建筑材料第一章

土木工程的功能要求的材料性能

承受荷载长期可靠性防水、隔热隔声、防火采光、绝缘不污染环境强度、刚度耐久性物理性能安全性土木工程要求材料具备哪些性能土木工程材料如何满足性能要求？本章内容第一节材料的组成和结构第二节材料的物理性质第三节

材料与水有关的性质第四节材料的力学性质第五节材料的热工性质第六节材料的耐久性与环境协调性

第一节材料的化学组成与结构

(一）材料的组成——包括化学组成与矿物组成

——决定材料各种性质的最基本因素。材料的化学组成

——指构成材料的基本化合物或化学元素的种类与数量。表示方法：无机非金属建筑材料的化学组成：以各种氧化物的百分含量的百分率形式表示；金属材料：以其元素的百分含量来表示；有机材料：各化合物含量。作用：决定着材料的化学性质，影响着物理性质和力学性质。材料的矿物组成：矿物组成——无机非金属材料中由一种或几种化学组成经过一定的生产工艺过程，形成具有一定结构特征的单质或化合物作用——决定材料的许多重要性质的主要因素。硅酸盐水泥熟料矿物组成生料SiO2CaO化合反应800～1450℃800℃左右分解反应Al2O3Fe2O32CaO·SiO23CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3生料（二）材料的结构——分宏观、微观、细观结构作用——决定材料各种性质的重要因素。1.微观结构——指用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来分析研究材料的原子分子层次的结构特征，其尺寸范围在10-10~10-6m。

作用——决定材料的许多物理、力学性质，如强度、硬度、导热性、导电性等。

微观结构的主要形式：晶体、玻璃体、胶体

（1）晶体：材料的质点（原子或分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体称为晶体。特点：①具有特定的几何外形；②具有各向异性；③具有固定的熔点和化学稳定性；④强度高、硬度大，机械性能较好。一般晶体越细，分布越均匀的晶体材料的强度越高。微观结构——玻璃体玻璃体：指高温熔融物在急速冷却时形成的无定形体。如粉煤灰、普通玻璃等。特征：化学活性高；无固定的熔点；力学性质各向同性。微观结构——胶体胶体：指物质以极微小的质点分散在介质中所形成的结构，其粒径为10-9~10-7m。特征：能保持稳定性；具有黏结性；具有较大的流动性，也就是变形较大。

2.宏观结构

——即材料的构造。

——材料在宏观可见层次上的组成形式。宏观分类：（1）按孔隙特征分：①致密构造②多孔构造③微孔构造①致密构造——这类材料的孔隙率很低或趋近于零、结构致密的材料。特征：密度较大，吸水性低，抗渗性好，强度较高；②多孔构造——指材料内部有粗大孔隙的结构。特征：密度较小，吸水率高，抗渗性差，但绝热、吸声性好。③微孔构造——指材料内部有分布较均匀的微细孔隙的结构。特征：一般密度较小，吸水率高，抗渗性差，绝热、吸声性好。（2）按构造特征或存在状态分类：

①颗粒状构造②纤维构造③层状构造④散粒状结构⑤纹理结构（2）按构造特征或存在状态分：

①颗粒状构造——分为聚集构造与散粒构造。固体颗粒的聚集体。如砂、石、混凝土、砂浆、沥青混凝土。②纤维构造——由纤维状物质构成的材料。

（2）按构造特征或存在状态分：③层状结构——天然形成或采用人工黏结等方向将材料叠合而成层状的结构。叠合结构。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。④纹理结构——天然材料在生长或形成过程中自然造就天然纹理，如木材、大理石、人造花岗岩板材、瓷质彩胎砖等。宏观结构是影响材料性质的重要因素，材料的宏观结构较易改变两种结构的关系：组成及微观结构相同，宏观结构不同，物理性质不同（玻璃和泡沫玻璃；普通混凝土和加气混凝土；组成及微观结构不同，宏观结构相同，物理性质相似。（泡沫玻璃，泡沫塑料，加气混凝土）总之，建筑材料的组成决定了材料的化学性质，微观结构决定了材料的物理性质，宏观结构决定了其工程性质，它们三者互相联系，互相制约。第二节材料的物理性质（重点内容）——指材料与其各种物理过程（水、热作用）有关的性质。一、与质量有关的性质二、与水有关的性质三、与热有关的性质

一、建筑材料的孔隙

孔隙——材料实体内部被空气所占据的空间。孔隙状况对建筑各种基本性质具有重要的影响。产生原因：自然与人为因素。表示指标：孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径（1）孔隙率：孔隙在材料体积中所占的比例。（2）孔隙直径：分粗大孔、毛细孔、极细微孔三类孔隙。（3）连通性：连通孔和封闭孔。建筑材料的孔隙：（一）孔隙形成的原因（1）水分子的占据作用（2）外加的发泡作用（3）火山爆发作用（4）焙烧作用（二）孔隙的分类（1）按大小分类（2）按形状分类（3）按常压进水与否分类开口孔隙：对性能影响较大闭口孔隙：水压较高时，水分可进入建筑材料的孔隙：（三）孔隙对材料性质的影响（孔隙增多）（1）材料的体积密度减小；（2）材料受力的有效面积减小，强度降低；（3）导热系数和热容量减小；（4）透气性、透水性、吸声性、吸湿性、吸水性变大；（5）对抗冻性、抗渗性，要视孔隙大小和形态而定。有些孔隙能提高抗冻性、抗渗性。连通孔——开口孔隙封闭孔——闭口孔隙材料所处状态：材料在不同状态下的体积构成。1.单体材料的状态：固体物质体积材料在绝对密实状态下的体积构成，用V表示。固体物质体积＋孔隙体积材料在自然状态下的体积构成，也称材料的表观体积，用V’表示。2.堆积材料的状态固体物质体积＋孔隙体积＋空隙体积材料在自然堆积状态下的体积构成，用V0’1.材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度

（1）密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。ρ—密度,g/cm3

或kg/m3；

m—材料的质量，g或kg；

V—材料的绝对密实体积，cm3或m3

。密度试验：测试时，材料必须是绝对干燥状态。a、绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的固体物质部分的体积，也称实体积。b、对于测定可研磨的非密实材料的密度，要磨成细粉，干燥后用密度瓶（李氏瓶）测定体积，采用排开液体的方法来测定其体积，材料麿得越细，测得的数值就越接近绝对密实体积。李氏瓶天平（2）表观密度、体积密度、视密度表观密度（俗称“容重”）——材料在自然状态下，单位体积的质量。式中

V/—材料的表观体积，cm3

或m3总结：材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积。通常所指的表观密度，是指干燥状态下的表观密度。

（3）堆积密度——散粒状（粉状、颗料状、纤维状）材料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。

ρ0’，—材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

V0’—材料的堆积体积，cm3

或m3

测定散粒状材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的体积。总结：

散粒状材料在自然堆积状态下的体积，是指含有孔隙在内的散粒状材料的总体积与颗粒之间空隙体积之和。

在建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。定义计算公式（单位）测定方法实际密度在绝对密实状态下，单位体积的质量

（g/cm3）

先磨细，再采用排水法(李氏瓶）表观密度体积密度在自然状态下，单位体积的质量

（g/cm3或kg/m3）外形规则的材料直接测量；外观不规则的材料排水法堆积密度在自然堆积状态下，单位体积的质量

（kg/m3）

采用一个已知容积的容器来检测总结：密度2、材料的密实度与孔隙率（1）密实度_____指材料的内部固体物质填充的程度。D___材料的密实度V—材料的绝对密实体积，也即干燥材料在绝对密实状态下的体积，cm3

或m3V0—材料的自然状态下的体积，cm3

或m3ρ0—材料的自然密度,g/cm3或kg/m3ρ—密度,g/cm3

或kg/m3

（二）孔隙率、空隙率孔隙率材料孔隙示意图

孔隙率是指材料内，孔隙体积占总体积的百分率。物理意义：材料的孔隙率与密实度从两个不同的侧面来反映材料的致密程度。其关系为P+D=1，但通常用孔隙率直接反映孔隙率大小，孔隙率越大，则密实度越小。孔隙率与密实度之间有什么关系？空隙率材料空隙率示意图空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率。（一）材料的亲水性与憎水性二、材料与水有关的性质

大多数建筑材料都是亲水材料，憎水材料有沥青、石蜡、某些高分子材料等。憎水材料不仅可作为防水材料，还可用于处理亲水材料的表面，以降低材料的吸水性，提高材料的防水防潮性能。

问题：亲水性材料能做防水材料吗？

孔隙率较小的亲水性材料同样也具有较好的防水性，防潮性，仍可作为防水或防潮材料使用，如水泥砂浆、水泥混凝土、琉璃瓦等；（二）吸水性定义：吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小用吸水率表示。影响吸水性的因素：材料的孔隙率；材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。质量吸水率体积吸水率……（三）吸湿性定义：材料在空气中，吸收空气中水分的性质，称为吸湿性。其大小用含水率表示。材料的孔隙率；材料的本身的性质，如亲水性或憎水性；孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等；周围空气的温度和湿度。影响吸湿性的因素：平衡含水率（四）材料的耐水性定义：材料在长期水作用下，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。其衡量指标为：软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。软化系数对经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其KR>0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其KR≥0.75；衡量指标：①渗透系数Ks，单位cm/hKs越大，材料的抗渗性越差。（五）材料的抗渗性定义：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。QAdH②对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级Pn表示。

H－六个试件中三个渗水时的水压力，MPa。

影响材料抗渗性的因素有哪些？（六）材料的抗冻性定义：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，强度也不显著降低的性质。衡量指标：抗冻性指标用抗冻等级Fn表示，表示经过n次冻融循环次数后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%。冻融破坏的原因及过程：孔隙及孔隙水孔隙水结冰→材料开裂→饱水程度增加→开裂加剧→材料冻融破坏三、材料的热工性质导热性－材料传导热量的能力称为导热性。其大小用热导率，又称导热系数（λ）表示。At2t1Q

式中λ－导热系数（W/m.K）

Q－传导的热量（J）

A－热传导面积（m2）

d－材料的厚度（m）

t－热传导时间（s）

(T2-T1)－材料两侧温差（K）

一、强度的概念指材料在外力(荷载)作用下，抵抗破坏的能力。二、强度的种类根据受力形式(如图2.2所示)分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯（折）强度等四种。三、强度的计算

1.抗压强度、抗拉强度、抗剪强度计算公式如下：式中f---材料的抗压、抗拉、抗剪强度，Pa或MPa。F---试件破坏时的最大荷载，N。

A---试件面积，m2

或mm2。

强度、比强度2.抗弯强度的计算材料的抗弯(折)强度与材料的受力情况、截面形状及支承条件等关。

一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：

式中fm------材料的抗弯强度，MPa

Fmax---材料受弯破坏时的最大荷载，N

A------试件受力面积，mm2

L------两支点的间距，mm

b、h---试件横截面的宽及高，mm

比强度

几种材料的强度比较材料表观密度(kg/m3)强度f

(MPa)比强度（f/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025材料的比强度衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，选用比强度大的材料对增加建筑高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义。即：2、弹性与塑性卸载后材料的变形行为：变形可完全恢复变形不可恢复或部分恢复一、弹性和塑性

1.材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。具备这种变形特征的材料称为弹性材料。

2.材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。

3.(1)完全弹性材料是没有的；

(2)一些材料在一定外力作用的范围内表现为弹性变形，当超过一定限度后表现为塑性变形。如，建筑钢材；

(3)一些材料弹性变形和塑性变形同时(或先后)发生，当外力取后，弹性变形恢复，而塑性变形不能消失，如，混凝土。弹性当撤去外力或外力恢复到原受力状态，材料能够完全恢