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建筑材料常见问题解答第2章基本性质


建筑材料常见问题解答 第2章 建筑材料的基本性质 1.一般的讲,建筑材料的基本性质可归纳为哪几类? 答:一般的讲,建筑材料的基本性质可归纳为以下几类: 物理性质:包括材料的密度、孔隙状态、与水有关的性质、热工性能等。 化学性质:包括材料的的抗腐蚀性、化学稳定性等,因材料的化学性质相异较 大,故该部分内容在以后各章中分别叙述。 力学性质:材料的力学性质应包括在物理性质中,但因其对建筑物的安全使用 有重要意义,故对其单独研究,包括材料的强度、变形、脆性和韧性、硬度和耐磨 性等。 耐久性:材料的耐久性是一项综合性质,虽很难对其量化描述,但对建筑物的 使用至关重要。 2.什么是材料的化学组成? 答:材料化学组成的不同是造成其性能各异的主要原因。化学组成通常从材料 的元素组成和矿物组成两方面分析研究。 材料的元素组成,主要是指其化学元素的组成特点,材料的矿物组成主要是指 元素组成相同,但分子团组成形式各异的现象。 3.建筑材料的微观结构主要有哪几种形式?各有何特点? 建筑材料的微观结构主要有晶体、玻璃体和胶体等形式。 晶体的微观结构特点是组成物质的微观粒子在空间的排列有确定的几何位置关 系。一般来说,晶体结构的物质具有强度高、硬度较大、有确定的熔点、力学性质 各向异性的共性。建筑材料中的金属材料(钢和铝合金)和非金属材料中的石膏及 水泥石中的某些矿物等都是典型的晶体结构。 玻璃体微观结构的特点是组成物质的微观粒子在空间的排列呈无序浑沌状态。 玻璃体结构的材料具有化学活性高、无确定的熔点、力学性质各向同性的特点。粉 煤灰、建筑用普通玻璃都是典型的玻璃体结构。 胶体是建筑材料中常见的一种微观结构形式,通常是由极细微的固体颗粒均匀 分布在液体中所形成。胶体与晶体和玻璃体最大的不同点是可呈分散相和网状结构 两种结构形式,分别称为溶胶和凝胶。溶胶失水后成为具有一定强度的凝胶结构, 可以把材料中的晶体或其他固体颗粒粘结为整体。如气硬性胶凝材料水玻璃和硅酸 盐水泥石中的水化硅酸钙和水化铁酸钙都呈胶体结构。 4. 什么是材料的构造?按照材料宏观组织和孔隙状态的不同可将材料的构造分 为哪些类型?
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答:材料在宏观可见层次上的组成形式称为构造,按照材料宏观组织和孔隙状 态的不同可将材料的构造分为以下类型: ⑴ 致密状构造 该构造完全没有或基本没有孔隙。具有该种构造的材料一般密度较大,导热性 较高,如钢材、玻璃、铝合金等。 ⑵ 多孔状构造 该种构造具有较多的孔隙,孔隙直径较大(㎜级以上) 。该种构造的材料一般都 为轻质材料,具有较好的保温隔热性和隔音吸声性能,同时具有较高的吸水性。如 加气混凝土、泡沫塑料、刨花板等。 ⑶ 微孔状构造 该种构造具有众多直径微小的孔隙, 该种构造的材料通常密度和导热系数较小, 有良好的隔音吸声性能和吸水性,抗渗性较差。石膏制品、烧结砖具有典型的微孔 状构造。 ⑷ 颗粒状构造 该种构造为固体颗粒的聚集体,如石子、砂和蛭石等。该种构造的材料可由胶 凝材料粘结为整体,也可单独以填充状态使用。该种构造的材料性质因材质不同相 差较大,如蛭石可直接铺设作为保温层,而砂、石可作为骨料与胶凝材料拌合形成 砂浆和混凝土。 ⑸ 纤维状构造 木材、玻璃纤维、矿棉都是纤维状构造的代表。该种构造通常呈力学各向异性, 其性质与纤维走向有关,一般具有较好的保温和吸声性能。 ⑹ 层状构造 该种构造形式最适合于制造复合材料,可以综合各层材料的性能优势,其性能 往往呈各向异性。胶合板、复合木地板、纸面石膏板、夹层玻璃都是层状构造。 5.材料的孔隙状况由哪三个指标来说明?各有何特点? 答:材料的孔隙状况由孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径三个指标来说明。 孔隙率是指孔隙在材料体积中所占的比例。一般孔隙率越大,材料的密度越小、 强度越低、保温隔热性越好、吸声隔音能力越高。 孔隙按其连通性可分为连通孔和封闭孔。连通孔是指孔隙之间、孔隙和外界之 间都连通的孔隙(如木材、矿渣) ;封闭孔是指孔隙之间、孔隙和外界之间都不连通 的孔隙(如发泡聚苯乙烯、陶粒) ;界于两者之间的称为半连通孔或半封闭孔。一般 情况下,连通孔对材料的吸水性、吸声性影响较大,而封闭孔对材料的保温隔热性 能影响较大。 孔隙按其直径的大小 可分为粗大孔、毛细孔、极细微孔三类。粗大孔指直径大 于 mm 级的孔隙, 其主要影响材料的密度、 强度等性能。 毛细孔是指直径在μm~mm
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级的孔隙,这类孔隙对水具有强烈的毛细作用,主要影响材料的吸水性、抗冻性等 性能。极细微孔的直径在μm 以下,其直径微小,对材料的性能反而影响不大。矿 渣、石膏制品、陶瓷锦砖分别以粗大孔、毛细孔、极细微孔为主。 5.材料与质量有关的性质主要是指材料的哪些指标? 答:材料与质量有关的性质主要是指材料的各种密度和描述其孔隙与空隙状况 的指标。 6.单体材料的体积主要由哪些体积组成?如何定义表观体积和堆积体积? 答:单体材料的体积主要由绝对密实的体积 V、开口孔隙体积(之和)V 开、闭 口孔隙体积(之和)V 闭组成。 绝对密实的体积 V 与闭口孔隙体积 V 闭的和定义为表观体积 V′, 而将材料的自 然体积即 V0′表示。 7. 什么是材料的密度、 表观密度、 体积密度和堆积密度?分别用什么方法求得? 答: (1)密度 密度是指材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。用下式表示 V+V 闭+V 开(也即 V+V 孔)用 V0 表示。 将材料的空隙体积(之和)V 空与自然体积 V0 的和定义为材料的堆积体积,用

ρ =
式中

m V
ρ—材料的密度(g/cm3 或 kg/m3) ; m—材料的质量(g 或 kg) ;

(2—1)

V—材料在绝对密实状态下的体积(cm3 或 m3) 。 对于绝对密实而外形规则的材料如钢材、玻璃等,V 可采用测量计算的方法求 得。对于可研磨的非密实材料,如砌块、石膏,V 可采用研磨成细粉,再用密度瓶 测定的方法求得。 (2)表观密度

ρ‘ =

m V,
ρ —材料的表观密度(g/cm3 或 kg/m3) ; m —材料的质量(g 或 kg) ; V′—材料的表观体积(cm3 或 m3) 。


(2—2)

式中

对于颗粒状外形不规则的坚硬颗粒,如砂或石子,V 可采用排水法测得,但此 时所得体积为表观体积 V′,
3

(3)体积密度 材料的体积密度是材料在自然状态下,单位体积的质量,用下式表达:

ρ0 =
式中

m V0
ρ0—体积密度(g/cm3 或 kg/cm3) ; m—材料的质量(g 或 kg) ; V0—材料的自然体积(cm3 或 m3) 。

(2—3)

材料自然体积的测量,对于外形规则的材料,如烧结砖,砌块,可采用测量计 算方法求得。对于外形不规则的散粒材料,亦可采用排水法,但材料需经涂蜡处理。 根据材料在自然状态下含水情况的不同,体积密度又可分为干燥体积密度、气干体 积密度(在空气中自然干燥)等几种。 (4)堆积密度 材料的堆积密度是指粉状、 颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量, 用下式表达:

ρ0/ =
式中

m V0/
ρ0′—堆积密度(g/cm3 或 kg/m3) ;
m—材料的质量(g 或 kg) ; V0 —材料的堆积体积(cm3 或 m3) 。


(2—4)

材料的堆积体积可采用容积筒来量测。 8. 什么是材料的密实度和孔隙率?如何表示材料的密实度和空隙率?材料的密 实度和孔隙率有何关系? 答:材料的密实度和孔隙率 (1)密实度 密实度是指材料的体积内,被固体物质充满的程度,用 D 表示:

D=

V ρ0 = × 100% V0 ρ

(2—5)

(2)孔隙率 孔隙率是指在材料的体积内,孔隙体积所占的比例,用 P 表示:

P=

V0 - V ρ0 = (1 ) × 100% V0 ρ

(2—6)

(3)材料的密实度和孔隙率的关系 P+D=1 即材料的自然体积仅由绝对密实的体积和孔隙体积构成。
4

(2—7)

9. 什么是材料的填充率与空隙率?如何表示材料的填充率与空隙率?材料的填 充率与空隙率有何关系? 答:材料的填充率与空隙率 (1)填充率 填充率是指散粒状材料在其堆积体积中,被颗粒实体体积填充的程度,以 D 表 示。
, ρ0 D = , × 100% = × 100% ρ0 V0 /


V0

(2—8)

(2)空隙率 空隙率是指散粒材料的堆积体积内,颗粒之间的空隙体积所占的比例,以 P′ 表示。

P ' = (1

,

V0 ρ, ) × 100% = ( 1 0 ) × 100% ρ0 V0,

(2—9)

(3)材料的填充率与空隙率的关系 P′+ D′=1 (2—10) 空隙率反映了散粒材料的颗粒之间的相互填充的致密程度,对于混凝土的粗、 细骨料,空隙率越小,说明其颗粒大小搭配的越合理,用其配制的混凝土越密实, 水泥也越节约。 10.材料与水有关的性质主要有哪些? 答:材料与水有关的性质主要有:材料的亲水性和憎水性以及材料的吸水性、 吸湿性、耐水性、抗冻性、抗渗性等。 11.什么条件下材料是亲水的?什么条件下材料是憎水的? 答: 若润湿角 θ≤90°, 说明材料与水之间的作用力要大于水分子之间的作用力, 故材料可被水浸润,称该种材料是亲水的。反之,当润湿角 θ>90°,说明材料与 水之间的作用力要小于水分子之间的作用力,则材料不可被水浸润,称该种材料是 憎水的。 12.什么是材料的吸水性?材料的吸水性有哪两种表示方式?两种吸水率存在 着什么关系?影响材料的吸水性的主要因素有哪些?材料的吸水率越大对材料的哪 些性质又影响? 答: (1)材料的吸水性是指材料在水中吸收水分达饱和的能力。 (2)材料的吸水性有质量吸水率和体积吸水率两种表达方式,分别以 WW 和 WV 表示:
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m2 Ww = m1

m1 × 100% m2 V0 m1 ?
(2—11)

Vw × 100% = WV = V0
式中

1 × 100% ρw

(2—12)

Ww —质量吸水率(%) ; Wv—体积吸水率(%) ; m2—材料在吸水饱和状态下的质量(g) ; ; m1—材料在绝对干燥状态下的质量(g)

Vw—材料所吸收水分的体积(cm3) ;
ρw—水的密度,常温下可取 1g/cm3 。 对于质量吸水率大于 100%的材料,如木材等通常采用体积吸水率,而对于大多 数材料,经常采用质量吸水率。 (3)两种吸水率存在着以下关系: WV =Wwρ0/ρw 这里的 ρ0 应是材料的干燥体积密度,单位采用 g/cm 。 (4)影响材料的吸水性的主要因素有材料本身的化学组成、结构和构造状况, 尤其是孔隙状况。一般来说,材料的亲水性越强,孔隙率越大,连通的毛细孔隙越 多,其吸水率越大。 (5)材料的吸水率越大,其吸水后强度下降越大,导热性增大,抗冻性随之下 降。 13.什么是材料的吸湿性?材料的吸湿性用什么来表达?影响材料吸湿性的因 素有哪些? 答: (1)材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的能力。 (2)材料的吸湿性以含水率表达:
3

(2—13)

mk W =
式中

m1 × 100%
(2—14)

m1

W—材料的含水率(%) ; mK—材料吸湿后的质量(g) ; m1—材料在绝对干燥状态下的质量(g) 。

(3)影响材料吸湿性的因素,除材料本身(化学组成、结构、构造、孔隙) , 还与环境的温湿度有关。
6

14.什么是材料的耐水性?耐水性用什么表示?通常对耐水材料的软化系数有 何要求? 答: (1)耐水性是指材料在长期饱和水的作用下,不破坏、强度也不显著降低 的性质。 (2)耐水性用软化系数表示:

Kp =

fw f
fW—材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa) ; f—材料在绝对干燥状态下的抗压强度(MPa) 。

(2—15)

式中 KP—软化系数,其取值在 0~1 之间;

(3)软化系数越小,说明材料的耐水性越差。通常 Kp 大于 0.80 的材料,可认 为是耐水材料。 15.什么是材料的抗渗性?抗渗性用什么来表示?材料的抗渗性主要哪些因素 有关? 答: (1)抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。 (2)抗渗性可用渗透系数表示。 在一定的时间 t 内,通过材料的水量 Q 与试件截面面积 A 及材料两则的水头差 H 成正比,而与试件厚度 d 成反比,而其比例数 k 即定义为渗透系数。 即由:Q = k

HAt d

可得

k=

Qd HAt

(2—16)

式中 Q—透过材料试件的水量(cm3); H—水头差。(cm); A—渗水面积(cm2); d—试件厚度(cm); t—渗水时间(h) ; k—渗透系数(cm/h)。 材料的抗渗性,也可用抗渗等级 P 表示。即在标准试验条件下,材料的最大渗 水压力(MPa) 。如抗渗标号为 P6,表示该种材料的最大渗水压力为 0.6 MPa。 (3)材料的抗渗性主要与材料的孔隙状况有关。材料的孔隙率越大,连通孔隙 越多,其抗渗性越差。绝对密实的材料和仅有闭口孔或极细微孔的材料实际是不渗 水的。 16.什么是材料的抗冻性?材料的抗冻性用什么来表示?抗冻等级是根据哪些 因素决定的? 答: (1)抗冻性是指材料在吸水饱和状态下,抵抗多次冻融循环,不破坏、强
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度也不显著降低的性质。 (2)抗冻性用抗冻等级 F 表示。例如,抗冻等级 F10 表示在标准试验条件下, 材料强度下降不大于 25%, 质量损失不大于 5%, 所能经受的冻融循环的次数最多为 10 次。 (3)抗冻等级的确定是根据建筑物的种类、材料的使用条件和部位、当地的气 候条件等因素决定的。 17.材料与热有关的性质主要有哪些? 答:材料与热有关的性质主要有:材料的导热性、热容、耐燃性和耐火性等。 18.什么是材料的导热性?材料的导热性用什么来表示?材料的导热系数主要 与哪些因素有关? 答: (1)导热性是指材料传导热量的能力。 (2)材料的导热性用导热系数表示,可表达为下式: Q=λ

A(T1 - T2 )t d

(2—17)

比例系数λ则定义为导热系数。由式(2-17)可得:

λ =

Qd (T1 - T 2 )At
; T1-T2——材料两侧温差(K) d—材料厚度(m) ; A—材料导热面积(m2) ;

(2—18)

式中 λ—导热系数。单位为 W/(m·K) ;

t—导热时间(s) 。 (3)材料的导热系数主要与以下各因素有关: 1)材料的化学组成和物理结构:一般金属材料的导热系数要大于非金属材料, 无机材料的导热系数大于有机材料,晶体结构材料的导热系数大于玻璃体或胶体结 构的材料。 2)孔隙状况:材料的孔隙率越高、闭口孔隙越多、孔隙直径越小,则导热系数 越小。 3)环境的温湿度:因空气、水、冰的导热系数依次加大,故保温材料在受潮、 受冻后,导热系数可加大近 100 倍。因此,保温材料使用过程中一定要注意防潮防 冻。 19.什么是材料的热容与比热容?材料的热容用什么来表示?材料的热容量有 何意义?
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答: (1)材料受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质称为热容。 比热容是指单位质量的材料温度升高 1K(或降低 1K)时所吸收(或放出)的热量, 其表达式为:

C =

Q m(T 2 - T1 )
m—材料的质量(g) ; T2-T1——材料受热(或冷却)前后的温度差(K) ; C—材料的比热容(J/g ·K)。

(2-19)

式中 Q—材料吸收(或放出)的热量(J) ;

(2)材料的热容可用热容量表示,它等于比热容 C 与质量 m 的乘积,单位为 kJ/K。 (3)材料的热容量对于稳定建筑物内部温度的恒定和冬季施工有很重要的意 义。热容量大的材料可缓和室内温度的波动,使其保持恒定。 20.什么是材料的耐燃性?按耐燃性材料可分为哪两类? 答:耐燃性是指材料在火焰和高温作用下可否燃烧的性质。我国相关规范把材 料按耐燃性分为非燃烧材料(如钢铁、砖、石等) 、难燃材料(如纸面石膏板、水泥 刨花板等)和可燃材料(如木材、竹材等) 。 21.什么是材料的耐火性?材料的耐火性用什么来表示?耐燃性和耐火性概念 的区别如何? 答: (1)耐火性是材料在火焰和高温作用下,保持其不破坏、性能不明显下降 的能力。 (2)材料的耐火性用其耐受时间(h)来表示,称为耐火极限。 (3) 耐燃性和耐火性概念的区别, 耐燃的材料不一定耐火, 耐火的一般都耐燃。 如钢材是非燃烧材料,但其耐火极限仅有 0.25h,故钢材虽为重要的建筑结构材料, 但其耐火性却较差,使用时须进行特殊的耐火处理。 22.什么是材料的强度?影响材料强度试验结果的因素有哪些?什么是比强 度? 答: (1)材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。 (2)影响材料强度试验结果的因素: 1)试件的形状和大小:一般情况下,大试件的强度往往小于小试件的强度。棱 柱体试件的强度要小于同样尺度的正立方体试件的强度。 2)加荷速度:强度试验时,加荷速度越快,所测强度值越高。 3)温度:一般情况,试件温度越高,所测强度值越低。但钢材在温度下降到某
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一负温时,其强度值会突然下降很多。 4)含水状况:含水试件的强度较干燥的试件为低。 5)表面状况:作抗压试验时,承压板与试件间磨擦越小,所测强度值越低。 (3)比强度是指材料的强度与其体积密度之比,是衡量材料轻质高强性能的指 标。

23.什么是材料的弹性和塑性? 答: 弹性和塑性是材料的变形性能。 它们主要描述的是材料变形的可恢复特性。 弹性是指材料在外力作用下发生变形,当外力解除后,能完全恢复到变形前形 状的性质。这种变形称为弹性变形或可恢复变形。 塑性是指材料在外力作用下发生变形,当外力解除后,不能完全恢复原来形状 的性质。这种变形称为塑性变形或不可恢复变形。 24.什么是材料的韧性与脆性?脆性材料力学性能的特点是什么? 答:在冲击、震动荷载作用下,材料可吸收较大的能量产生一定的变形而不破 坏的性质称为韧性或冲击韧性。建筑钢材(软钢) 、木材、塑料等是较典型的韧性材 料。路面、桥梁、吊车梁及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。 脆性是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明 显塑性变形的性质。 脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极 小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比,它 们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。 25.什么是材料的硬度,其测定方法有哪两种?什么是材料的耐磨性,用什么 来表示材料的耐磨性? 答:硬度是指材料表面耐较硬物体刻划或压入而产生塑性变形的能力。测定材 料硬度的方法有压入法和刻划法两种。压入法硬度的指标有布氏硬度和洛氏硬度, 刻划法测定的硬度称为莫氏硬度,根据刻划矿物(滑石、石膏、磷灰石、正长石、 硫铁矿、黄玉、金刚石等)的不同分为 10 级。 耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力,用磨损率表示,它等于试件在标准试验 条件下磨损前后的质量差与试件受磨表面积之商。 磨损率越大, 材料的耐磨性越差。 26.什么是材料的耐久性?影响材料耐久性的外部作用因素与内部因素有哪 些?混凝土与钢材的耐久性由哪些指标所体现? 答: (1)耐久性是指材料使用过程中,在内、外部因素的作用下,经久不破坏、 不变质,保持原有性能的性质。
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(2)影响材料耐久性的外部作用因素:环境的干湿、温度及冻融变化等物理作 用会引起材料的体积胀缩,周而复使会使材料变形、开裂甚至破坏。与材料耐久性 有关的内部因素,主要是材料的化学组成、结构和构造的特点。影响材料耐久性的 外部因素,往往又是通过其内部因素而发生作用的。 (3)混凝土的耐久性,主要以抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性和抗碳化性所体现。 钢材的耐久性,主要决定于其抗锈蚀性,而沥青的耐久性则主要取决于其大气稳定 性和温度敏感性。

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