第01章 建筑材料基本性質

第一章建筑材料的基本性質工程的功能要求的材料性能

承受荷載安全性土木工程要求材料具備哪些性能？防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣長期可靠性不污染環(huán)境物理性能耐久性強度、剛度第一章

建筑材料的基本性質

材料的性質是指材料在負荷與環(huán)境因素聯合作用下所具有的屬性。建筑材料的基本性質是建筑材料所共有的和比較重要的性質。

建筑材料如何滿足性能要求？材料的組成材料的結構材料的構造材料的復合性能組成結構材料的組成—結構—性能關系材料組成、結構與性能之關系

——現代材料科學的核心1.1材料的組成、結構與構造

一、組成：

材料的組成包括材料的化學組成、礦物組成和相組成。

（一）化學組成

是指構成材料的化學元素或化合物（單質）的種類及數量。決定性質….。

（二）礦物組成

將無機非金屬材料中具有特定晶體結構、特定的物理力學性能的化合物（單質）稱為礦物。礦物組成是指構成材料的礦物種類和數量。如天然石材、無機膠凝材料等，其礦物組成在化學組成確定的情況下是決定材料性質的主要因素。

（三）相組成

材料中具有相同物理、化學性質的均勻部分稱為相。相組成指組成材料的物相的種類及組合狀況。

材料的組成材料均由各種物相組成每種物相由化合物（單質）組成化合物（單質）由分子組成分子由原子組成材料的物相組成：固相氣相液相材料的化學組成：元素化合物（單質）§1.1材料的組成、結構與構造二、結構

材料的微觀組織狀況。材料結構分為：微觀結構和細觀結構兩個層次?！?.1材料的組成、結構與構造二、結構1.微觀結構

微觀結構是指原子、分子層次的結構?？捎秒娮语@微鏡或X射線來分析研究該層次上的結構特征。

微觀結構的尺寸范圍在10-6-10-10m之間。材料的許多物理性質如強度、硬度、熔點、導熱、導電性都是由微觀結構決定的。在微觀結構層次上，材料可分為晶體、玻璃體等?！?.1材料的組成、結構與構造二、結構1.微觀結構(1)晶體

晶體是質點(原子、分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質。晶體質點間鍵能的大小以及結合鍵的特性決定晶體材料的特性。原子晶體、離子晶體、分子晶體、金屬晶體

(2)玻璃體玻璃體是熔融物在急冷時，質點來不及按一定規(guī)律排列而形成的內部質點無序排列的固體或閉態(tài)液體。玻璃體結構的材料沒有固定的熔點和幾何形狀，且各向同性?！?.1材料的組成、結構與構造二、結構2.顯微結構顯微結構是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結構。其尺寸范圍在10-3-1mm之間。典型材料的細觀結構：混凝土可分為基相、集料相、界面；

天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體結構；

鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體等；木材分為木纖維、導管髓線、樹脂管等?！?.1材料的組成、結構與構造二、結構3.微粉、超微顆粒、膠體微粉-是指粒徑在0.0001-0.1mm間的各種礦物或金屬粉末，通常指散粒的顯微層次。超微顆粒-是指粒徑在10-6-10-4mm間的各種微粒，它一般大于微觀尺度的原子團，小于微粉。納米材料結構特點是界面組元占的份額顯著大于大尺度微粒，因此，由他本身和由它構成的多種材料，具有傳統材料所不具備的許多優(yōu)越物理力學性質。以超微顆粒作為分散相，分散在連續(xù)相介質中，形成的分散體系稱為膠體。凝膠、溶膠及其觸變性§1.1材料的組成、結構與構造三、構造材料的構造是指是指材料的宏觀組織狀況，如巖石層理、木材紋理、鋼材中的裂紋等，其尺寸在10-3m級以上。材料的性質與材料的構造特征有密切關系，如材料的構造特征按所含孔隙多少（以孔隙率表示）有致密、疏松之分。致密材料密度大，強度高，反之疏松材料強度就低。另外構造上疏松的材料，材料性能除與孔隙多少有關外，還與孔隙特征（孔隙形狀，孔徑大小及其分布，開、閉口性，連同性等特征的總稱）有密切關系。如扁平而有尖角的孔隙多的材料強度就低；開口粗大的孔隙，易透水但不易被水充滿，開口極細的孔隙，水易被吸入但不易在其中流動；開口毛細孔隙既易被水充滿，又易在其中流動，具有這幾種孔隙特征的材料，其抗?jié)B、抗凍及抗侵蝕性能明顯不同：若開口的毛細含量多，其抗?jié)B、抗凍及抗侵蝕性能均較低。金屬晶體結構模型氯化鈉晶體結構微粉

§1.2材料的密度、表觀密度和孔隙率1.密度：

材料的密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量，按下式計算：

ρ=m/v式中：ρ—密度,g/cm3

m—材料的質量，g

V—材料的絕對密實體積，cm3

1.密度絕對密實體積

V的測定：1、對于結構完全密實的材料2、工程材料，絕大部分含有孔隙

含孔材料則必須磨細后采用排開液體的方法來測定其體積。李氏瓶法….測試時，材料必須是絕對干燥狀態(tài)。2.表觀密度

表觀密度：是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 —材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0—材料的表觀體積，cm3

或m32.表觀密度表觀體積V0的測定：1、有規(guī)則形狀，依外形尺寸計算2、無規(guī)則形狀①加工成規(guī)則形狀②防水材料膜包裹，然后用排液法3.孔隙率指材料（在自然狀態(tài)下）單位體積內，孔隙所占的比例。式中符號意義同前。

3.孔隙率

固體材料的自然體積（表觀體積）V0由

①固體物質部分V

②孔隙部分V

-V0組成。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率散粒材料基本知識：定義：由粒徑大小不等的塊體顆粒堆積起來所形成的堆積體稱為散粒材料。如：一堆石子、砂子，一袋水泥等。其中，顆粒粒徑微小（一般小于1.0mm）的散粒材料又稱為粉體材料。體積組成=∑顆粒體積(實體積+孔隙體積(閉口孔隙體積+開口孔隙體積))+空隙體積即=∑V0(V+V孔(V閉孔+V開孔))+V空空隙：

散粒材料堆積體中顆粒間的間隙。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率

（1）視密度：散粒材料的單位顆粒體積（不包括開口孔隙體積）的質量。定義式為

式中—視密度，g/cm3（kg/cm3）；—散粒材料中顆粒所占的體積（不包括開口孔隙體積），該體積用排液法測得，cm3（m3）；=∑（V0-V開孔）=

∑（V+V閉孔）

；m—散粒材料的質量，g（kg）。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率

（2）

堆積密度是指散粒材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。按下式計算：

式中 —材料的堆積密度,kg/m3

m—材料的質量，kg

—堆積體積，m3。堆積體積測定：測定堆積密度時，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測試其自然堆積狀態(tài)下體積。（3）空隙率P’

空隙率是指散粒材料在某堆積體積內，顆粒之間的空隙體積（包括顆粒中的開口空隙體積）所占自然堆積體積的比例。按下式計算：

式中符號意義同前。

在建筑工程中，計算材料用量、構件的自重，配料計算以及確定堆放空間時經常要用到材料的密度(視密度)、表觀密度和堆積密度等數據。小結

材料的組成、結構與構造密度、表觀密度、孔隙率散粒材料：

視密度、堆積密度、空隙率

§1.4材料與水有關的性質（1）親水性與憎水性Hydrophilic

and

HydrophobicProperties

固體材料與水接觸時，有些能被水潤濕，而有些則不能被水潤濕，對這兩種現象來說，前者為親水性，后者為憎水性。

材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。親水性材料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內聚力；反之，憎水性材料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內聚力。

工程實際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤濕邊角的大小劃分，潤濕邊角為在材料、水和空氣的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。其中潤濕邊角θ愈小，表明材料愈易被水潤濕。當材料的潤濕邊角θ＜９０?時，為親水性材料；當材料的潤濕邊角θ＞９０?時，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細管作用自動將水吸入材料內部；水在憎水性材料表面不僅不能鋪展開，而且水分不能滲入材料的毛細管中。圖２－1材料潤濕示意圖

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料

親水性材料和憎水性材料親水性材料：石料、磚、混凝土、木材等無機材料。憎水性材料：瀝青、石蠟等有機材料。親水性材料能通過毛細管作用，將水分吸入材料內部。憎水性材料一般能阻止水分滲入毛細管中，故能降低材料的吸水作用，用作防水材料，或用在親水材料的表面處理。（2）吸水性WaterAbsorption

1）定義：指材料從所處環(huán)境中吸收水分的性質。材料因吸水而含有水，含水的多少用含水率指標來表示，定義式為

式中 Ｗh

——含水率（%）；

G0——材料含水狀態(tài)下的質量（ｇ）；

G——材料在干燥狀態(tài)下的質量（ｇ）。

（2）吸水性WaterAbsorption

2)吸水率：材料吸水能力大小的度量指標，有質量吸水率和體積吸水率之分。

a.質量吸水率

指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質量百分比，或者說指材料在吸水飽和時的含水率。

式中 Wm——材料質量吸水率（%）

G1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（ｇ）

G——材料在干燥狀態(tài)下的質量（ｇ）。

b.體積吸水率

體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料自然體積的百分率。體積吸水率的定義式為：

式中 G1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（ｇ）

G——材料在干燥狀態(tài)下的質量（ｇ）。

V0—

材料在自然狀態(tài)下的體積，（cm3）

ρ水—水的密度,（g/cm3

），常溫下取ρ水=1.0g/cm3

材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。吸濕性材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質稱為吸濕性。材料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當空氣中濕度在較長時間內穩(wěn)定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(tài)，此時材料的含水率保持不變，其含水率叫作材料的平衡含水率。

（3）材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質。衡量材料耐水性的指標是材料的軟化系數KR：式中K軟

——

材料的軟化系數

fb

—

材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。

fg

—

材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）

軟化系數K軟反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。

材料耐水性限制了材料的使用環(huán)境，軟化系數小的材料耐水性差，其使用環(huán)境尤其受到限制。軟化系數的波動范圍在0至1之間。工程中通常將KR

＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數也不得小于0.75。

（4）材料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水透過的性能。建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當材料兩側的水壓差較高時，水可能從高壓側通過內部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側。這種壓力水的滲透，不僅會影響工程的使用，而且滲入的水還可能會帶入能腐蝕材料的介質，或將材料內的某些成分帶出，造成材料的破壞。

1)滲透系數

材料的滲透系數可通過下式計算K—滲透系數,（cm/h）;

Q—滲水量，（cm3

）

A—

滲水面積,（cm2

）

H-材料兩側的水壓差，（cm）

d—試件厚度，（cm）

t—滲水時間，（h）

材料的滲透系數越小，說明材料的抗?jié)B性越強。2)抗?jié)B等級

材料的抗?jié)B等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗?jié)B等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透?！?.3材料的力學性質1.材料的強度

材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內部的應力多由外力（荷載）作用而引起，隨著外力增加，應力也隨之增大，直至應力超過材料內部質點所能抵抗的極限，即強度極限，材料發(fā)生破壞。在工程上，通常采用破壞試驗法對材料的強度進行實測。將預先制作的試件放置在材料試驗機上，施加外力（荷載）直至破壞，根據試件承載面面積和破壞荷載值，計算材料的強度。根據外力作用方式的不同，材料強度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強度的計算式如下：式中 f—材料強度，MPa

F

—材料破壞時的最大荷載，N

A—試件受力面積，mm2抗壓強度試驗影響材料強度試驗結果的主要因素……..

材料的抗彎（折）強度與受力情況有關，一般試驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則抗彎強度用下式計算：式中

fm------材料的抗彎強度，MPa

F---材料受彎破壞時的最大荷載，N

L------試件長度，mm

a------兩集中荷載間的距離，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

2.彈性和塑性

材料在外力作用下產生變形，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。材料在外力作用下產生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形）。3.脆性

材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的一大特點是抗壓強度相對較高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發(fā)揮這類材料的特性。

混凝土脆性破壞4.徐變和應力松弛固體材料在持久荷載作用下，變形隨著時間的延長而逐漸增長的現象。材料在持久荷載作用下，若所產生的變形因受約束而不能增長時，則其應力將隨時間延長而逐漸減小，這一現象成為應力松弛。5.材料的持久強度和疲勞極限

材料在承受持久荷載下的強度，稱為持久強度。

在規(guī)定的應力循環(huán)次數下，所對應的極限應力即為疲勞極限。6.沖擊韌性、硬度、磨損、磨耗材料抵抗沖擊或震動等動荷載作用的性能，稱為沖擊韌性。材料抵抗其他較硬物體壓入的能力稱為硬度。材料受外界物質的摩擦作用而造成質量和體積損失的現象稱為磨損。材料同時受到摩擦和沖擊兩種作用而造成的質量和體積損耗現象稱為磨耗。

§6材料與熱有關的性質

1.導熱性

當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數λ表示。導熱系數的定義和計算式如下所示：λ——導熱系數，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－傳導的熱量，Ｊ

d—材料厚度，ｍ；

A——熱傳導面積，m2

Z一熱傳導時間， s；

⊿t－材料兩面溫度差，K

在物理意義上，導熱系數為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1Ｋ時、在單位時間(1s)內通過單位面積(1㎡)的熱量。

2.熱容量和比熱

材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為材料的容熱性,溫度升高(或降低)1K時所吸收(或放出)的熱量稱為該材料的熱容量(J/K)。單位質量材料溫度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數或比熱。比熱的計算式如下所示：式中

C---材料的比熱，J/（kg·K）

Q--材料吸收或放出的熱量(熱容量),J

G---材料質量，kg

（t2-t1）--材料受熱或冷卻前后的溫差，K

§5

材料的耐久性

材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內在或外來自然因素及有害介質的作用，能長久地保持其使用性能的性質。

材料在建筑物之中，除要受到負荷的作用之外，還經常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用