第01章 建筑材料基本性质

第一章建筑材料的基本性质工程的功能要求的材料性能

承受荷载安全性土木工程要求材料具备哪些性能？防水、隔热隔声、防火采光、绝缘长期可靠性不污染环境物理性能耐久性强度、刚度第一章

建筑材料的基本性质

材料的性质是指材料在负荷与环境因素联合作用下所具有的属性。建筑材料的基本性质是建筑材料所共有的和比较重要的性质。

建筑材料如何满足性能要求？材料的组成材料的结构材料的构造材料的复合性能组成结构材料的组成—结构—性能关系材料组成、结构与性能之关系

——现代材料科学的核心1.1材料的组成、结构与构造

一、组成：

材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。

（一）化学组成

是指构成材料的化学元素或化合物（单质）的种类及数量。决定性质….。

（二）矿物组成

将无机非金属材料中具有特定晶体结构、特定的物理力学性能的化合物（单质）称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。如天然石材、无机胶凝材料等，其矿物组成在化学组成确定的情况下是决定材料性质的主要因素。

（三）相组成

材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。相组成指组成材料的物相的种类及组合状况。

材料的组成材料均由各种物相组成每种物相由化合物（单质）组成化合物（单质）由分子组成分子由原子组成材料的物相组成：固相气相液相材料的化学组成：元素化合物（单质）§1.1材料的组成、结构与构造二、结构

材料的微观组织状况。材料结构分为：微观结构和细观结构两个层次。§1.1材料的组成、结构与构造二、结构1.微观结构

微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜或X射线来分析研究该层次上的结构特征。

微观结构的尺寸范围在10-6-10-10m之间。材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导电性都是由微观结构决定的。在微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体等。§1.1材料的组成、结构与构造二、结构1.微观结构(1)晶体

晶体是质点(原子、分子、离子)按一定规律在空间重复排列的固体，具有一定的几何形状和物理性质。晶体质点间键能的大小以及结合键的特性决定晶体材料的特性。原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体

(2)玻璃体玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或闭态液体。玻璃体结构的材料没有固定的熔点和几何形状，且各向同性。§1.1材料的组成、结构与构造二、结构2.显微结构显微结构是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸范围在10-3-1mm之间。典型材料的细观结构：混凝土可分为基相、集料相、界面；

天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体结构；

钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体等；木材分为木纤维、导管髓线、树脂管等。§1.1材料的组成、结构与构造二、结构3.微粉、超微颗粒、胶体微粉-是指粒径在0.0001-0.1mm间的各种矿物或金属粉末，通常指散粒的显微层次。超微颗粒-是指粒径在10-6-10-4mm间的各种微粒，它一般大于微观尺度的原子团，小于微粉。纳米材料结构特点是界面组元占的份额显著大于大尺度微粒，因此，由他本身和由它构成的多种材料，具有传统材料所不具备的许多优越物理力学性质。以超微颗粒作为分散相，分散在连续相介质中，形成的分散体系称为胶体。凝胶、溶胶及其触变性§1.1材料的组成、结构与构造三、构造材料的构造是指是指材料的宏观组织状况，如岩石层理、木材纹理、钢材中的裂纹等，其尺寸在10-3m级以上。材料的性质与材料的构造特征有密切关系，如材料的构造特征按所含孔隙多少（以孔隙率表示）有致密、疏松之分。致密材料密度大，强度高，反之疏松材料强度就低。另外构造上疏松的材料，材料性能除与孔隙多少有关外，还与孔隙特征（孔隙形状，孔径大小及其分布，开、闭口性，连同性等特征的总称）有密切关系。如扁平而有尖角的孔隙多的材料强度就低；开口粗大的孔隙，易透水但不易被水充满，开口极细的孔隙，水易被吸入但不易在其中流动；开口毛细孔隙既易被水充满，又易在其中流动，具有这几种孔隙特征的材料，其抗渗、抗冻及抗侵蚀性能明显不同：若开口的毛细含量多，其抗渗、抗冻及抗侵蚀性能均较低。金属晶体结构模型氯化钠晶体结构微粉

§1.2材料的密度、表观密度和孔隙率1.密度：

材料的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：

ρ=m/v式中：ρ—密度,g/cm3

m—材料的质量，g

V—材料的绝对密实体积，cm3

1.密度绝对密实体积

V的测定：1、对于结构完全密实的材料2、工程材料，绝大部分含有孔隙

含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。李氏瓶法….测试时，材料必须是绝对干燥状态。2.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。

按下式计算：

式中 —材料的表观密度,g/cm3

或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

V0—材料的表观体积，cm3

或m32.表观密度表观体积V0的测定：1、有规则形状，依外形尺寸计算2、无规则形状①加工成规则形状②防水材料膜包裹，然后用排液法3.孔隙率指材料（在自然状态下）单位体积内，孔隙所占的比例。式中符号意义同前。

3.孔隙率

固体材料的自然体积（表观体积）V0由

①固体物质部分V

②孔隙部分V

-V0组成。4.散粒材料的视密度、堆积密度及空隙率散粒材料基本知识：定义：由粒径大小不等的块体颗粒堆积起来所形成的堆积体称为散粒材料。如：一堆石子、砂子，一袋水泥等。其中，颗粒粒径微小（一般小于1.0mm）的散粒材料又称为粉体材料。体积组成=∑颗粒体积(实体积+孔隙体积(闭口孔隙体积+开口孔隙体积))+空隙体积即=∑V0(V+V孔(V闭孔+V开孔))+V空空隙：

散粒材料堆积体中颗粒间的间隙。4.散粒材料的视密度、堆积密度及空隙率

（1）视密度：散粒材料的单位颗粒体积（不包括开口孔隙体积）的质量。定义式为

式中—视密度，g/cm3（kg/cm3）；—散粒材料中颗粒所占的体积（不包括开口孔隙体积），该体积用排液法测得，cm3（m3）；=∑（V0-V开孔）=

∑（V+V闭孔）

；m—散粒材料的质量，g（kg）。4.散粒材料的视密度、堆积密度及空隙率

（2）

堆积密度是指散粒材料在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中 —材料的堆积密度,kg/m3

m—材料的质量，kg

—堆积体积，m3。堆积体积测定：测定堆积密度时，将材料直接装入已知体积的容量筒中，直接测试其自然堆积状态下体积。（3）空隙率P’

空隙率是指散粒材料在某堆积体积内，颗粒之间的空隙体积（包括颗粒中的开口空隙体积）所占自然堆积体积的比例。按下式计算：

式中符号意义同前。

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(视密度)、表观密度和堆积密度等数据。小结

材料的组成、结构与构造密度、表观密度、孔隙率散粒材料：

视密度、堆积密度、空隙率

§1.4材料与水有关的性质（1）亲水性与憎水性Hydrophilic

and

HydrophobicProperties

固体材料与水接触时，有些能被水润湿，而有些则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。

材料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亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。

工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿边角的大小划分，润湿边角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿边角θ愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿边角θ＜９０˚时，为亲水性材料；当材料的润湿边角θ＞９０˚时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中。图２－1材料润湿示意图

（ａ）亲水性材料；（ｂ）憎水性材料

亲水性材料和憎水性材料亲水性材料：石料、砖、混凝土、木材等无机材料。憎水性材料：沥青、石蜡等有机材料。亲水性材料能通过毛细管作用，将水分吸入材料内部。憎水性材料一般能阻止水分渗入毛细管中，故能降低材料的吸水作用，用作防水材料，或用在亲水材料的表面处理。（2）吸水性WaterAbsorption

1）定义：指材料从所处环境中吸收水分的性质。材料因吸水而含有水，含水的多少用含水率指标来表示，定义式为

式中 Ｗh

——含水率（%）；

G0——材料含水状态下的质量（ｇ）；

G——材料在干燥状态下的质量（ｇ）。

（2）吸水性WaterAbsorption

2)吸水率：材料吸水能力大小的度量指标，有质量吸水率和体积吸水率之分。

a.质量吸水率

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，或者说指材料在吸水饱和时的含水率。

式中 Wm——材料质量吸水率（%）

G1——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ）

G——材料在干燥状态下的质量（ｇ）。

b.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。体积吸水率的定义式为：

式中 G1——材料吸水饱和状态下的质量（ｇ）

G——材料在干燥状态下的质量（ｇ）。

V0—

材料在自然状态下的体积，（cm3）

ρ水—水的密度,（g/cm3

），常温下取ρ水=1.0g/cm3

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。吸湿性材料在潮湿的空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。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，其含水率叫作材料的平衡含水率。

（3）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。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR：式中K软

——

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）

软化系数K软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。

材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。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。

（4）材料的抗渗性

抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水透过的性能。建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔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，而且渗入的水还可能会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。

1)渗透系数

材料的渗透系数可通过下式计算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）

材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。2)抗渗等级

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。§1.3材料的力学性质1.材料的强度

材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（荷载）作用而引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。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，根据试件承载面面积和破坏荷载值，计算材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算式如下：式中 f—材料强度，MPa

F

—材料破坏时的最大荷载，N

A—试件受力面积，mm2抗压强度试验影响材料强度试验结果的主要因素……..

材料的抗弯（折）强度与受力情况有关，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，则抗弯强度用下式计算：式中

fm------材料的抗弯强度，MPa

F---材料受弯破坏时的最大荷载，N

L------试件长度，mm

a------两集中荷载间的距离，mm

b、h---试件横截面的宽及高，mm

2.弹性和塑性

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）。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.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。脆性材料的一大特点是抗压强度相对较高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。

混凝土脆性破坏4.徐变和应力松弛固体材料在持久荷载作用下，变形随着时间的延长而逐渐增长的现象。材料在持久荷载作用下，若所产生的变形因受约束而不能增长时，则其应力将随时间延长而逐渐减小，这一现象成为应力松弛。5.材料的持久强度和疲劳极限

材料在承受持久荷载下的强度，称为持久强度。

在规定的应力循环次数下，所对应的极限应力即为疲劳极限。6.冲击韧性、硬度、磨损、磨耗材料抵抗冲击或震动等动荷载作用的性能，称为冲击韧性。材料抵抗其他较硬物体压入的能力称为硬度。材料受外界物质的摩擦作用而造成质量和体积损失的现象称为磨损。材料同时受到摩擦和冲击两种作用而造成的质量和体积损耗现象称为磨耗。

§6材料与热有关的性质

1.导热性

当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数λ表示。导热系数的定义和计算式如下所示：λ——导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－传导的热量，Ｊ

d—材料厚度，ｍ；

A——热传导面积，m2

Z一热传导时间， s；

⊿t－材料两面温度差，K

在物理意义上，导热系数为单位厚度(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(1㎡)的热量。

2.热容量和比热

材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的容热性,温度升高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量称为该材料的热容量(J/K)。单位质量材料温度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示：式中

C---材料的比热，J/（kg·K）

Q--材料吸收或放出的热量(热容量),J

G---材料质量，kg

（t2-t1）--材料受热或冷却前后的温差，K

§5

材料的耐久性

材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。

材料在建筑物之中，除要受到负荷的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用