《建筑材料》課件第1章

項(xiàng)目一建筑材料的基本性質(zhì)任務(wù)一材料的物理性質(zhì)任務(wù)二材料的力學(xué)性質(zhì)任務(wù)三材料的耐久性

教學(xué)要求

了解：材料與熱有關(guān)的概念和表達(dá)方法；材料耐久性的基本概念。

掌握：材料的基本性質(zhì)，能初步根據(jù)材料的性能選用合適的材料。

重點(diǎn)：材料的基本物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和有關(guān)參數(shù)及計(jì)算公式。

難點(diǎn)：材料孔隙和孔隙特征對材料性能的影響。

【走進(jìn)歷史】

萬里長城與趙州橋

萬里長城跨越崇山峻嶺，是我國古代勞動人民的杰作，也是建筑史上的豐碑。趙州橋是世界上現(xiàn)存年代最久、單孔跨度最大、保存最完整的一座敞肩型石拱橋，被世人公認(rèn)為“天下第一橋”，并被美國土木工程學(xué)會遴選為國際土木工程歷史古跡之一。萬里長城所用建筑材料有土、石、木料、磚、石灰。關(guān)外有關(guān)、城外有城，其材料運(yùn)輸量之浩大、工程之艱巨世所罕見。萬里長城中居庸關(guān)、八達(dá)嶺一段，采用磚石結(jié)構(gòu)。墻身用條石砌筑，中間填充碎石黃土，頂部再用三四層磚鋪砌，以石灰作磚縫材料，堅(jiān)固耐用。平原黃土地區(qū)缺乏石料，則用泥土壘筑長城，將泥土夯打結(jié)實(shí)，并以錐刺夯打土檢查是否合格。在西北玉門關(guān)一帶，既無石料又無黃土，以當(dāng)?shù)靥J葦或柳條與砂石間隔鋪筑，共鋪20層。趙州橋所使用的石材為當(dāng)?shù)氐那喟咨規(guī)r，石質(zhì)的抗壓強(qiáng)度非常高。

萬里長城和趙州橋因地制宜地使用建筑材料，展現(xiàn)了我國勞動人民的勤勞、智慧和創(chuàng)造力。

建筑材料是建筑工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的性質(zhì)與質(zhì)量很大程度上決定了工程的性能與質(zhì)量。在工程實(shí)踐中，選擇、使用、分析和評價(jià)材料，通常是以其性質(zhì)為基本依據(jù)的。

由于建筑材料要承受的作用各不相同，因而要求建筑材料具有相應(yīng)的不同性質(zhì)。如用于建筑結(jié)構(gòu)的材料要受到各種外力的作用，因此選用的材料應(yīng)具有所需要的力學(xué)性能；又如，根據(jù)建筑物不同部位的使用要求，有些材料應(yīng)具有防水、絕熱、吸聲等性能；任務(wù)一材料的物理性質(zhì)再如，對于某些工業(yè)建筑，要求材料具有耐熱、耐腐蝕等性能。此外，對于長期暴露在大氣中的材料，要求能經(jīng)受因風(fēng)吹、日曬、雨淋、冰凍而引起的溫度變化、濕度變化以及反復(fù)凍融等破壞作用。為了保證建筑物的耐久性，要求在工程設(shè)計(jì)與施工中正確地選擇和合理地使用材料，因此，必須熟悉和掌握各種材料的基本性質(zhì)。

建筑材料的性質(zhì)包括基本性質(zhì)和特殊性質(zhì)兩大部分。建筑材料的基本性質(zhì)是指建筑工程中通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)；建筑材料的特殊性質(zhì)則是指材料本身不同于別的材料的性質(zhì)，是材料具體使用特點(diǎn)的體現(xiàn)。1.1.1密度、表觀密度和堆積密度

1．密度

密度是指材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，可按下式計(jì)算：

式中：ρ為材料的密度(g/cm3)；m為材料的質(zhì)量(干燥至恒重)(g)；V為材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積(cm3)。

除了鋼材、玻璃等少數(shù)材料外，絕大多數(shù)材料內(nèi)部都有一些孔隙。在測定有孔隙材料(如磚、石等)的密度時，應(yīng)先把材料磨成細(xì)粉，待干燥后，再用李氏瓶測定其絕對密實(shí)體積。材料磨得越細(xì)，測得的密實(shí)體積數(shù)值就越精確。

另外，工程上還經(jīng)常使用相對密度。它用材料的質(zhì)量與同體積水(4℃)的質(zhì)量的比值表示，無單位，其值與材料密度相同。

2.表觀密度(體積密度)

表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積(包括材料實(shí)體及其開口孔隙、閉口孔隙)的質(zhì)量，俗稱容重。表觀密度可按下式計(jì)算：

式中：ρ0為材料的表觀密度(kg/m3或g/cm3)；m為材料的質(zhì)量(kg或g)；V0為材料在自然狀態(tài)下的體積(m3或cm3)，包括材料實(shí)體及其開口孔隙、閉口孔隙，見圖1-1。

圖1-1自然狀態(tài)下體積示意圖對于規(guī)則形狀材料的體積，我們可使用量具測量，如加氣混凝土砌塊的體積是逐塊量取長、寬、高三個方向的軸線尺寸，并計(jì)算其體積的。對于不規(guī)則形狀材料的體積，可通過使用排液法或封蠟排液法來測量。

毛體積密度是指單位體積(含材料的實(shí)體礦物成分及其閉口孔隙、開口孔隙等顆粒表面輪廓線所包圍的毛體積)物質(zhì)顆粒的干質(zhì)量。因其質(zhì)量是指試件烘干后的質(zhì)量，故也稱干體積密度。

3.堆積密度

堆積密度是指單位體積(含物質(zhì)顆粒固體及其閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積)物質(zhì)顆粒的質(zhì)量，有干堆積密度及濕堆積密度之分。堆積密度可按下式計(jì)算：

式中： 為堆積密度(kg/m3)，m為材料的質(zhì)量(kg)， 為材料的堆積體積(m3)。

材料的堆積體積包括材料絕對體積、內(nèi)部所有孔體積和顆粒間的空隙體積。材料的堆積密度反映散粒構(gòu)造材料堆積的緊密程度及材料可能的堆放空間。常用建筑材料的密度、表觀密度及堆積密度見表1-1。

表1-1常用建筑材料的密度、表觀密度及堆積密度1.1.2材料的密實(shí)度與孔隙率

1.密實(shí)度

材料的密實(shí)度是指固體物質(zhì)部分的體積占總體積的比例，說明材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充填的程度，即反映了材料的致密程度。密實(shí)度可用如下公式表示：

含有孔隙的固體材料的密實(shí)度均小于1，材料的很多性能(強(qiáng)度、吸水性、耐久性、導(dǎo)熱性等)均與密實(shí)度有關(guān)。

2.孔隙率

孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積占自然狀態(tài)下總體積的百分率?？紫堵士捎萌缦鹿奖硎荆?/p>

孔隙率一般通過試驗(yàn)所確定的材料密度和體積密度而求得。

材料的孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系為

P

+

D

=

1

材料的孔隙率與密實(shí)度是相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，材料孔隙率的大小可直接反映材料的密實(shí)程度，孔隙率越大，密實(shí)度越小。

孔隙按構(gòu)造可分為開口孔隙和封閉孔隙兩種。材料孔隙率的大小、孔隙特征對材料的許多性質(zhì)會產(chǎn)生一定影響，如材料的孔隙率較小，且連通孔較少，則材料的吸水性較小、強(qiáng)度較高、抗凍性和抗?jié)B性較好。工程中對需要保溫隔熱的建筑物或部位，要求其所用材料的孔隙率要較大。相反，對要求高強(qiáng)或不透水的建筑物或部位，則其所用的材料孔隙率應(yīng)很小。

[工程實(shí)例分析1-1]

孔隙對材料性質(zhì)的影響

現(xiàn)象某工程頂層欲加保溫層，圖1-2所示分別為兩種材料的剖面。請問選擇何種材料合適？

原因分析保溫層的目的是減少外界溫度變化對住戶的影響。材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見材料A為多孔結(jié)構(gòu)，材料B為密實(shí)結(jié)構(gòu)。多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，故適于作保溫層材料。

圖1-2不同材料的孔隙圖

(a)多孔結(jié)構(gòu)(A)；(b)密實(shí)結(jié)構(gòu)(B)1.1.3材料的填充率與空隙率

1.填充率

填充率是指散粒材料在其堆積體積中，顆粒體積占其堆積體積的比例，用D′表示，可按下式計(jì)算：

2.空隙率

空隙率是指散粒材料(如砂、石等)在其堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占材料堆積體積的百分率，可用公式表示如下：

式中：為顆粒狀材料的表觀密度(kg/m3)，為顆粒狀材料的堆積密度(kg/m3)。散粒材料的空隙率與填充率的關(guān)系為

空隙率與填充率也是相互關(guān)聯(lián)的兩個性質(zhì)，空隙率的大小可直接反映散粒材料的顆粒之間相互填充的程度。散粒狀材料，其空隙率越大，填充率越小。在配制混凝土?xí)r，砂、石的空隙率是作為控制集料級配與計(jì)算混凝土砂率的重要依據(jù)。1.1.4材料與水有關(guān)的性質(zhì)

1.親水性與憎水性

材料與水接觸時，根據(jù)材料是否能被水潤濕，可將其分為親水性和憎水性兩類。親水性是指材料表面能被水潤濕的性質(zhì)，憎水性是指材料表面不能被水潤濕的性質(zhì)。

當(dāng)材料與水在空氣中接觸時，將出現(xiàn)如圖1-3所示的兩種情況。在材料、水、空氣三相交點(diǎn)處，沿水滴的表面作切線，切線與水和材料接觸面所成的夾角稱為潤濕角(用θ表示)。θ越小，表明材料越易被水潤濕。一般認(rèn)為，當(dāng)θ≤90°時，材料表面易吸附水分，能被水潤濕，材料表現(xiàn)出親水性；當(dāng)θ＞90°時，則材料表面不易吸附水分，不能被水潤濕，材料表現(xiàn)出憎水性。

圖1-3材料的潤濕示意圖

(a)親水性材料；(b)憎水性材料親水性材料易被水潤濕，且水能通過毛細(xì)管作用而被吸入材料內(nèi)部。憎水性材料則能阻止水分滲入毛細(xì)管中，從而降低材料的吸水性。建筑材料大多數(shù)為親水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、磚、木材等；只有少數(shù)材料為憎水性材料，如瀝青、石蠟、某些塑料等。建筑工程中憎水性材料常被用作防水材料，或作為親水性材料的覆面層，以提高其防水、防潮性能。

2．吸水性

材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有兩種表示方法：質(zhì)量吸水率和體積吸水率。

(1)質(zhì)量吸水率。材料在吸水飽和時，所吸收水分的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率，可用公式表示如下：

式中，W質(zhì)為材料的質(zhì)量吸水率(%)，m濕為材料在飽和水狀態(tài)下的質(zhì)量(g)，m干為材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g)。

(2)體積吸水率。材料在吸水飽和時，所吸收水分的體積占干燥材料總體積的百分率，可用如下公式表示：

式中，W體為材料的體積吸水率(%)，V0為干燥材料的總體積(cm3)，ρ水為水的密度(g/cm3)。

常用建筑材料的吸水率一般用質(zhì)量吸水率表示。對于某些輕質(zhì)材料，如加氣混凝土、木材等，由于其質(zhì)量吸水率往往超過100%，因此一般采用體積吸水率表示。材料所吸收的水分是通過開口孔隙吸入的，故開口孔隙率愈大，材料的吸水量愈多。材料的吸水性與材料的孔隙率及孔隙特征有關(guān)。對于細(xì)微連通的孔隙，孔隙率愈大，吸水率愈大。封閉的孔隙內(nèi)水分不易進(jìn)去，而開口大孔雖然水分易進(jìn)入，但不易存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。

各種材料的吸水率差異很大，如花崗巖的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率為2%～3%，燒結(jié)普通磚的吸水率為8%～20%，木材的吸水率可超過100%。

若吸水率偏大這對材料是不利的，它使材料的強(qiáng)度下降、體積膨脹、保溫性能降低、抗凍性變差等。

3.吸濕性

材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示，可用如下公式表示：

式中，W含為材料的含水率(%)，m含為材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量(g)，m干為材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(g)。

材料的含水率隨空氣的溫度、濕度的變化而改變。材料既能在空氣中吸收水分，又能向外界釋放水分，當(dāng)材料中的水分與空氣的濕度達(dá)到平衡時的含水率就稱為平衡含水率。一般情況下，材料的含水率多指平衡含水率。當(dāng)材料內(nèi)部孔隙吸水達(dá)到飽和時，此時材料的含水率等于吸水率。材料吸水后，會導(dǎo)致自重增加、保溫隔熱性能降低、強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不同程度的下降。材料干濕交替還會引起其形狀尺寸的改變而影響使用。

材料的吸濕性在工程中有較大的影響。例如木材，由于吸水或蒸發(fā)水分，往往容易造成翹曲、開裂等缺陷。石灰、石膏、水泥等由于吸濕性強(qiáng)，則容易造成材料失效。保溫材料吸水后，其保溫性能會大幅度下降。

4．耐水性

材料長期在飽和水作用下不被破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，可用如下公式表示：

式中，K軟為材料的軟化系數(shù)，f飽為材料在飽和水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度(MPa)，f干為材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度(MPa)。

軟化系數(shù)的大小反映材料在浸水飽和后強(qiáng)度降低的程度。材料被水浸濕后，強(qiáng)度一般會有所下降，軟化系數(shù)會在0～1之間。軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低越多，其耐水性越差。工程中將K軟＞0.85的材料稱為耐水性材料。對于經(jīng)常位于水中或潮濕環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)的材料，必須選用K軟＞0.85的耐水性材料；對于用于受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)的材料，其軟化系數(shù)不宜小于0.75。

5．抗?jié)B性

材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性。材料的抗?jié)B性通常采用滲透系數(shù)表示。滲透系數(shù)是指一定厚度的材料，在一定水壓作用下、單位時間內(nèi)透過單位面積的水量，可用如下公式表示：

式中，K為材料的滲透系數(shù)(cm/h)，W為透過材料試件的水量(cm3)，d為材料試件的厚度(cm)，A為透水面積(cm2)，t為透水時間(h)，h為靜水壓力水頭(cm)。

滲透系數(shù)反映了材料抵抗壓力水滲透的能力，滲透系數(shù)越大，說明材料的抗?jié)B性越差。

對于混凝土和砂漿，其抗?jié)B性常采用抗?jié)B等級表示?？?jié)B等級是以規(guī)定的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法測定試件所能承受的最大水壓力來確定的，用“Pn”表示，如P6表示材料能承受0.6MPa的水壓而不滲水。

材料抗?jié)B性的大小與其孔隙率和孔隙特征有關(guān)。若材料中存在連通的孔隙，且孔隙率較大，水分容易滲入，則這種材料的抗?jié)B性較差?？紫堵市〉牟牧暇哂休^好的抗?jié)B性。由于水分不能滲入封閉孔隙，因此對于孔隙率雖然較大，但以封閉孔隙為主的材料，其抗?jié)B性也較好。對于地下建筑、壓力管道、水工構(gòu)筑物等工程部位，因經(jīng)常受到壓力水的作用，一定要選擇具有良好抗?jié)B性的材料；而作為防水材料，則要求其具有更高的抗?jié)B性。

6．抗凍性

材料在飽和水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不被破壞，且強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)，稱為材料的抗凍性。材料的抗凍性用抗凍等級表示?？箖龅燃壥且砸?guī)定的試件，在吸水飽和狀態(tài)下，經(jīng)凍融循環(huán)作用，測得其強(qiáng)度和質(zhì)量降低不超過規(guī)定值，并無明顯損害和剝落時所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定的，以“Dn”表示，其中，n為最大凍融循環(huán)次數(shù)。

材料因經(jīng)受凍融循環(huán)作用而被破壞，主要是由于材料內(nèi)部孔隙中的水結(jié)冰所致。水結(jié)冰時體積要增大，若材料內(nèi)部孔隙充滿了水，則結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹會對孔隙壁產(chǎn)生很大的應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時，孔壁將產(chǎn)生局部開裂；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料逐漸被破壞。

材料抗凍性的好壞取決于材料的孔隙率、孔隙的特征、吸水飽和程度和自身的抗拉強(qiáng)度。若材料的強(qiáng)度高、變形能力和軟化系數(shù)大，則抗凍性較高。一般認(rèn)為，軟化系數(shù)小于0.80的材料，其抗凍性較差。在寒冷地區(qū)及寒冷環(huán)境中的建筑物或構(gòu)筑物，必須考慮所選擇材料的抗凍性。1.1.5材料與熱有關(guān)的性質(zhì)

為保證建筑物具有良好的室內(nèi)小氣候，并且降低建筑物的使用能耗，必須要求材料具有良好的熱工性質(zhì)。通常考慮的熱工性質(zhì)有導(dǎo)熱性和熱容量。

1.導(dǎo)熱性

當(dāng)材料兩側(cè)存在溫差時，熱量將從溫度高的一側(cè)通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)，將這種傳導(dǎo)熱量的能力稱為材料的導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱性的大小用導(dǎo)熱系數(shù)表示。導(dǎo)熱系數(shù)是指厚度為1m的材料，當(dāng)兩側(cè)溫差為1K時，在1s時間內(nèi)通過1m2面積的熱量，可用如下公式表示：

式中，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))，Q為傳遞的熱量(J)，d為材料的厚度(m)，A為材料的傳熱面積(m2)，t為傳熱時間(s)，T2-T1為材料兩側(cè)的溫差(K)。材料的導(dǎo)熱性與孔隙率大小、孔隙特征等因素有關(guān)。孔隙率較大的材料，內(nèi)部空氣較多，由于密閉空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小(λ

=

0.023W/(m·K))，其導(dǎo)熱性較差。但如果孔隙粗大，空氣會形成對流，材料的導(dǎo)熱性反而會增大。材料受潮以后，水分進(jìn)入孔隙，水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)高很多(λ=

0

.58W/(m·K))，從而使材料的導(dǎo)熱性大大增加；材料若受凍，水結(jié)成冰，冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的導(dǎo)熱系數(shù)的4倍，為2.3W/(m·K)，材料的導(dǎo)熱性將進(jìn)一步增加。建筑物要求具有良好的保溫隔熱性能。保溫隔熱性和導(dǎo)熱性都是指材料傳遞熱量的能力，在工程中常把1/λ稱為材料的熱阻，用R表示。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱阻越大，則材料的導(dǎo)熱性能越差，其保溫隔熱性能越好。

2.熱容量

材料容納熱量的能力稱為熱容量，其大小用比熱表示。比熱是指單位質(zhì)量的材料，在溫度每升高或降低1K時所吸收或放出的熱量，可用如下公式表示：

式中，c為材料的比熱(J/(kg·K))，Q為材料吸收或放出的熱量(J)，m為材料的質(zhì)量(kg)；T2-T1為材料加熱或冷卻前后的溫差(K)。比熱的大小直接反映出材料吸熱或放熱能力的大小。比熱大的材料，能在熱流變動或采暖設(shè)備供熱不均勻時緩和室內(nèi)的溫度波動。不同的材料其比熱不同，即使是同種材料，由于物態(tài)不同，其比熱也不同。

材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在外力作用下抵抗破壞和變形能力的性質(zhì)，它是在選用建筑材料時首要考慮的基本性質(zhì)。任務(wù)二材料的力學(xué)性質(zhì)1.2.1材料的強(qiáng)度

材料在荷載(外力)作用下抵抗破壞的能力稱為材料的強(qiáng)度。

當(dāng)材料受到外力作用時，其內(nèi)部就產(chǎn)生應(yīng)力，荷載增加，所產(chǎn)生的應(yīng)力也相應(yīng)增大，直至材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力不足以抵抗所作用的外力時，材料即發(fā)生破壞。材料被破壞時，達(dá)到應(yīng)力極限，這個極限應(yīng)力值就是材料的強(qiáng)度，又稱極限強(qiáng)度。強(qiáng)度的大小直接反映材料承受荷載能力的大小。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗拉、抗壓、抗剪和抗彎(抗折)強(qiáng)度等，其示意圖如圖1-4所示。

材料的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度的計(jì)算式為

式中，f為材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為材料承受的最大荷載(N)，A為材料的受力面積(mm2)。材料的抗彎強(qiáng)度與試件受力情況、截面形狀以及支承條件有關(guān)。通常是將矩形截面的條形試件放在兩個支點(diǎn)上，中間作用一集中荷載。

材料抗彎強(qiáng)度的計(jì)算式為

式中，f為材料的抗彎(折)強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為材料承受的最大荷載(N)，L為材料的長度(mm)，b為材料受力截面的寬度(mm)，h為材料受力截面的高度(mm)。

圖1-4材料受力示意圖

(a)拉力；(b)壓力；(c)剪切；(d)彎曲試驗(yàn)測定的強(qiáng)度值除受材料本身的組成、結(jié)構(gòu)、孔隙率大小等內(nèi)在因素的影響外，還與試驗(yàn)條件，如試件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、含水率、環(huán)境溫度及試驗(yàn)時加荷速度等有密切關(guān)系。為了使測定的強(qiáng)度值準(zhǔn)確且具有可比性，必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定材料的強(qiáng)度。

材料的強(qiáng)度等級是按照材料的主要強(qiáng)度指標(biāo)劃分的級別。掌握材料的強(qiáng)度等級，對合理選擇材料、控制工程質(zhì)量是十分重要的。建筑材料常按其強(qiáng)度值的大小劃分為若干個等級。燒結(jié)普通磚按抗壓強(qiáng)度分為以下六個等級：Mu30、Mu25、Mu20、Mu15、Mu10、Mu7.5；硅酸鹽水泥按抗壓和抗折強(qiáng)度分為以下6個等級：42.5、52.5、62.5、42.5R、52.5R、62.5R；普通混凝土按其抗壓強(qiáng)度分為以下14個等級：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等；碳素結(jié)構(gòu)鋼按其抗拉強(qiáng)度分為5個等級，如Q235，等等。可采用比強(qiáng)度對不同材料的強(qiáng)度進(jìn)行比較。比強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)度與其體積密度之比。它是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的一個主要指標(biāo)。以鋼材、木材和混凝土為例，其強(qiáng)度比較見表1-2所示。

表1-2鋼材、木材和混凝土的強(qiáng)度比較由表1-2中的數(shù)值可見，松木的比強(qiáng)度最大，是輕質(zhì)高強(qiáng)材料；混凝土的比強(qiáng)度最小，是質(zhì)量大而強(qiáng)度較低的材料。普通混凝土是表觀密度大而比強(qiáng)度相對較低的材料，所以努力促進(jìn)普通混凝土向輕質(zhì)、高強(qiáng)發(fā)展是一項(xiàng)十分重要的工作。

[工程實(shí)例分析1-2]

現(xiàn)象某高校學(xué)生在測試混凝土等材料的強(qiáng)度時可觀察到，同一組的三個試件，三個學(xué)生分別操作，旋轉(zhuǎn)送油閥快的學(xué)生測得的數(shù)據(jù)比旋轉(zhuǎn)送油閥慢的學(xué)生測得的數(shù)據(jù)大，如圖1-5所示。

原因分析材料的強(qiáng)度除與其組成結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與其測試條件有關(guān)，包括加荷速度、溫度、試件大小和形狀等。因?yàn)樾D(zhuǎn)送油閥快，加荷速度就快，所測值偏高。當(dāng)加荷速度較快時，荷載的增長速度大于材料的變形速度，則測出的數(shù)值就會偏高。為此，在材料的強(qiáng)度測試中，一般都規(guī)定其加荷速度范圍。

圖1-5混凝土強(qiáng)度測試1.2.2材料的彈性與塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性，這種變形稱為彈性變形，其值的大小與外力成正比；不能自動恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為塑性，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形，塑性變形屬永久性變形。

完全彈性材料是沒有的。一些材料在受力不大時只產(chǎn)生彈性變形，而當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，即可產(chǎn)生塑性變形，如低碳鋼。很多材料在受力時，彈性變形和塑性變形會同時產(chǎn)生，如普通混凝土。1.2.3材料的脆性與韌性

當(dāng)材料所受外力達(dá)到一定限度時，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時無明顯塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。具有脆性的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，因此其抵抗沖擊荷載或震動作用的能力很差。在工程中使用時，應(yīng)注意發(fā)揮這類材料的特性。建筑材料中大部分無機(jī)非金屬材料均為脆性材料，如混凝土、玻璃、天然巖石、磚瓦、陶瓷等。材料在沖擊荷載或震動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生較大的變形而不被破壞的性質(zhì)稱為韌性。材料的韌性用沖擊韌性指標(biāo)表示。低碳鋼、木材等屬于韌性材料。

在建筑工程中，對于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁、橋梁、路面等所用材料，均應(yīng)具有較高的韌性。1.2.4材料的硬度和耐磨性

硬度是材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。不同材料的硬度測定方法不同，通常采用的方法有刻劃法和壓入法?？虅澐ǔＳ糜跍y定天然礦物的硬度。礦物硬度分為10級(莫氏硬度)，其遞增的順序如下：滑石1、石膏2、方解石3、螢石4、磷灰石5、正長石6、石英7、黃玉8、剛玉9、金剛石10。鋼材、木材及混凝土等的硬度常用鋼球壓入法測定(布氏硬度HB)。材料的硬度愈大，其耐磨性愈好，但不易加工。工程中有時也可用硬度來間接推算材料的強(qiáng)度。耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性與材料的組成成分、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度等因素有關(guān)。一般地，材料的強(qiáng)度愈高、密實(shí)硬度愈大，則其耐磨性也愈好。工程中，用作踏步、臺階、地面、路面等部位的材料，應(yīng)具有較高的耐磨性。

材料在使用過程中能長久保持其原有性質(zhì)的能力稱為耐久性。

材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還長期受到周圍環(huán)境因素和各種自然因素的破壞作用。這些破壞作用主要有以下幾個方面。

(1)物理作用：主要是指環(huán)境溫度、濕度的交替變化，即冷熱、干濕、凍融等循環(huán)作用。材料經(jīng)受這些作用后，將發(fā)生膨脹、收縮或產(chǎn)生應(yīng)力，長期的反復(fù)作用，將使材料逐漸被破壞。任務(wù)三材料的耐久性

(2)化學(xué)作用：主要是指材料受到酸、堿、鹽等物質(zhì)的水溶液或其他有害氣體的侵蝕作用，以及日光、紫外線等對材料的作用。

(3)生物作用：包括菌類、昆蟲等的侵害作用，導(dǎo)致材料發(fā)生腐朽、蟲蛀等而被破壞。

(4)機(jī)械作用：包括荷載的持續(xù)作用，交變荷載對材料引起的疲勞、沖擊、磨損等。耐久性是對材料綜合性質(zhì)的一種評述，它包括如抗凍性、抗?jié)B性、抗風(fēng)化性、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕性等內(nèi)容。對材料耐久性進(jìn)行可靠的判斷，需要很長的時間，一般采用快速檢驗(yàn)法。這種方法模擬實(shí)際使用條件，將材料在試驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)的快速試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對材料的耐久性作出判定。在試驗(yàn)室進(jìn)行快速試驗(yàn)的項(xiàng)目主要有凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、碳化等。

提高材料的耐久性，對節(jié)約建筑材料、保證建筑物長期正常使用、減少維修費(fèi)用、延長建筑物使用壽命等，均具有十分重要的意義。如圖1-6所示，現(xiàn)代工程中，對耐久性的要求愈來愈高，提出耐久性指標(biāo)的工程設(shè)計(jì)也愈來愈多。因此，對材料的質(zhì)量評定也應(yīng)逐漸由強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)展為耐久性指標(biāo)。未來工程設(shè)計(jì)中將用耐久性設(shè)計(jì)取代目前按強(qiáng)度進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

(a)(b)

圖1-6受到破壞的建筑物

(a)石家莊某立交橋承臺的破壞；(b)混凝土中鋼筋的銹蝕

[工程實(shí)例分析1-3]

現(xiàn)象1996年石家莊市西部山區(qū)發(fā)生歷史上罕見的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其