土木工程材料课件

第一章土木工程材料的基本性質

知識框架1.5材料的組成、結構與性質1.1材料的基本物理性質1.2材料與水有關的性質1.3材料的力學性質1.4材料的熱學、聲學、耐久性及裝飾性1.1材料的基本物理性質1.1.1密度、表觀密度、堆積密度密度是指材料在絕對密實狀態下單位體積的品質。按下式計算：式中ρ——材料的密度，g/cm3；

m——材料的品質（乾燥至恒重），g；

V——材料在絕對密實狀態下的體積，cm3。ρ＝

m/v所謂絕對密實狀態下的體積，是指不包括材料內部孔隙的固體物質的實體積。密度的測定

對近於絕對密實的材料：如金屬、玻璃等，量測幾何體積－稱重－代入公式中計算。對有孔隙的材料：如磚、混凝土磨成細粉（通過0.2mm或900孔/cm2方孔篩），用李氏密度瓶測量V（排水法）。

表觀密度是材料在自然狀態下，單位體積的品質式中ρo——材料的表觀密度，kg/m3或g/cm3；

m——材料的品質（乾燥至恒重），kg或g；

V0——材料在包含閉口孔隙條件下的體積（即只含內部閉口孔，不含開口孔），

m3或cm3。所謂自然狀態下的體積，是指包括材料實體積和內部孔隙（閉口和開口）的外觀幾何形狀的體積。通常，材料在包含孔隙條件下的體積可採用排液置換法。

堆積密度是指單位體積（含物質顆粒固體及其閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積）物質顆粒的品質，有鬆散堆積密度及緊密堆積密度之分。堆積密度可按下計算：

式中ρo’——堆積密度，kg/m3；

m——材料的品質，kg；

V’o——材料的堆積體積，m3。

V0'＝V+Vbk+Vkk＋V空材料的堆積體積包括材料絕對體積、內部所有孔體積和顆粒間的空隙體積。材料的堆積密度反映散粒構造材料堆積的緊密程度及材料可能的堆放空間。測定散粒材料的體積可通過已標定容積的容器計量而得。測定砂子、石子的堆積密度即用此法求得。若以搗實體積計算時，則稱緊密堆積密度。密度、表觀密度和堆積密度既有聯繫又有差別。

材料用量、構件自重、配料、材料堆場體積或面積以及計算運輸材料的車輛等時，均需要用到材料的上述狀態參數。具體來說，密度並不能反映材料的性質，但可以大致瞭解材料的品質，並可用來計算材料的孔隙率，以及進行混凝土的配合比計算，表觀密度建立了材料自然體積與品質之間的關係，可用來計算材料的用量、構件自重、確定材料堆放空間等。

由於大多數材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表觀密度總是小於其密度，即：ρ>ρ0>ρ0'密實度是材料體積內被固體物質充實的程度。按下式計算：或1.1.2密實度與孔隙率孔隙率是材料體積內，孔隙體積所占的比例。按下式計算：即：D+P=1或密實度+孔隙率=1

孔隙率的大小直接反映了材料的緻密程度，它對材料的物理、力學性質均有影響。材料內部孔隙的構造，可分為連通的與封閉的兩種。連通孔隙不僅彼此貫通且與外界相通，而封閉空隙則不僅彼此不連通而且與外界隔絕。孔隙按尺寸分為極微細孔隙、細小孔隙、較粗大孔隙。孔隙的大小及其分佈，特徵對材料的性能影響較大。

1.1.3空隙率和填充率填充率是散粒材料堆積體積中，顆粒填充的程度。按下式計算：或空隙率是散粒材料堆積體積中，顆粒之間的空隙體積所占的比例。按下式計算：

即：D’+P’=1或填充率+空隙率=1。空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒相互填充的緻密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配與計算含砂率的依據。1.2材料與水有關的性質1.2.1材料的親水性與憎水性當材料與水接觸時可以發現，有些材料能被水潤濕，有些材料則不能被水潤濕，前者稱材料具有親水性，後者稱具有憎水性。潤濕角（a）親水性材料θ

≤90º

（b）完全親水材料θ＝180º

（c）憎水性材料θ>90º

實驗證明:當θ≤90°時，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現出親水性，這種材料稱親水性材料。當θ＞90°時，材料表面不吸附水，此稱憎水性材料。當θ=0°時，表明材料完全被水潤濕，稱為鋪展。上述概念也適用於其他液體對固體的潤濕情況，相應稱為親液材料和憎液材料。1.2.2材料的吸水性與吸濕性材料在水中能吸收水分的性質稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，即式中：W---材料品質吸水率，%；

m---材料乾燥狀態下品質，g;

m1---材料吸水飽和狀態下品質，吸水也可以用體積吸水率表示，即材料吸入水的體積占材料自然狀態體積的百分率

封閉孔隙較多的材料，吸水率不大時通常用品質吸水率公式進行計算，對一些輕質多孔材料，如加氣混凝土、木材等，由於品質吸水率往往超過100%,故可用體積吸水率進行計算。材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特徵有關。對於細微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。各種材料的吸水率很不相同，差異很大，如花崗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，粘土磚的吸水率達8％～20％，而木材的吸水率可超過100％材料在一定溫度和濕度下吸附水分的能力稱為吸濕性，用含水率表示，即式中：W--材料含水率，%;

m含--材料含水時的品質，g；

m---材料乾燥狀態下的品質,g。材料吸濕性作用一般是可逆的，材料的吸濕性隨空氣的濕度和環境溫度的變化而改變，當空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率就大，反之則小。材料中所含水分與空氣的濕度相平衡時的含水率，稱為平衡含水率1.2.3耐水性

材料抵抗水破壞作用的性質稱為耐水性，用軟化係數表示，即式中：KP---材料的軟化係數；

fw---材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度,MPa

f---材料在乾燥狀態的抗壓強度，MPa

。

材料的軟化係數的範圍在0～1之間。用於水中、潮濕環境中的重要結構材料，必須選用軟化係數不低於0.85的材料；用於受潮濕較輕或次要結構的材料，則不宜小於0.70～0.85。通常軟化係數大於等於0.85的材料稱為耐水材料

1.2.4材料的抗滲性抗滲性：材料抵抗壓力水滲透的性質，或稱不透水性。當材料兩側存在不同水壓時，一切破壞因素(如腐蝕性介質)都可通過水或氣體進入材料內部，然後把所分解的產物代出材料，使材料逐漸破壞，如地下建築、基礎、壓力管道、水工建築等經常受到壓力水或水頭差的作用，故要求所用材料具有一定的抗滲性，對於各種防水材料，則要求具有更高的抗滲性。

材料的抗滲性通常用兩種指標表示：滲透係數和抗滲等級。對一些抗滲、防水材料，如油氈、瓦、水工瀝青混凝土等，其防水性用滲透係數表示。滲透係數的物理意義是：在一定時間t內，透過材料試件的水量Q，與試件的滲水面積A及水頭差成正比，與滲透距離(試件的厚度)d成反比，用公式表示為

式中K——材料的滲透係數,cm／h；

Q——滲透水量,cm3；

d——材料的厚度,cm；

A——滲水面積,cm2；

t——滲水時間,h；

H——靜水壓力水頭,cm。

K值愈大，表示材料滲透的水最愈多，即抗滲性愈差。抗滲性是決定材料耐久性的主要指標。

建築工程中大量使用的砂漿、混凝土材料的抗滲性用抗滲等級表示。抗滲等級是指材料在標準試驗方法下進行透水試驗，以規定的試件在透水前所能承受的最大水壓力來確定。以符號“P”和材料透水前的最大水壓力的0.1MPa表示，如P4、P6、P8等分別表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水壓而不滲水。用公式表示：

S=10H-1

式中：S---抗滲等級；

H---試件開始滲水時的壓力，MPa.1.2.5材料的抗凍性材料的抗凍性:材料在水飽和狀態下，能經受多次凍融迴圈作用而不破壞，也不嚴重降低強度的性質。材料的抗凍性用抗凍標號表示。抗凍標號是以規定的試件，在規定試驗條件下，測得其強度降低不超過規定值，並無明顯損壞和剝落時所能經受的凍融迴圈次數，以此作為抗凍標號，用符號“Dn”表示，其中n”即為最大凍融迴圈次數，如D25、D50等。常用的兩個參數是：品質損失率(不超過5%)，強度損失率(不超過25％)。

材料抗凍標號的選擇，足根據結構物的種類、使用條件、氣候條件等來決定的。燒結普通磚、陶瓷面磚、輕混凝土等牆體材料，一般要求其抗凍標號為D15或D25；用於橋樑和道路的混凝土應為D50、D100或D200。水工混凝土要求高達D500。材料受凍融破壞主要原因：其孔隙中的水結冰所致。水結冰時體積增大約9％，若材料孔隙中充滿水，則結冰膨脹對孔壁產生很大應力，當此應力超過材料的抗拉強度時，孔壁將產生局部開裂。隨著凍融次數的增多，材料破壞加重。所以材料的抗凍性取決於其孔隙率、孔隙特徵及充水程度。如果孔隙不充滿水，即遠末達飽和，具有足夠的自由空間，則即使受凍也不致產生很大凍脹應力。極細的孔隙，雖可充滿水，但因孔壁對水的吸附力極大，吸附在孔壁上的水其冰點很低，它在—般負溫下不會結冰。粗大孔隙一般水分不會充滿其中，對冰脹破壞可起緩衝作用。閉口孔隙水分不能滲入。而毛細管孔隙既易充滿水分，又能結冰,故其對材料的冰凍破壞作用影響最大。材料的變形能力大、強度高、軟化係數大時，其抗凍性較高另外，從外界條件來看，材料受凍融破壞的程度，與凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度等因素有關。環境溫度愈低、降溫愈快、凍融愈頻繁、則

材料受凍破壞愈嚴重。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產生剝落，逐漸向內部深入發展。抗凍性良好的材料，對於抵抗大氣溫度變化、幹濕交替等風化作用的能力較強，所以抗凍性常作為考查材料耐久性的一項指標。在設計寒冷地區及寒冷環境(如冷庫)的建築物時，必須要考慮材料的抗凍性。處於溫暖地區的建築物，雖無冰凍作用，但為抵抗大氣的風化作用，確保建築物的耐久性，也常對材料提出—定的抗凍性要求。1.3.1材料的強度在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強度。根據外力作用方式的不同，材料的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度（或抗折強度）及抗剪強度等形式。材料的這些強度是通過靜力試驗來測定的，故總稱為靜力強度。材料的靜力強度是通過標準試件的破壞試驗而測得。1.3材料的力學性質a.壓力b.拉力c.彎曲d.剪切混凝土路面磚抗折強度試驗混凝土路面磚抗壓強度試驗強度的計算材料的抗壓、抗拉、抗剪強度可直接由下式計算：

式中f——材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa；

Fmax——材料破壞時的最大荷載，N；

A——受力截面面積，mm2。對於抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算：

式中fm——抗彎強度，MPa；

Fmax——彎曲破壞時的最大荷載,N；

b，h

——試件橫截面的寬和高,mm。

L——

兩支點間的距離，mm。影響材料強度的因素1.材料的組成、結構與構造：材料的強度與其組成及結構有關，即使材料的組成相同，其構造不同，強度也不一樣。2.孔隙率與孔隙特徵：材料的孔隙率愈大，則強度愈小。對於同一品種的材料，其強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關係。一般表觀密度大的材料，其強度也大。這些是材料的內部因素。還與測試條件和方法等外部因素有關。3.試件的形狀和尺寸：受壓時，立方體試件的強度值要高於棱柱體試件的強度值，相同材料採用小試件測得的強度較大試件高。

4.加荷速度：當加荷速度快時，由於變形速度落後於荷載增長的速度，故測得的強度值偏高，反之，因材料有充裕的變形時間，測得的強度值偏低。5.試驗環境的溫度、濕度：溫度高、濕度大時，試件會有體積膨脹，材料內部質點距離加大，質點間的作用力減弱，測得的強度值偏低。6.受力面狀態：受力面的平整度，潤滑情況等。試件表面不平或表面塗潤滑劑時，所測強度值偏低。

強度等級：建築材料常根據極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。如混凝土按抗壓強度劃分為C10～C60;水泥按抗壓和抗拉強度劃分為32.5~62.5,砂漿按抗壓強度劃分為M2.5～M20六個等級,熱軋鋼筋按屈服強度和抗拉強度劃分四級。強度和強度等級的區別與聯繫：區別：a.強度與強度等級的定義不同。強度是實測值，強度等級是人為規定的強度範圍。b.強度指的是材料的極限值，是唯一的，每一強度等級則包含一系列強度值。聯繫：某一材料強度等級的確定必須以其極限強度值為依據。比強度：材料的強度與其表觀密度的比值（fc/ρo）。用於評價材料是否輕質高強。1.3.3材料的脆性或韌性材料受外力作用，當外力達一定值時，材料發生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。材料在衝擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產生較大的變形而不破壞，這種性質稱為韌性。1.3.2材料的變形性能材料在外力作用下產生變形，當外力去除後能完全恢復到原始形狀的性質稱為彈性，這種可恢復的變形稱彈性變形。材料在外力作用下產生變形，當外力去除後，有一部分變形不能恢復，這種性質稱為材料的塑性，這種不可恢復的變形稱為塑性變形。黏彈性：一些非晶體材料，在受力時可以同時表現出彈性和黏性，稱為黏彈性或彈塑性。

徐變：材料在恒定應力下，其變形隨時間而增長的現象。

应力松弛：材料在恒定应变情况下，其应力随时间而减小的现象。1.3.4材料的硬度與耐磨性硬度：材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力莫氏硬度（10級）－石材肖氏硬度－石材布氏硬度（HB）－鋼材維氏硬度和韋氏硬度:鋁合金耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力。耐磨性通常以磨損前後單位表面的品質損失，即磨耗率Kw來表示：m0–試件磨損前的品質，g;m1--試件磨損後的品質，g;A－試件受磨損的面積,cm2。1.4材料的熱學、聲學、光學及耐久性、裝飾性1.4.1材料的熱物理性質導熱性：材料傳遞熱量的性質稱為導熱性，以導熱係數表示，即

式中：λ——材料的導熱係數，w/（m·K）；

Q

——總傳熱量，J；

a

——材料厚度，m；

A

——熱傳導面積，m2；

Z

——熱傳導時間，h；

T2-T1——材料兩側溫度差，K。材料的導熱係數愈大，起傳導的熱量就愈多。影響材料導熱係數的主要因素有材料的物質構成、微觀結構、孔隙構造、濕度、溫度和熱流方向等。傳熱係數：導熱係數與材料厚度的比，定義式如下：K—材料的傳熱係數，W/(m2.K)D－材料層的厚度，m。材料的熱容量

熱容量是指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質，用比熱容表示，即式中C——材料的比熱容，kJ／(kg·K)。

Q——材料的熱容量，kJ；

m

——材料的重量，kg；

t1-t2——材料受熱或冷卻前後的溫度差，K；

材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。材料中熱容量最大的是水，為C=4.19J／(kg·K).1.4.2材料的聲學性質吸聲性聲能穿透材料和被材料消耗的性質稱為材料的吸聲性，評價指標為吸聲係數。影響材料的吸聲效果因素有：材料的表觀密度材料的孔隙構造材料的厚度等隔聲性:隔空氣聲隔固體聲

1.4.3材料的光學性質光是一種電磁波,材料的光學性能是指材料對電磁波輻射、特別是對可見光的反應，主要是用材料對電磁波的吸收，反射和透射特性來衡量。例如當一束強度為I的光入射到玻璃中時，在材料的表面會發生光的反射，另外光也會透過玻璃，常常透過的光的強度小於入射強度，這往往是由於玻璃會吸收一部分光。

1.4.4材料的耐久性耐久性:材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質、不破壞的性質，統稱之為，它是一種複雜的、綜合的性質,包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學作用和生物作用。物理作用主要有幹濕交替、溫度變化、凍融迴圈等等，這些變化會使材料體積產生膨脹或收縮,或導致內部裂縫的擴展，長久作用後會使材料產生破壞化學作用主要是指材料受到酸、堿、鹽等物質的水溶液或有害氣體的侵蝕作用，使材料的組成成分發生質的變化，而引起材料的破壞。如鋼材的銹蝕等等。生物作用主要是指材料受到蟲蛀或菌類的腐朽作用而產生的破壞。如木材等一類的有機質材料，常會受到這種破壞作用的影響。1.4.5材料的裝飾性對裝飾材料的要求：材料的顏色、光澤、透明性花紋圖案、形狀、尺寸質感一、材料的組成

1、化學組成：化學成分

2、礦物組成：礦物是具有一定化學成分和結構特徵的單質或化合物

1.5材料的組成、結構與構造對材料性質的影響（一）微觀結構：利用電子顯微鏡等觀測到的結構

1、晶體：按一定規律在空間重複排列的固體，具有特定的幾何外形和固定的熔點。

2、非晶體：質點不按規律排列的固體，沒有固定的熔點和幾何外形。

3、膠體：物體以極小的質點作為分散相，分散於連續相（氣、水或溶劑）中所形成的體系。二、材料的結構和構造（二）顯微結構由光學顯微鏡所看到的微米級的組織結構，又稱亞微觀結構。主要研究材料內部的晶粒、顆粒等的大小和形態、晶界或介面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分佈。（三）宏觀結構用肉眼或放大鏡即可分辨的毫米級以上的組織，又稱構造。該結構主要研究材料中的大孔隙、裂紋、不同材料的組合與複合方式，各組成材料的分佈等。三、結構中的孔隙與材料性質的關係1、孔隙的分類按大小分：粗大孔、微細孔、毛細孔等。按形狀分：球形孔、片狀孔、管狀孔等。按透水情況：開口孔、封閉孔潤濕角（a）親水性材料θ

≤90º

（b）完全親水材料θ＝180º

（c）憎水性材料θ>90º

實驗證明:當θ≤90°時，材料表面吸附水，材料能被水潤濕而表現出親水性，這種材料稱親水性材料。當θ＞90°時，材料表面不吸附水，此稱憎水性材料。當θ=0°時，表明材料完全被水潤濕，稱為鋪展。上述概念也適用於其他液體對固體的潤濕情況，相應稱為親液材料和憎液材料。1.2.2材料的吸水性與吸濕性材料在水中能吸收水分的性質稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，即式中：W---材料品質吸水率，%；

m---材料乾燥狀態下品質，g;

m1---材料吸水飽和狀態下品質，吸水也可以用體積吸水率表示，即材料吸入水的體積占材料自然狀態體積的百分率

封閉孔隙較多的材料，吸水率不大時通常用品質吸水率公式進行計算，對一些輕質多孔材料，如加氣混凝土、木材等，由於品質吸水率往往超過100%,故可用體積吸水率進行計算。材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特徵有關。對於細微連通孔隙，孔隙率愈大，則吸水率愈大。閉口孔隙水分不能進去，而開口大孔雖然水分易進入，但不能存留，只能潤濕孔壁，所以吸水率仍然較小。各種材料的吸水率很不相同，差異很大，如花崗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，粘土磚的吸水率達8％～20％，而木材的吸水率可超過100％材料在一定溫度和濕度下吸附水分的能力稱為吸濕性，用含水率表示，即式中：W--材料含水率，%;

m含--材料含水時的品質，g；

m---材料乾燥狀態下的品質,g。材料吸濕性作用一般是可逆的，材料的吸濕性隨空氣的濕度和環境溫度的變化而改變，當空氣濕度較大且溫度較低時，材料的含水率就大，反之則小。材料中所含水分與空氣的濕度相平衡時的含水率，稱為平衡含水率1.2.3耐水性

材料抵抗水破壞作用的性質稱為耐水性，用軟化係數表示，即式中：KP---材料的軟化係數；

fw---材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度,MPa

f---材料在乾燥狀態的抗壓強度，MPa

。

材料的軟化係數的範圍在0～1之間。用於水中、潮濕環境中的重要結構材料，必須選用軟化係數不低於0.85的材料；用於受潮濕較輕或次要結構的材料，則不宜小於0.70～0.85。通常軟化係數大於等於0.85的材料稱為耐水材料

1.2.4材料的抗滲性抗滲性：材料抵抗壓力水滲透的性質，或稱不透水性。當材料兩側存在不同水壓時，一切破壞因素(如腐蝕性介質)都可通過水或氣體進入材料內部，然後把所分解的產物代出材料，使材料逐漸破壞，如地下建築、基礎、壓力管道、水工建築等經常受到壓力水或水頭差的作用，故要求所用材料具有一定的抗滲性，對於各種防水材料，則要求具有更高的抗滲性。

材料的抗滲性通常用兩種指標表示：滲透係數和抗滲等級。對一些抗滲、防水材料，如油氈、瓦、水工瀝青混凝土等，其防水性用滲透係數表示。滲透係數的物理意義是：在一定時間t內，透過材料試件的水量Q，與試件的滲水面積A及水頭差成正比，與滲透距離(試件的厚度)d成反比，用公式表示為

式中K——材料的滲透係數,cm／h；

Q——滲透水量,cm3；

d——材料的厚度,cm；

A——滲水面積,cm2；

t——滲水時間,h；

H——靜水壓力水頭,cm。

K值愈大，表示材料滲透的水最愈多，即抗滲性愈差。抗滲性是決定材料耐久性的主要指標。

建築工程中大量使用的砂漿、混凝土材料的抗滲性用抗滲等級表示。抗滲等級是指材料在標準試驗方法下進行透水試驗，以規定的試件在透水前所能承受的最大水壓力來確定。以符號“P”和材料透水前的最大水壓力的0.1MPa表示，如P4、P6、P8等分別表示材料能承受0.4、0.6、0.8MPa的水壓而不滲水。用公式表示：

S=10H-1

式中：S---抗滲等級；

H---試件開始滲水時的壓力，MPa.1.2.5材料的抗凍性材料的抗凍性:材料在水飽和狀態下，能經受多次凍融迴圈作用而不破壞，也不嚴重降低強度的性質。材料的抗凍性用抗凍標號表示。抗凍標號是以規定的試件，在規定試驗條件下，測得其強度降低不超過規定值，並無明顯損壞和剝落時所能經受的凍融迴圈次數，以此作為抗凍標號，用符號“Dn”表示，其中n”即為最大凍融迴圈次數，如D25、D50等。常用的兩個參數是：品質損失率(不超過5%)，強度損失率(不超過25％)。

材料抗凍標號的選擇，足根據結構物的種類、使用條件、氣候條件等來決定的。燒結普通磚、陶瓷面磚、輕混凝土等牆體材料，一般要求其抗凍標號為D15或D25；用於橋樑和道路的混凝土應為D50、D100或D200。水工混凝土要求高達D500。材料受凍融破壞主要原因：其孔隙中的水結冰所致。水結冰時體積增大約9％，若材料孔隙中充滿水，則結冰膨脹對孔壁產生很大應力，當此應力超過材料的抗拉強度時，孔壁將產生局部開裂。隨著凍融次數的增多，材料破壞加重。所以材料的抗凍性取決於其孔隙率、孔隙特徵及充水程度。如果孔隙不充滿水，即遠末達飽和，具有足夠的自由空間，則即使受凍也不致產生很大凍脹應力。極細的孔隙，雖可充滿水，但因孔壁對水的吸附力極大，吸附在孔壁上的水其冰點很低，它在—般負溫下不會結冰。粗大孔隙一般水分不會充滿其中，對冰脹破壞可起緩衝作用。閉口孔隙水分不能滲入。而毛細管孔隙既易充滿水分，又能結冰,故其對材料的冰凍破壞作用影響最大。材料的變形能力大、強度高、軟化係數大時，其抗凍性較高另外，從外界條件來看，材料受凍融破壞的程度，與凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度等因素有關。環境溫度愈低、降溫愈快、凍融愈頻繁、則

材料受凍破壞愈嚴重。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產生剝落，逐漸向內部深入發展。抗凍性良好的材料，對於抵抗大氣溫度變化、幹濕交替等風化作用的能力較強，所以抗凍性常作為考查材料耐久性的一項指標。在設計寒冷地區及寒冷環境(如冷庫)的建築物時，必須要考慮材料的抗凍性。處於溫暖地區的建築物，雖無冰凍作用，但為抵抗大氣的風化作用，確保建築物的耐久性，也常對材料提出—定的抗凍性要求。1.3.1材料的強度在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強度。根據外力作用方式的不同，材料的強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度（或抗折強度）及抗剪強度等形式。材料的這些強度是通過靜力試驗來測定的，故總稱為靜力強度。材料的靜力強度是通過標準試件的破壞試驗而測得。1.3材料的力學性質a.壓力b.拉力c.彎曲d.剪切混凝土路面磚抗折強度試驗混凝土路面磚抗壓強度試驗強度的計算材料的抗壓、抗拉、抗剪強度可直接由下式計算：

式中f——材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa；

Fmax——材料破壞時的最大荷載，N；

A——受力截面面積，mm2。對於抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算：

式中fm——抗彎強度，MPa；

Fmax——彎曲破壞時的最大荷載,N；

b，h

——試件橫截面的寬和高,mm。

L——

兩支點間的距離，mm。影響材料強度的因素1.材料的組成、結構與構造：材料的強度與其組成及結構有關，即使材料的組成相同，其構造不同，強度也不一樣。2.孔隙率與孔隙特徵：材料的孔隙率愈大，則強度愈小。對於同一品種的材料，其強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關係。一般表觀密度大的材料，其強度也大。這些是材料的內部因素。還與測試條件和方法等外部因素有關。3.試件的形狀和尺寸：受壓時，立方體試件的強度值要高於棱柱體試件的強度值，相同材料採用小試件測得的強度較大試件高。

4.加荷速度：當加荷速度快時，由於變形速度落後於荷載增長的速度，故測得的強度值偏高，反之，因材料有充裕的變形時間，測得的強度值偏低。5.試驗環境的溫度、濕度：溫度高、濕度大時，試件會有體積膨脹，材料內部質點距離加大，質點間的作用力減弱，測得的強度值偏低。6.受力面狀態：受力面的平整度，潤滑情況等。試件表面不平或表面塗潤滑劑時，所測強度值偏低。

強度等級：建築材料常根據極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。如混凝土按抗壓強度劃分為C10～C60;水泥按抗壓和抗拉強度劃分為32.5~62.5,砂漿按抗壓強度劃分為M2.5～M20六個等級,熱軋鋼筋按屈服強度和抗拉強度劃分四級。強度和強度等級的區別與聯繫：區別：a.強度與強度等級的定義不同。強度是實測值，強度等級是人為規定的強度範圍。b.強度指的是材料的極限值，是唯一的，每一強度等級則包含一系列強度值。聯繫：某一材料強度等級的確定必須以其極限強度值為依據。比強度：材料的強度與其表觀密度的比值（fc/ρo）。用於評價材料是否輕質高強。1.3.3材料的脆性或韌性材料受外力作用，當外力達一定值時，材料發生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。材料在衝擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產生較大的變形而不破壞，這種性質稱為韌性。1.3.2材料的變形性能材料在外力作用下產生變形，當外力去除後能完全恢復到原始形狀的性質稱為彈性，這種可恢復的變形稱彈性變形。材料在外力作用下產生變形，當外力去除後，有一部分變形不能恢復，這種性質稱為材料的塑性，這種不可恢復的變形稱為塑性變形。黏彈性：一些非晶體材料，在受力時可以同時表現出彈性和黏性，稱為黏彈性或彈塑性。

徐變：材料在恒定應力下，其變形隨時間而增長的現象。

应力松弛：材料在恒定应变情况下，其应力随时间而减小的现象。1.3.4材料的硬度與耐磨性硬度：材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力莫氏硬度（10級）－石材肖氏硬度－石材布氏硬度（HB）－鋼材維氏硬度和韋氏硬度:鋁合金耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力。耐磨性通常以磨損前後單位表面的品質損失，即磨耗率Kw來表示：m0–試件磨損前的品質，g;m1--試件磨損後的品質，g;A－試件受磨損的面積,cm2。1.4材料的熱學、聲學、光學及耐久性、裝飾性1.4.1材料的熱物理性質導熱性：材料傳遞熱量的性質稱為導熱性，以導熱係數表示，即

式中：λ——材料的導熱係數，w/（m·K）；

Q

——總傳熱量，J；

a

——材料厚度，m；

A

——熱傳導面積，m2；

Z

——熱傳導時間，h；

T2-T1——材料兩側溫度差，K。材料的導熱係數愈大，起傳導的熱量就愈多。影響材料導熱係數的主要因素有材料的物質構成、微觀結構、孔隙構造、濕度、溫度和熱流方向等。傳熱係數：導熱係數與材料厚度的比，定義式如下：K—材料的傳熱係數，W/(m2.K)D－材料層的厚度，m。材料的熱容量

熱容量是指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質，用比熱容表示，即式中C——材料的比熱容，kJ／(kg·K)。

Q——材料的熱容量，kJ；

m

——材料的重量，kg；

t1-t2——材料受熱或冷卻前後的溫度差，K；

材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。材料中熱容量最大的是水，為C=4.19J／(kg·K).1.4.2材料的聲學性質吸聲性聲能穿透材料和被材料消耗的性質稱為材料的吸聲性，評價指標為吸聲係數。影響材料的吸聲效果因素有：材料的表觀密度材料的孔隙構造材料的厚度等隔聲性:隔空氣聲隔固體聲

1.4.3材料的光學性質光是一種電磁波,材料的光學性能是指材料對電磁波輻射、特別是對可見光的反應，主要是用材料對電磁波的吸收，反射和透射特性來衡量。例如當一束強度為I的光入射到玻璃中時，在材料的表面會發生光的反射，另外光也會透過玻璃，常常透過的光的強度小於入射強度，這往往是由於玻璃會吸收一部分光。

1.4.4材料的耐久性耐久性:材料在長期使用過程中，能保持其原有性能而不變質、不破壞的性質，統稱之為，它是一種複雜的、綜合的性質,包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩定性和耐腐蝕性等。材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還要受到環境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學作用和生物作用。物理作用主要有幹濕交替、溫度變化、凍融迴圈等等，這些變化會使材料體積產生膨脹或收縮,或導致內部裂縫的擴展，長久作用後會使材料產生破壞化學作用主要是指材料受到酸、堿、鹽等物質的水溶液或有害氣體的侵蝕作用，使材料的組成成分發生質的變化，而引起材料的破壞。如鋼材的銹蝕等等。生物作用主要是指材料受到蟲蛀或菌類的腐朽作用而產生的破壞。如木材等一類的有機質材料，常會受到這種破壞作用的影響。1.4.5材料的裝飾性對裝飾材料的要求：材料的顏色、光澤、透明性花紋圖案、形狀、尺寸質感一、材料的組成

1、化學組成：化學成分

2、礦物組成：礦物是具有一定化學成分和結構特徵的單質或化合物

1.5材料的組成、結構與構造對材料性質的影響（一）微觀結構：利用電子顯微鏡等觀測到的結構

1、晶體：按一定規律在空間重複排列的固體，具有特定的幾何外形和固定的熔點。

2、非晶體：質點不按規律排列的固體，沒有固定的熔點和幾何外形。

3、膠體：物體以極小的質點作為分散相，分散於連續相（氣、水或溶劑）中所形成的體系。二、材料的結構和構造（二）顯微結構由光學顯微鏡所看到的微米級的組織結構，又稱亞微觀結構。主要研究材料內部的晶粒、顆粒等的大小和形態、晶界或介面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分佈。（三）宏觀結構用肉眼或放大鏡即可分辨的毫米級以上的組織，又稱構造。該結構主要研究材料中的大孔隙、裂紋、不同材料的組合與複合方式，各組成材料的分佈等。三、結構中的孔隙與材料性質的關係1、孔隙的分類按大小分：粗大孔、微細孔、毛細孔等。按形狀分：球形孔、片狀孔、管狀孔等。按透水情況：開口孔、封閉孔a.壓力b.拉力c.彎曲d.剪切混凝土路面磚抗折強度試驗混凝土路面磚抗壓強度試驗強度的計算材料的抗壓、抗拉、抗剪強度可直接由下式計算：

式中f——材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa；

Fmax——材料破壞時的最大荷載，N；

A——受力截面面積，mm2。對於抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算：

式中fm——抗彎強度，MPa；

Fmax——彎曲破壞時的最大荷載,N；

b，h

——試件橫截面的寬和高,mm。

L——

兩支點間的距離，mm。影響材料強度的因素1.材料的組成、結構與構造：材料的強度與其組成及結構有關，即使材料的組成相同，其構造不同，強度也不一樣。2.孔隙率與孔隙特徵：材料的孔隙率愈大，則強度愈小。對於同一品種的材料，其強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關係。一般表觀密度大的材料，其強度也大。這些是材料的內部因素。還與測試條件和方法等外部因素有關。3.試件的形狀和尺寸：受壓時，立方體試件的強度值要高於棱柱體試件的強度值，相同材料採用小試件測得的強度較大試件高。

4.加荷速度：當加荷速度快時，由於變形速度落後於荷載增長的速度，故測得的強度值偏高，反之，因材料有充裕的變形時間，測得的強度值偏低。5.試驗環境的溫度、濕度：溫度高、濕度大時，試件會有體積膨脹，材料內部質點距離加大，質點間的作用力減弱，測得的強度值偏低。6.受力面狀態：受力面的平整度，潤滑情況等。試件表面不平或表面塗潤滑劑時，所測強度值偏低。

強度等級：建築材料常根據極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。如混凝土按抗壓強度劃分為C10～C60;水泥按抗壓和抗拉強度劃分為32.5~62.5,砂漿按抗壓強度劃分為M2.5～M20六個等級,熱軋鋼筋按屈服強度和抗拉強度劃分四級。強度和強度等級的區別與聯繫：區別：a.強度與強度等級的定義不同。強度是實測值，強度等級是人為規定的強度範圍。b.強度指的是材料的極限值，是唯一的，每一強度等級則包含一系列強度值。聯繫：某一材料強度等級的確定必須以其極限強度值為依據。比強度：材料的強度與其表觀密度的比值（fc/ρo）。用於評價材料是否輕質高強。1.3.3材料的脆性或韌性材料受外力作用，當外力達一定值時，材料發生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。材料在衝擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產生較大的變形而不破壞，這種性質稱為韌性。1.3.2材料的變形性能材料在外力作用下產生變形，當外力去除後能完全恢復到原始形狀的性質稱為彈性，這種可恢復的變形稱彈性變形。材料在外力作用下產生變形，當外力去除後，有一部分變形不能恢復，這種性質稱為材料的塑性，這種不可恢復的變形稱為塑性變形。黏彈性：一些非晶體材料，在受力時可以同時表現出彈性和黏性，稱為黏彈性或彈塑性。

徐變：材料在恒定應力下，其變形隨時間而增長的現象。

应力松弛：材料在恒定应变情况下，其应力随时间而减小的现象。1.3.4材料的硬度與耐磨性硬度：材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力莫氏硬度（10級）－石材肖氏硬度－石材布氏硬度（HB）－鋼材維氏硬度和韋氏硬度:鋁合金

Z

——熱傳導時間，h；

T2-T1——材料兩側溫度差，K。材料的導熱係數愈大，起傳導的熱量就愈多。影響材料導熱係數的主要因素有材料的物質構成、微觀結構、孔隙構造、濕度、溫度和熱流方向等。傳熱係數：導熱係數與材料厚度的比，定義式如下：K—材料的傳熱係數，W/(m2.K)D－材料層的厚度，m。材料的熱容量

熱容量是指材料受熱時吸收熱量和冷卻時放出熱量的性質，用比熱容表示，即式中C——材料的比熱容，kJ／(kg·K)。

Q——材料的熱容量，kJ；

m

——材料的重量，kg；

t1-t2——材料受熱或冷卻前後的溫度差，K；

材料比熱的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量。材料中熱容量最大的是水，為C=4.19J／(kg·K).1.4.2材料的聲學性質吸聲性聲能穿透材料和被材