建筑经济第一章

单元一材料的基本性质开封大学建筑工程管理专业任课教师：陈青萍学习目标：掌握材料的物理性质、力学性质及耐久性的相关概念、表示方法及影响因素。理解材料的体积组成，理解材料的空隙情况、含水状态时对材料性能的影响，理解材料性质间的相互影响。能熟练运用材料的各种性质并结合工程所处的环境条件合理选择材料项目一材料的物理性质项目二材料的力学性质与耐久性一、与质量有关的物理性质二、与水有关的物理性质三、与热有关的物理性质项目一材料的物理性质一、材料与质量有关的性质1.材料的体积构成与含水状态1）材料的体积构成体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。一、材料与质量有关的性质1.材料的体积构成与含水状态1）材料的体积构成一、材料与质量有关的性质1.材料的体积构成与含水状态2）材料含水状态材料在大气中或水中下吸附一定的水分，根据材料的吸附水分的情况，将材料的含水状态分为干燥状态、气干状态、饱和状态、湿润状态。

见课本P6图1-3.

（1）干燥状态，或称烘干状态：是砂在烘箱中烘干至恒重，达到内、外部均不含水。

（2）气干状态：在砂的内部含有一定水份，而表层和表面是干燥无水的，砂在干燥的环境中自然堆放达到干燥往往是这种状态。

（3）饱和面干状态：即砂的内部和表层均含水达到饱和状态，而表面的开口孔隙及面层却处于无水状态。拌合混凝土的砂处于这种状态时，与周围水的交换最少，对配合比中水的用量影响最小。

（4）湿润状态：砂的内部不但含水饱和，其表面还被一层水膜覆裹，颗粒间被水所充盈。2.密度（工程上称比重）指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：

式中：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。一、材料与质量有关的性质绝对密实体积

干燥材料在绝对密实状态下的体积。即材料内部固体物质的体积，或不包括内部孔隙的材料体积。一般以Ｖ表示。一般将材料磨成规定细度的粉末，用排开液体的方法得到其体积。真实密度检测方法：主要仪器设备。其包括李氏瓶(如图10-1所示)、筛子(孔径0.20mm或900孔/cm2)、量筒、烘箱、干燥器、物理天平、温度计、漏斗和小勺等。

图1李氏瓶3.表观密度（视密度）指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：式中：——体积密度，g/cm3

或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

——材料的表观体积，cm3

或m3。一、材料与质量有关的性质表观体积指材料的固有物质体积与内部封闭空隙体积之和。

对于比较密实、孔隙较少的散粒状材料，可直、接用排开液体的方法测定的体积。一般以表示。

表观体积是指包括内部封闭孔隙在内的体积。其封闭孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。工程中砂石材料，直接用排水法测定其表观体积砂表观密度ρs的测定（kg/m3）式中：m0——砂试样的烘干质量，g；m0＝300g；

m1——砂试样、水及容量瓶总质量，g;m2——水及容量瓶总质量，g。测定瓶+砂+水的质量m1测定瓶+水的质量m24.堆积密度堆积密度是指散粒材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中：ρ’0——散粒材料的堆积密度,g/cm3

或

kg/m3；

m

——散粒材料的质量，g或kg；

V’0——散粒材料的自然体积，cm3

或m3。一、材料与质量有关的性质材料的堆积体积

粉状或粒状材料，在堆积状态下的总体外观体积。即包括颗粒内部的空隙体积，又包括颗粒之间的空隙体积。松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。一般以表示。砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积几种密度的比较在工程中，计算材料和构件的自重、材料的用量，以及计算配料、运输台班和堆放场地时，经常要用到材料的密度、表观密度以及堆密度等数据。比较项目实际密度表观密度堆积密度材料状态绝对密实表观状态堆积状态材料体积V计算公式应用判断材料性质用量计算、体积计算比较三者大小？

1）密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：

式中：ρ——密度；

ρ0——材料的体积密度。

对于绝对密实材料，因ρ0=ρ

，故密实度D=1或100%。对于大多数土木工程材料，因ρ0

＜ρ

，故密实度D

＜1或D

＜100%。一、材料与质量有关的性质

5.密实度与孔隙率2）材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：式中：V——材料的绝对密实体积，cm3

或m3；

V0——材料的自然体积，cm3

或m3；

ρ0——材料的体积密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。空隙率大小反映材料密实程度。

一、材料与质量有关的性质

5.密实度与孔隙率

1）填充率：是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗粒填充的程度。

D`=v0/v0`100%

=0`/0100%ρ0——

材料的表观密度；

ρ0'

——

材料的堆积密度。

V0——

材料在自然状态下的表观体积；

V0'——

材料的自然堆积体积；

一、材料与质量有关的性质

6.填充率、空隙率

2）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所占的比例。空隙率按下式计算：

式中：ρ0——材料的表观密度；

——材料的堆积密度。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。

一、材料与质量有关的性质

6.填充率、空隙率孔隙率与空隙率的区别比较项目孔隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式二、材料与水有关的性质1.材料的亲水性与憎水性

与水接触时，材料表面能被水润湿的性质称为亲水性；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。

具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子作用力，大于水分子相互之间的内聚力；憎水性材料与水分子之间的作用力，小于水分子相互之间的内聚力。二、材料与水有关的性质（ａ）亲水性材料

（ｂ）憎水性材料二、材料与水有关的性质2.材料的吸水性材料在水中吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水性的大小以吸水率来表示。（1）质量吸水率

质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以Wm表示。质量吸水率Wm的计算公式为：

式中：mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；

mg——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，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以WV表示。体积吸水率WV的计算公式为：

式中:mb——材料吸水饱和状态下的质量（g或kg）；

mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。

V0——材料在自然状态下的体积，（cm3

或m3）；

ρw——

水的密度,（g/cm3

或kg/m3）。二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质（3）影响材料吸水性的因素材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。（4）质量吸水率与体积吸水率之间的关系

Wｖ／Wm=ρ0／ρ水材料的体积吸水率就是材料开口空隙率。二、材料与水有关的性质3.材料的吸湿性

材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。用含水率Ｗh表示，其计算公式为：式中：ms——材料吸湿状态下的质量（g或kg）

mg——材料在干燥状态下的质量（g或kg）。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率称为平衡含水率。二、材料与水有关的性质吸水率与含水率的区别比较项目吸水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率4.材料的耐水性

材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料耐水性的指标用软化系数KR表示：式中：KR——材料的软化系数；

fb——

材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；

fg

——

材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。二、材料与水有关的性质二、材料与水有关的性质软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。二、材料与水有关的性质软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将KR＞0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。二、材料与水有关的性质5.材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。用渗透系数或抗渗等级表示。（1）渗透系数材料的渗透系数K可通过计算。

式中：K——渗透系数,（cm/h）;

Q——渗水量，（cm3

）；

A——渗水面积,（cm2

）

H——材料两侧的水压差，（cm）

d——试件厚度（cm）；

t——渗水时间（h）。二、材料与水有关的性质（2）抗渗等级对于混凝土砂浆等材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10…等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水压而不渗透。二、材料与水有关的性质（3）影响材料抗渗性的因素材料亲水性和憎水性：通常憎水性材料其抗渗性优于亲水性材料；材料的密实度：密实度高的材料其抗渗性也较高；材料的孔隙特征：具有开口孔隙的材料其抗渗性较差。二、材料与水有关的性质6.抗冻性抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。二、材料与水有关的性质抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失分别不超过5%和25%时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。二、材料与水有关的性质影响抗冻性的因素1.材料的密实度（孔隙率）：密实度越高则其抗冻性越好。2.材料的孔隙特征:开口孔隙越多则其抗冻性差。3.材料的强度:强度越高则其抗冻性越好。4.材料的耐水性:耐水性越好则其抗冻性也越好。5.材料的吸水量大小:吸水量越大则其抗冻性越差。三、材料的热工性质1.导热性材料传导热量的性能，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示。物理意义：单位厚度（1m）的材料、两面温度差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1m2

）的热量。λ值越小，材料的绝热性能越好。习惯上把λ≯0.25w/(m·λ)的材料称为绝热材料。三、材料的热工性质

式中：λ——导热系数，W/（m·K）；

Q——传导的热量，J；

d——材料厚度，m；

F——热传导面积，m2；

Z——热传导时间，h；

（t2－t1）——材料两面温度差，K。2.热容量和比热容材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。用热容量或比热容C表示。比热容是指单位重量（1g）材料温度升高或降低1K时，所吸收或放出的热量。热容量（cm）较大，导热系数较小的材料才是良好的绝热材料。三、材料的热工性质三、材料的热工性质比热容的计算式如下所示：式中：C——材料的比热容，J/（g·K）；

Q——材料吸收或放出的热量(热容量)；

m——材料质量，g；（t2

－t1）——材料受热或冷却前后的温差，K。三、材料的热工性质3.材料的耐燃性 材料的耐燃性是指建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。

(1)不燃烧类 材料遇火遇高温不易起火、不阴燃、不炭化，如混凝土。

三、材料的热工性质(2)难燃烧类 材料遇火遇高温不易起火、不阴燃、不炭化，只有在火源存在时继续燃烧阴燃，火焰熄灭后，而停止燃烧或阴燃，如沥青混凝土。

(3)难燃类 材料遇火遇高温而起火或阴燃，在火源扑灭后，能继续燃烧或阴燃，如木材。三、材料的热工性质4.材料的耐火性 材料的耐火性是指材料长期高温作用下，保持不溶性并能工作的性能。

(1)耐火材料 耐火度≮580℃的材料，如耐火砖中硅砖。

(2)难溶材料 耐火度在1350℃─1580℃，如耐火混凝土。

(3)易溶材料 耐火度＜1350℃，如普通粘土砖。一、材料的理论强度与材料强度等级二、材料的弹性和塑性三、材料的脆性和韧性四、材料的硬度与耐磨性五、材料的耐久性项目二材料的力学性质与耐久性强度：是指材料受外力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式不同，有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度。影响因素：1、内因。指组成、结构的影响。

2、外因。包括试件尺寸和形状、加荷速度、环境温湿度等因素。一、材料的理论强度与材料强度等级根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯（抗折）强度等。抗压抗拉抗剪抗弯一、材料的理论强度与材料强度等级-在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：

式中：

f——材料强度，MPa；

Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；

A——试件受力面积，mm2

。一、材料的理论强度与材料强度等级抗弯强度的计算：

式中：fw——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、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。一、材料的理论强度与材料强度等级一般地，不同材料具有不同的抵抗外力的特性,混凝土、砖、石材等抗压强度较高,钢材的抗拉、抗压强度都很高,在建筑设计中选择材料时应了解清楚不同材料所具有的不同强度特性。材料的强度大小主要决定于其本身的成分、构造。一般情况下,材料的表观密度越小、孔隙率越大、越疏松,其强度就越低。一、材料的理论强度与材料强度等级（1）弹性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）。

（2）塑性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）。二、材料的弹性和塑性荷载变形(a)弹性变形荷载变形(b)塑性变形二、材料的弹性和塑性1.脆性材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时