第二章建筑材料的基本性质

第二章建筑材料的基本性质问题导入？选择结构材料——关注什么？选择保温材料——关注什么？选择防水材料——关注什么？教学目标通过本章的学习，了解在不同使用环境下，各类建筑材料的基本性质，并掌握各性质的涵义，影响这些性质的因素。并能联系工程中的实际应用研究和改进材料的性质，对后面具体材料的学习作一个很好的铺垫。本章内容2.1材料的基本物理参数2.1.1密度、表观密度和堆积密度2.1.2密实度与孔隙率2.1.3填充率与空隙率2.2材料的热工性质2.2.1导热性2.2.2热容2.3材料的力学性质2.3.1强度与比强度2.3.2弹性与塑性2.3.3韧性与脆性2.3.4硬度与耐磨性2.4材料与水有关的性质2.4.1亲水性与憎水性2.4.2吸水性与吸湿性2.4.3耐水性2.4.4抗渗性2.4.5抗冻性2.5材料的耐久性和环境协调性2.5.1耐久性2.5.2环境协调性课堂练习复习思考题密度：定义：材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。表达式：p=m/v

（g/cm3

）

m――材料干燥时的质量（g）

v――材料在绝对密实状态下的体积（cm3）即不包括任何孔隙在内的体积。

意义：反映材料的结构状态，例如：用密度控制玻璃的生产。V的测定：

a.比较密实的材料，如玻璃、钢材等，通常认为其处于绝对密实状态下，直接测其体积；

b.一般多孔材料，如砖，应磨成细粉（粒径小于0.2mm）排除其内部孔隙，用密度瓶测其实际体积；密度表观密度堆积密度2.1材料的基本物理参数是否存在绝对密实的材料？2.1.1表观密度定义：材料在自然状态下，单位体积的质量。表达式：（g/cm3

）或(kg/m3)m――材料的质量（g或kg）

v0――材料在自然状态下的体积，也称表观体积(cm3

或m3)。包括材料孔隙在内的体积，既包括开口孔隙，也包括闭口孔隙。意义：反映材料轻重的量，也与材料的强度有关，是选择结构材料和承重材料的依据。V0的测量：对形状规则的材料，直接测量；

对形状不规则的材料，蜡封后用排水法测量。密度表观密度堆积密度堆积密度定义：堆积密度指粉状、粒状、或纤维状材料在堆积状态下，单位体积的质量。表达式：（kg/m3

）

m――材料的质量（kg）

――堆积体积（m3

）的特点：包括了材料间的空隙体积。

的测定：用既定容积的容器测定。

密度表观密度堆积密度密实度定义：在材料体积内，固体物质的体积占总体积的比例。

表达式：密实度孔隙率2.1.2孔隙率定义：材料体积内，孔隙体积占总体积的比例。表达式：孔隙率与密实度的关系？孔隙率与材料性质的关系？材料的强度、材料的表观密度、吸水率、抗渗性、抗冻性、保温性能等。两个孔隙率相同的同种同体积的材料吸水率是否一定相同？密实度孔隙率材料的性质除了与孔的多少有关外，还与孔的特征、孔的形状有关。孔的特征：包括开口孔和闭口孔，孔隙尺寸的大小、孔的形状、孔隙在材料内部的分布均匀程度等。样品砖观察与讨论某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的剖面。请问选择何种材料？AB讨论：保温层的目的是外界温度变化对住户的影响，材料保温性能的主要描述指标为导热系数和热容量，其中导热系数越小越好。观察两种材料的剖面，可见A材料为多孔结构，B材料为密实结构，多孔材料的导热系数较小，适于作保温层材料。

某施工队原使用普通烧结粘土砖，后改为多孔、容量仅700kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前往墙上浇水，发觉原使用的普通烧结粘土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多，请分析原因。

案例分析分析：加气混凝土砌块虽多孔，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。故吸水及导湿均缓慢，材料的吸水性不仅要看孔数量多少，还需看孔的结构。

填充率空隙率填充率定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比例。表达式：2.1.3填充率空隙率空隙率定义：在散粒材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比例。表达式：能源紧缺是一个世界性的问题，建筑行业是个耗能大户，国家规定高层建筑必须采用节能建筑材料，其中包括墙体节能、屋面节能和门窗节能。2.2材料的热工性质建筑节能保温材料热工性质导热性热容量定义：材料传导热量的能力（冬季材料保持热量不传递出去；夏季材料阻碍热量传入室内）。表示方法：用导热系数λ表示，导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在lh时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为

式中λ——材料的导热系数，w/（m·K）；

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在建筑工程中的意义：判断材料的保温隔热性能（λ越大，传热越快，保温性越差）。2.2.1导热性棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？各种材料的导热系数差别很大，常见建筑材料的导热系数范围是0.035～3.5W／(m·K)，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料称为绝热材料（保温和隔热材料）。常用建筑材料的热工性质指标

材料名称

导热系数W/(m·K)

比热J/(g·K)钢

550.46玻璃0.9花岗岩

3.490.92普通混凝土

1.510.88水泥砂浆

0.930.84普通粘土砖

0.810.84粘土空心砖

0.640.92松木

0.17～0.352.51泡沫塑料

0.031.30冰

2.202.05水

0.604.19静止空气

0.023

影响导热性的因素：材料的化学组成与结构

化学组成不同的材料，其导热系数不同，所以不同材料的导热系数也不同。如：一般情况下，导热系数的大小为：金属材料﹥非金属材料﹥有机材料孔隙率和空隙构造特征

一般来说：P↑，导热性↓，原因是静止空气的λ＜一般材料的λ。

P一定时，随着连通孔和粗孔的增多，λ↑，因为若孔隙粗大或贯通，对流作用加强，λ↑。材料的湿度和温度

材料受潮后，λ↑，导热性↑，保温隔热性↓（λ水＞λ空气）。材料受潮后再受冻，λ进一步↑，保温隔热性进一步↓(λ冰＞λ水)。棉袄浸水后保暖性变差？孔多的材料保温性能好？复习思考题1.中空玻璃为什么比同厚度的实心玻璃保温性能好？2.保温材料为什么保持干燥状态保温效果较好？2.2.2热容定义：材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。用比热容C表示。在建筑工程中的作用：大比热容的材料对保持室内温度的相对稳定有很大影响。材料名称

比热J/(g·K)钢

0.46铜

0.38花岗岩

0.92普通混凝土

0.88水泥砂浆

0.84普通粘土砖

0.84粘土空心砖

0.92松木

2.51泡沫塑料

1.30冰

2.05水

4.192.3.1强度与比强度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（或荷载）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，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。2.3材料的力学性质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。如下图所示：材料的抗压、抗拉、抗剪强度可直接由下式计算：

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材料的抗弯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，则其抗弯强度用下式计算：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------两支点的间距，mm

b、h---试件横截面的宽及高，mm常见建筑材料的强度/MPa材料抗压强度

抗拉强度

抗弯强度

花岗岩100～2505～810～14普通烧结砖7.5～30—

1.8～4.0普通混凝土7.5～601～4—

松木(横纹)

30～5080～12060～100建筑钢材235～1600235～1600—

比强度比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比（f/ρ0）。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。是反映材料轻质高强的力学参数。在高层建筑及大跨度结构工程中常采用比强度较高的材料。这类轻质高强的材料，也是未来土木建筑材料发展的主要方向。

木材强度值虽比混凝土低，但其比强度却高于混凝土，这说明木材与混凝土相比较是典型的轻质高强材料。

例如几种主要材料的比强度

材料表观密度/(kg/m3)强度/MPa比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹抗拉）5001000.200玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）

1700100.0062.3.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。

2.3.3脆性与韧性脆性：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。砖、石材、玻璃、混凝土等都是脆性材料。

Play韧性：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。建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材料。路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。Play课堂讨论大理石和玻璃谁更坚硬？大理石玻璃2.3.4硬度与耐磨性硬度材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法、回弹法和压入法测定材料的硬度。刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为１０个硬度等级。刻划法压入法耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中G——材料的磨耗率（g/cm2）

m1——材料磨损前的质量（g）

m2——材料磨损后的质量（g）

A——材料试件的受磨面积（cm2）石膏能否用于砌筑桥墩、大坝？建筑红砖能否用作防水材料？长期与水接触的建筑部位和潮湿部位对建筑材料有哪些要求？与水有关的性质包括：亲水性和憎水性；吸水性和吸湿性；耐水性；抗渗性和抗冻性。2.4材料与水有关的性质2.4.1亲水性与憎水性根据材料在空气中与水接触时，能否被润湿分为亲水性材料：润湿角θ≦90°憎水性材料：润湿角90°＜θ＜180°

亲水性憎水性建筑中大部分材料属于亲水材料，沥青、石蜡、塑料等属于憎水材料可用作防水材料，也可用于亲水材料的表面处理。Play2.4.2吸水性与吸湿性材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性，用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。

吸水性材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。吸水率对材料性质的影响（强度、保温性、抗渗性、抗冻性），例如：瓷砖的吸水率越大，抗冻性越差。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率为2％～3％，粘土砖的吸水率达8％～20％，而木材的吸水率可超过100％。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性（潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分）。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。

吸湿性材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。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。选择瓷砖和木材要关注材料的吸水率还是含水率？

2.4.3耐水性耐水性是指材料长期在饱和水作用下，而不破坏，其强度也不显著降低的性质。用软化系数表示。一般材料吸水后，强度降低，但降低的程度不同，例如：石膏和混凝土。

因为水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，则有不同程度的。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。软化系数的范围波动在0~1之间，当软化系数大于0.80时，认为是耐水性的材料。受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物，则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造.材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗性。用渗透系数或抗渗等级表示（一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量），抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标（抗冻性和抗侵蚀性）。材料的抗渗性与材料内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性优于亲水性材料。地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。对于防水材料则应具有好的抗渗性。

2.4.4抗渗性Play材料饱水状态下，能经受多次冻融交替作用，既不破坏强度又不显著下降的性质。用抗冻等级表示。抗冻等级FN，N↑，抗冻性↑。2.4.5抗冻性

F150混凝土——该混凝土能够抵抗的最大冻融循环次数为150次例如材料吸水后，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。

冻融循环冻融破坏的表现：表面出现剥落、裂纹、质量损失，强度降低。冻融破坏的原因：孔隙中水结冰体积膨胀，对孔壁造成压力。

厨房的瓷砖有剥落现象，试分析原因，如何解决？2.5.1耐久性材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性。耐久性是一种复杂的、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物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。

2.5材料的耐久性与