建筑材料学第一章基本性质

建筑材料学第一章基本性质第一页，共五十二页，2022年，8月28日本章提要

熟悉和掌握材料的基本性质，对于正确选择和合理使用材料至关重要。本章主要介绍了材料的状态物理性质、工程性质、功能物理性质及其有关指标和计算公式。第二页，共五十二页，2022年，8月28日要目

0.1建筑材料的状态物理性质

0.2建筑材料的工程性质

0.3建筑材料的功能物理性质第三页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数二材料的组成三材料的结构第四页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。计算式为：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测试时，材料必须是绝对干燥状态。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。（李氏瓶测定）1密度第五页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数2表观密度表观密度（容重）是指材料在自然状态下单位体积的质量。计算式为：式中 ρ0—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m3第六页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数2表观密度材料的表观体积是指包含孔隙的体积。V0=V+Vk+Vb,一般是指材料长期在空气中干燥，即气干状态下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关第七页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数2表观密度粉末材料：干表观密度值与密度值近似相等（？）砂石类散粒材料：饱水法测试块状材料及：几何外形计算或蜡封法第八页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数指粉状、粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。计算式为：式中：—堆积密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的质量，g或kg

V0’—堆积体积，cm3或

m3粉状或粒状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容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。3堆积密度第九页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数

指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下：

ρ—密度；ρ0—材料的表观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%。

4材料的密实度第十页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数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：V—材料的绝对密实体积，cm3

或m3V0—材料的表观体积，cm3

或m3ρ0—材料的表观密度,g/cm3

或kg/m3ρ—密度,g/cm3

或kg/m35孔隙率第十一页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

一材料的状态参数

指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：

ρ0—材料的表观密度;ρ0，—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含砂率的依据。5空隙率第十二页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

表1.1常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率

材料密度ρ(kg/m3)表观密度ρ0(kg/m3)堆积密度ρ′0(kg/m3)孔隙率(%)石灰岩2.60~2.802000~2600____花岗岩2.60~2.902600~2800__0.5~3.0碎石(石灰岩)2.60~2.80__1400~1700__砂2.60__1450~1650__粘土2.60__1600~1800__普通粘土砖2.501600~1800__20~40第十三页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

二材料的组成化学组成

无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物含量来表示。

金属材料以元素含量来表示。

有机高分子材料由一种或几种简单的低分子化合物链接而成，由低分子化合物到高分子化合物的转变称为聚合。 化学组成决定着材料的化学性质，影响其物理性质和力学性质。第十四页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

二材料的组成2.基元组成

基元是构建材料最基本单位。 无机非金属材料的基元是矿物（具有一定化学组成及结构特征的物质）

有机高分子材料的基元是链节（能够重复的特定结构单元）。

第十五页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

三材料的结构（一）显微结构

显微结构是指材料内部原子、分子、离子等微观质点的空间排列方式。（1）晶体结构把相同质点（原子、分子、离子等）在空间做周期排练成固定几何外形的固体称为晶体。（2）玻璃结构

晶态物体在高温下熔融变为液态，当温度骤然下降到低于凝固点温度时，熔体内部质点来不及排列成有序结构而凝固成固体状态即成玻璃体机构。（3）胶体结构指高度分散的分散体，或胶态分散体。由形成粒子的不连续分散相和分散相以外的分散介质组成。

第十六页，共五十二页，2022年，8月28日材料的微观结构形式及其主要特性第十七页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

三材料的结构（二）宏观结构1.定义与分类宏观结构（构造）是指用肉眼或放大镜能够分辨材料的组织。其尺寸约为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：（1）致密结构，基本上是无孔隙存在的材料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等 第十八页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

三材料的结构

（2）多孔结构，是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质材料等。

(3）微孔结构，是指微细的孔隙结构。如石膏制品、粘土砖瓦等。第十九页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

三材料的结构按孔隙尺寸可以分为：（1）聚集结构：如水泥混凝土、砂浆、沥青混凝土等（2）纤维结构：是指木材纤维、玻璃纤维、矿物棉纤维所具有的结构。（3）层状结构：采用粘结或其他方法将材料迭合成层状的结构。如胶合板、迭合人造板、蜂窝夹芯板、以及某些具有层状填充料的塑料制品等。

（4）散粒结构：是指松散颗粒状结构。比如混凝土骨料、用作绝热材料的粉状和和粒状的添充料。第二十页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

2孔结构材料的孔结构对材料的很多性质有重大影响，如强度、变形行为、导热性、渗透性等。从宏观结构角度来看，影响材料性能的因素主要是孔结构。孔结构的主要内容包括：孔隙率孔径分布（孔级配，不同孔径的孔互相搭配情况）孔几何学（孔的形貌和排列）第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日1.1建筑材料的状态物理性质

三材料的结构从宏观结构看，影响材料性能的主要因素是孔隙。组成和微观结构相同而宏观结构不同，会表现出不同的物理性能：玻璃砖和泡沫玻璃组成和微观结构不同而宏观结构相同，会表现出一定程度相同的工程性质：泡沫玻璃和泡沫混凝土可作保温材料孔隙可减轻材料自重不同孔结构可以发挥保温、绝热和隔声功能孔隙会对建筑材料的力学性能产生不利影响第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

一材料的力学性质1.材料的应力-应变关系弹性：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）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）。第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

一材料的力学性质1.材料的应力-应变关系脆性：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。如：岩石、混凝土、玻璃延性：材料在破坏前产生很大的塑性变形，这种性质称为延性。如：软钢、橡胶、塑料韧性:在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。如：设计路面、桥梁、吊车梁徐变：当材料长时间承受一定荷载时变形却随时间而增长，这种现象称为徐变第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

一材料的力学性质2.材料的力学破坏材料的力学破坏本质上是由于原子间或分子间的结合键受拉力作用发生断裂所造成的。断裂的形式：脆裂或产生晶界面滑移强度：材料在外力作用下，抵抗破坏的能力理论强度：实际强度约为理论强度的E/100-E/1000第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

二力学性能指标

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，内部就产生应力。随着外力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪和抗弯(抗折)强度等(图1.12)。第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

二力学性能指标图1.12材料受力示意图(a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

二力学性能指标在试验室采用破坏试验法测试材料的强度。按照国家标准规定的试验方法，将制作好的试件安放在材料试验机上，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。

材料的抗拉、抗压和抗剪强度的计算式为：f-材料强度（MPa);F-材料破坏时最大荷载（N）；A材料受力截面积（mm2)第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

二力学性能指标

材料的抗弯强度与试件受力情况、截面形状以及支承条件有关。通常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间作用一集中荷载。

材料的抗弯强度的计算式为：

材料的强度主要取决于它的组成和结构。一般说材料孔隙率越大，强度越低，另外不同的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同。第三十页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性材料在建筑物的使用过程中，受到各种破坏作用物理作用：温度和干湿的交替变化、循环冻融等机械作用：荷载的持续作用、反复荷载引起材料的疲劳、冲击疲劳、磨损等化学作用：包括酸、碱、盐等液体或气体对材料的侵蚀作用生物作用：昆虫、菌类等的作用而使材料蛀蚀或腐朽第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性材料的耐久性，是在使用条件下，在上述各种因素作用下，于规定使用期限内不破坏，也不失去原有性能的性质。耐久性是一种综合性质：抗冻性、抗风化、抗老化、耐化学侵蚀性第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性（一）材料在水作用下的性质1.亲水性与憎水性

与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，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。第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

润湿角的大小划分亲水憎水润湿角为在材料、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。润湿角θ＜９０˚时，为亲水性材料；当材料的润湿角θ＞９０˚时，为憎水性材料。大多数建筑材料，如石材、砖瓦、陶器、混凝土、木材等都属于亲水性材料，而沥青、石蜡和某些高分子材料属于憎水性材料。第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性2.吸水性与吸湿性

材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性，常用吸水率表示

（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：

第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性（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），常温下取ρw=1.0g/cm3第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性质量吸水率和体积吸水率之间的关系材料的吸水性取决于材料的孔隙率及孔隙特征。密实材料不吸水，粗大孔隙，水分不易存留材料体积吸水率与材料空隙率的比值称为孔隙饱和系数花岗岩：0.5%-0.7%，粘土砖：8%-20%，木材>100%第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性（3）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。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿度变化的。第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以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）。如果材料的含水率与环境湿度达到平衡状态，此时的含水率称为平衡含水率第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性3.耐水性与抗渗性

（1）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）

第四十页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

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。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。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。第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性3.耐水性与抗渗性

（2）抗渗性

抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗水渗透的性质。材料的抗渗性可用渗透系数表示。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）

材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

材料的抗渗性也可以用抗渗等级Pn来表示。

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。例如：某防水混凝土的抗渗等级为P6，表示该混凝土试件经标准养护28d后，按照规定的试验方法在0.6MPa压力水的作用下无渗透现象。第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

三材料的耐久性（一）建筑材料的抗冻性材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨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。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。第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

1冻害机理（1）冻胀假说水结冰时体积膨胀9%，产生压力使材料破坏冻害条件：（1）饱水状态（2）孔结构（>32×10-10m（2）渗胀假说

毛细孔水量小于孔隙容积的91.7%（极限饱和度）时，其结冰不至于使材料内部结构破坏过冷状态的水的蒸气压高于同温度下冰的蒸气压，使凝胶孔中水向毛细孔中冰的界面处渗透，产生渗透压力，与冰胀压力共同作用使结构破坏第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

2抗冻性的主要影响因素材料孔结构水饱和度：掺入引气剂冻融龄期：冷冻温度、冻融速度、冻融时间养护龄期：养护时间的增加，可结冰的水减少，水中溶盐浓度增加，冰点降低，材料的抗冻性提高。加入早强剂第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

3抗冻性指标抗冻标号（或称为抗冻等级）：以同时满足强度损失率不超过25%，质量损失率不超过5%的最大循环次数来表示。

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。耐久性指标：指材料经受快速冻融循环（2-4h完成），以同时满足性对动弹性模量值不小于60%和质量损失率不超过5%时最大循环次数来表示。第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日1.2建筑材料的工程性质

3抗冻性指标耐久性系数Kn：经快速冻融试验后用Kn=PN/300计算得到的，其中N表示冻融循环300次，或相对动弹性模量下降到60%以下，或重量损失率在到5%，满足之一者的冻融循环次数；P为经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量。第四十八页，共五十二页，2022年，8月28日作业例1-1某工