【西南交通大學】《建築材料》（全58講）李固華 P5 - 5. 2.3 材料的基本性質

好的 接下來咱們看材料與水有關的性質 由於我們的建築物材料 就在地球上 應該講這個水是它的一個基本環境之一 所以的話我們需要研究它與水有關的性質 我們首先來看材料的清水性和增水性 好 與水接觸的時候 材料表面能夠被水潤溼的性質稱爲清水性 而它的表面不能被水潤溼的性質 我們稱爲增水性 具有清水性或者增水性的根本原因在於材料的分子結構 清水性的材料它與水分子之間的分子作用力 它是要大於水分子之間相互之間的一個勒距力 也就是說我們的水分子的話 它由於有勒距的存在 它傾向於成一個球形 這也是爲什麼我們的雨滴 它是一滴一滴的 也就是說它由於有勒距的存在 我們的這個水分子的話 它是傾向於這種聚合在一起的 而增水性的材料的話 它水分子之間作用力的話 它是小於水分子之間相互的勒距力 也就是說我們清水性的材料 它和水的分子之間作用力的話 它那個吸引力要大於水分子的那個勒距力 所以它把我們水分子把它展開了 把它拉開了 而我們增水性的話 它拉開的那個力不夠 這樣的話我們的水的這個狀態還是傾向於這種球形 好 然後我們看了兩幅圖 在我們的圖A的話 也就是說它清水性的材料的話 也就是說剛剛說 由於我們的這個材料對水有這個吸引力 它就把這個水鋪展開了 把它拉開了 變成一種有扇面的狀態 而我們增水性的材料的話 它這個水的話還是傾向於這種液地 還是一種球形的狀態 圖上面那個對應的甲角 那個θ角對於清水性的材料的話 它的θ角是小於90度的 而對於增水性的材料 θ角是大於90度的 這個θ角的話我們稱爲潤溼角 也就是θ角小於等於90度 我們稱它爲清水性的 θ角大於和等於90度 我們稱它爲增水性的材料 接下來咱們看材料的吸水性 它指的是材料在水中吸收水分的能力 稱爲材料的吸水性 吸水性材料大家可以想象一下有什麼 最典型的就是我們的海綿 海綿吸水能力太強了 它的吸水的高 我們後面會講那個吸水率 它可能會超過百分之百 吸水性的大小以吸水率來表示 吸水率我們主要有兩個 一個是質量吸水率 質量吸水率它指的是材料 在沒有壓力水的水的情況下 吸水達到飽和麪幹水的狀態 稱爲含水率 這裏有一個概念叫飽和麪幹 也就是說我們吸完水 裏面的孔隙全部充滿水 而外面沒有多餘的水 那個狀態我們稱爲飽和麪幹 後面這是我們一個很重要的概念 就什麼叫做飽和麪幹 就是裏面的孔隙 就我們的剛剛我們前面說的 那個開口的孔 或者說外孔充滿了水 而內孔裏面的一些孔的話 基本上沒有水 而且表面沒有餘水 沒有積水 這個狀態稱爲一個飽和麪幹狀態 對應的那個含水率 就是我們的質量吸水率 它主要有兩個表示方法 一個質量吸水率的話 它的α的計算公式爲 α等於m1減掉m 再除以m乘以百分之百 在這個式子裏面的話 m是材料在乾燥狀態下的質量 它的單位是克或者千克 而我們的m1的話 是長壓下材料吸水 達到飽和麪幹狀態下的一個質量 克或者千克 在這個式子裏面 我們特別要注意的 它這個質量吸水率α 等於m1減掉m 再除以m2 一定要注意這個地方是m2 然後再乘以百分之百 也就是說在這個式子裏面的話 它的底下這個分母m 是乾燥狀態下的質量 那我想問一下大家 我們材料的吸水率 有沒有可能超過百分之百 當然是會超過百分之百 也就是說這和我們平常的概念不一樣 它的是除以材料乾燥狀態下的質量 也就是說它吸水的質量 可以大於乾燥狀態質量的 例如我們的海綿 它可能一顆海綿 它可能會吸十顆水 那它的吸水率 可能就到了百分之九百了 百分之九百的概念 這質量吸水率 它是可能會大於一的 或者大於百分之百的 好 接下來我們看那個體積吸水率 體積吸水率的話 它是指的是我們材料 在吸水飽和時 所吸水的體積 佔材料自然體積的一個百分率 以β來表示 體積吸水率β的計算公式爲 β等於m1-m除以微0 再乘以 或者說除以 NOHIO 或者說NOHIO分之一 再乘以百分之百 或者等於β 乘以NO0除以HIO 就是這個概念 好 在這個裏面的話 那麼和我們的質量吸水率對應的 就是我們體積吸水率的話 它是不可能大於百分之百的 因爲它對應的是 吸水的水的體積 佔總體積的百分率 而我們前面說的質量吸水率的話 它是水的質量 佔乾的質量的百分率 幹質量的百分率 在這個式子裏面的話 m的話是材料在乾燥狀態下的質量 m1的話是長壓下 材料吸水達到飽和 緬幹狀態時的質量 v0的話是材料在自然狀態下的體積 NOHIO的話對應的就是我們的水的密度 水的密度在常溫下的話是取1的 好 他們的單位都是標準單位 或者是克或者是千克 或者是克每立方厘米 或者是千克每立方米 好 這是體積吸水率 這是我們材料體積的吸水的概念 好 影響我們材料吸水性的因素的話 材料吸水率的話 它主要與兩個參數有關係 一個是孔吸率 大家可想而知 孔吸率越高 吸水率肯定越多 例如我們的海綿裏面全是孔 它吸水性肯定高 吸水率肯定大 好 再一個是孔吸特徵 由於我們材料的水分是通過開口孔吸入 並且通過這個連通孔深入內部的 所以的話我們材料與外界連通的孔隙越多 它的吸水率就越大 也就是說不但要有孔 而且裏面的孔的話和外界要是相通的 要有物質交換能力 這個時候它的吸水率纔會高 好 這是我們材料的吸水率 這樣咱們看兩個概念 一個是飽水率或者說飽水系數 我們看飽水率 飽水率它指的是 常溫和真空下 在水中吸水至飽和 面干時的吸水率 稱爲材料的飽水率 飽水率是什麼概念呢 這個大家可能會有點混淆 大家磕磕可以去好好看書 再把它看懂 這些我給大家簡單的講一下 飽水率也就是說 比如說我一塊石頭的話 它裏面有很多孔 有內孔有外孔 然後外孔裏面有粗的孔 也有比較細的孔 飽水率的概念就是 也就是說在不是真空的情況下 我們的一些細的孔的話 那個水很難吸進去 或者說我那個水 吸進去的速度會非常慢 也有可能全部吸滿 但是搞不好是億萬年 水會遷移得很慢很慢才能進去 假如我把它抽到真空以後 我這個水就能夠快速的進去 所以我們飽水率的概念就指的是 把它抽真空了以後 這個水能夠把所有的外孔充滿 對應着那個孔吸率 就是飽水率 其實飽水率就是外孔孔吸率 飽水率它等於外孔孔吸率 就所有的孔它都可以充滿 但是在長壓下的話 我們的一些細小的外孔 是充不滿的 所以的話後面就有一個概念 體積吸水率與體積飽水率之比 稱爲飽水系數 體積吸水率指的就是我們前面說的長壓下 我們可以看到前面 就是對應的就是我們長壓下的 所以的話體積吸水率它指的是 那個比較粗的外孔 它在長壓下它就可以被吸滿 對應着孔吸率可以這麼去理解 而我們體積的飽水率的話 對應的就是所有的外孔 那個孔吸率佔有的比例 它們兩個之比的話就是飽水系數 所以飽水系數它的實質 它反映的就是我們的外孔 佔我們的粗的外孔 佔所有外孔的體積的比例 就粗的外孔佔所有外孔體積的比例 就是我們的飽水系數 材料的稀釋性 材料的稀釋性它指的是 材料在潮溼空氣中吸收水分的性質 它用含水率當ω來表示 它的計算公式的話是 ω等於m1減掉m除以m乘以100% ω就是我們材料的含水率 m1的話就是我們材料稀釋狀態下的質量 m的話是材料在乾燥狀態下的質量 好材料稀釋性就指的是什麼東西呢 就我們材料尤其是我們的木材 它在潮溼的空氣裏面的話 它可以吸收很多的水分 然後它吸收水分的量的多少 我們用含水率來表示 當我們空氣中的溼度在比較長的時間內穩定的時候 材料的稀釋和乾燥過程處於一種平衡狀態 也就是說我這個材料在一個潮溼的空氣裏面 它一方面它不斷的吸收空氣裏面的水汽 另外後面它還有乾燥作用 當它們兩個達到一個平衡的時候 也就是吸收水分的質量和水蒸發的質量相等的時候 也就是它們兩個處於平衡的時候 這個時候材料的含水率就會不變 否則的話假如它一直在吸 它乾燥的比較慢的話 它的含水率會一直增加 好假如它裏面有溼度 它裏面含有很多水 然後在一個比較乾燥的環境 然後這個水不斷的被蒸發 然後這個時候它的含水率還會變化 所以當它的稀釋和乾燥 它們兩個就是那個水稀釋和乾燥的速度相等的時候 對應的那個含水率 我們就稱它爲平衡含水率 平衡含水率的話 就是我們材料很重要的一個指標 尤其我們的木材 例如我們後面將會學了 我們木材的話它的力學性能 它的一個變形性能 跟它的含水率有很大的關係 所以也就是說 我們算木材的它的一個使用環境的時候 我們要把它的平衡含水率這個指標把它算進去 把它算進去 這是材料稀釋性 好我們看吸水率與含水率的區別 首先看吸水率的話 它指的是在水中吸收水分 含水率的話 它是在空氣裏面吸收水分 表示方法的話 我們的吸水率可以以質量吸水率 是質量比 或者體積吸水率是體積比來表示 而我們的含水率的話 它只有質量比 好然後呢 它的吸收水的質量的話 我們吸水率對應的是達到一個飽和狀態 而含水率的話 它是與空氣中的水分平衡 平衡的一個狀態 它是通常要小於吸水率的 含水率什麼時候等於吸水率呢 當我們空氣的溼度 到達百分之百的時候 也就是溼度百分之百是什麼概念 就是下雨的時候 下雨的時候 那個時候的話 它的吸水率是可以等於含水率的 否則它就是含水率是小於吸水率的 好接下來我們看材料的耐水性 好材料的耐水性的話 它是指材料在長期飽和水的作用下不破壞 強度也不顯出降低的性質 它的性能指標的話 用一個軟化係數 K軟來表示 K軟或者KR來表示 好我們的KR的話 是等於我們的FB 就對應的是飽和的抗壓強度 除以FG 乾燥狀態那個強度 好在這個式子裏面的話 我們的KR的話 是材料的軟化係數 FB的話 是材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度 單位是罩帕 FG的話 對應的是材料在乾燥狀態下的抗壓強度 單位也是罩帕 也就是說我們的軟化係數 它什麼概念呢 就是它飽和的時候 它吸水飽和的時候 它的抗壓強度是多少 除以它乾燥狀態下的抗壓強度 得到的就是我們的軟化係數 好材料軟化係數的話 都是小於1的 小於或等於1 也就是說我們的材料 吸水以後 它的強度絕對會衰減 絕對會有所降低 所以的話 我們的軟化係數是小於或等於1的 小於或等於1的 產生的原因就是我們後面 也會牽涉到 就是因爲材料吸水以後的話 它的水在它的界面上 它能夠弱化它的界面連接力 而且的話 它受壓的時候 這個水的話 它會形成一個很大的水壓 它會對材料有很大的破壞 所以也就是說在這種情況下 我們的吸水的時候的那個強度 是要小於乾燥時候的那個強度的 我們的軟化係數它反映了材料 飽水以後強度降低的程度 是材料吸水後性質變化的重要特徵之一 一般吸水以後 水會分散在材料內的各種界面上 削弱它的內部結合力 導致強度降低 當我們的材料裏面含有可溶性物質 例如我們的石膏石灰等等這些材料 它裏面含有可溶性物質 吸到的水的話 它還能把一部分我們的物質給溶解掉 這個時候它會造成它強度的嚴重降低 軟化係數的波動範圍在0到1之間 工程裏面的話 我們通常將這個Kr大於0.85的材料 稱爲耐水性材料 也就是說 這些也就是說 假如它的Kr大於0.85的話 我們認爲它就耐水的 這個時候它就可以用於 我們的水中 或者一個潮溼環境的重要工程 例如我們的 又修建這個碼頭 修建海崗工程的話 它全部在水裏面 是潮溼環境 在這個時候的話 我們就要用耐水性的材料 它當用於一般收槽腳輕 或者次要的工程部位的時候 材料的軟化係數也需要大於0.75 所以一般用於室外 也就是有降雨的這些部位的話 我們也是希望它要大於0.75 用於室內的話 我們沒有這麼嚴格的要求 好 接下來我們看材料的抗生性 抗生性是材料抵抗壓力水 滲透的性質 稱爲抗生性 它用抗生係數 或者抗生等級來表示 我們選擇抗生係數 材料的抗生係數K的話 可以通過 下式來計算 在這個式子裏面的話 我們的K是我們採用的滲透係數 Q的話是滲水的量 好 滲透係數的話 我們的單位是釐米每小時 我們的滲水量的話 我們的Q的話是立方厘米 我們的D的話 是我們事件的厚度釐米 F的話是我們的滲水的面積平方釐米 T的話是我們滲水的時間小時 H的話是我們材料兩側的水壓差 就是我們講的水頭 在我們流體力學裏面 我講的是水頭 就是在壓力的情況下 那個壓力那個水壓 它的單位的話是釐米 材料的滲透係數越小 說明材料的抗生性越強 這是我們材料的抗生性 它是用滲透係數來表示的 另外一個就還有一個抗生等級 材料的抗生等級 它是指用標準方法 進行透水實驗的時候 材料標準事件 在透水前所能承受的最大的水壓力 它以字母P以及可承受的水壓力 它是以0.1兆化 對應的就是我們一個大氣壓 來表示抗生等級的 例如P4 P6 P8 P10等 它表示的是事件能夠承受 逐步增高至0.4個兆化 0.6兆化 0.8兆化 以及1.0兆化的水壓 而不滲透的能力 然後這個0.4 0.6 0.8 1.0的話 其實它對應的就是4個大氣壓 6個大氣壓 8個大氣壓 10個大氣壓 就是這個概念 影響我們材料抗生性的因素的話 主要有三點 一個就是材料的清水性和增水性 通常的話增水性的材料 它的抗生性要優於清水性的材料 也就是說 比較典型的就是我們穿的雨衣 它是增水性的材料 水一落到它上面 很快就成爲液滴 流掉了 跑掉了 所以像這麼增水性的材料的話 它的抗生性是要優於清水性材料的 再一個就是材料的密實度 密實度高的材料 它的抗生性也比較高 比較典型的就是我們的一塊海綿 它肯定水滲透很快 我們的一塊鋼材 一塊玻璃土 它的抗生性肯定很好 有的水一點都不透 而我們海綿的話 透水性肯定很好 也就是說它跟材料的密實度有關係 我們海綿實在是太疏鬆了 所以透水性很好 或者說抗生性很差 再一個材料的孔隙特徵 具有開口孔隙的材料 它的抗生性比較差 大家也可以很好地想象 這個孔全是開的話 材料那個水的話肯定很容易滲透過去 好 第五個我們看材料的抗動性 好 材料的抗動性它指的是 我們的材料在吸水飽和狀態下 也就是說它吸飽水了 能夠經受反覆動容循環作用而不破壞 強度也不顯出降低的性能 抗動性就是我們把材料吸飽水 它的原因就是因爲材料吸水以後的話 在護溫作用下 也就是說在一個零度以下的作用下 水會在我們的材料的毛細孔裏面凍結成冰 我們都知道水結冰的時候 它的體積會膨脹11% 也就是說冰的密度才0.9 水的密度是1 所以的話我們水變成冰的時候 它的體積會發生膨脹 假如我們的水在孔隙裏面的話 它一膨脹的話 就容易把我們的孔隙給脹開 所以我們體積一膨脹 它就會產生一種脹開的壓力 或者我們叫凍脹的壓力 它就會造成我們材料的內應力 最後就會導致我們材料遭到局部的破壞 水就動容循環的反覆 這個動容循環是什麼意思呢 就是一會兒凍上一會兒這個水 這個冰又化成水了 然後又把溫度降下來 它又變成冰了 也就是說在它一個循環過程中 每循環一次 它就會這樣的脹一次 然後在這個反覆的作用下 材料的破壞作用就會逐步加劇 這種破壞我們稱它爲凍容破壞 凍容破壞應該講在我們國家 東北地區是比較普遍的 東北地區的話 尤其在它的春夏之交 或者春夏之交的時候 那個時候它的特點就是 到了白天 它的溫度就到零度以上 水就融化 到了晚上 它溫度又降到零度以下 冰又結冰了 然後你說一天一個循環 一天一個循環 好 我們採用的抗凍性 它是以事件在凍容後 質量損失和強度 不超過一定限度時 所經受的凍容循環次數來表示 又稱爲抗凍等級 抗凍等級 也就是說 我凍多少次會凍壞 一般以F15 F25 F50 F100 F200來表示等等 它對應的就是 能夠徵收15次 25次 500次 100次 200次 好 我們一般 像那種比較強烈的凍容環境的話 我們一般定於500次 也就是說它能夠凍500次 它也不會壞 影響我們採用抗凍性的因素的話 它主要有五點 一個是採用的密室度 對應的就是孔隙率 密室度越高 抗凍性越好 也就是說假如我們要 把採料做得很抗凍的話 我們要它裏面一點的孔都沒有 一點孔都沒有 一點孔都沒有的話 水都進不去 水進不去的話 它就不會結冰 好 再一個就是採料的孔隙特徵 也就是說 採料開口孔隙越多 抗凍性越差 也就是說 假如我裏面有孔 假如我這個孔都是封閉的話 也沒事 但假如我的孔很多孔 水都可以進去的話 抗凍性也會越差 好 第三個是採料的強度 強度越高的話 抗凍性越好 因爲我們知道 我們的水結冰的時候 會產生一個動髒壓力 會有一個膨脹力 假如我採料本身就很硬的話 它這個髒也髒不壞 好 第四個是採料的耐水性 採料的耐水性越好 它的抗凍性也越好 耐水性的話 也意味着實際上它對應的 就是我們的水能夠進去的能力 好 第五個就是採料的吸水量 吸水量越大 抗凍性越差 好吧 這節課就講到這裏