1建筑材料的基本性质

1、第一章 建筑材料的基本性质主讲：韩建德主讲：韩建德E-mail: 第一章 建筑材料的基本性质1.1 材料的基本物理性质1.2 材料的力学性质1.3 材料与水有关的性质1.4 材料的耐久性1.5 材料的热工性质1.6 材料的装饰性质1.7 材料的组成、结构和构造1.1 材料的基本物理性质密度 密实度 表观密度 孔隙率堆积密度 空隙率 一、密度一、密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算： mV式中 材料的密度，g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重），g； V 材料在绝对密实状态下的体积，cm3。 所谓绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。对有孔隙的材料

2、：如砖、混凝土磨成细粉（通过 0.2mm或900孔/cm2方孔筛），用李氏密度瓶测量V（排水法）。 对近于绝对密实的材料：如金属、玻璃等，量测几何体积称重代入公式中计算。n视密度：材料在近似密实状态时单位体积的质量。所谓近似密实状态下的体积，是指包括材料内部闭口孔隙体积和固体物质实体积。 二、二、表观密度表观密度是材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：mV0opclV =V+V +V式中 o 材料的表观密度，kg/m3 或g/cm3； m 材料的质量（干燥至恒重），kg或 g； Vo 材料在包含内部孔隙条件下的体积 （即包含内部闭口孔和开口孔）， 见图12，m3或cm3。所谓自然状态下

3、的体积，是指包括材料实体积和内部孔隙（闭口和开口）的外观几何形状的体积。通常，材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法或水中称重法测量。 自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。 对形状规则的材料：烘干量测几何体积称重代入公式计算 对形状不规则的材料： 三、堆积密度是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，有紧堆积密度及松堆积密度之分。mV式中 o 堆积密度，kg/m3； m 材料的质量，kg； Vo材料的堆积体积 ，m3。 V0V+Vop+VclV空材料的堆积体积包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度反映散粒构造

4、材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。其测定方法在实验部分有专门介绍。密度、表观密度和堆积密度既有联系又有差别。 由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，即： 0 0密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用来计算材料的孔隙率；视密度可用于混凝土的配合比计算；表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，可用来计算材料的用量、构件自重等；堆积密度可用于确定材料堆放空间、运输车辆等。 四、密实度四、密实度是材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：五、孔隙率五、孔隙率是材料体积内，孔隙体积所占的比例。按下式计算：0*100%VDV 或 0*10

5、0%D%100*)1 (10000VVVVVP即：D+P=1或 密实度+孔隙率=1 孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭空隙则不仅彼此不连通而且与外界隔绝。孔隙按尺寸分为极微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布、特征对材料的性能影响较大。 六、填充率六、填充率是散粒材料堆积体积中，颗粒填充的程度。按下式计算：七、空隙率七、空隙率是散粒材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算： %100*0VVD %100*0D 或 %100*)1 (10000V

6、VVVVP即：D+P=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。常用材料的密度、表观密度、堆积密度及空隙率如表1.1所示 1.2材料的力学性质一、材料的强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度强度。根据外力作用方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。a.压力 b.拉力c.弯曲 d.剪切混凝土路面砖抗压强度试验混凝土路面砖抗折强度试验强度的计算 材料的抗压、

7、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算： AFfmax式中 f 材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa； Fmax材料破坏时的最大荷载，N； A受力截面面积，mm2。对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折强度）可用下式计算： 2max23bhLFfm式中fm抗弯强度，MPa；Fmax弯曲破坏时的最大荷载,N；b，h 试件横截面的宽和高,mm。 L 两支点间的距离，mm。若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载，抗弯强度按下式计算： 2maxbhLFfm影响材料强度的因素 1.材料的组成、结构与构造：材料的强度与其组

8、成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不一样。 2.孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈 大，则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。 一般表观密度大的材料，其强度也大。这些是材料的内部因素。还与测试条件和方法等外部因素有关。 3.试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的强度值要高于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大试件高。 4.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。 5.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离

9、加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低。 6.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。 强度等级：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。 如混凝土按抗压强度划分为 C15C80 ; 水泥按抗压和抗折强度划分为32.562.5, 砂浆按抗压强度划分为M5M30七个等级,热轧钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。强度和强度等级的区别与联系：区别：a.强度与强度等级的定义不同。强度是实测值，强度等级是人为规定的强度范围。b.强度指的是材料的极限值，是唯一的，每一强度等级则包含一系列强度值。 联系：某一材料强度等级的确定必须以其极限强度

10、值为依据。比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/o）。用于评价材料是否轻质高强。二、弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形即行消失，材料能够完全恢复原来形状的性质称为弹性弹性，这种可恢复的变形称弹性变形。材料在外力作用下产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性塑性，这种不能消失的变形称为塑性变形。弹性与塑性材料的弹性变形与外力(荷载)成正比。弹性变形为可逆变形，塑性变形为不可逆变形弹性变形为可逆变形，塑性变形为不可逆变形。许多材料受力不大时，仅产生弹性变形。受力超过一定限度后，即产生塑性变形，如建筑钢材。有的材料受力时弹性变形和塑性变形

11、同时产生，如果取消外力，则弹性变形可以消失，而塑性变形则不能消失，如混凝土。三、脆性与韧性三、脆性与韧性材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性脆性。 材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性韧性。脆性与韧性脆性与韧性四、硬度和耐磨性硬度：材料表面能抵抗其他较硬物体压人或刻划的能力。按刻划法，矿物硬度分为十级。1滑石滑石 2石膏石膏 3方解石方解石 4 萤石萤石 5磷石灰磷石灰 6正长石正长石 7 石英石英 8黄玉黄玉 9刚玉刚玉 10金刚石金刚石布氏硬度（钢球压入法 ）(钢材、木材和混凝土

12、)耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。压入硬度演示刻划硬度演示四、耐磨性耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。材料的耐磨性与硬度、强度及内部构造有关。地面、楼梯踏步、人行道路等处，必须考虑硬度和耐磨性。1.3材料与水有关的性质亲水性与憎水性亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性 耐水性耐水性 抗冻性与抗渗性抗冻性与抗渗性1.材料的亲水性与憎水性当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。润湿角（a）亲水性材料 90 （b）完全亲水材料0 （c）憎水性材料 90演示实验： 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水

13、性吸水性。材料的吸水性用吸水率吸水率表示，即%100*1mmmW式中：W -材料质量吸水率，%； m- 材料干燥状态下质量，g; m1- 材料吸水饱和状态下质量， 2.2.材料的材料的吸水性与吸湿性吸水性与吸湿性材料的吸水性不仅取决于材料本身是亲水的还是憎水的，也与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。若材料具有微细而连通的孔隙，其吸水率就大。若是封闭孔隙，水分就难以渗入。若是粗大孔隙，水分仅能润湿孔壁，而不易在孔隙内留存。孔隙封闭，或太大，吸水率都低。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性吸湿性，用含水率表示，即式中：W- 材料含水率，%; m含-材料含水时的质量，g； m-材料干燥状态下的质量,

14、g。%100*mmmW含含材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率 。吸湿性对性能的影响：木材吸收空气中的水分后，会降低强度，增加表观密度，导致体积膨胀。绝热材料吸收水分后，导热性能提高，绝热性能降低。 材料长期在饱和水作用下不破坏，强度无明显降低的性质称为耐水性耐水性，用软化系数表示，即式中：KP -材料的软化系数； fw -材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa f -材料在干燥状态的抗压强度，MPa 。ffKwp3.3.材料的耐水性材料的耐水性 材料的软化系数的范围在01之间。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于（）0.85的材料；用于受潮湿较轻或

15、次要结构的材料，则不宜小于0.700.85。通常软化系数大于等于0.85的材料称为耐水材料花岗岩长期浸泡在水中，强度降低3%左右。实例：实例：某地发生历史罕见的洪水。洪水退后，许多砖房倒塌，其砌筑用的砖多为未烧透的多孔的红砖，见下图所示。请分析原因。 未烧透的红砖未烧透的红砖 分析与讨论分析与讨论：砖浸水后强度下降砖浸水后强度下降原因：这些红砖没有烧透，砖内开口孔隙率大，吸水率高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的粘土遇水分散，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。 抗渗性抗渗性：在压力水的作用下，材料抵抗水渗透的性能，在压力水的作用下，材料抵抗水渗透的性能，

16、又叫不透水性。又叫不透水性。抗渗性高低与材料的孔隙率及孔隙特征有关，抗渗性高低与材料的孔隙率及孔隙特征有关，绝对密实或具有封闭孔隙的材料，实际上是不绝对密实或具有封闭孔隙的材料，实际上是不透水的。透水的。同时，也与材料的亲水性和憎水性有关。同时，也与材料的亲水性和憎水性有关。4.材料的抗渗性材料的抗渗性通常用两种指标表示：材料的抗渗性通常用两种指标表示：渗透系数渗透系数和和抗渗等级抗渗等级。对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青对一些抗渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青混凝土等，其防水性用渗透系数表示混凝土等，其防水性用渗透系数表示 。渗透系数的渗透系数的物理意义物理意义是：在一定时间是：

17、在一定时间t内，透过材内，透过材料试件的水量料试件的水量Q，与试件的渗水面积，与试件的渗水面积A及水头差成及水头差成正比，与渗透距离正比，与渗透距离(试件的厚度试件的厚度)d成反比，用公式成反比，用公式表示为表示为 演示实验: 式中K材料的渗透系数,cmh；Q渗透水量,cm3；d试件厚度,cm；F渗水面积,cm2；t渗水时间,h；H水头差,cm。 K值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。QdKFt H材料的抗冻性抗冻性:材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化循环作用而不破坏，强度也无显著降低的性质。4.材料的抗冻性与抗渗性材料受冻融破坏主要原因：孔

18、隙中的水结冰时体积膨胀而引起的。材料的抗冻性取决于材料的吸收饱和程度和材料对结冰时体积膨胀所产生的压力的抵抗能力。抗冻性良好的材料，对于抵抗温度变化、干湿交替等风化作用性能也强。所以抗冻性常作为矿物材料抵抗大气物理作用的一种耐久性指标。材料的抗冻性用抗冻等级表示抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号， 用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。混凝土共有F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300九个等级。F50为抗冻混凝土。常用的两个参数是：质量损失率(不超过

19、5%)，强度损失率(不超过25)。 材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻等级（标号）为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200 。水工混凝土要求高达F500。1.4材料的耐久性耐久性耐久性: :材料在使用条件下，在上述各种因素作材料在使用条件下，在上述各种因素作用下，在规定使用期限内不破坏，也不失去原有用下，在规定使用期限内不破坏，也不失去原有性能的性质。性能的性质。它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。材料在使用过程中，除受到各种外力作

20、用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为机械作用、机械作用、物理作用物理作用、化学作用化学作用和和生物作用生物作用。物理作用主要有干湿交替、温度变化、冻融循环等等，这些变化会使材料体积产生膨胀或收缩,或导致内部裂缝的扩展，长久作用后会使材料产生破坏。化学作用主要是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏。如钢材的锈蚀等等。生物作用主要是指材料受到虫蛀或菌类的腐朽作用而产生的破坏。如木材等一类的有机质材料，常会受到这种破坏作用的影响。材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。工程中通常把0.23 W(mK)的材料称

21、为绝热材料1.5 材料与热有关的性质导热性导热性：热量由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧的性质，可以用导热系数来表示：材料的导热系数，w/（mK）；Q 传导的热量，J； a 材料的厚度，m； A 材料传热的面积，m2； Z 传热时间，h；（t1-t2）材料两侧温度差，K。1.5 材料与热有关的性质热容量热容量：材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质，可以表示为： 材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数。优先选用导热系数较小而热容量较大的材料。 (W/m.K) c (J/g.K)Steel 58 0.48 钢材Concrete 0.51 0.84

22、 混凝土Pine wood 1.170.35 2.72 松木Brick 0.8 0.88 砖Granite 3.49 0.92 花岗岩Close air 0.023 1.00 密闭空气Water 0.58 4.18 水Ice冰 2.20 2.05 冰1.6 材料的装饰性一、装饰材料的基本要求1.1.颜色颜色 材料的颜色决定于三个方面：材料的光谱反射，观看时射于材 料上的光谱组成和观看者眼睛的光谱敏感性。所以颜色并非是材料本身固有的，它涉及到物理学、生理学和心理学。对物理学来说， 颜色是光能；对心理学来说，颜色是感受；对生理学来说，颜色是眼 部神经与脑细胞感应的联系。人的心理状态会反映他对颜色的

23、感 受，一般人对不协调的颜色组合都会产生眼部强烈的反应，颜色选 择恰当，颜色组合协调能创造出美好的工作、居住环境。因此，对装 饰材料而言，颜色极为重要。人们对同一颜色的分辨不可能完全相 同，所以应采用分光光度计来客观、科学地测定颜色。2.2.光泽光泽 光泽是材料表面的一种特性，在评定装饰材料时，其重要性仅次于颜色。光线射于物体上，一部分光线会被反射。反射光线可分散在各个方面形成漫反射，若是集中形成平行反射光线则为镜面反射，镜面反射是光泽产生的主要因素。所以光泽是有方向性的光线反射，它对形成于物体表面上的物体形象的清晰程度，即反射光 线的强弱，起着决定性作用。同一种颜色可显得鲜明亦可显得晦 暗，

24、这与表面光泽有关。常用光电光泽计来测定材料表面的光泽。3.3.透明性透明性 材料的透明性也是与光线有关的一种性质。既能透光又能透 视的物体称透明体；只能透光而不能透视的物体为半透明体；既不 能透光又不能透视的物体为不透明体。4.4.表面组织和形状尺寸表面组织和形状尺寸 由于装饰材料所用的原材料、生产工艺及加工方法的不同，使 材料的表面组织有多种多样的特征：有细致或粗糙的，有坚实或疏 松的，有平整或凹凸不平的等等，因此不同的材料甚至同一种材料 也会产生不同的质感，不同的质感会引起人们不同的感觉。 对于板材、块板和卷材等装饰材料，都要求有一定的规格，做 成各种形状、大小，以便于使用时拼装成各种花式、图案。对于各种 装饰材料表