2014年結(jié)構(gòu)工程師基礎(chǔ)：建筑材料的基本物理性質(zhì)

　　二、建筑材料的基本物理性質(zhì)

　　(一)材料的密度、表觀密度和堆積密度

　　1.密度(ρ)

　　密度是材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計(jì)算:

　　ρ=m/V

　　式中ρ一一密度, g/cm3;

　　m一一材料的重量, g;

　　V一一材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積, cm3。

　　這里指的"重量"與物理學(xué)中的"質(zhì)量"是同一含義,在建筑材料學(xué)中,習(xí)慣上稱(chēng)之為“重量”。對(duì)于固體材料而言, rn是指干燥至恒重狀態(tài)下的重量。所謂絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積是指不含有任何孔隙的體積。建筑材料中除了鋼材、玻璃等少數(shù)材料外,絕大多數(shù)材料都含有一定的孔隙、如磚、石材等塊狀材料。對(duì)于這些有孔隙的材料,測(cè)定其密度時(shí)，應(yīng)先把材料磨成細(xì)粉,經(jīng)干燥至恒重后,用比重瓶(李氏瓶)測(cè)定其體積,然后按上式計(jì)算得到密度值。材料磨得越細(xì),測(cè)得的數(shù)值就越準(zhǔn)確。

　　2.表觀密度(ρo)

　　表現(xiàn)密度是指材料在自然狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計(jì)算:

　　Ρo=m/V0

　　ρo一一表觀密度, g/cm3或kg/m3;

　　m一一材料的重量, g或kg;

　　Vo一一材料的自然狀態(tài)下的體積, cm3或m3

　　材料在自然狀態(tài)下的體積包含了材料內(nèi)部孔隙的體積。當(dāng)材料含有水分時(shí),它的重量 積都會(huì)發(fā)生變化。一般測(cè)定表觀密度時(shí),以干燥狀態(tài)為準(zhǔn),如果在含水狀態(tài)下測(cè)定表 度,須注明含水情況。在試驗(yàn)室中測(cè)定的通常為烘干至恒重狀態(tài)下的表觀密度。質(zhì)地 堅(jiān)硬的散粒狀材料,如砂、石,要磨成細(xì)粉測(cè)定密度需耗費(fèi)很大的能量,一般測(cè)定其 密度,在應(yīng)用過(guò)程中(如混凝土配合比計(jì)算過(guò)程)近似代替其密度。

　　3.堆積密度(ρ'0)

　　堆積密度是指粉狀或散粒狀材料在堆積狀態(tài)下,單位體積的重量。按下式計(jì)算:

　　ρ'0=m/V'0 (10-1-3 )

　　其中ρ'0一一堆積密度, kg/m3;

　　M一一材料的重量, kg;

　　V'0一一材料的堆積體積, m3。

　　這里,材料的重量是指自然堆積在一定容器內(nèi)材料的重量;其堆積體積是指所用容器的容積。容器的容積視材料的種類(lèi)和規(guī)格而定。材料的堆積體積既包含內(nèi)部孔隙也包含顆粒之間的空隙。

　　(二)材料的孔隙率和空隙率

　　孔隙率是指材料體積內(nèi),孔隙體積所占的比例。用下式計(jì)算:

　　孔隙率P= = (1- )×100% (10-1-4)

　　孔隙率相對(duì)應(yīng)的是密實(shí)度,即材料體積內(nèi),被固體物質(zhì)充實(shí)的程度?？捎孟率接?jì)算:

　　密實(shí)度D= = ×100% (10-1-5)

　　孔隙率或密實(shí)度的大小直接反映了材料的致密程度。材料內(nèi)部孔隙的構(gòu)造可分為連通孔和封閉孔,連通孔不僅彼此貫通還與外界相通,而封閉孔不僅彼此不連通,而且與外界相隔絕孔隙按尺寸的大小又可分為極微細(xì)孔隙、細(xì)小孔隙和較粗大孔隙?？紫兜拇笮　⒎植?、數(shù)量及構(gòu)造特征對(duì)材料的性能產(chǎn)生很大的影響。

　　(四)材料的吸水性和吸濕性

　　材料在水中能吸收水分的性質(zhì),稱(chēng)為吸水性,常用吸水率來(lái)表示。按下式計(jì)算:

　　式中W吸一一一材料的吸水率, % ;

　　rno一一材料在干燥狀態(tài)下的重量, g;

　　m一一材料在吸水飽和狀態(tài)下的重量, g。

　　吸水率有重量吸水率和體積吸水率之分,上式定義的吸水率為重量吸水率,體積吸水率是指材料吸入飽和水的體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分率。

　　材料的吸水率與孔隙有很大關(guān)系,若材料具有微細(xì)而連通的孔隙,則吸水率較大，若具有封閉孔隙,則水分難以滲入,吸水率較小;若具有的孔隙較粗大,水分雖容易滲入，但不易在孔內(nèi)保留,僅起到潤(rùn)濕孔壁的作用,吸水率也較小。所以,不同的材料或同種材料不同的內(nèi)部構(gòu)造,其吸水率會(huì)有很大的差別。

　　吸濕性是指材料吸收空氣中水分的性質(zhì),常以含水率表示,按下式計(jì)算:

　　式中W含一一含水率, % ;

　　M0一一材料在干燥狀態(tài)下的重量, g;

　　ml 一一一材料在含水狀態(tài)下的重量, go

　　空氣濕度發(fā)生變化時(shí),含水率也會(huì)隨之發(fā)生變化。與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)的含水率稱(chēng)平衡含水率。通常材料大量吸濕后,會(huì)造成材料重量增加、體積改變、強(qiáng)度降低，對(duì)于保溫材料來(lái)說(shuō),還會(huì)顯著降低其保溫絕熱性能。

　　(五)材料的耐水性、抗?jié)B性和抗凍性

　　材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不破壞,而且強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì),稱(chēng)為耐水性,常用軟化系數(shù)表示。按下式計(jì)算:

　　K軟=R飽/R干

　　K軟一一軟化系數(shù);

　　R飽一一材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度, MPa;

　　R干一一材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度, MPa。

　　一般材料吸水后,材料內(nèi)部的結(jié)合力有所削弱,造成強(qiáng)度不同程度的降低,即使是致密的花崗巖長(zhǎng)期浸泡水中,強(qiáng)度也會(huì)降低3%左右。

　　K軟在0~1之間波動(dòng),通常將軟化系數(shù)大于0.85的材料,認(rèn)為是耐水材料。

　　抗慘性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì),一般用滲透系數(shù)K或抗?jié)B等級(jí)P表示。

　　K一一滲透系數(shù), cm/h;

　　Q一一透水量, cm3;

　　d一一試件厚度, cm;

　　A一一透水面積?, cm-;

　　t一一時(shí)間, h;

　　H一一靜水壓力水頭, cm.

　　凝土材料的抗?jié)B等級(jí)可用下式計(jì)算:

　　P=10H-1

　　P一抗?jié)B等級(jí);

　　H――六個(gè)試件中有三個(gè)試件開(kāi)始滲水時(shí)的水壓力, MPa。

　　滲透系數(shù)越小或抗?jié)B等級(jí)越高,表明材料的抗?jié)B性越好。各種防水材料及受壓力水作用部位的材料,都要具有一定的抗?jié)B性。

　　抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下,能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞、強(qiáng)度又不顯著降低的性質(zhì),常用抗凍等級(jí)F表示?？箖龅燃?jí)表示試件能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。

　　當(dāng)材料內(nèi)部孔隙充滿(mǎn)水,且水溫降至負(fù)溫時(shí),水會(huì)結(jié)冰而產(chǎn)生體積膨脹(約增大9%)，對(duì)孔壁產(chǎn)生很大的壓力(可達(dá)100MPa) ,造成孔壁開(kāi)裂。反復(fù)的凍融又造成材料內(nèi)外層產(chǎn)生明顯的應(yīng)力差和溫度差,將對(duì)材料產(chǎn)生不同程度的破壞。

　　材料的抗?jié)B性和抗凍性與孔隙率、孔隙大小和特征等有很大關(guān)系。孔隙率小及具有封閉孔的材料有較高的抗?jié)B性和抗凍性;若具有細(xì)微而連通的孔隙,則對(duì)抗?jié)B性和抗凍性均不利，若孔隙吸水后還有一定的空間,則可緩解冰凍的破壞作用。

　　(六)材料的導(dǎo)熱性和熱容量

　　材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)熱性。當(dāng)材料兩側(cè)表面存在溫度差時(shí),熱量會(huì)從材料的一面?zhèn)鞯搅硪幻妗２牧系膶?dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示,采用下式計(jì)算:

　　λ一一導(dǎo)熱系數(shù), W/(m.K);

　　Q一一傳導(dǎo)熱量, J;

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