第1章建筑材料的基本性質

第1章建筑材料的基本性質材料的組成與結構材料的物理性質材料的力學性質材料的耐久性4321CONTENT內容大綱材料的組成與結構材料的物理性質材料的力學性質材料的耐久性4321CONTENT內容大綱1.1材料的組成與結構1.1.1材料的組成

材料的組成分為化學組成、礦物組成及相組成。1、化學組成定義：是指構成材料的化學元素及化合物的種類和數(shù)量。

無機非金屬材料含氧化物含量表示方法：

無機金屬材料化學元素含量

有機材料各化合物含量1.1材料的組成與結構1.1.1材料的組成

2、礦物組成定義：是指構成材料的礦物的種類和數(shù)量。其中，將無機非金屬材料中具有特定的晶體結構、特定的物理力學性能的組成結構稱為礦物。礦物組成不同，即使化學組成相同材料性質不同（金剛石、石墨）

1.1材料的組成與結構金剛石是全共價鍵，形成立體框架結構。

石墨中碳原子的作用力有兩類，片層結構中的碳與碳是以共價鍵相連，片層結構之間的作用力是范德華力，因此石墨能夠滑動。1.1材料的組成與結構1.1.1材料的組成

3、相組成定義：材料中具有相同物理、化學性質的均勻部分稱為相。自然界中的物質可分為氣相、液相和固相。

1.1材料的組成與結構材料的組成是決定材料性質的內在因素之一。

1.1材料的組成與結構1.1.2材料的結構

1、宏觀結構定義：是指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。尺寸范圍：10-3m級以上分類：

致密結構：完全沒有或基本沒有孔隙。（鋼鐵、玻璃）多孔結構：具有較多的孔隙，孔隙直徑較大。（加氣混凝土）微孔結構：具有眾多直徑微小的孔隙。（石膏制品）按孔隙特征

1.1材料的組成與結構1.1.2材料的結構

1、宏觀結構分類：

堆聚結構：材料中的顆粒通過膠結材料結合在一起（水泥混凝土）纖維結構：是木材、玻璃纖維制品特有的結構（木材、巖棉）層狀結構：是板材常見的結構（膠合板）散粒結構：由單獨的顆粒組成（混凝土骨料）按存在狀態(tài)

1.1材料的組成與結構堆聚結構：混凝土纖維結構：巖棉1.1材料的組成與結構層狀結構：膠合板散粒結構：混凝土骨料1.1材料的組成與結構1.1.2材料的結構

2、細觀結構定義：是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結構。尺寸范圍：10-3-10-6m3、微觀結構定義：是指原子分子層次的結構。尺寸范圍：

10-6-10-10m

1.1材料的組成與結構材料的結構是決定材料性質的內在因素之一。

1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

1、孔隙形成的原因（1）水分子占據(jù)作用：建筑材料加水拌合，用水量通常超過理論上的用水量，多余的水分占據(jù)的空間即為孔隙。（2）外加的發(fā)泡作用：如生產(chǎn)加氣混凝土等的各種發(fā)泡劑，可在材料中形成大量的孔隙。1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

1、孔隙形成的原因（3）火山爆發(fā)作用：火山爆發(fā)時噴到空中的巖漿，冷卻后在巖石中形成大量的孔隙。（4）焙燒作用：材料中摻入的可燃材料在高溫下燃燒掉而形成孔隙。1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

外加發(fā)泡作用：加氣混凝土1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

焙燒作用：燒結磚1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

2、孔隙的類型（1）開口孔隙：與外界相連通的細小孔隙；（2）閉口孔隙：與外界不連通的細小孔隙；1.1材料的組成與結構1.1.3材料的孔隙

3、孔隙對材料性質的影響（孔隙增多）（1）材料的體積密度減??；（2）材料受力的有效面積減小，強度降低；（3）導熱系數(shù)減小；（4）透氣性、透水性、吸聲性、吸濕性、吸水性變大；材料的組成與結構材料的物理性質材料的力學性質材料的耐久性4321CONTENT內容大綱1.2材料的物理性質內容提要：1.2.1與質量有關的性質1.2.2與水有關的性質1.2.3與熱有關的性質1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

1、密度5、密實度與孔隙率2、表觀密度（視密度）6、填充率與空隙率3、體積密度7、壓實度4、堆積密度1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

材料的體積組成：固體、孔隙

絕對密實：V

自然狀態(tài)：V+V孔

堆積狀態(tài)：V+V孔+V空不同狀態(tài)

1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

1、密度定義：材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。公式：ρ=m/v

ρ—材料的密度（g/cm3）；m—材料的質量（g）；絕干狀態(tài)下的質量V—材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）。1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

1、密度體積狀況：絕對密實狀態(tài)下的體積是指構成材料的固體物質本身的體積，或稱實體積，不含孔隙在內的體積。（與材料孔隙無關）測定方法：測定有孔隙材料的密度，把材料磨成細粉消除內部孔隙；測定致密材料密度，采用排水法。1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

2、表觀密度（視密度）定義：材料在自然狀態(tài)下不含開口孔隙時，單位體積的質量。公式：ρ’=m/v’，其中v’=v+vb

ρ’—材料的表觀密度（g/cm3）；m—材料的質量（g）；絕干狀態(tài)下的質量V’—材料在自然狀態(tài)下不含開口孔隙時的體積（cm3）。1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

2、表觀密度（視密度）體積狀況：構成材料的固體物質本身的體積與閉口孔隙體積之和，不含開口孔隙體積。（與材料內部閉口孔隙有關）測定方法：全干材料的排水體積（吸水飽和后）1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

3、體積密度定義：材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。公式：ρ0=m/v0，其中v0=v+vb+vk

ρ0—材料的體積密度（g/cm3）；m—材料的質量（g）；V0—材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3）。1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

3、體積密度注意：材料的質量可以是任意狀態(tài)下的，但必須說明含水情況。

絕干狀態(tài)下質量

絕干體積密度氣干狀態(tài)下質量氣干體積密度吸水飽和狀態(tài)下質量吸水飽和體積密度不同狀態(tài)下質量

1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

3、體積密度體積狀況：構成材料的固體物質本身的體積與閉口孔隙體積及開口孔隙體積之和。（與材料內部孔隙有關）測定方法：規(guī)則形狀：直接測量外形尺寸；不規(guī)則形狀：全干材料的排水體積，為了防止液體成分滲入材料內部，測定時表面涂蠟。1.2材料的物理性質1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

4、堆積密度定義：散粒狀或粉狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質量。公式：ρ0’=m/v0’，其中v0’=v0+vv

ρ0’—材料的堆積密度（kg/m3）；m—材料的質量（kg）；V0’—材料的堆積體積（m3）;Vv—材料間空隙體積（m3）1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

4、堆積密度注意：材料的質量可以是任意狀態(tài)下的，但必須說明含水情況。

絕干狀態(tài)下質量

絕干堆積密度氣干狀態(tài)下質量氣干堆積密度吸水飽和狀態(tài)下質量吸水飽和堆積密度不同狀態(tài)下質量

1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

4、堆積密度體積狀況：構成材料的固體物質本身的體積、孔隙及顆粒間空隙之和。（與材料內部孔隙和顆粒間空隙有關）測定方法：以材料填充容器的容積大小來測量1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

密度名稱體積狀況體積測量密度計算絕對密度材料自身體積（不含孔隙）磨成細粉消除內部孔隙，干粉排水法ρ=m/v表觀密度外形體積（含閉口孔）全干材料的排水體積（吸水飽和后），v’=v+vbρ’=m/v’體積密度外形體積（含所有孔）測量幾何外形；排水法v0=v+vb+vkρ0=m/v0堆積密度材料堆積體積（含材料間堆積空隙）材料填充容器的容積v0’=v0+vv

ρ0’=m/v0’同種材料：密度＞表觀密度＞體積密度＞堆積密度1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

5、密實度與孔隙率（1）密實度定義：材料的固體物質的體積占總體積的比例。公式：D=V/V0

×100%=ρ0

/ρ×100%ρ0為絕干狀態(tài)下體積密度

1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

ρ0為絕干狀態(tài)下體積密度

5、密實度與孔隙率（2）孔隙率定義：材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率。公式：P=（V0-V）/V0×100%=（1-V/V0）×100%=（1-

ρ0

/ρ）×100%=（1-D）×100%1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

ρ0為絕干狀態(tài)下體積密度

5、密實度與孔隙率①開口孔隙率定義：材料中開口孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率。公式：Pk=（V0-V’）/V0×100%=（1-V’/V0）×100%=（1-

ρ0

/ρ’

）×100%1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

5、密實度與孔隙率②閉口孔隙率定義：材料中閉口孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下的體積之比的百分率。公式：Pb=P-Pk1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

6、填充率與空隙率（1）填充率定義：材料在自然堆積狀態(tài)下，顆粒實體體積占堆積體積的百分率。公式：D’=V0/V0’×100%=ρ0

’/ρ0

×100%1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

6、填充率與空隙率（2）空隙率定義：材料在自然堆積狀態(tài)下，顆粒間的體積占堆積體積的百分率。公式：P’=（V0’-V0）/V0’×100%=（1-V0/V0’）×100%=（1-

ρ0

’/ρ0

）×100%=（1-D’）×100%1.2材料的物理性質1.2.1與質量有關的性質

7、壓實度定義：散粒狀材料被壓實的程度。公式：Ky=ρ’/ρm

’×100當散粒狀材料經(jīng)充分壓實后，其堆積密度值達到最大干密度，相應的空隙率值已達到最小值，此時的堆積體最為穩(wěn)定。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

1、親水性與憎水性2、吸水性與吸濕性3、耐水性4、抗?jié)B性5、抗凍性1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

1、親水性與憎水性定義：材料在空氣中與水接觸時，根據(jù)其能否被水潤濕，將材料分為親水性和憎水性兩大類。表示方法：潤濕角θ。當θ≤90o時，為親水性材料；當θ＞90o時，為憎水性材料。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

1、親水性與憎水性1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

1、親水性與憎水性親水與憎水的原因：水關系水與材料狀態(tài)內聚力＜吸引力水被吸附內聚力＞吸引力水不被吸附1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性（1）吸水性定義：材料在水中吸收水分的能力。表示方法：質量吸水率（Wm）和體積吸水率（Wv）。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性①質量吸水率（Wm）定義：材料在吸水飽和時，所吸水量占材料干質量的百分率。公式：Wm=（mb-m）/m×100%取值范圍：≥1或＜1Wm—材料的質量吸水率（%）；mb—材料吸水飽和狀態(tài)下的質量（g或kg）;m—材料在干燥狀態(tài)下的質量（g或kg）。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性②體積吸水率（Wv）定義：材料在吸水飽和時，吸水體積占材料自然體積的百分率。公式：Wv=（mb-m）/（V0×ρw）×100%=Pk

取值范圍：＜1質量吸水率與體積吸水率之間的關系：Wv=Wm×ρ01.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性②體積吸水率（Wv）吸水率主要與材料的孔隙率，特別是開口孔隙率有關，并與材料的親水性和憎水性有關。由于封閉孔隙不吸水（常壓下），而是開口孔隙吸水。因此可以認為，當材料吸水飽和時，材料所吸水的體積與開口孔隙的體積相等，可得Wv=Pk

。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性（1）吸水性影響因素：親水性、孔隙率、孔隙特征親水性、孔隙率、微細連通孔吸水性材料鋼鐵花崗巖混凝土粘土磚木材吸水率00.5~0.72~38~20＞1001.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性（2）吸濕性定義：材料在空氣中吸收水分的性質。表示方法：含水率（Wh）1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性（2）吸濕性公式：

Wh=（ms-mg）/mg×100%Wh—材料的含水率（%）；ms—材料在吸濕狀態(tài)下的質量（g或kg）;mg—材料在絕對干燥狀態(tài)下的質量（g或kg）。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性（2）吸濕性影響因素：

含水率與材料的組成結構有關，更與外部環(huán)境（空氣濕度、環(huán)境溫度）有關?？諝庀鄬穸容^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材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

2、吸水性與吸濕性含水對材料性質的影響：

（1）材料吸水或吸濕后，引起強度下降；（2）材料的體積密度和導熱性增加；（3）使材料的保溫性、吸聲性下降，并使材料受到凍害的機率增大。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

3、耐水性定義：材料長期在飽和水作用下而不受破壞，其強度也不顯著降低的性質。表示方法：軟化系數(shù)KR（結構材料）KR=fb/fgKR—材料的軟化系數(shù)；fb—材料吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）；fg—材料干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

3、耐水性軟化系數(shù)KR越小，耐水性越差；KR≥0.85，耐水材料選用要求：在設計長期處于水中或潮濕環(huán)境中的重要結構時，必須選用KR＞0.85的建筑材料。對用于受潮較輕或次要結構的材料，KR不宜小于0.75。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

4、抗?jié)B性定義：材料抵抗壓力水滲透的性質。表示方法：滲透系數(shù)K或抗?jié)B等級Pn公式：K=Qd/AtHQ=KAtH/d滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差?？?jié)B標號越大，材料的抗?jié)B性越好。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

4、抗?jié)B性影響因素：親水性、孔隙率（開口孔）、孔隙特征（連通孔）親水性、孔隙率、連通孔抗?jié)B性1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

5、抗凍性定義：材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，也不嚴重降低強度的性質。凍壞原因：水結冰體積膨脹9%，產(chǎn)生很大的內應力。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

5、抗凍性表示方法：抗凍等級Fn材料在吸水飽和狀態(tài)下（最不利狀態(tài)），經(jīng)凍融循環(huán)作用，強度損失和質量損失均不超過規(guī)定值時所能抵抗的最多凍融循環(huán)次數(shù)。1.2材料的物理性質1.2.2與水有關的性質

5、抗凍性影響因素：（1）親水性與憎水性；（2）孔隙率，特別是開口孔隙率越大，材料的抗凍性越差；（3）孔隙充水程度；（4）材料本身強度。1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

1、導熱性2、熱容與比熱容3、耐燃性與耐火性1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

冬天：室內熱量室外，室內溫度夏天：室外熱量室內，室內溫度材料作用：絕熱性好，熱容量大室內冬暖夏涼傳熱方式：傳導換熱、對流換熱、輻射換熱1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

1、導熱性定義：材料傳導熱量的能力。表示方法：導熱系數(shù)λ公式：λ=Qδ/At（T2-T1）

Q=λAt（T2-T1）/δλ物理意義：材料單位面積為1m2，單位厚度為1m的單層平壁，當材料兩側溫差為1K時，經(jīng)單位時間1s所傳導的熱量。1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

1、導熱性幾種物質的導熱系數(shù)：絕熱材料：

λ＜0.23W/m·k物質λ（W/m·k）物質λ（W/m·k）靜止空氣0.023粘土磚0.75泡沫塑料0.035混凝土1.4木材0.29冰2.3水0.58鋼鐵581.2材料的物理性質影響導熱性的主要因素：（1）材料的組成與結構：λ金屬＞λ非金屬，λ無機＞λ有機，λ晶體＞λ非晶體；（2）材料的孔隙率與孔隙形態(tài)特征：材料的孔隙率愈大，即空氣愈多，導熱系數(shù)愈??；由微細而封閉孔隙組成的材料，其導熱系數(shù)小，由粗大而連通的孔隙組成的材料，其導熱系數(shù)大；（3）材料含水率增加，導熱系數(shù)隨之增加，當材料結冰時，絕熱性能顯著下降。1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

2、熱容與比熱容熱容定義：材料受熱時吸收熱量或冷卻時放出熱量的能力。公式：

Q=cm（T2-T1）c=Q/m（T2-T1）表示方法：比熱容c比熱容c物理意義：單位質量材料在溫度變化1K時，材料吸收或放出的熱量。1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

3、耐燃性與耐火性（1）耐燃性定義：材料對火焰和高溫度抵抗能力，是影響建筑物防火、建筑結構耐火等級的重要因素。分類：按燃燒性質分為非燃燒材料、難燃材料、可燃材料、易燃1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

非燃燒材料：不起火、不燃燒、不碳化（鋼鐵、磚）；難燃材料：難起火、難燃燒、難碳化，離開火源后，燃燒或微燃立即停止（經(jīng)防火處理的木材）；可燃材料：立即起火或燃燒，離開火源后仍繼續(xù)燃燒或微燃（木材）；易燃：立即起火并迅速燃燒，離開火源后仍繼續(xù)迅速燃燒（油漆、纖維）。1.2材料的物理性質1.2.3與熱有關的性質

4、耐燃性與耐火性（2）耐火性定義：指建筑材料或結構在一定時間內滿足標準耐火試驗中規(guī)定的穩(wěn)定性、完事性、隔熱性和其他預期功能的能力。表示方法：耐火極限，從材料受到火的作用時間起，到材料失去支持能力、完整性及隔火作用的時間。材料的組成與結構材料的物理性質材料的力學性質材料的耐久性4321CONTENT內容大綱1.3材料的力學性質內容提要：1.3.1材料的強度1.3.2材料的彈性與塑性1.3.3材料的脆性與韌性1.3.4材料的硬度與耐磨性1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

1、強度2、抗拉（壓、剪）強度3、抗彎（折）強度1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

1、強度定義：材料承受外力而不被破壞的能力。分類：根據(jù)所受外力的作用形式不同，材料的強度分為抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度。1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

2、抗拉（壓、剪）強度定義：材料承受荷載（拉力、壓力、剪力）作用直到破壞時，單位面積上所承受的拉力（壓力、剪力）。公式：f=F/Af—抗拉、抗壓、抗剪強度（N/mm2）；F—材料受拉、壓、剪破壞時的最大荷載（N）；A—材料受力面積（mm2）1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

3、抗彎（折）強度公式：fm=3FL/2bh2（一集中荷載）fm=FL/bh2（兩個相等的集中荷載）fm—材料的抗彎（折）強度（N/mm2）；F—受彎時的破壞荷載（N）；L—兩支點間距（mm）b、h—材料截面寬度、高度（mm）1.3材料的力學性質1.3.1材料的強度

影響強度的因素：內因：組成與結構（材料的孔隙率愈大，強度愈?。?；外因（試驗條件）：試件形狀、試件尺寸、表面粗糙程度