第二章-建筑材料的基本性质

第二章建筑材料的基本性质本章主要内容：材料的组成、结构；材料的物理性质；材料的力学性质；材料的装饰性；材料的耐久性；重点内容：材料的物理性质、化学性质难点内容：物理性质及化学性质的公式应用要求：材料的组成及结构，材料与水有关的性质

建筑材料的基本性质：

1、含义：是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。因为建筑材料所处的建（构）筑物的部位不同、使用环境不同，人们对材料的功能要求也就有所不同，所起的作用就不同，要求的性质也就有所不同。2、举例：柱、梁等结构材料要求有良好的力学性能；防水材料要求有抗渗防水性能；外墙装饰材料要求有装饰性能；墙体、楼板还要求有隔热保温、吸声隔音功能等等。第一节材料的组成、结构及构造对性质的影响（一）材料的组成1、化学组成：是指构成材料的化学成分。它直接影响材料的化学性质，也是决定材料物理力学性质的重要因素。

注：钢板中含碳量不同，钢的强度、硬度、塑性等都会发生变化。第一节材料的组成、结构及构造对性质的影响（一）材料的组成2、矿物组成：是无机非金属材料中化合物存在的基本形式，是决定其材料性质的主要因素。例：硅酸盐水泥的主要矿物组成是硅酸钙、铝酸钙。在硅酸盐水泥熟料中，熟料矿物硅酸三钙含量高时凝结硬化块、强度高。备注：材料的化学组成不同，矿物组成一定不同；材料的化学组成相同，可以有不同的矿物组成。（二）、材料的结构1、宏观结构（构造）：用肉眼或者放大镜能够分辨的毫米级以上的粗大组织。分类主要特征常用材料致密结构内部基本上无孔隙钢材、有色金属、玻璃、塑料等多孔结构内部具有粗大孔隙加气砼、泡沫砼、泡沫塑料、人造轻质材料微孔结构内部具有微细孔隙普通烧结砖、建筑石膏制品纤维结构内部组织具有方向性木材、竹材、玻璃纤维、石棉片状或层状结构叠合结构胶合板、夹心板散粒结构松散颗粒砂子、石子2、微观组织：用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来研究的材料原子、分子级组织结构。它可以影响材料的许多物理性质如强度、硬度、熔点、导热、导电性等。微观结构分类特征常用材料晶体原子晶体中性原子构成，以共价键来联系，原子晶体的强度、硬度、熔点都高、密度较大金刚石、石英、碳化硅离子晶体正、负离子够成，靠静电引力来联系，离子晶体的强度、硬度、熔点都较高，但波动较大氯化钙、石膏、石灰岩分子晶体分子够成，靠分子力来联系，分子晶体的强度、硬度、熔点都较低蜡及部分有机化合物金属晶体金属阳离子构成，靠金属键联结，强度、硬度变化大，密度也大铁、钢、铝、铜非晶体没有固定的几何外形，且各向同性，具有化学不稳定性无机玻璃NaCl晶体中，Na+、Cl-离子有规律排列非晶体2、细观（亚微观或显微观）结构：用光学显微镜所观察到的微米级组织结构，它介于宏观和微观之间。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、形状及分布等。例如：金属材料的金相组织,木材的木纤维、导管等。1.密度（一）、材料的密度、表观密度和堆积密度(1)定义：密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的干质量（与材料孔隙无关）

。(2)计算公式：(3)测定方法：磨细、烘干、称量、排液法测体积。（g/cm3）第二节建筑材料的基本性质3.表观密度(1)定义：指材料在自然状态下，单位体积的干质量（与材料内部孔隙有关）。(2)计算公式：(3)测定方法：规则材料,测量外形尺寸，计算体积;不规则材料表面封蜡，排水法测体积。(g/cm3）石块4.堆积密度(1)定义：散粒状或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。(2)计算公式：（kg/m3）(3)测定方法：视颗粒的大小用容积升来测定。例砂子用1L的容积升，石子用10L、20L、30L的容积升。石子反映块状材料的致密程度的两个指标。1.密实度D（二）、材料的密实度与孔隙率（1）定义：指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的绝对密实体积与总体积之比。(2)计算公式：凡含孔隙的固体材料的密度均小于1。显然，D+P=1。2.孔隙率P（1）定义：指材料内部孔隙（开口的和闭口的）体积占总体积的比例。(2)计算公式：反映散状材料填充程度和空隙率的指标1.填充率D'（1）定义：填充率是指颗粒材料的堆积体积中，颗粒体积所占总体积的百分率，它反应了被颗粒所填充的程度(2)计算公式：（三）、材料的填充率与空隙率2.空隙率P'（1）定义：空隙率是指颗粒材料的堆积体积内，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率。(2)计算公式：1.亲水性与憎水性亲水性：θ≤90°,如木材、砖、混凝土、石等。憎水性：90°<θ<180°，如沥青、石蜡、塑料等。憎水性材料具有较好的防水性和防潮性，常用作防水材料，也可用于亲水性材料的表面处理，以减少吸水率，提高抗渗性。亲水性憎水性润湿角润湿角（四）、材料与水有关的性质2.材料的吸水性与吸湿性（1）吸水性：材料与水接触吸收水分的性质。取决于材料的亲水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征。有两种表示方法：1)质量吸水率材料在吸水饱和状态下，所吸收的水分的质量占材料干质量的分数。计算公式：

(2)体积吸水率

指材料吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然体积的百分率。计算公式：一般情况下都有质量吸水率来表示材料的吸水性，但是轻质、吸水率强的材料其质量吸水率常大于100%,而采用体积吸水率表示。如木材、海棉等思考：吸水性与材料的孔隙特征的关系？质量吸水率与体积吸水率的关系为影响材料吸水性的因素：一般材料的孔隙率越大，吸水性越强。开口而连通的细小的孔隙越多，吸水性越强；闭口孔隙，水分不易进入；开口的粗大孔隙，水分容易进入，但不能存留，故吸水性较小。各种材料的质量吸水率如下：花岗岩：0.2%~0.7%；普通混凝土：2%~3%；烧结普通粘土：8%~20%；木材或其他轻质材料：大于100%3.吸湿性材料吸收空气中水分的性质,称为吸湿性。用含水率表，含水率是指材料中所含水的质量占材料干质量的百分率。计算式为：影响材料吸湿性的因素有：(1)与吸水性相同。(2)周围环境条件的影响，空气的湿度大、温度低时，材料的吸湿性大，反之则小。平衡含水率：材料中所含水分与空气湿度达到平衡时的含水率。材料吸水与吸湿后对其性质的影响：会产生不利的影响，如材料吸水或吸湿后，使其质量增加，体积膨胀，导热性增大，强度和耐久性下降。4.耐水性耐水性：材料长期在水作用下，保持其原有性质的能力。结构材料的耐水性主要指强度的变化，用软化系数表示：计算公式：

软化系数一般在0～1间波动，KR的大小，说明材料吸水饱和后强度下降的程度。

KR越小，表明材料吸水饱和后强度下降得越大，材料耐水性越差。软化系数大于0.85的材料，通常可以认为是耐水材料。

材料的耐水性主要取决于其组成成分在水中的溶解度和材料内部开口孔隙率的大小。5.抗渗性材料抵抗压力水或其他液体渗透的性能称为抗渗性（不透水性）。材料的抗渗性可用渗透系数来表示。公式：混凝土、砂浆等的抗渗性用抗渗等级来表示。如P6、P8、P10、P12等，P越大，抗渗性越好。影响材料抗渗性的因素：与材料的亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。渗透系数K反映水在材料中流动的速度。K越大，抗渗性越差。6.抗冻性定义：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，其强度也不严重降低的性质。冻结循环破坏的原因：材料有孔隙，孔隙中的水在结冰时体积膨胀9%，产生强大的拉应力。P13材料的抗冻性用抗冻等级来表示。影响材料抗冻性的因素：内因：材料的组成、结构、构造、孔隙率的大小和孔隙特征、强度、耐水性等。外因：材料孔隙中充水的程度、冻结温度、冻结速度、冻融频率等。1.导热性五、材料的热性质材料传递热量的性质称为导热性。导热性的大小用导热系数λ表示:显然，导热系数越小，材料的隔热保温性能越好。材料的导热系数决定于：(1)材料的化学组成、结构、构造；(2)孔隙率与孔隙特征、含水率以及温度。2.热容量材料受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质称为热容量。热容量的大小也可以用比热容来表示。是指单位质量的材料，温度升高或降低1K时所吸收或放出的能量Q。比热越大，对保证室内温度的相对稳定越有利。工程中应选用导热系数小、热容大的材料。可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。或3.热变形性热变形性是指材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质。也称温度变形。热变形性用线膨胀系数α来表示：公式：线膨胀系数越大，表明材料的热变形性越大。材料的热变形性对于土木工程是不利的，如在大面积或大体积的混凝土工程中，当热变形产生的膨胀拉应力超过混凝土的抗拉强度时，可引起温度裂缝，故大体的建筑工程，为防止热变形引起裂缝，设置伸缩缝；石油沥青当温度下降到一定程度时，产生脆裂等。4.耐燃性耐燃性是指材料在空气中遇火不着火燃烧的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据材料的耐燃性可分为三类：（1）非燃烧材料，砖、砂浆、混凝土，石材、金属材料等（2）难燃烧材料，石膏板、水泥石棉板、沥青混凝土、板条抹灰等。（3）燃烧材料，胶合板、纤维板、木材，苇箔等第三节材料的力学性质一、材料的强度及强度等级二、材料的弹性和塑性三、材料的脆性和韧性四、材料的硬度和耐磨性

材料的力学性质，主要是指在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力和变形的有关性质。一、材料的强度及强度等级1、材料的强度定义：指材料在外力（荷载）作用下不破坏时能承受的最大应力。材料的受力状态根据材料的受力状态不同，可以将材料的的强度分为：抗拉强度抗压强度抗弯（抗折）强度抗剪强度这些强度是通过静力试验来测定，因此总称为静力强度。具体的计算公式如下：混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验（1）材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算式为：

式中：f—材料的强度（MPa）

P—试件破坏时的最大荷载（N）

A—试件受力面积（mm2）（2）矩形截面的材料的抗弯强度的计算式为：

式中：f—材料的抗弯（折）强度（MPa）

P—试件破坏时的最大荷载（N）

l—试件两支点的距离（mm）

b—试件截面的宽度（mm）

h—试件截面的高试（mm）影响材料强度的相关因素：（1）与材料的组成、结构构造有关；（2）与材料的孔隙率有关，孔隙率越大，强度越小；（3）与试验条件有关，如试件的尺寸、形状、表面状态、试件的含水率、加荷速度、试验环境的温度、试验设备的精确度以及操作人员的技术水平；2、强度等级强度等级：建筑材料根据其极限强度的大小，划分成若干不同的等级分类：（1）脆性材料按抗压强度分：如烧结普通黏土砖（

Mu10,Mu15,Mu20

）、石、水泥（32.5，42.5）、混凝土（C10,C15,C25）等；（2）塑性材料和韧性材料按抗拉强度分：如钢材；3、比强度定义：材料的强度与其表观密度的比值（f/ρ0）。它是衡量材料轻质高强的一项重要指标。材料比强度的性质：（1）比强度越大，则材料的轻质高强性能越好；（2）比强度大的材料或提高材料的比强度，对增加建筑物高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义；

弹性指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复到原形状的性质。这种变形属于可逆变形，称为弹性变形。二、材料的弹性和塑性1.弹性材料的弹性变形曲线变形数值的大小与外力大小成正比。用弹性模量E来表示，其值等于应力σ与应变ε的比值。即在弹性变形范围内，E为常数。

塑性指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。这种不能恢复的永久变形，称为塑性变形。2.塑性材料的塑性变形曲线实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定极限后，即产生塑性变形，如建筑钢材；有些材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失，如混凝土。3.弹塑性变形材料的弹塑性变形曲线图中ab为可恢复的弹性变形，bo为不可恢复的塑性变形。三、材料的脆性与韧性1、脆性定义：材料在外力作用下，直到破坏前并无明显塑性变形而发生突然破坏的性质。特点：（1）塑性变形小，抵抗冲击、振动荷载的能力差；（2）抗压强度远高于抗拉强度；（3）不宜作受拉构件，只适于用作承压构件；适合材料：大部分无机非金属材料，如：天然石材、陶瓷、砖、玻璃、普通混凝土。2、韧性定义：材料冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，并产生较大的变形而不破坏的性质。也称冲击韧性。特点：（1）塑性变形大，抗拉、抗压强度都较高；适合材料：如：建筑钢材、木材、橡胶在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。

四、材料的硬度与耐磨性1、硬度定义：材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。测定方法：（1）刻划法：用于测定天然矿物的硬度，矿物硬度分为10级，其递增的顺序为：滑石；石膏；方解石；萤石；磷灰石；正长石；石英；黄玉；刚玉；金刚石。（2）压入法：钢材、木材及混凝土等的硬度。特点：（1）材料的硬度越大，耐磨性越好，但不易加工。2、耐磨性

耐磨性指材料表面抵抗磨损的能力。常以磨损率衡量，用N表示式中：N—材料的磨损率（g/cm2）

m1—材料磨损前的质量（g）

m2—材料磨损后的质量（g）

A—试件受磨面积（cm2）影响材料耐磨性的因素：（1）材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关（2）强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好，加工越困难。在建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，应具有较高的耐磨性。第四节材料的装饰性一、装饰材料的概述1、装饰材料的定义：

作用于建筑物内、外墙面、柱面、地面、及顶棚等处的饰面材料。2、装饰材料的作用：

装饰作用、保护作用、其他特殊作用（如绝热、防潮、防火、吸声、隔音等）二、装饰效果主要取决于：1、色彩（1）以白色或浅色为主的立面，给人明快、清新的感觉；（2）以深色为主的立面，给人端庄、稳重的感觉；（3）红、橙、黄等暖色，给人热烈、温暖、兴奋的感觉；（4）绿、蓝、紫罗兰等冷色，给人感觉宁静、幽雅、清凉；2、质感

质感是材料表面的粗细、软硬程度、凹凸不平、纹理构造、花纹图案、明暗色差等给人的一种综合感觉。（1）粗糙的混凝土或砖的表面，显得较为厚重、粗犷；（2）平滑、细腻的玻璃和铝合金表面，显得较为轻巧、活波。（3）质感与材料的特性、表面的加工程度、施工方法以及建筑物的形体、立面风格等有关。3、线型线型是指立面装饰的分格缝与凹凸线条构成的装饰效果。