60； 碳素结构钢按抗拉屈服强度分碳素结构钢按抗拉屈服强度分5个个牌号：牌号：Q195Q275。常见建筑材料的强度常见建筑材料的强度/MPa材料材料 抗压强度抗压强度 抗拉强度抗拉强度 抗弯强度抗弯强度 花岗岩花岗岩 100250 58 1014 普通烧结砖普通烧结砖 7.530 1.84.0 普通混凝土普通混凝土 7.560 14 松木松木(横纹横纹) 340、050 80120 60100 建筑钢材建筑钢材 2351 600 2351 600 l 比强度比强度l比强度比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料在断裂是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料在断裂点的强度（通用拉伸强度）与其表观密度之比（点的强度（通用拉伸强度）与其表观密度之比（f /0）。在高）。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。是反层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。是反映材料轻质高强的力学参数。映材料轻质高强的力学参数。 在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。这类轻质高强的材料，也41、是未来土木建筑材料发展的主要方这类轻质高强的材料，也是未来土木建筑材料发展的主要方向。向。 木材强度值虽比混凝土低，但其比强度却高于混凝土，这说明木木材强度值虽比混凝土低，但其比强度却高于混凝土，这说明木材与混凝土相比较是典型的轻质高强材料。材与混凝土相比较是典型的轻质高强材料。 几种主要材料的比强度材料材料 表观密度表观密度/(kg/m3) 强度强度/MPa 比强度比强度 低碳钢低碳钢 7 850 420 0.054 普通混凝土（抗压）普通混凝土（抗压） 2 400 40 0.017 松木（顺纹抗拉）松木（顺纹抗拉） 500 100 0.200 玻璃钢玻璃钢 2 000 450 0.225 42、烧结普通砖（抗压）烧结普通砖（抗压） 1 700 10 0.006 3.2 弹性与塑性弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。的塑性。 弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。逆变形，后者为不可逆变形。 弹性变形的大小与外力成正比，比例系数弹性变形的大43、小与外力成正比，比例系数E成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式成为弹性模量。在弹性变形范围内，用下式表示：表示： E式中 材料的应变; 材料的应力，MPa; E材料的弹性模量 E表示材料抵抗变形的指标，E越大，材料越不容易变形，抵抗变形的能力就越强。3.3 脆性与韧性脆性与韧性l 脆性：脆性： 材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。为脆性。 天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等都是脆性材44、料砂浆等都是脆性材料。脆性材料的另一特点是抗压脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低强度高而抗拉、抗折强度低 承受冲击和震动能力差承受冲击和震动能力差,宜做承压构件，如砖、石材、宜做承压构件，如砖、石材、玻璃、混凝土等玻璃、混凝土等l韧性：韧性： 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。种性质称为韧性。 建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材料。料。 路面、桥梁、吊车梁、牛腿柱、电梯井以及路面、桥梁、吊车梁、牛腿柱、电梯45、井以及有抗震要求的结构都要考虑材料具有较好的有抗震要求的结构都要考虑材料具有较好的韧性。韧性。 3.4 硬度与耐磨性硬度与耐磨性l 硬度硬度 材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法、回弹法和压入法测定材料的硬度。刻划法、回弹法和压入法测定材料的硬度。 刻划法：用于天然矿物硬度的划分，按滑石、刻划法：用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬46、度个硬度等级。摩氏硬度（等级。摩氏硬度（HM），），适用于矿物适用于矿物。 钢球压入法：布氏硬度（钢球压入法：布氏硬度（HB），适用于），适用于木材，木材，混凝土，钢材混凝土，钢材等。等。摩氏硬度摩氏硬度布氏硬度布氏硬度 布氏硬度（HB）：采用压入法，用压痕单位面积上所受的压力表示。F布氏压头材料表面压痕dD)dDD(DFHB222 肖氏硬度（HS）：采用回弹法，用重锤的回弹高度作硬度的相对值。 摩氏硬度（摩氏硬度（HM），）， 矿物的硬度矿物的硬度是指矿物抵抗外来机械作用力是指矿物抵抗外来机械作用力(如刻划、如刻划、压入、研磨等压入、研磨等)侵入的能力。侵入的能力。 早在早在1822年，年，47、Friedrich mohs提出用提出用10种矿物来衡量世种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级：十级： 1、滑石、滑石 2、石膏、石膏 3、方解石、方解石 4、萤石、萤石 5、磷灰石、磷灰石 6、正长石、正长石 7、石英石英 8、黄玉、黄玉 9、刚玉、刚玉 10、金刚、金刚石石 各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。表示硬度的相对大小。 操作方法：操作方法： 选择被测样品选择被测样品的尖锐位置。的尖锐位置。 在已知硬48、度的平面型矿物硬度计平面在已知硬度的平面型矿物硬度计平面进行刻划，刻划硬度的测试由低至高依次进行。进行刻划，刻划硬度的测试由低至高依次进行。 观观察硬度计平面有无刻面，轻擦平面，以防被测样品察硬度计平面有无刻面，轻擦平面，以防被测样品的粉末留在硬度计上，使判断失误。的粉末留在硬度计上，使判断失误。 若硬度计平面若硬度计平面有划痕，则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高有划痕，则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高一级的硬度计，直至介于两个硬度级别之间或相当一级的硬度计，直至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为止。于某一硬度计为止。 结果表示：摩氏硬度计所测的结果表示：摩氏硬度计所测的相对硬度用49、相对硬度用 1 10 数字表示，根据实测情况，可数字表示，根据实测情况，可分别用等于、大于、小于某硬度级别，表示样品摩分别用等于、大于、小于某硬度级别，表示样品摩氏硬度值或范围。氏硬度值或范围。 矿物硬度怎样鉴别呢？矿物抵抗外来机械作用（刻划、压入、研矿物硬度怎样鉴别呢？矿物抵抗外来机械作用（刻划、压入、研磨）的能力，称为硬度。它和矿物的化学成分及晶体构造有关。在磨）的能力，称为硬度。它和矿物的化学成分及晶体构造有关。在肉眼鉴定矿物时，通常采用肉眼鉴定矿物时，通常采用刻划法刻划法确定其硬度，并以确定其硬度，并以“摩氏硬度计摩氏硬度计”中所列举的十种矿物作为对比的标准。例如某矿物能被石英所刻动，50、中所列举的十种矿物作为对比的标准。例如某矿物能被石英所刻动，但不能被长石所刻动，则矿物的硬度必介于但不能被长石所刻动，则矿物的硬度必介于67之间，可以确定为之间，可以确定为6.5。但必须指出，摩氏硬度只是相对等级，并不是硬度的绝对数。但必须指出，摩氏硬度只是相对等级，并不是硬度的绝对数值，所以不能认为：金刚石比滑石硬十倍。另外，有些矿物在晶体值，所以不能认为：金刚石比滑石硬十倍。另外，有些矿物在晶体的不同方向上，硬度是不一样的。例如蓝晶石，沿晶体延长方向的的不同方向上，硬度是不一样的。例如蓝晶石，沿晶体延长方向的硬度为硬度为4.5，而垂直该方向的硬度为，而垂直该方向的硬度为6.5。岩石类大多数51、的硬度比较。岩石类大多数的硬度比较固定，所以摩氏硬度计具有重要的鉴定意义。固定，所以摩氏硬度计具有重要的鉴定意义。 相互刻划的矿物，相互刻划的矿物，可利用指甲（可利用指甲（2-2.5度）、小刀（度）、小刀（5-5.5度）、玻璃（度）、玻璃（6度）、钢锉度）、钢锉（7度）来测定矿物的硬度。度）来测定矿物的硬度。 大理石和玻璃谁更坚硬？大理石和玻璃谁更坚硬？大理石玻璃l 耐磨性耐磨性l耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：AmmG21式中 G材料的磨耗率（g/cm2） m1材料磨损前的质量（g） m2材料磨损后的质量（g） A材料试件的受磨面积（cm2）建筑物那些52、建筑物那些部位选择部位选择材料需要材料需要考虑耐磨性？考虑耐磨性？第四节第四节 材料的耐久性与环境协调性材料的耐久性与环境协调性 材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性。质、不破坏的性质，统称之为耐久性。 耐久性是一种复杂的、综合的性质耐久性是一种复杂的、综合的性质, ,包括材料的抗包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作受到环境中各53、种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用。用可分为物理作用、化学作用和生物作用。 要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。合理地选用。 4.1 耐久性耐久性 物理作用：温度变化、干湿变化、冻融循环物理作用：温度变化、干湿变化、冻融循环 作用。作用。这些作用将使材料发生体积的胀缩，这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。使材料逐渐破坏。 化54、学作用：包括大气、环境水以及使用条化学作用：包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。的侵蚀作用。 机械作用：包括使用荷载的持续作用，交机械作用：包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。等。生物作用：包括菌类、昆虫等的生物作用：包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。n砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏，如碳化、碱集料反应等。的破坏，如碳化、碱集料反应等。n金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。n木材等有机质材料常因生物作用而腐蚀、腐木材等有机质材料