第一章材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质内容：材料的组成、结构和构造材料的基本物理性质材料的基本力学性质材料的耐久性材料的热工性能材料的装饰性能1.1材料的组成、结构和构造一、材料的组成---是指材料的化学成分、矿物组成和配料组成。1、材料的化学组成定义构成材料的化学元素及化合物的种类与数量。与性质关系材料的化学性质、物理性质与化学组成密切相关。举例钢材易锈蚀是因为含Fe，钢材中C含量的多少，确定钢的性质，C愈高，脆性愈大，韧性就愈差；水泥的化学组成不同，或相互比例不同，性质也不同。2.矿物组成定义矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。矿物材料中具有特定的晶体结构，特定的物理力学性质的组织结构。与性质关系矿物组成在其化学成分确定的条件下，是决定材料性质的主要因素。举例水泥中的熟料矿物，其相对含量不同，水泥性能不同。3.相组成定义材料中结构相近，性质相同的均匀部分。自然界中的物质分为气象、液相固相三种形态。材料中，同种化学成分由于加工工艺不同，温度压力等环境的不同，可形成不同的相。如，铁碳合金中有铁素体、渗碳体、珠光体。复(混）合材料由两相或两相以上的物质组成的材料。如混凝土。与性质关系复（混）合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切关系。界面为多相材料中相与相之间的分界面，是较薄弱区。改善界面性能可以提高材料性能。宏观结构细观结构微观结构二、材料的结构1.宏观结构指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。在10-3m以上。材料的宏观结构及其相应的主要特征2.细观结构

定义指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。研究领域该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小和分布。举例

钢铁的铁素体、渗碳体、珠光体。3.微观结构定义用电子显微镜、X-射线衍射仪等手段来研究的原子级或分子级结构。尺寸范围在10-6-10-10m。

分类晶体玻璃体胶体3.微观结构晶体非晶体（玻璃体）原子排列示意图3.微观结构（1）晶体

定义质点在空间上按特定的规则呈周期性排列。近程有序，远程有序。

晶体结构的分类原子晶体，如石英分子晶体，如有机化合物离子晶体，如CaCl2金属晶体，如钢铁3.微观结构（2）玻璃体定义：质点呈无规则空间网络结构，化学性质不稳定，易与其他物质起化学反应。近程有序，远程无序。玻璃体结构特点：质点排列不规则，没有固定的几何形状。各向同性，破坏时没有明显的解理面（矿物在外力作用下，沿一定的结晶方向裂成光滑平面的性质）。

没有固定的熔点。具有化学活性，如火山灰，粒化高炉矿渣等。3.微观结构（3）胶体

定义：粒径为10-7～10-10m的固体颗粒为分散相，分散在连续相介质中形成的分散体系。胶体结构特点：①总表面积大。表面能大，吸附能力强。②既具有固体性质，又具有粘性液体的流动性质。分类

溶胶结构：胶粒少

凝胶结构：胶粒多定义构造指具有特定性质的材料结构单元间的相互搭配情况。

构造与结构关系与结构相比构造更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的(孔隙、层理、纹理、疵病等)

构造与性能的关系木材的宏观和微观构造决定了木材的各向异性；具有特定构造的节能墙板，其构造赋予了墙板良好的保温、隔声、防火抗震等性能。

三、材料的构造空隙1.2材料的物理性质

一、材料的密度1.实际密度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——实际密度，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。实际密度的测量绝对密实状态下的体积－是指不包括材料内部孔隙在内的体积。实际密度的测量：1）对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等量测几何体积－称重－代入公式2）对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材磨成细粉－李氏比重瓶法测试李氏瓶法试验演示2.表观密度材料单位表观体积的质量。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；

——材料的自然体积，cm3或m3。

规则材料

开口孔闭口孔

表观密度的测量

自然状态下的体积－是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况表观密度一般是采用材料在气干状态下的质量和体积来测定。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。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m23.堆积密度堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中：ρ0——材料的堆积密度,g/cm3或kg/m3；

m

——材料的质量，g或kg；——材料的堆积体积，cm3或m3。堆积密度的测量堆积体积－是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。堆积密度的测量：1）容器法：散粒材料装入容器－量测体积－称净重－代入公式2）自然堆积法：堆积成一定形状－量测几何体积－称重－代入公式V‘0颗粒状材料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比较项目实际密度表观密度体积密度堆积密度材料状态绝对密实近似绝对密实状态自然状态堆积状态材料体积VV0计算公式应用判断材料性质用量计算、体积计算材料名称密度(g/cm3)表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)石灰岩2.6～2.81800～2600—花岗岩2.7～3.02000～2850—水泥2.8～3.1—1200～1300混凝土用砂2.5～2.6—1450～1650混凝土用石2.6～2.9—1400～1700普通混凝土—2100～2500—粘土2.5～2.7—1600～1800钢材7.857850—铝合金2.7～2.92700～2900—烧结普通砖2.5～2.71500～1800—建筑陶瓷2.5～2.71800～2500—红松木1.55～1.60400～800—玻璃2.45～2.552450～2550—泡沫塑料—10～50—常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度4、密实度

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%。5、孔隙率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——材料的表观体积，cm3或m3；

ρ0——材料的表观密度,g/cm3或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3或kg/m3。孔隙率与密实度的关系：P+D=1孔隙率对材料性能的影响（见下图）吸水率强度耐久性表观密度孔隙率孔隙对材料性能的影响6、空隙率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——材料的体积密度；——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。

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例题：某材料密度为2.65g/cm3，表观密度为2.53g/cm3，将表观体积为367cm3、重量为929g的该材料浸入水中，吸水饱和后称得重量为957g，问此材料的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率各为多少?

(1）孔隙率：P=1-2.53/2.65=4.53%(2)开口孔隙率：（3）闭口孔隙率4.53%-1.1%=3.43%解：1.3材料的基本力学性质内容：材料的强度材料的弹性与塑性材料的脆性与韧性材料的硬度与耐磨性一、材料的强度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。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。抗压抗拉抗剪抗弯不同材料的承载特点是不同的：

混凝土、石材、砖－抗压强度高；钢材、各类纤维－抗拉强度高

强度等级：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。如：混凝土按抗压强度划分为Ｃ15、Ｃ20、Ｃ25、Ｃ30……水泥按抗压和抗拉强度划分为32.5、42.5、52.5等六个强度等级砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级热轧钢筋按屈服强度划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级抗压强度、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。抗弯强度的计算：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、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。常见建筑材料的强度/MPa抗拉强度

抗弯强度

5～810～14—

2.6～5.0混凝土10～1001～4—

松木(顺纹)

30～5080～12060～100建筑钢材240～1500240～1500—

材料抗压强度

花岗岩100～250普通粘土砖10～30材料表观密度(kg/m3)强度fc(MPa)比强度（fc/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025碳纤维几种材料的强度比较比强度

定义：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）。意义：比强度↑，轻质高强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，减轻自重，节约材料。轻质高强是未来材料的发展方向。二、材料的弹性与塑性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）。分段的弹性变形和塑性变形低碳钢的σ～ε曲线

同时进行的弹性变形和塑性变形混凝土的σ～ε曲线三、材料的脆性与韧性脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢材、木材、纤维等。四、材料的硬度与耐磨性1、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。回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。2、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）。1.4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。

亲水性憎水性

亲水性材料：

θ≦90°;憎水性材料：

90°＜θ＜180°

亲水性与憎水性演示图：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），常温下取

ρ

w=1.0g/cm3。影响吸水率大小的因素：材料的本性－亲水性或憎水性材料材料的孔结构－孔径大小、开口与否、孔隙率大小等吸水性对材料的影响：导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利强度降低、体积膨胀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。影响含水率大小的因素：材料的本性－亲水性或憎水性材料环境温度、湿度－气温越低、相对湿度越大，材料的含水率越高吸湿性对材料的影响：导热性增大、热阻降低－对围护结构材料不利体积膨胀－对木结构和木制品不利湿胀干缩--与周围环境平衡的平衡含水率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）。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。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。5.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。抗冻性以试件在冻融后的质量损失和强度损失不超过一定限度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。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越差。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。6.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可通过下式计算: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