2014年结构工程师基础：建筑材料的基本物理性质

　　二、建筑材料的基本物理性质

　　(一)材料的密度、表观密度和堆积密度

　　1.密度(ρ)

　　密度是材料在绝对密实状态下,单位体积的重量。按下式计算:

　　ρ=m/V

　　式中ρ一一密度, g/cm3;

　　m一一材料的重量, g;

　　V一一材料在绝对密实状态下的体积, cm3。

　　这里指的"重量"与物理学中的"质量"是同一含义,在建筑材料学中,习惯上称之为“重量”。对于固体材料而言, rn是指干燥至恒重状态下的重量。所谓绝对密实状态下的体积是指不含有任何孔隙的体积。建筑材料中除了钢材、玻璃等少数材料外,绝大多数材料都含有一定的孔隙、如砖、石材等块状材料。对于这些有孔隙的材料,测定其密度时，应先把材料磨成细粉,经干燥至恒重后,用比重瓶(李氏瓶)测定其体积,然后按上式计算得到密度值。材料磨得越细,测得的数值就越准确。

　　2.表观密度(ρo)

　　表现密度是指材料在自然状态下,单位体积的重量。按下式计算:

　　Ρo=m/V0

　　ρo一一表观密度, g/cm3或kg/m3;

　　m一一材料的重量, g或kg;

　　Vo一一材料的自然状态下的体积, cm3或m3

　　材料在自然状态下的体积包含了材料内部孔隙的体积。当材料含有水分时,它的重量 积都会发生变化。一般测定表观密度时,以干燥状态为准,如果在含水状态下测定表 度,须注明含水情况。在试验室中测定的通常为烘干至恒重状态下的表观密度。质地 坚硬的散粒状材料,如砂、石,要磨成细粉测定密度需耗费很大的能量,一般测定其 密度,在应用过程中(如混凝土配合比计算过程)近似代替其密度。

　　3.堆积密度(ρ'0)

　　堆积密度是指粉状或散粒状材料在堆积状态下,单位体积的重量。按下式计算:

　　ρ'0=m/V'0 (10-1-3 )

　　其中ρ'0一一堆积密度, kg/m3;

　　M一一材料的重量, kg;

　　V'0一一材料的堆积体积, m3。

　　这里,材料的重量是指自然堆积在一定容器内材料的重量;其堆积体积是指所用容器的容积。容器的容积视材料的种类和规格而定。材料的堆积体积既包含内部孔隙也包含颗粒之间的空隙。

　　(二)材料的孔隙率和空隙率

　　孔隙率是指材料体积内,孔隙体积所占的比例。用下式计算:

　　孔隙率P= = (1- )×100% (10-1-4)

　　孔隙率相对应的是密实度,即材料体积内,被固体物质充实的程度。可用下式计算:

　　密实度D= = ×100% (10-1-5)

　　孔隙率或密实度的大小直接反映了材料的致密程度。材料内部孔隙的构造可分为连通孔和封闭孔,连通孔不仅彼此贯通还与外界相通,而封闭孔不仅彼此不连通,而且与外界相隔绝孔隙按尺寸的大小又可分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。孔隙的大小、分布、数量及构造特征对材料的性能产生很大的影响。

　　(四)材料的吸水性和吸湿性

　　材料在水中能吸收水分的性质,称为吸水性,常用吸水率来表示。按下式计算:

　　式中W吸一一一材料的吸水率, % ;

　　rno一一材料在干燥状态下的重量, g;

　　m一一材料在吸水饱和状态下的重量, g。

　　吸水率有重量吸水率和体积吸水率之分,上式定义的吸水率为重量吸水率,体积吸水率是指材料吸入饱和水的体积占材料自然状态下体积的百分率。

　　材料的吸水率与孔隙有很大关系,若材料具有微细而连通的孔隙,则吸水率较大，若具有封闭孔隙,则水分难以渗入,吸水率较小;若具有的孔隙较粗大,水分虽容易渗入，但不易在孔内保留,仅起到润湿孔壁的作用,吸水率也较小。所以,不同的材料或同种材料不同的内部构造,其吸水率会有很大的差别。

　　吸湿性是指材料吸收空气中水分的性质,常以含水率表示,按下式计算:

　　式中W含一一含水率, % ;

　　M0一一材料在干燥状态下的重量, g;

　　ml 一一一材料在含水状态下的重量, go

　　空气湿度发生变化时,含水率也会随之发生变化。与空气湿度达到平衡时的含水率称平衡含水率。通常材料大量吸湿后,会造成材料重量增加、体积改变、强度降低，对于保温材料来说,还会显著降低其保温绝热性能。

　　(五)材料的耐水性、抗渗性和抗冻性

　　材料长期在饱和水的作用下不破坏,而且强度也不显著降低的性质,称为耐水性,常用软化系数表示。按下式计算:

　　K软=R饱/R干

　　K软一一软化系数;

　　R饱一一材料在吸水饱和状态下的抗压强度, MPa;

　　R干一一材料在干燥状态下的抗压强度, MPa。

　　一般材料吸水后,材料内部的结合力有所削弱,造成强度不同程度的降低,即使是致密的花岗岩长期浸泡水中,强度也会降低3%左右。

　　K软在0~1之间波动,通常将软化系数大于0.85的材料,认为是耐水材料。

　　抗惨性是指材料抵抗压力水渗透的性质,一般用渗透系数K或抗渗等级P表示。

　　K一一渗透系数, cm/h;

　　Q一一透水量, cm3;

　　d一一试件厚度, cm;

　　A一一透水面积?, cm-;

　　t一一时间, h;

　　H一一静水压力水头, cm.

　　凝土材料的抗渗等级可用下式计算:

　　P=10H-1

　　P一抗渗等级;

　　H――六个试件中有三个试件开始渗水时的水压力, MPa。

　　渗透系数越小或抗渗等级越高,表明材料的抗渗性越好。各种防水材料及受压力水作用部位的材料,都要具有一定的抗渗性。

　　抗冻性是指材料在吸水饱和状态下,能经受多次冻融循环作用而不破坏、强度又不显著降低的性质,常用抗冻等级F表示。抗冻等级表示试件能经受的最大冻融循环次数。

　　当材料内部孔隙充满水,且水温降至负温时,水会结冰而产生体积膨胀(约增大9%)，对孔壁产生很大的压力(可达100MPa) ,造成孔壁开裂。反复的冻融又造成材料内外层产生明显的应力差和温度差,将对材料产生不同程度的破坏。

　　材料的抗渗性和抗冻性与孔隙率、孔隙大小和特征等有很大关系。孔隙率小及具有封闭孔的材料有较高的抗渗性和抗冻性;若具有细微而连通的孔隙,则对抗渗性和抗冻性均不利，若孔隙吸水后还有一定的空间,则可缓解冰冻的破坏作用。

　　(六)材料的导热性和热容量

　　材料传导热量的性质称为导热性。当材料两侧表面存在温度差时,热量会从材料的一面传到另一面。材料的导热性可用导热系数λ表示,采用下式计算:

　　λ一一导热系数, W/(m.K);

　　Q一一传导热量, J;

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