1建筑材料的基本性质

1、第一章第一章 建筑材建筑材料的基本性质料的基本性质 材料是构成土木工程建筑材料是构成土木工程建筑物的物质基础。直接关系建物的物质基础。直接关系建筑物的安全性、功能性以及筑物的安全性、功能性以及使用寿命和经济成本。使用寿命和经济成本。一般来说，材料的性质可分一般来说，材料的性质可分为四个方面：为四个方面：v(1)(1)物理性质物理性质 包括表示材料物理状态特征及包括表示材料物理状态特征及与各种物理过程有关的性质。与各种物理过程有关的性质。v(2)(2)力学性质力学性质 指材料在应力作用下指材料在应力作用下, ,有关抵抗有关抵抗破坏和变形的能力的性质。破坏和变形的能力的性质。v(3)(3)化学性质

2、化学性质 指材料发生化学变化的能力及指材料发生化学变化的能力及抵抗化学腐蚀的稳定性。抵抗化学腐蚀的稳定性。v(4)(4)耐久性耐久性 指材料在使用过程中能长久保持指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力。其原有性质的能力。第一节第一节 材料的物理性质材料的物理性质一、与质量和体积有关的性质一、与质量和体积有关的性质二、与水有关的性质二、与水有关的性质三、与热有关的性质三、与热有关的性质任何材料均有质量和体积，材料根任何材料均有质量和体积，材料根据形状可分为：据形状可分为：块状材料块状材料，如：砖、石块、混凝土如：砖、石块、混凝土散状材料散状材料，如：水泥、砂、石子等如：水泥、砂、石子等一、

3、与质量和体积有关的性质一、与质量和体积有关的性质常压下吸不到水，常压下吸不到水，但当水压力较大但当水压力较大时，水可通过材时，水可通过材料内部的毛细通料内部的毛细通道进入其中。道进入其中。可见，材料的质量是相对确定的，但体积有多种，因而可见，材料的质量是相对确定的，但体积有多种，因而出现了以下几种密度。出现了以下几种密度。（一）材料的体积组成（一）材料的体积组成v1.材料绝对密实体积材料绝对密实体积vv2. 材料的孔体积材料的孔体积vp，分为开孔体积，分为开孔体积vk和闭孔体积和闭孔体积vbv3.材料在自然状态下的体积材料在自然状态下的体积v0 v0=v+vp vp=vk+vb 可见，材料的质

4、量是相对确定的，但体积有多种，可见，材料的质量是相对确定的，但体积有多种，因而出现了以下几种密度因而出现了以下几种密度1.1.密度密度（二）、材料的密度、表观密度和堆积密度（二）、材料的密度、表观密度和堆积密度(1)(1)定义：密度是指材料在绝对密实状态下单位定义：密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。体积的质量。(2)(2)计算公式：计算公式：(3)(3)测定方法：磨细、烘干、称量、排液法测体积。测定方法：磨细、烘干、称量、排液法测体积。（g/cmg/cm3 3）vm2.2.视密度视密度(1)(1)定义：包括闭口孔隙在内的单位体积的质量。定义：包括闭口孔隙在内的单位体积的质量。(2)(

5、2)计算公式：计算公式：(3)(3)适用范围及测定方法：已经是粒状的材料，适用范围及测定方法：已经是粒状的材料，如：砂、石子、水泥等如：砂、石子、水泥等, ,不再磨细，直接用排水不再磨细，直接用排水法测定其体积。法测定其体积。（g/cmg/cm3 3）3.3.表观密度表观密度(1)(1)定义：自然状态下单位体积的质量。定义：自然状态下单位体积的质量。(2)(2)计算公式：计算公式：(3)(3)测定方法：规则材料测定方法：规则材料, ,测量外测量外形尺寸，计算体积形尺寸，计算体积; ;不规则材料表不规则材料表面封蜡，排水法测体积。面封蜡，排水法测体积。(g/cm3）4.4.堆积密度堆积密度(1)

6、(1)定义：散粒状或粉状材料，在自然堆积状态定义：散粒状或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量下单位体积的质量。(2)(2)计算公式：计算公式：（kg/m3）反映反映块状材料密实程度块状材料密实程度的两个指标的两个指标密实度和孔隙率密实度和孔隙率1.1.密实度密实度（三）、密实度与孔隙率、填充率与孔隙率（三）、密实度与孔隙率、填充率与孔隙率（1）定义：密实度是指材料体积内被固体物质所）定义：密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的绝对密实体积与总体积之比。充实的程度，即材料的绝对密实体积与总体积之比。(2)(2)计算公式：计算公式：凡含空隙的固体材料的密度均小于凡含空隙的固体材

7、料的密度均小于1。显然，显然，d+p=1。2.2.孔隙率孔隙率p p（1）定义：孔隙率是指材料内部空隙（开口的和）定义：孔隙率是指材料内部空隙（开口的和闭口的）体积所占总体积的比例闭口的）体积所占总体积的比例(2)(2)计算公式：计算公式：反映反映散状材料填充程度和空隙率散状材料填充程度和空隙率的指标：的指标：填充填充率率 空隙率空隙率3.3.填充率填充率dd（1）定义：填充率是指颗粒材料的堆积体积中，）定义：填充率是指颗粒材料的堆积体积中，颗粒体积所占总体积的百分率，它反应了被颗粒颗粒体积所占总体积的百分率，它反应了被颗粒所填充的程度所填充的程度(2)(2)计算公式：计算公式：4.4.空隙率

8、空隙率pp（1）定义：空隙率是指颗粒材料的堆积体积内，）定义：空隙率是指颗粒材料的堆积体积内，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率。颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率。(2)(2)计算公式：计算公式：1.亲水性与憎水性亲水性与憎水性二、与水有关的性质二、与水有关的性质亲水性：亲水性：90憎水性：憎水性：90180亲水性亲水性憎水性憎水性润湿润湿角角润湿润湿角角2. 吸水性吸水性 材料在水中吸收水分的能力，取决于材料的材料在水中吸收水分的能力，取决于材料的亲水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征。有两种亲水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征。有两种表示方法：表示方法：(1)(1)质量吸水率质量吸水率 材料所吸收

9、的水分的质量占材材料所吸收的水分的质量占材料干燥质量的分数。料干燥质量的分数。计算公式：计算公式： (2)(2)体积吸水率体积吸水率 指材料体积内被水充实的程度，指材料体积内被水充实的程度，即材料吸收水分的体积占干燥材料自然体积的即材料吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分数。百分数。计算公式：计算公式：质量吸水率与体积吸水率的关系为质量吸水率与体积吸水率的关系为一般情况下都有一般情况下都有质量吸水率质量吸水率来表示材料的吸水性，但是来表示材料的吸水性，但是轻质、吸水率强的材料其质量吸水率常大于轻质、吸水率强的材料其质量吸水率常大于100%,而采而采用用体积吸水率体积吸水率表示。表示。水质体0

10、ww思考：思考：吸水率与材料的空隙特征的关系？吸水率与材料的空隙特征的关系？3. 吸湿性吸湿性材料在潮湿的空气中吸收水分的性质材料在潮湿的空气中吸收水分的性质, ,称为吸湿称为吸湿性。用性。用含水率含水率表，表，含水率是指材料内部所含水含水率是指材料内部所含水质量占材料干燥质量的百分数质量占材料干燥质量的百分数。计算式为：计算式为：影响材料吸湿性的因素有：影响材料吸湿性的因素有：(1)(1)自身的特性自身的特性( (亲水性、孔隙率和孔隙特征亲水性、孔隙率和孔隙特征) )。(2)(2)周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，周围环境条件的影响，气温越低，相对湿度越大，材料的含水率就越大。材料

11、的含水率就越大。(3)(3)材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，材料最终达到与环境湿度保持相对平衡时的含水率，称为平衡含水率。称为平衡含水率。4. 耐水性耐水性 材料长期在饱和水作用下而不破坏材料长期在饱和水作用下而不破坏, ,强度也强度也不显著降低的性质称为不显著降低的性质称为耐水性耐水性。材料的耐水性用材料的耐水性用软化系数软化系数表示：表示： 软化系数一般在软化系数一般在01间波动，其值越小，材间波动，其值越小，材料耐水性越差。料耐水性越差。 软化系数大于软化系数大于0.85的材料，通常可以认为是耐的材料，通常可以认为是耐水材料。水材料。 材料的耐水性主要取决于材料的耐水性主要

12、取决于其组成成分在水中其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。5. 抗渗性抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性抗渗性( (不透水性不透水性) )。材料的抗渗性可用抗渗等级材料的抗渗性可用抗渗等级pnpn表示表示: :抗渗等级抗渗等级n是指材料在标准试验方法下进行透水是指材料在标准试验方法下进行透水试验试验,所能承受的最大水压力的所能承受的最大水压力的10倍数。倍数。p 越大越大,材料的抗渗性越好。材料的抗渗性越好。影响材料抗渗性的因素：影响材料抗渗性的因素：与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率与材料的亲水性有关

13、，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。及孔隙特征。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。抗渗性。6. 抗冻性抗冻性材料在吸水饱和状态下，材料抵抗冻融循环而不材料在吸水饱和状态下，材料抵抗冻融循环而不破坏，也不显著降低强度的性质，称为破坏，也不显著降低强度的性质，称为抗冻性抗冻性。（1 1）冻融循环：）冻融循环：通常采用通常采用-15-15的温度冻结后，的温度冻结后，再在再在2020的水中融化的过程。的水中融化的过程。(2)(2)冻融循环破坏的原因：冻融循环破坏的原因：材料有孔隙，孔隙中的水材料有孔隙，孔隙中的水在结冰时体积膨胀在结冰时体积膨胀9%，

14、产生强大的冻胀应力。，产生强大的冻胀应力。(3)(3)冻融循环试验破坏的判定：冻融循环试验破坏的判定：以质量损失超过以质量损失超过5%，或强度下降超过或强度下降超过25%。(4)(4)抗冻等级：抗冻等级：破坏前所能经受的最大冻融循破坏前所能经受的最大冻融循环次数来确定。用符号环次数来确定。用符号“fn”和最大冻融循和最大冻融循环次数表示。如环次数表示。如f15、f15、f50、f100等。等。(5)(5)影响材料抗冻性的因素影响材料抗冻性的因素: :a.材料的强度材料的强度b.材料的孔隙率及孔隙特征材料的孔隙率及孔隙特征1. 导热性导热性三、与热有关的性质三、与热有关的性质材料传导热量的能力称

15、为导热性。导热性的大小用导材料传导热量的能力称为导热性。导热性的大小用导热系数热系数表示表示:显然，导热系数越小，材料的隔热性能越好。显然，导热系数越小，材料的隔热性能越好。材料的导热系数决定于：材料的导热系数决定于：(1)材料的化学组成、结构、构造；材料的化学组成、结构、构造；(2)孔隙率与孔隙特征、含水状况导热时的温度。孔隙率与孔隙特征、含水状况导热时的温度。)(a12ttazq2. 热容量热容量材料加热时吸收热量材料加热时吸收热量,冷却时放出热量的性质称冷却时放出热量的性质称为为热容量。热容量。热容量的大小用比热容来表示。热容量的大小用比热容来表示。比热容在数值上等于比热容在数值上等于1

16、g材料，温度升高或降低材料，温度升高或降低1k时所吸收或放出的能量时所吸收或放出的能量q。工程中应选用导热系数小、热容大的材料。工程中应选用导热系数小、热容大的材料。可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。3. 耐火性耐火性耐火性耐火性是指材料在高热或火的作用下，保持其是指材料在高热或火的作用下，保持其原有性质而不损坏的性能，用原有性质而不损坏的性能，用耐火度耐火度表示。表示。根据耐火度的不同，可分为三类：根据耐火度的不同，可分为三类：（1）耐火材料，耐火度）耐火材料，耐火度15801580（2 2）难熔材料，耐火度）难熔材料，耐火度13501350

17、1580（3 3）易熔材料，）易熔材料，耐火度耐火度13504. 耐燃性耐燃性耐燃性耐燃性是指材料能够经受火焰和高温的作用而是指材料能够经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建不破坏，强度也不显著降低的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据材料的耐燃性可分为四类：根据材料的耐燃性可分为四类：（1）不燃材料，混凝土，石材等）不燃材料，混凝土，石材等（2 2）难燃材料，沥青混凝土）难燃材料，沥青混凝土（3 3）可燃材料，木材，沥青等）可燃材料，木材，沥青等（4 4）易燃材料，纤维植物）易燃材料，纤维植物5. 温度变形温度变形 温

18、度变形是指材料在温度变化时产生体积变温度变形是指材料在温度变化时产生体积变化，多数的材料在温度升高时体积膨胀，温度化，多数的材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。用线膨胀系数下降时体积收缩。用线膨胀系数来表示来表示lttl)(12第二节第二节 材料的力学性质材料的力学性质一、理论强度一、理论强度二、强度、比强度二、强度、比强度三、材料的变形性质三、材料的变形性质 材料的力学性质，主要是指在外力（荷载）作用材料的力学性质，主要是指在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力和变形的有关性质。下抵抗破坏的能力和变形的有关性质。一、理论强度一、理论强度固体材料的强度主要取决于结构质点间的相互固体材料的

19、强度主要取决于结构质点间的相互作用力。作用力。理论上来说，材料受外力作用后破坏主要是由于理论上来说，材料受外力作用后破坏主要是由于拉力造成质点间的断裂，或者是剪力造成质点间拉力造成质点间的断裂，或者是剪力造成质点间的滑移。的滑移。材料的理论强度一般都远远大于实际强度。材料的理论强度一般都远远大于实际强度。材料受外力作用示意图材料受外力作用示意图二、强度、比强度二、强度、比强度（一）强度（一）强度 材料抵抗外力作用下破坏的性能称为强度。材料抵抗外力作用下破坏的性能称为强度。以单位面积上所能承受的荷载大小衡量。以单位面积上所能承受的荷载大小衡量。根据外力作用方式的不同，材料强度有根据外力作用方式的

20、不同，材料强度有抗拉、抗拉、抗压、抗剪和抗弯抗压、抗剪和抗弯( (抗折抗折) )强度。强度。材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为： ffa式中：式中：f材料的抗压、抗拉、抗剪强度，材料的抗压、抗拉、抗剪强度，mpa f材料承受的最大荷载，材料承受的最大荷载， a材料的受力面积，材料的受力面积，mm2式中：式中：f材料的抗弯材料的抗弯(折折)强度，强度，mpa f材料承受的最大荷载，材料承受的最大荷载， l两支点之间的距离，两支点之间的距离，mm b材料受力截面的宽度，材料受力截面的宽度，mm h材料受力截面的高度，材料受力截面的高度，mm材料的抗弯强度的计

21、算式为：材料的抗弯强度的计算式为： 232f lfb h影响材料强度的主要因素：影响材料强度的主要因素：(1) 材料的组成与结构材料的组成与结构;(2) 试件尺寸的大小试件尺寸的大小;(3) 试验环境与方法。试验环境与方法。强度等级、标号强度等级、标号 为便于合理使用材料，对于以强度为主要指标的为便于合理使用材料，对于以强度为主要指标的材料，通常按材料强度值的高低划分为成若干等材料，通常按材料强度值的高低划分为成若干等级，称为材料的级，称为材料的强度等级或标号强度等级或标号。 脆性材料主要以脆性材料主要以抗压强度抗压强度来划分，塑性材料和韧来划分，塑性材料和韧性材料主要以性材料主要以抗拉强度抗

22、拉强度来划分。来划分。 比强度指单位体积质量材料所具有的强度，即比强度指单位体积质量材料所具有的强度，即材料的强度与其表观密度的比值（材料的强度与其表观密度的比值（f/0），），是衡量是衡量材料轻质高强特性的技术指标。材料轻质高强特性的技术指标。（二）比强度（二）比强度（一）、弹性与塑性（一）、弹性与塑性 弹性弹性指外力作用下产生变形，外力消失后，指外力作用下产生变形，外力消失后，能完全恢复到原来的形状。能完全恢复到原来的形状。弹性变形大小与所受应力的大小成正比。所受弹性变形大小与所受应力的大小成正比。所受应力与应变的比值称为应力与应变的比值称为弹性模量弹性模量，用，用e e表示：表示：三、材

23、料的变形性质三、材料的变形性质1.1.弹性与弹性变形弹性与弹性变形e2. 塑性与塑性变形塑性与塑性变形 外力作用下产生变形，外力取消后，不能恢复外力作用下产生变形，外力取消后，不能恢复的变形为塑性变形。的变形为塑性变形。3. 弹塑性材料弹塑性材料纯弹性和纯塑性材料并不存在。纯弹性和纯塑性材料并不存在。如钢材。随着应力的增大，分别呈弹性、塑性、如钢材。随着应力的增大，分别呈弹性、塑性、弹塑性。弹塑性。（二）、脆性与韧性（二）、脆性与韧性1. 脆性脆性材料在外力作用下，无明显塑性变形而发生突材料在外力作用下，无明显塑性变形而发生突然破坏。然破坏。如：天然石材、砖、玻璃、普通混凝土。如：天然石材、砖

24、、玻璃、普通混凝土。力学特点：抗压强度远高于抗拉强度，力学特点：抗压强度远高于抗拉强度，不宜承不宜承受振动和冲击荷载。受振动和冲击荷载。2. 韧性韧性材料在振动和冲击荷载作用下，能吸收较大的材料在振动和冲击荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形，而不致破坏的性能。能量，产生一定的变形，而不致破坏的性能。如：木材、建筑钢材、沥青混合料等。如：木材、建筑钢材、沥青混合料等。力学特点：抗拉强度接近或高于抗压强度。力学特点：抗拉强度接近或高于抗压强度。（三）、硬度与耐磨性（三）、硬度与耐磨性1. 硬度硬度硬度指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划硬度指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的能力。的能力。（1

25、）非金属材料的硬度用摩氏硬度表示。）非金属材料的硬度用摩氏硬度表示。摩氏硬度：摩氏硬度：用系列标准硬度的矿物对材料用系列标准硬度的矿物对材料进行划擦，根据划痕确定硬度等级。进行划擦，根据划痕确定硬度等级。（2）金属材料的硬度等级用）金属材料的硬度等级用压入法压入法测定，测定，主要有布氏硬度法、洛氏硬度法主要有布氏硬度法、洛氏硬度法布氏硬度法：布氏硬度法：是以淬火钢珠压入材料表面产生是以淬火钢珠压入材料表面产生 的球形凹痕的球形凹痕单位面积上所受的压单位面积上所受的压 力力来表示。来表示。洛氏硬度法：洛氏硬度法：是用金刚石圆锥或淬火的钢球制是用金刚石圆锥或淬火的钢球制 成压头压入材料表面，以压痕

26、的成压头压入材料表面，以压痕的 深度深度来表示。来表示。2.2.耐磨性耐磨性 耐磨性指材料表面抵抗磨损的能力。常以磨耐磨性指材料表面抵抗磨损的能力。常以磨损率衡量，用损率衡量，用g表示表示ammg21 耐磨性与材料的组成结构、构造、材料强度和硬耐磨性与材料的组成结构、构造、材料强度和硬度等有关。度等有关。第三节第三节 材料的耐久性材料的耐久性定义：定义：材料在长期使用的过程中，能够抵抗环材料在长期使用的过程中，能够抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。的一项综合性质。包括：包括：1. 抗冻性抗冻性 抵抗冻融循环的能力抵抗冻融循环的

27、能力2. 抗渗性抗渗性 抵抗水等侵蚀性液体及抵抗水等侵蚀性液体及co2等气体向等气体向材料内部渗透的能力材料内部渗透的能力3. 抗风化性抗风化性 抵抗物理风化、化学风化、生物风化抵抗物理风化、化学风化、生物风化的能力的能力 4. 抗老化性能抗老化性能 材料在大气、阳光、水份等综合作材料在大气、阳光、水份等综合作用下性能的降低用下性能的降低5. 抗腐蚀性抗腐蚀性 化学腐蚀，如酸碱盐类水溶液；生物化学腐蚀，如酸碱盐类水溶液；生物腐蚀，如菌类、昆虫的侵害腐蚀，如菌类、昆虫的侵害 材料的耐久性直接关系到建筑物的安全性和经济材料的耐久性直接关系到建筑物的安全性和经济性，已成为建筑设计中首要考虑的指标。性

28、，已成为建筑设计中首要考虑的指标。1.1.化学组成化学组成 化学组成即化学成分，是构成材料的化学元素化学组成即化学成分，是构成材料的化学元素及化合物的种类和数量，决定材料化学性质、及化合物的种类和数量，决定材料化学性质、物理性质、力学性质的主要因素。物理性质、力学性质的主要因素。第四节第四节 材料的组成、结构、材料的组成、结构、构造与性质构造与性质一一 材料的组成材料的组成含碳量含碳量c%1硬度硬度抗拉强度抗拉强度断面收缩率断面收缩率伸长率伸长率冲击韧性冲击韧性例：化学元素碳对钢材性质的影响如下图：例：化学元素碳对钢材性质的影响如下图：1.42. 矿物组成矿物组成许多无机非金属材料都是由各种矿

29、物组成的。许多无机非金属材料都是由各种矿物组成的。相同的化学成分组成的材料，不同矿物的矿物成相同的化学成分组成的材料，不同矿物的矿物成分，材料的性质也是不同的。分，材料的性质也是不同的。例如例如：硅酸盐水泥熟料中硅酸盐水泥熟料中，铝酸三钙、硅酸三钙、铝酸三钙、硅酸三钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙的性能都是不同的；硅酸二钙和铁铝酸四钙的性能都是不同的；3. 相组成相组成 系统：系统：把一种或一组从周围环境中被想象把一种或一组从周围环境中被想象 地地孤立起来的物质称为系统。孤立起来的物质称为系统。 相：相：把系统中一切具有相同组成、相同物理性把系统中一切具有相同组成、相同物理性质和化学性质的均匀部分的总和称为相。质和化学性质的均匀部分的总和称为相。 材料内部，特别是固体相和结构特征直接决材料内部，特别是固体相和结构特征直接决定材料的力学性能。定材料的力学性能。二二 材料的结构材料的结构1. 微观结构微观结构 电子显微镜电子显微镜x射线衍射等技术手段射线衍射等技术手段等观察等观察（1）晶体）晶体 具有特定的几何外形和固定的熔点，具有特定的几何外形和固定的熔点，