建筑材料绪论和第一章

土木工程材料

绪论第一章建筑材料的基本性质

绪论一、建筑材料在建筑工程中的重要作用1、建筑材料的含义——建筑材料是指组成建筑物或构筑物个实体部分的材料。简言之，就是建筑结构物中使用的各种材料及其制品，它是一切建筑工程的物质基础。2、建筑材料与文明发展的关系建筑材料是随着人类的进化而发展的,它和人类文明有着十分密切的关系,人类历史发展的各个阶段,建筑材料都是显示它的文化的主要标志之一。

原始社会：古代社会：

在隋唐时期，中国古建筑材料的发展已经较为成熟，砖的应用逐步增多，砖墓、砖塔的数量增加；琉璃的烧制比南北朝进步，使用范围也更为广泛。金属材料的应用也仅限于一些农具以及装饰品等小范围之内。

近代与现代：

3、建筑材料在工程中的重要作用建筑材料是建筑工程的物质基础。不论是高达420.5m的上海金贸大厦，还是普通的一幢临时建筑，都是由各种散体建筑材料经过缜密的设计和复杂的施工最终构建而成。建筑材料的物质性还体现在其使用的巨量性，一幢单体建筑一般重达几百至数千t甚至可达数万、几十万t，这形成了建筑材料的生产、运输、使用等方面与其他门类材料的不同。建筑材料的发展赋予了建筑物以时代的特性和风格。西方古典建筑的石材廊柱、中国古代以木架构为代表的宫廷建筑、当代以钢筑混凝土和型钢为主体材料的超高层建筑，都呈现了鲜明的时代感。建筑设计理论不断进步和施工技术的革新不但受到建筑材料发展的制约，同时亦受到其发展的推动。大跨度预应力结构、薄壳结构、悬索结构、空间网架结构、节能型特色环保建筑的出现无疑都是与新材料的产生而密切相关的。建筑材料的正确、节约、合理的运用直接影响到建筑工程的造价和投资。在我国，一般建筑工程的材料费用要占到总投资的50~60%，特殊工程这一比例还要提高，对于中国这样一个发展中国家，对建筑材料特性的深入了解和认识，最大限度地发挥其效能，进而达到最大的经济效益，无疑具有非常重要的意义。4、建筑材料的资源化问题目前，随着国家可持续战略的实行，建筑材料的发展在资源化利用方面面临着诸多需要解决的问题，如何从根本上改变我国建材工业发展中存在的高投入、低产出、高消耗、低效益的粗放式生产方式，选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式，把建材的发展和资源利用、生态保护、污染治理有机地结合起来，是21世纪我国建筑材料发展的战略目标。

发展趋势如下：用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源，采用传统工艺制作生态建材：用粉煤灰、煤矸石、页岩、矿渣、煤渣等工业废渣中之一种或两种，代替全部粘土或掺少量粘土仍采用烧结法制造空心砖或实心砖；用化学石膏(磷石膏、氟石膏、排烟脱硫石膏)代替天然石膏制造石膏制品。用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源，采用新工艺制作生态建材。利用固体废弃物为原料，采用免烧或低温烧成技术，生产建筑砌块、多功能墙体材料、绿化铺地材料及水泥等生态建材是节能、保护土地、变废物为有用资源，综合治理环境污染，从而实现经济、社会、资源和环境协调发展的极好途径。采用高新技术制作有益于人体健康、多功能的生态建材：高新技术生态建材，包括常温远红外建筑陶瓷、灭菌健康建筑卫生陶瓷、电磁波屏蔽材料，防辐射内墙涂料及电致自然光发生材料等；工业废渣的综合利用：粉煤灰综合利用、城市固体废弃物的综合利用、磷石膏及脱硫石膏等的应用；建材生产的生态化，它包括：建材生产中富氧煅烧技术，废气净化与利用，建材环境负担与性能评价系和数据库，“绿色标志”建材论证体系。二、建筑材料的分类根据化学成分建筑材料可分为无机材料，有机材料和复合材料。见表1——建筑材料分类按功能可以分为建筑结构材料，墙体材料和建筑功能材料。见表2——建筑材料分类

建筑材料无机材料非金属材料天然石材：石子，砂，毛石，料石烧土制品：黏土砖，瓦，空心砖，建筑陶瓷玻璃：窗用玻璃，安全玻璃，特种玻璃胶凝材料：石灰，石膏，水玻璃，各种水泥混凝土及砂浆：普通混凝土，轻混凝土，特种混凝土，各种砂浆硅酸盐制品：粉煤灰砖、灰砂砖，硅酸盐砌块绝热材料：石棉，矿棉，玻璃棉，膨胀珍珠岩金属材料黑色金属：生铁、碳素钢、合金钢有色金属：铝，锌，铜及其合金有机材料植物质材料木材，竹材，软木，毛毡沥青材料石油沥青，煤沥青，沥青防水制品高分子材料塑料，橡胶，涂料，胶粘剂复合材料无机非金属材料和有机材料的复合金属材料与无机非金属材料复合金属材料与有机材料复合玻璃纤维增强塑料、混合物水泥混凝土、沥青混合料等钢纤维增强混凝土等

返回键轻质金属夹芯板

建筑材料建筑结构材料砖混结构：石材，砖，水泥混凝土，钢筋钢木结构：建筑钢材，木材墙体材料砖及砌块：普通砖、空心砖，硅酸盐及砌块墙板：混凝土墙板、石膏板、复合墙板建筑功能材料防水材料：沥青及其制品绝热材料：石棉、矿棉，玻璃棉、膨胀珍珠岩吸声材料；木丝板、毛毡，泡沫塑料采光材料：窗用玻璃装饰材料：涂料、塑料装饰材料、铝材返回键三、建筑材料的发展趋势世界建筑材料的发展趋势：1、根据建筑物的功能要求研发新的建筑材料2、高分子建筑材料应用日益广泛3、用复合材料生产高性能的建材制品4、充分利用工业废渣及廉价原料生产建筑材料四、建筑材料的技术标准本课程重要依据的是国内标准。行业建材标准JC，建工标准JG工程建设标准CECS，石油标准SY中国国标GB。五、本课程的学习目的及方法本课程的学习目的是掌握建筑材料基本知识和试验的基本性能，为学习有关基础技术课程打下基础，并在工程实践中，具有选择与使用建筑材料的能力。在理论学习方面，要重点掌握材料的组成、技术性质和特征、外界因素对材料性质的影响和应用原则，各种材料都应遵循这一主线来学习。返回键第二章建筑材料的基本性质

§2-2材料的物理性质§2-3

材料的力学性质§2-4

材料的耐久性§2-1材料的化学组成、结构和构造§2-1材料的化学组成、结构和构造一、材料的化学组成材料化学组成的不同是造成其性能各异的主要原因。化学组成通常从材料的元素组成和矿物组成两方面分析研究。

材料的元素组成主要是指其化学元素的组成特点，材料的矿物组成主要是指元素组成相同，但分子团组成形式各异的现象。

建筑材料主要元素组成矿物组成水泥Si、Al、Fe、Mg、Ca、S、O硅酸二钙、硅酸三钙、铁铝酸四钙、铝酸三钙钢材Fe、Ca、还有少量的

Si、Mn、S、P等-陶瓷Si、Al、

O、

Fe、Mg、Ca莫来石晶体、绿泥石、伊利石、高岭石、叶蜡石等玻璃Ca、Si、O、NaNa2SiO3●CaSiO3●3SiO2几种常见建筑材料的化学组成二、材料的微观结构

§2-1材料的化学组成、结构和构造

材料的微观结构主要是指材料在原子、离子、分子层次上的组成形式。材料的许多性质与材料的微观结构都有密切的关系。较为常见的例子有C、SiO2、Al2O3等。

金刚石晶体，属于立方晶系抗压强度高，耐磨性能好，而且具有抗腐蚀、抗辐射等优良性能。是天然存在最硬的物质。碳原子以平面三角形的成键方式组成由六元环拼接的无限平面层形分子，这些分子再堆叠成石墨晶体。层间易于滑动，很软，是良好的固体润滑剂氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。

γ-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600℃转变为α-Al2O3。α-Al2O3属于六方系，稳定性好，在熔点2050℃之前不发生晶型转变。

-Al2O3的结构(a)晶格结构(b)密堆积模型

晶体：组成物质的微观离子在空间

的排列有确定的几何位置关系。

具有强度高、硬度较大、有确

定的熔点、力学性质各向异性。

材料的微观结构：玻璃体：组成物质的微观离子在空间

的排列呈无序状态，具有化

学活性高、无确定的熔点、

力学性质各向同性

胶体：极细微的固体颗粒均匀分

布在液体中所形成，呈分散

相和网状结构两种结构形式

称溶胶和凝胶。

建筑材料的微观结构主要有晶体、玻璃体和胶体等形式。三、材料的构造

材料在宏观可见层次上的组成形式称为构造，按照材料宏观组织和孔隙状态的不同可将材料的构造分为以下类型：

致密状构造：钢材、玻璃

多孔状构造：混凝土

材料的构造：微孔状构造：石膏制品

颗粒状构造：砂、石

纤维状构造：木材

层状构造：胶合板

四、建筑材料的孔隙

材料实体内部和实体间常常部分被空气所占据，一般称材料实体内部被空气所占据的空间为孔隙，而材料实体之间被空气所占据的空间称为空隙。

材料的空隙状况由孔隙率、空隙连通性和空隙直径三个指标来说明。孔隙率是指空隙在材料中所占的比例，一般孔隙率越大，材料的密度越低、保温隔热性越好、吸声隔声能力越高。空隙按其连通性可分为连通孔和封闭空。前者指孔隙之间、空隙和外界之间都连通的空隙；后者指孔隙之间、空隙和外界之间都不连通的空隙。孔隙按其直径的大小可分为粗大孔、毛细孔、极细微孔三类。粗大孔指直径大于毫米级的孔隙，其主要影响材料的密度、强度等性能；毛细孔指直径在微米到毫米级的孔隙，主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能；极细微孔直径在微米级以下的孔隙，其直径微小，对材料的性能影响反而不大。返回键（一）材料的体积：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。§2-2材料的物理性质§2-2材料的物理性质§2-2材料的物理性质一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质§2-2材料的物理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。表观体积对于比较密实、孔隙较少的散粒状材料，不必磨细，直接用排开液体的方法测定的体积。一般以表示。

一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质材料的自然体积材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积（含内部孔隙和水分）。一般以V0

表示。形状规则的材料可根据其尺寸计算其体积；形状不规则的材料可先在材料表面涂腊，然后用排开液体的方法得到其体积。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。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。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质（二）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。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质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。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质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一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质3.体积密度体积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：ρ0——材料的体积密度,g/cm3

或kg/m3；

m

——材料的质量，g或kg；

V0——材料的自然体积，cm3

或m3。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质4.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。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质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、体积计算一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质（三）材料的密实度

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%。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质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——材料的体积密度,g/cm3

或kg/m3；

ρ——密度,g/cm3

或kg/m3。

（四）孔隙率一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质（五）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。

一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质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一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质

表1.1

各种密度的计算与测量密度名称体积状态体积测量密度计算密度自身体积（不含孔隙）磨成细粉消除内部孔隙，材料的排水体积

V表观密度细观外形体积（含闭口孔）干燥材料浸入水中，待吸水饱和后，测量排开水的体积

V’容积密度宏观外形体积（含所有孔）①规则形状材料，测量外形尺寸，计算体积

②不规则材料，腊封后用排水法测量体积

③不规则微孔材料如砂石，饱和面干材料的排水体积

V0堆积密度自然堆积体积(含材料间空隙)颗粒材料正好装满容器，测量该容器的容积V’0注：饱和面干状态指材料表面干燥而内部孔隙含水达饱和时的状态。一、与质量状态有关的物理性质§2-2材料的物理性质同种材料:密度＞表观密度＞容积密度＞堆积密度§1

二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质1.亲水性和憎水性当固体材料与水接触时，由于水分与材料表面之间的相互作用不同，会产生如图所示两种情况。图中在材料、水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角。当θ≤90°时，材料能被水润湿表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；当θ>90°时，材料不能被水润湿表现出憎水性，这种材料称为憎水性材料。由此可见，润湿边角越小，材料亲水性越强，越易被水润湿，当θ=0时，表示该材料完全被水润湿。大多数土木工程材料，如砖、木、混凝土等均属于亲水性材料；沥青、石蜡等则属于憎水性材料。§1

二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质2．材料的含水状态亲水性材料的含水状态可分为如图所示四种基本状态：干燥状态——材料的孔隙中不含水或含水极微；气干状态——材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡；饱和面干状态——材料表面干燥，而孔隙中充满水达饱和；湿润状态——材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水润湿附有一层水膜。除上述四种基本含水状态外，材料还可以处于两种基本状态之间的过渡状态中。（a）干燥状态（b）气干状态（c）饱和面干状态（d）湿润状态§1

二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质3．材料的吸湿性和吸水性1）吸湿性和含水率吸湿性定义：亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，含水率计算公式：式中Wh——材料含水率（%）

ms——材料吸湿状态下的质量；

mg——材料干燥状态下的质量。§1吸附解吸RH↓、T↑

RH↑、T↓二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质§1材料的含水率随环境的温度和湿度变化发生相应的变化，在湿度较大，温度较低时，材料含水率变大，反之变小。平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。材料开口的微孔越多，吸湿性越强。影响因素：亲水性、孔隙率、孔特征

二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质2）吸水性和吸水率吸水性定义：是指材料在水中吸水的性质。材料的吸水性用吸水率表示，它有以下两个定义：质量吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时重量的百分率。计算式：式中Wm——材料的质量吸水率（%）

mb——材料吸水饱和时的质量（g）

mg——材料在干燥状态下的质量（g）§1

二、与水有关的性质§2-2材料的物理性质式中ρW=1g/cm3为水在常温下的密度。材料的开口孔越多，吸水量越多。虽然水分很易进入开口的大孔，但无法存留，只能润湿孔壁，所以吸水率不大。而开口细微连通孔越多，吸水量就越大。体积吸水率——材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率，计算式：影响因素：亲水性、孔隙率、孔特征。亲水性↑、孔隙率↑、微细连通孔↑→吸水性↑材料钢铁,玻璃花岗岩混凝土粘土砖木材吸水率00.5~0.72~38~20>100§1

三、与热有关的性质§2-2材料的物理性质1．导热性、导热系数和热阻定义：材料的导热性是指材料两侧有温差时，热量由高温侧流向低温侧传递的能力，常用导热系数表示。计算公式：

式中λ——导热系数（W/m.k）；

Q——传导热量（J）；

δ——材料厚度（m）；

A——材料传热面面积（m2）；

T1－T2——材料两侧温差（K）；

t——传热时间（S）材料的导热性与孔隙特征有关，增加封闭孔隙能降低材料的导热能力。λ的影响因素：组成、结构，孔隙率、孔隙特征、受潮、受冻绝热材料定义：λ≤0.23w/m·k

三、与热有关的性质§2-2材料的物理性质热阻定义——热量通过材料时所受到的阻力，定义为材料层厚度与导热系数的比值。热阻计算：单位：m2·K/W2．热容（量）和比热同种材料的热容性差别，常用热容量比较，热容量定义：热容量是指材料在温度变化时的吸收或放出热量的能力。计算公式：式中：Q——热量（kJ）

m——材料的质量（kg）

T1－T2——材料受热或冷却前后的温差（K）；

C——材料的比热（kJ/kg·K）不同材料间的热容性，可用比热作比较。

三、与热有关的性质§2-2材料的物理性质比热定义：比热是指单位质量的材料升高单位温度时所需热量。计算公式如下：

3．热变形性和线膨胀系数热变形性定义：材料的热变形性是指温度变化时的材料尺寸变化。除个别的如水结冰之外，一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。材料的热变形性常用线膨胀系数表示，计算公式如下：式中：α——线膨胀系数（1/K）；

L——材料的原来长度（mm）；△L——材料的线变形量（mm）；

T2－T1——材料在升、降温前后的温度差（K）。土木工程，总体上要求的材料是热变形不要太大，在有隔热保温要求的工程中，设计时应尽量选用热容量（或比热）大，导热系数小的材料。

四、与声有关的性质§2-2材料的物理性质1、吸声性和吸声系数材料能吸收声音的性质称为吸声性，以吸声系数来表示：式中：α——吸声系数；

E1——被材料吸收的声能；

E0——入射到材料表面的总声能。吸声材料定义：吸声系数>0.2的材料

2、隔声性和隔声量材料隔绝声音的性质称为隔声性，以隔声量R表示：式中：R——隔声量，分贝（dB）;E2——透过材料的声能；

E0——入射到材料表面的总声能。 室内隔声效果取决于：材料、结构返回键

§2-3材料的力学性质

一、强度与比强度1、强度定义：分类：影响因素：

抵抗外力破坏的最大应力值抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度材料内因……组分、结构试验条件……试件(尺寸、形状、含水率)

温度、加荷速度等2、比强度定义：作用：实例：强度/表观密度轻质高强的指标PPP材料的抗拉、抗压、抗剪强度可用下式计算：式中：f——抗拉或抗压或抗剪强度（MPa）；

Pmax——材料破坏时的最大荷载（N）；

A——受力面面积（mm2）§1P抗弯（折）强度计算公式为：式中：ff——抗弯（折）强度（MPa）；

Pmax——试件破坏时的最大荷载（N）；

L——二支点之间距离（mm）；

b、h——试件截面的宽度和高度（mm）。§1

§2-3材料的力学性质

二、弹性和塑性弹性定义：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。这种可恢复的变形称弹性变形，如图（a）。塑性定义：若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形。如图（b）。（a）弹性变形曲线（b）塑性变形曲线（c）弹塑性变形曲线§1

§2-3材料的力学性质

二、弹性和塑性材料在弹性范围内应力与应变之间的关系符合如下虎克定律：

σ=Eε式中σ——应力（MPa）；

ε——应变；

E——弹性模量（MPa）。弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力，是结构设计中的主要参数之一。实际材料较小外力作用下，表现为弹性变形；受力超过限度后，表现为塑性变形。受力后，弹性变形与塑性变形同时产生§1

§2-3材料的力学性质

三、脆性和韧性脆性：材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，它的变形曲线如右图。韧性（冲击韧性）：材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。它可用材料受荷载达到破坏时所吸收的能量来表示。由下式计算：aK=AK/A式中aK——材料的冲击韧性（J/mm2）；

AK——试件破坏时所消耗的功（J）；

A——试件受力净截面积（mm2）§1

§2-3材料的力学性质

四、徐变定义：固体材料在恒外力长期作用下，变形随时间延长而逐渐增大的变形，称为徐变。原因：对非晶体材料，徐变是由于内部产生粘性流动而造成的；对晶体材料，徐变是由于内部晶格错动和滑移而造成的。§1

§2-3材料的力学性质

五、硬度和耐磨性1．硬度定义：硬度是材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。测定方法：测定硬度的方法很多，常用刻划法和压入法。莫氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

布氏法是在布氏硬度机上用一规定直径的硬质钢球，加以一定的压力，将其压入钢材表面，使形成压痕，将压力除以压痕面积，所得应力值为该钢材的布氏硬度值（HB）。数值越大表示钢材越硬。洛氏法是在洛氏硬度机上根据测量的压痕深度来计算硬度值。2．耐磨性定义：耐磨性是材料抵抗磨损的能力，用耐磨率表示，计算公式：

式中M——耐磨率，g/cm2;m0——磨前质量，g;m1——磨后质量，g；

A——试样受磨面积，cm2。§1返回键§2-4材料的耐久性破坏作用：物理作用－温湿度、冻融、流水、紫外线