第01章 建筑材料基本性質(zhì)

第一章建筑材料的基本性質(zhì)工程的功能要求的材料性能

承受荷載安全性土木工程要求材料具備哪些性能？防水、隔熱隔聲、防火采光、絕緣長(zhǎng)期可靠性不污染環(huán)境物理性能耐久性強(qiáng)度、剛度第一章

建筑材料的基本性質(zhì)

材料的性質(zhì)是指材料在負(fù)荷與環(huán)境因素聯(lián)合作用下所具有的屬性。建筑材料的基本性質(zhì)是建筑材料所共有的和比較重要的性質(zhì)。

建筑材料如何滿足性能要求？材料的組成材料的結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)造材料的復(fù)合性能組成結(jié)構(gòu)材料的組成—結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系材料組成、結(jié)構(gòu)與性能之關(guān)系

——現(xiàn)代材料科學(xué)的核心1.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

一、組成：

材料的組成包括材料的化學(xué)組成、礦物組成和相組成。

（一）化學(xué)組成

是指構(gòu)成材料的化學(xué)元素或化合物（單質(zhì)）的種類及數(shù)量。決定性質(zhì)….。

（二）礦物組成

將無(wú)機(jī)非金屬材料中具有特定晶體結(jié)構(gòu)、特定的物理力學(xué)性能的化合物（單質(zhì)）稱為礦物。礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物種類和數(shù)量。如天然石材、無(wú)機(jī)膠凝材料等，其礦物組成在化學(xué)組成確定的情況下是決定材料性質(zhì)的主要因素。

（三）相組成

材料中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻部分稱為相。相組成指組成材料的物相的種類及組合狀況。

材料的組成材料均由各種物相組成每種物相由化合物（單質(zhì)）組成化合物（單質(zhì)）由分子組成分子由原子組成材料的物相組成：固相氣相液相材料的化學(xué)組成：元素化合物（單質(zhì)）§1.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)

材料的微觀組織狀況。材料結(jié)構(gòu)分為：微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次?！?.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)1.微觀結(jié)構(gòu)

微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)。可用電子顯微鏡或X射線來(lái)分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。

微觀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍在10-6-10-10m之間。材料的許多物理性質(zhì)如強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性都是由微觀結(jié)構(gòu)決定的。在微觀結(jié)構(gòu)層次上，材料可分為晶體、玻璃體等?！?.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)1.微觀結(jié)構(gòu)(1)晶體

晶體是質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復(fù)排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質(zhì)。晶體質(zhì)點(diǎn)間鍵能的大小以及結(jié)合鍵的特性決定晶體材料的特性。原子晶體、離子晶體、分子晶體、金屬晶體

(2)玻璃體玻璃體是熔融物在急冷時(shí)，質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及按一定規(guī)律排列而形成的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無(wú)序排列的固體或閉態(tài)液體。玻璃體結(jié)構(gòu)的材料沒(méi)有固定的熔點(diǎn)和幾何形狀，且各向同性?！?.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)2.顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。其尺寸范圍在10-3-1mm之間。典型材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)：混凝土可分為基相、集料相、界面；

天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體結(jié)構(gòu)；

鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體等；木材分為木纖維、導(dǎo)管髓線、樹(shù)脂管等。§1.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、結(jié)構(gòu)3.微粉、超微顆粒、膠體微粉-是指粒徑在0.0001-0.1mm間的各種礦物或金屬粉末，通常指散粒的顯微層次。超微顆粒-是指粒徑在10-6-10-4mm間的各種微粒，它一般大于微觀尺度的原子團(tuán)，小于微粉。納米材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是界面組元占的份額顯著大于大尺度微粒，因此，由他本身和由它構(gòu)成的多種材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的許多優(yōu)越物理力學(xué)性質(zhì)。以超微顆粒作為分散相，分散在連續(xù)相介質(zhì)中，形成的分散體系稱為膠體。凝膠、溶膠及其觸變性§1.1材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造三、構(gòu)造材料的構(gòu)造是指是指材料的宏觀組織狀況，如巖石層理、木材紋理、鋼材中的裂紋等，其尺寸在10-3m級(jí)以上。材料的性質(zhì)與材料的構(gòu)造特征有密切關(guān)系，如材料的構(gòu)造特征按所含孔隙多少（以孔隙率表示）有致密、疏松之分。致密材料密度大，強(qiáng)度高，反之疏松材料強(qiáng)度就低。另外構(gòu)造上疏松的材料，材料性能除與孔隙多少有關(guān)外，還與孔隙特征（孔隙形狀，孔徑大小及其分布，開(kāi)、閉口性，連同性等特征的總稱）有密切關(guān)系。如扁平而有尖角的孔隙多的材料強(qiáng)度就低；開(kāi)口粗大的孔隙，易透水但不易被水充滿，開(kāi)口極細(xì)的孔隙，水易被吸入但不易在其中流動(dòng)；開(kāi)口毛細(xì)孔隙既易被水充滿，又易在其中流動(dòng)，具有這幾種孔隙特征的材料，其抗?jié)B、抗凍及抗侵蝕性能明顯不同：若開(kāi)口的毛細(xì)含量多，其抗?jié)B、抗凍及抗侵蝕性能均較低。金屬晶體結(jié)構(gòu)模型氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)微粉

§1.2材料的密度、表觀密度和孔隙率1.密度：

材料的密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：

ρ=m/v式中：ρ—密度,g/cm3

m—材料的質(zhì)量，g

V—材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3

1.密度絕對(duì)密實(shí)體積

V的測(cè)定：1、對(duì)于結(jié)構(gòu)完全密實(shí)的材料2、工程材料，絕大部分含有孔隙

含孔材料則必須磨細(xì)后采用排開(kāi)液體的方法來(lái)測(cè)定其體積。李氏瓶法….測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)。2.表觀密度

表觀密度：是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

按下式計(jì)算：

式中 —材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3

m—材料的質(zhì)量，g或kg

V0—材料的表觀體積，cm3

或m32.表觀密度表觀體積V0的測(cè)定：1、有規(guī)則形狀，依外形尺寸計(jì)算2、無(wú)規(guī)則形狀①加工成規(guī)則形狀②防水材料膜包裹，然后用排液法3.孔隙率指材料（在自然狀態(tài)下）單位體積內(nèi)，孔隙所占的比例。式中符號(hào)意義同前。

3.孔隙率

固體材料的自然體積（表觀體積）V0由

①固體物質(zhì)部分V

②孔隙部分V

-V0組成。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率散粒材料基本知識(shí)：定義：由粒徑大小不等的塊體顆粒堆積起來(lái)所形成的堆積體稱為散粒材料。如：一堆石子、砂子，一袋水泥等。其中，顆粒粒徑微?。ㄒ话阈∮?.0mm）的散粒材料又稱為粉體材料。體積組成=∑顆粒體積(實(shí)體積+孔隙體積(閉口孔隙體積+開(kāi)口孔隙體積))+空隙體積即=∑V0(V+V孔(V閉孔+V開(kāi)孔))+V空空隙：

散粒材料堆積體中顆粒間的間隙。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率

（1）視密度：散粒材料的單位顆粒體積（不包括開(kāi)口孔隙體積）的質(zhì)量。定義式為

式中—視密度，g/cm3（kg/cm3）；—散粒材料中顆粒所占的體積（不包括開(kāi)口孔隙體積），該體積用排液法測(cè)得，cm3（m3）；=∑（V0-V開(kāi)孔）=

∑（V+V閉孔）

；m—散粒材料的質(zhì)量，g（kg）。4.散粒材料的視密度、堆積密度及空隙率

（2）

堆積密度是指散粒材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

式中 —材料的堆積密度,kg/m3

m—材料的質(zhì)量，kg

—堆積體積，m3。堆積體積測(cè)定：測(cè)定堆積密度時(shí)，將材料直接裝入已知體積的容量筒中，直接測(cè)試其自然堆積狀態(tài)下體積。（3）空隙率P’

空隙率是指散粒材料在某堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積（包括顆粒中的開(kāi)口空隙體積）所占自然堆積體積的比例。按下式計(jì)算：

式中符號(hào)意義同前。

在建筑工程中，計(jì)算材料用量、構(gòu)件的自重，配料計(jì)算以及確定堆放空間時(shí)經(jīng)常要用到材料的密度(視密度)、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。小結(jié)

材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造密度、表觀密度、孔隙率散粒材料：

視密度、堆積密度、空隙率

§1.4材料與水有關(guān)的性質(zhì)（1）親水性與憎水性Hydrophilic

and

HydrophobicProperties

固體材料與水接觸時(shí)，有些能被水潤(rùn)濕，而有些則不能被水潤(rùn)濕，對(duì)這兩種現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，前者為親水性，后者為憎水性。

材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結(jié)構(gòu)。親水性材料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內(nèi)聚力；反之，憎水性材料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內(nèi)聚力。

工程實(shí)際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤(rùn)濕邊角的大小劃分，潤(rùn)濕邊角為在材料、水和空氣的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。其中潤(rùn)濕邊角θ愈小，表明材料愈易被水潤(rùn)濕。當(dāng)材料的潤(rùn)濕邊角θ＜９０?時(shí)，為親水性材料；當(dāng)材料的潤(rùn)濕邊角θ＞９０?時(shí)，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開(kāi)，且能通過(guò)毛細(xì)管作用自動(dòng)將水吸入材料內(nèi)部；水在憎水性材料表面不僅不能鋪展開(kāi)，而且水分不能滲入材料的毛細(xì)管中。圖２－1材料潤(rùn)濕示意圖

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料

親水性材料和憎水性材料親水性材料：石料、磚、混凝土、木材等無(wú)機(jī)材料。憎水性材料：瀝青、石蠟等有機(jī)材料。親水性材料能通過(guò)毛細(xì)管作用，將水分吸入材料內(nèi)部。憎水性材料一般能阻止水分滲入毛細(xì)管中，故能降低材料的吸水作用，用作防水材料，或用在親水材料的表面處理。（2）吸水性WaterAbsorption

1）定義：指材料從所處環(huán)境中吸收水分的性質(zhì)。材料因吸水而含有水，含水的多少用含水率指標(biāo)來(lái)表示，定義式為

式中 Ｗh

——含水率（%）；

G0——材料含水狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）；

G——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）。

（2）吸水性WaterAbsorption

2)吸水率：材料吸水能力大小的度量指標(biāo)，有質(zhì)量吸水率和體積吸水率之分。

a.質(zhì)量吸水率

指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水量占材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量百分比，或者說(shuō)指材料在吸水飽和時(shí)的含水率。

式中 Wm——材料質(zhì)量吸水率（%）

G1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）

G——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）。

b.體積吸水率

體積吸水率是指材料在吸水飽和時(shí)，所吸水的體積占材料自然體積的百分率。體積吸水率的定義式為：

式中 G1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）

G——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ）。

V0—

材料在自然狀態(tài)下的體積，（cm3）

ρ水—水的密度,（g/cm3

），常溫下取ρ水=1.0g/cm3

材料的吸水率與其孔隙率有關(guān)，更與其孔特征有關(guān)。因?yàn)樗质峭ㄟ^(guò)材料的開(kāi)口孔吸入并經(jīng)過(guò)連通孔滲入內(nèi)部的。材料內(nèi)與外界連通的細(xì)微孔隙愈多，其吸水率就愈大。吸濕性材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。材料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當(dāng)空氣中濕度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過(guò)程處于平衡狀態(tài)，此時(shí)材料的含水率保持不變，其含水率叫作材料的平衡含水率。

（3）材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長(zhǎng)期在飽和水的作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。衡量材料耐水性的指標(biāo)是材料的軟化系數(shù)KR：式中K軟

——

材料的軟化系數(shù)

fb

—

材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

fg

—

材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度（MPa）

軟化系數(shù)K軟反映了材料飽水后強(qiáng)度降低的程度，是材料吸水后性質(zhì)變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會(huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，強(qiáng)度則有不同程度的降低。當(dāng)材料內(nèi)含有可溶性物質(zhì)時(shí)（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質(zhì)，造成強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。

材料耐水性限制了材料的使用環(huán)境，軟化系數(shù)小的材料耐水性差，其使用環(huán)境尤其受到限制。軟化系數(shù)的波動(dòng)范圍在0至1之間。工程中通常將KR

＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環(huán)境中的重要工程。用于受潮較輕或次要的工程部位時(shí)，材料軟化系數(shù)也不得小于0.75。

（4）材料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水透過(guò)的性能。建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當(dāng)材料兩側(cè)的水壓差較高時(shí)，水可能從高壓側(cè)通過(guò)內(nèi)部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側(cè)。這種壓力水的滲透，不僅會(huì)影響工程的使用，而且滲入的水還可能會(huì)帶入能腐蝕材料的介質(zhì)，或?qū)⒉牧蟽?nèi)的某些成分帶出，造成材料的破壞。

1)滲透系數(shù)

材料的滲透系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算K—滲透系數(shù),（cm/h）;

Q—滲水量，（cm3

）

A—

滲水面積,（cm2

）

H-材料兩側(cè)的水壓差，（cm）

d—試件厚度，（cm）

t—滲水時(shí)間，（h）

材料的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。2)抗?jié)B等級(jí)

材料的抗?jié)B等級(jí)是指用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行透水試驗(yàn)時(shí)，材料標(biāo)準(zhǔn)試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來(lái)表示抗?jié)B等級(jí)。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透?！?.3材料的力學(xué)性質(zhì)1.材料的強(qiáng)度

材料的強(qiáng)度是材料在應(yīng)力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內(nèi)部的應(yīng)力多由外力（荷載）作用而引起，隨著外力增加，應(yīng)力也隨之增大，直至應(yīng)力超過(guò)材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)所能抵抗的極限，即強(qiáng)度極限，材料發(fā)生破壞。在工程上，通常采用破壞試驗(yàn)法對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測(cè)。將預(yù)先制作的試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)上，施加外力（荷載）直至破壞，根據(jù)試件承載面面積和破壞荷載值，計(jì)算材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力作用方式的不同，材料強(qiáng)度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強(qiáng)度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算式如下：式中 f—材料強(qiáng)度，MPa

F

—材料破壞時(shí)的最大荷載，N

A—試件受力面積，mm2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)影響材料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的主要因素……..

材料的抗彎（折）強(qiáng)度與受力情況有關(guān)，一般試驗(yàn)方法是將條形試件放在兩支點(diǎn)上，中間作用一集中荷載，對(duì)矩形截面試件，則抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：式中

fm------材料的抗彎強(qiáng)度，MPa

F---材料受彎破壞時(shí)的最大荷載，N

L------試件長(zhǎng)度，mm

a------兩集中荷載間的距離，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

2.彈性和塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形（或瞬時(shí)變形）。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果外力取消后，仍能保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)稱為塑性。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形（或永久變形）。3.脆性

材料受力達(dá)到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，并無(wú)明顯的變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。大部分無(wú)機(jī)非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結(jié)普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的一大特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高而抗拉、抗折強(qiáng)度低。在工程中使用時(shí)，應(yīng)注意發(fā)揮這類材料的特性。

混凝土脆性破壞4.徐變和應(yīng)力松弛固體材料在持久荷載作用下，變形隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。材料在持久荷載作用下，若所產(chǎn)生的變形因受約束而不能增長(zhǎng)時(shí)，則其應(yīng)力將隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，這一現(xiàn)象成為應(yīng)力松弛。5.材料的持久強(qiáng)度和疲勞極限

材料在承受持久荷載下的強(qiáng)度，稱為持久強(qiáng)度。

在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力即為疲勞極限。6.沖擊韌性、硬度、磨損、磨耗材料抵抗沖擊或震動(dòng)等動(dòng)荷載作用的性能，稱為沖擊韌性。材料抵抗其他較硬物體壓入的能力稱為硬度。材料受外界物質(zhì)的摩擦作用而造成質(zhì)量和體積損失的現(xiàn)象稱為磨損。材料同時(shí)受到摩擦和沖擊兩種作用而造成的質(zhì)量和體積損耗現(xiàn)象稱為磨耗。

§6材料與熱有關(guān)的性質(zhì)

1.導(dǎo)熱性

當(dāng)材料兩面存在溫度差時(shí)，熱量從材料一面通過(guò)材料傳導(dǎo)至另一面的性質(zhì)，稱為材料的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示。導(dǎo)熱系數(shù)的定義和計(jì)算式如下所示：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－傳導(dǎo)的熱量，Ｊ

d—材料厚度，ｍ；

A——熱傳導(dǎo)面積，m2

Z一熱傳導(dǎo)時(shí)間， s；

⊿t－材料兩面溫度差，K

在物理意義上，導(dǎo)熱系數(shù)為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1Ｋ時(shí)、在單位時(shí)間(1s)內(nèi)通過(guò)單位面積(1㎡)的熱量。

2.熱容量和比熱

材料在受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)稱為材料的容熱性,溫度升高(或降低)1K時(shí)所吸收(或放出)的熱量稱為該材料的熱容量(J/K)。單位質(zhì)量材料溫度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)或比熱。比熱的計(jì)算式如下所示：式中

C---材料的比熱，J/（kg·K）

Q--材料吸收或放出的熱量(熱容量),J

G---材料質(zhì)量，kg

（t2-t1）--材料受熱或冷卻前后的溫差，K

§5

材料的耐久性

材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外來(lái)自然因素及有害介質(zhì)的作用，能長(zhǎng)久地保持其使用性能的性質(zhì)。

材料在建筑物之中，除要受到負(fù)荷的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用