建筑材料的基本性质

1、第一章 建筑材料的基本性质内 容 提 要本章主要讲述建筑材料的基本物理性质、力学性质和耐久性，并从材料的组成和结构出发阐述了影响材料性质的内在因素。本章的学习要求是：1掌握材料的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率和空隙率的定义及计算。2掌握材料与水有关的性质、热工性质、力学性能和耐久性。3了解材料孔隙率和孔隙特征对材料性能的影响。构成建筑物的建筑材料在使用过程中要受到各种因素的作用，例如用于各种受力结构的材料要受到各种外力的作用；用于建筑物不同部位的材料还可能受到风吹、日晒、雨淋、温度变化、冻融循环、磨损、化学腐蚀等作用。为了保证建筑物经久耐用，就要求所选用的建筑材料要能够抵抗各种因素的作用。而

2、要能够合理地选用材料，就必须掌握各种材料的性质。本章所讲述的材料基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，必须考虑的最基本的、共有的性质。对于不同种类的材料，由于在建筑物中所起的作用不同，应考虑的基本性质也不尽相同。第一节 材料的基本物理性质一、材料的密度、表观密度与堆积密度（一）密度密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。用下式表示： （1-1）式中 密度，g/cm3； 材料在干燥状态的质量，g； 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都存在一些孔隙。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料

3、磨成细粉，干燥后，用密度瓶（李氏瓶）测定其体积，用李氏瓶测得的体积可视为材料绝对密实状态下的体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确。（二）表观密度表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。用下式表示： （1-2）式中 表观密度，g/cm3或kg/m3； 材料的质量，g或kg； 材料在自然状态下的体积，cm3或m3。材料在自然状态下的体积又称表观体积，是指包含材料内部孔隙在内的体积。几何形状规则的材料，可直接按外形尺寸计算出表观体积；几何形状不规则的材料，可用排液法测量其表观体积，然后按用1-2计算出表观密度。当材料含有水分时，其质量和体积将发生变化，影响材料的表观密度。故在测定表观密度时，

4、应注明其含水情况。一般情况下，材料的表观密度是指在气干状态（长期在空气中干燥）下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。（三）堆积密度堆积密度是指粉状（水泥、石灰等）或散粒材料（砂子、石子等）在堆积状态下，单位体积的质量。用下式表示： （1-3）式中 堆积密度，kg/m3； 材料的质量，kg； 材料的堆积体积，m3。材料的堆积体积包含了颗粒内部的孔隙和颗粒之间的空隙。测定材料的堆积密度时，按规定的方法将散粒材料装入一定容积的容器中，材料质量是指填充在容器内的材料质量，材料的堆积体积则为容器的容积。在建筑工程中，计算材料的用量和构件的自重，进行配料计算以及确定材料的堆放空间时，经常要

5、用到密度、表观密度和堆积密度等数据。表1-1列举了常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度。 表1-1 常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度材料名称密度/（g/cm3）表观密度/（kg/m3）堆积密度/（kg/m3） 建筑钢材7.857850普通混凝土21002600烧结普通砖2.502.7016001900花岗岩2.703.025002900碎石（石灰岩）2.482.762300270014001700砂2.502.6014501650粉煤灰1.952.40550800木材1.551.60400800水泥2.83.112001300普通玻璃2.452.5524502550铝合金2.72.92

6、7002900二、材料的密实度与孔隙率、填充率与空隙率（一）密实度与孔隙率1密实度密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，以表示。可按下式计算： （1-4）2孔隙率孔隙率是指在材料体积内，孔隙体积所占的比例，以表示。可按下式计算： （1-5）材料的密实度和孔隙率之和等于1，即：。孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。孔隙率越小，说明材料越密实。材料内部孔隙可分为连通孔隙和封闭孔隙两种构造。连通孔隙不仅彼此连通而且与外界相通，封闭孔隙不仅彼此封闭且与外界相隔绝。孔隙按其孔径尺寸大小可分为细小孔隙和粗大孔隙。材料的许多性能（如强度、吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性、导热性等）都与孔隙率的大

7、小和孔隙特征有关。（二）填充率与空隙率1填充率填充率是指散粒材料在堆积体积中，被其颗粒所填充的程度，以表示。可按下式计算： （1-6）2空隙率空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙所占的比例，以表示。可按下式计算： （1-7）材料的填充率和空隙率之和等于1，即：。 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配及计算砂率的依据。三、材料与水有关的性质（一） 亲水性与憎水性材料与水接触时能被水润湿的性质称为称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料。大多数建筑材料，如砖、混凝土、木材、砂、石、钢材、玻璃等都属于亲水性材料。材料与水接触时不能被水润

8、湿的性质称为称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料等。憎水性材料一般能阻止水分渗入毛细管中，因而可用作防水材料，也可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。（二）吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法：质量吸水率和体积吸水率。1质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率。质量吸水率的计算公式为： （1-8）式中 材料的质量吸水率，%； 材料在吸水饱和状态下的质量，g或kg； 材料在干燥状态下的质量，g或kg。2体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收水分的体积占材料自然状

9、态体积的百分率。体积吸水率的计算公式为： （1-9）式中 材料的体积吸水率，%； 材料吸收水分的体积，cm3；材料在自然状态下的体积，cm3； 材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3；水的密度，g/cm3；常温下取=1.0。 材料的质量吸水率和体积吸水率之间关系为： （1-10） 材料吸水性的大小，主要取决于材料孔隙率和孔隙特征。一般孔隙率越大，吸水性也越强。封闭孔隙水分不易渗入，粗大孔隙水分只能润湿表面而不易在孔内存留，故在相同孔隙率的情况下，材料内部的封闭孔隙、粗大孔隙越多，吸水率越小；材料内部细小孔隙、连通孔隙越多，吸水率越大。在建筑材料中，多数情况下采用质量吸水率来表示材料的吸水性。各

10、种材料由于孔隙率和孔隙特征不同，质量吸水率相差很大。如花岗岩等致密岩石的质量吸水率仅为0.5%0.7%；普通混凝土为2%3%；普通粘土砖为8%20%；而木材或其他轻质材料的质量吸水率则常大于100%。（三）吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。含水率是指材料含水的质量占材料干燥质量的百分率，可按下式计算： （1-11）式中 材料的含水率，%； 材料含水时的质量，g或kg； 材料在干燥状态下的质量，g或kg。 当较干燥的材料处于较潮湿的空气中时，会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处于较干燥的空气中时，便会向空气中释放水分。在一定的温度和湿度条件下，材料与周围

11、空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。材料含水率的大小，除与材料的孔隙率、孔隙特征有关外，还与周围环境的温度和湿度有关。一般材料孔隙率越大，材料内部细小孔隙、连通孔隙越多，材料的含水率越大；周围环境温度越低，相对湿度越大，材料的含水率也越大。材料吸水或吸湿后，质量增加，保温隔热性下降，强度、耐久性降低，体积发生变化，多对工程产生不利影响。在常用的建筑材料中，木材的吸湿性特别强，它能在潮湿空气中大量吸收水分而增加质量，降低强度和改变尺寸，因此木门窗在潮湿环境中往往不易开关。保温材料如果吸收水分后，会大大降低保温效果，故对保温材料应采取有效的防潮措施。（四）耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，

12、其强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般材料遇水后，强度都有不同程度的降低，如花岗岩长期浸泡在水中，强度将下降3%左右，普通粘土砖和木材强度下降更为显著。材料耐水性的大小用软化系数表示，软化系数计算公式如下： （1-12）式中 材料的软化系数； 材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa； 材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。软化系数的值在01之间，软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性就越差。通常将软化系数大于0.85的材料称为耐水性材料，耐水性材料可以用于水中和潮湿环境中的重要结构；用于受潮较轻或次要结构时，材料的软化系数也不宜小于0.75。处于干燥环境中的材料可以不考虑软化

13、系数。（五）抗渗性材料抵抗压力水（也可指其它液体）渗透的性质称为抗渗性。建筑工程中许多材料常含有孔隙、空洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过材料内部的孔隙、空洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入腐蚀性介质或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。因此长期处于有压水中时，材料的抗渗性是决定工程耐久性的重要因素。材料抗渗性的大小用渗透系数或抗渗等级表示。1渗透系数根据达西定律，渗透系数的计算公式如下： （1-13）式中 材料的渗透系数，cm/h； 时间内的渗水总量，cm3； 试件的厚度，cm； 材料垂直于渗水方向的渗水面积，c

14、m2；渗水时间，h； 材料两侧的水压差，cm。渗透系数越小，材料的抗渗性越好。对于防水、防潮材料，如沥青、油毡、沥青混凝土、瓦等材料，常用渗透系数表示其抗渗性。2抗渗等级对于砂浆、混凝土等材料，常用抗渗等级来表示抗渗性。抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级以符号“P”和材料可承受的水压力值（以0.1MPa为单位）来表示，如混凝土的抗渗等级为P6、P8、P12、P16，表示分别能够承受0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa的水压而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越强。材料抗渗性的好坏与材料的孔隙率和孔隙特征有关，孔隙率小且封闭孔隙多的材

15、料，其抗渗性就好。对于地下建筑及水工构筑物，要求材料具有较高抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。（六）抗冻性材料的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，同时也不严重降低强度的性质。冰冻的破坏作用是由于材料孔隙内的水分结冰而引起的，水结冰时体积约增大9%，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。当冰被融化后，某些被冻胀的裂缝中还可能再渗入水分，再次受冻结冰时，材料会受到更大的冻胀和裂缝扩张。如此反复冻融循环，最终导致材料破坏。材料抗冻性的大小用抗冻等级表示。抗冻等级表示材料经过的冻融次数，其质量损失、强度下降不低于规定值，并以符号“F”及材料可承受的最多冻融循环次数表

16、示。例如混凝土抗冻等级F25、F50、F100等，指混凝土所能承受的最多冻融循环次数是25次、50次、100次，强度下降不超过25%，质量损失不超过5%。材料的抗冻性主要与孔隙率、孔隙特性、抵抗胀裂的强度等有关，工程中常从这些方面改善材料的抗冻性。对于室外温度低于-15oC的地区，其主要工程材料必须进行抗冻性实验。四、材料的热工性能建筑材料在建筑物中，除需满足强度及其它性能的要求外，还应具有良好的热工性能，以减少建筑物的使用能耗，节约能源。（一） 导热性材料传导热量的能力称为导热性。导热性的大小以导热系数表示，导热系数的含义是：当材料两侧的温差为1K时，在单位时间（1h）内，通过单位面积（1m

17、2），并透过单位厚度（1m）的材料所传导的热量。导热系数的计算公式为： （1-14）式中 材料的导热系数，W/(mK)； 传导的热量，J； 材料厚度，m； 材料的传热面积，m2； 传热时间，h；（）材料两侧温度差，K。材料的导热系数越大，传导的热量就越多；反之，导热系数越小，材料的保温隔热性能越好。各种建筑材料的导热系数差别很大，大致在0.035 3.5 W/(mK)之间，如泡沫塑料的=0.035 W/(mK)，而大理石的=3.45W/(mK)。影响材料导热系数的因素主要有以下几个：1物质构成 金属材料导热系数最大，无机非金属材料次之，有机材料导热系数最小。2孔隙构造由于固体物质的导热系数比空

18、气的导热系数大得多，因此材料的孔隙率越大，导热系数越小。在相同孔隙率的情况下，材料内部粗大孔隙、连通孔隙越多，孔内空气会形成流通和对流，将使材料得导热系数增大。3湿度由于固体的导热性最好，液体次之，气体最差。水的导热系数大约是空气的25倍，冰的导热系数大约是水的4倍。因此材料受潮会使导热系数增大，若水结冰后，材料的导热系数会进一步增加。对于绝热材料应特别注意防潮，使材料经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效果。4温度 温度越高，材料的导热系数越大。因此绝热材料在低温下的使用效果更佳。5热流方向对于木材等纤维状材料，热流方向与纤维排列方向垂直时导热系数小；与纤维排列方向平行时导热系数大。（二）

19、 热容量材料的热容量是指材料材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力。热容量的大小用比热容表示，比热容指1g材料温度升高1K所吸收的热量或温度降低1K放出的热量。比热容的计算公式为： （1-15）式中 材料的比热容，J/(gK)； 材料吸收或放出的热量，J；材料的质量，g；（）材料升温或降温前后的温度差，K。比热容大的材料，本身能吸入或储存较多的热量，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时缓和室内的温度波动，对于保持室内温度稳定有良好的作用，并能减少能耗。材料中比热容最大的是水，水的比热容=4.19J/(gK)，因此蓄水的平屋顶能使室内冬暖夏凉，沿海地区的昼夜温差较小。（三） 温度变形性材料的温度

20、变形性，是指温度升高或降低时材料的体积变化。绝大多数建筑材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩。材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为： （1-16）式中 线膨胀或线收缩量，mm或cm；（）材料升温或降温前后的温度差，K；材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K；材料原来的长度，mm或cm。建筑工程中，对材料的温度变形往往只考虑某一单向尺寸的变化，因此，研究材料的平均线膨胀系数具有重要意义。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。常用建筑材料的导热系数、比热容和线膨胀系数见表1-2。 表1-2 常用建筑材

21、料的导热系数、比热容和线膨胀系数材料名称导热系数/ W/(mK)比热容/ J/(gK)线膨胀系数/（K） 建筑钢材550.631020烧结普通砖0.40.70.8457普通混凝土1.281.510.481.0615花岗岩2.913.080.720.795.58.5大理石3.450.8754.41木材(横纹)0.172.51泡沫塑料0035130冰2.202.05水0.584.20密闭空气0.0231.00第二节 材料的力学性质一、材料的强度材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料承受外力作用时，内部产生应力，随着外力增大，内部应力也相应增大。直到材料不能够再承受时，材料即破坏，此

22、时材料所承受的极限应力值就是材料的强度。根据所受外力的作用方式不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。各种强度指标要根据国家规定的标准方法来测定，测定各种强度的材料受力示意图见图1-1。材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算公式为： （1-17）式中 材料的强度，MPa； 材料能承受的最大荷载，N； 材料的受力截面面积，mm2。材料的抗弯强度与加荷方式有关，单点集中加荷的计算公式为式1-18，三分点加荷的计算公式为式1-19。 （1-18） （1-19） 式中 材料的抗弯强度，MPa； 弯曲破坏时的最大荷载，N； 两支点间的距离，mm；、试件横截面的宽度和高度，mm。一般材

23、料的孔隙率越大，材料强度越低。不同种类的材料具有不同的抵抗外力的特点，如砖、石材、混凝土等非匀质材料的抗压强度较高，而抗拉和抗折强度却很低，因此多用于房屋的墙体、基础等承受压力的部位；如钢材为匀质的晶体材料，其抗拉强度和抗压强度都很高，适用于承受各种外力的结构和构件。常用建筑材料的强度值见表1-3。表1-3 常用建筑材料的强度材料名称抗压强度/ MPa抗拉强度/ MPa抗弯强度/ MPa抗剪强度/ MPa 钢材215160021516002151600200355普通混凝土10100182.53.5烧结普通砖7.5301.84.01.84.0花岗岩1002505810141319松木(顺纹)3

24、05080120601006.36.9建筑材料常根据其强度的大小划分为若干不同的强度等级，如砂浆、混凝土、砖、砌块等常按抗压强度划分强度等级等。将建筑材料划分为若干个强度等级，对掌握材料性能、合理选用材料、正确进行设计和控制工程质量都是非常重要的。二、材料的弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生变形，但不破坏，当外力取消后不能自动恢复到原来形状的性质称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形。工程实际中，完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的，大多数材料的变形既有弹性变形，也有塑性

25、变形。例如建筑钢材在受力不大的情况下，仅产生弹性变形；当受力超过一定限度后产生塑性变形。再如混凝土在受力时弹性变形和塑性变形同时发生，当取消外力后，弹性变形可以恢复，而塑性变形则不能恢复。三、材料的脆性与韧性当外力作用达到一定限度后，材料突然破坏且破坏时无明显的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，如混凝土、砖、石材、陶瓷、玻璃等。一般脆性材料的抗压强度很高，但抗拉强度低，抵抗冲击荷载和振动作用的能力差。材料在冲击或振动荷载作用下，能产生较大的变形而不致破坏的性质称为韧性。具有这种性质的材料称为韧性材料，如建筑钢材、木材、橡胶等。韧性材料抵抗冲击荷载和振动作用的能力

26、强，可用于桥梁、吊车梁等承受冲击荷载的结构和有抗震要求的结构。四、材料的耐磨性材料的耐磨性，是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示，磨损率计算公式为： （1-20）式中 材料的磨损率，g/cm2； 材料磨损前的质量，g； 材料磨损后的质量，g； 材料试件的受磨面积，cm2。材料的磨损率越低，表明材料的耐磨性越好。一般硬度较高的材料，耐磨性也较好。楼地面、楼梯、走道、路面等经常受到磨损作用的部位，应选用耐磨性好的材料。第三节 材料的耐久性材料在长期使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，并能保持原有性能的性质称为材料的耐久性。材料在使用过程中，除受到各种外力的作用外，还经常受到

27、周围环境中各种因素的破坏作用，这些破坏作用包括物理作用、化学作用、生物作用等。 物理作用包括温度、湿度的变化及冻融循环等，物理作用主要使使材料体积发生胀缩，长期或反复作用会使材料逐渐破坏；化学作用包括各种液体和气体与材料发生化学反应，使材料逐渐变质而破坏；生物作用是指在虫、菌的作用下使材料发生虫蛀、腐朽而破坏。材料遭到破坏往往是几个因素同时作用引起的，很少是某一个孤立的因素造成的；另一方面，由于各种材料的化学组成和组织构造差异很大，因此各种破坏因素对不同材料的破坏作用是不同的。金属材料主要受化学作用被腐蚀；无机非金属材料如砖、石材、混凝土等，主要受大气的物理作用而破坏；木材、竹材等植物纤维组成

28、的材料，常因虫、菌的蛀蚀而腐朽破坏；沥青、高分子材料在阳光、空气及热的作用下变得硬脆老化而破坏。由上所述可见，材料的耐久性是一项综合性质，包括强度、抗冻性、抗渗性、耐磨性、大气稳定性、耐化学侵蚀性等。因此无法用一个统一的指标去衡量所有材料的耐久性，应根据材料的种类和建筑物所处的环境条件提出不同耐久性的要求，如结构材料要求具有较高的强度；处于冻融环境的工程，要求材料具有良好的抗冻性；水工建筑物所用的材料要求有良好的抗渗性和耐化学腐蚀性。在实际工程中，由于各种原因，建筑材料常会因耐久性不足而过早破坏，因此，耐久性是建筑材料的一项重要技术性质。只有深入了解并掌握建筑材料耐久性的本质，从材料、设计、施工、使用各方面共同