第二章建筑材料的基本性質(zhì)

第二章建筑材料的基本性質(zhì)問題導(dǎo)入？選擇結(jié)構(gòu)材料——關(guān)注什么？選擇保溫材料——關(guān)注什么？選擇防水材料——關(guān)注什么？教學(xué)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，了解在不同使用環(huán)境下，各類建筑材料的基本性質(zhì)，并掌握各性質(zhì)的涵義，影響這些性質(zhì)的因素。并能聯(lián)系工程中的實(shí)際應(yīng)用研究和改進(jìn)材料的性質(zhì)，對(duì)后面具體材料的學(xué)習(xí)作一個(gè)很好的鋪墊。本章內(nèi)容2.1材料的基本物理參數(shù)2.1.1密度、表觀密度和堆積密度2.1.2密實(shí)度與孔隙率2.1.3填充率與空隙率2.2材料的熱工性質(zhì)2.2.1導(dǎo)熱性2.2.2熱容2.3材料的力學(xué)性質(zhì)2.3.1強(qiáng)度與比強(qiáng)度2.3.2彈性與塑性2.3.3韌性與脆性2.3.4硬度與耐磨性2.4材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.4.1親水性與憎水性2.4.2吸水性與吸濕性2.4.3耐水性2.4.4抗?jié)B性2.4.5抗凍性2.5材料的耐久性和環(huán)境協(xié)調(diào)性2.5.1耐久性2.5.2環(huán)境協(xié)調(diào)性課堂練習(xí)復(fù)習(xí)思考題密度：定義：材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。表達(dá)式：p=m/v

（g/cm3

）

m――材料干燥時(shí)的質(zhì)量（g）

v――材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積（cm3）即不包括任何孔隙在內(nèi)的體積。

意義：反映材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，例如：用密度控制玻璃的生產(chǎn)。V的測(cè)定：

a.比較密實(shí)的材料，如玻璃、鋼材等，通常認(rèn)為其處于絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，直接測(cè)其體積；

b.一般多孔材料，如磚，應(yīng)磨成細(xì)粉（粒徑小于0.2mm）排除其內(nèi)部孔隙，用密度瓶測(cè)其實(shí)際體積；密度表觀密度堆積密度2.1材料的基本物理參數(shù)是否存在絕對(duì)密實(shí)的材料？2.1.1表觀密度定義：材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。表達(dá)式：（g/cm3

）或(kg/m3)m――材料的質(zhì)量（g或kg）

v0――材料在自然狀態(tài)下的體積，也稱表觀體積(cm3

或m3)。包括材料孔隙在內(nèi)的體積，既包括開口孔隙，也包括閉口孔隙。意義：反映材料輕重的量，也與材料的強(qiáng)度有關(guān)，是選擇結(jié)構(gòu)材料和承重材料的依據(jù)。V0的測(cè)量：對(duì)形狀規(guī)則的材料，直接測(cè)量；

對(duì)形狀不規(guī)則的材料，蠟封后用排水法測(cè)量。密度表觀密度堆積密度堆積密度定義：堆積密度指粉狀、粒狀、或纖維狀材料在堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。表達(dá)式：（kg/m3

）

m――材料的質(zhì)量（kg）

――堆積體積（m3

）的特點(diǎn)：包括了材料間的空隙體積。

的測(cè)定：用既定容積的容器測(cè)定。

密度表觀密度堆積密度密實(shí)度定義：在材料體積內(nèi)，固體物質(zhì)的體積占總體積的比例。

表達(dá)式：密實(shí)度孔隙率2.1.2孔隙率定義：材料體積內(nèi)，孔隙體積占總體積的比例。表達(dá)式：孔隙率與密實(shí)度的關(guān)系？孔隙率與材料性質(zhì)的關(guān)系？材料的強(qiáng)度、材料的表觀密度、吸水率、抗?jié)B性、抗凍性、保溫性能等。兩個(gè)孔隙率相同的同種同體積的材料吸水率是否一定相同？密實(shí)度孔隙率材料的性質(zhì)除了與孔的多少有關(guān)外，還與孔的特征、孔的形狀有關(guān)?？椎奶卣鳎喊ㄩ_口孔和閉口孔，孔隙尺寸的大小、孔的形狀、孔隙在材料內(nèi)部的分布均勻程度等。樣品磚觀察與討論某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面。請(qǐng)問選擇何種材料？AB討論：保溫層的目的是外界溫度變化對(duì)住戶的影響，材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見A材料為多孔結(jié)構(gòu)，B材料為密實(shí)結(jié)構(gòu)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，適于作保溫層材料。

某施工隊(duì)原使用普通燒結(jié)粘土磚，后改為多孔、容量?jī)H700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前往墻上澆水，發(fā)覺原使用的普通燒結(jié)粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看來(lái)澆水不少，但實(shí)則吸水不多，請(qǐng)分析原因。

案例分析分析：加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數(shù)為“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，肚大口小，毛細(xì)管作用差，只有少數(shù)孔是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔。故吸水及導(dǎo)濕均緩慢，材料的吸水性不僅要看孔數(shù)量多少，還需看孔的結(jié)構(gòu)。

填充率空隙率填充率定義：在散粒材料的堆積體積中，顆粒體積占總體積的比例。表達(dá)式：2.1.3填充率空隙率空隙率定義：在散粒材料的堆積體積中，顆粒體積占總體積的比例。表達(dá)式：能源緊缺是一個(gè)世界性的問題，建筑行業(yè)是個(gè)耗能大戶，國(guó)家規(guī)定高層建筑必須采用節(jié)能建筑材料，其中包括墻體節(jié)能、屋面節(jié)能和門窗節(jié)能。2.2材料的熱工性質(zhì)建筑節(jié)能保溫材料熱工性質(zhì)導(dǎo)熱性熱容量定義：材料傳導(dǎo)熱量的能力（冬季材料保持熱量不傳遞出去；夏季材料阻礙熱量傳入室內(nèi)）。表示方法：用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示，導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是：厚度為1m的材料，當(dāng)溫度每改變1K時(shí)，在lh時(shí)間內(nèi)通過1m2面積的熱量。用公式表示為

式中λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·K）；

Q

——傳導(dǎo)的熱量，J；

a

——材料的厚度，m；

A

——材料傳熱的面積，m2；

Z

——傳熱時(shí)間，h；

（t1-t2）——材料兩側(cè)溫度差，K在建筑工程中的意義：判斷材料的保溫隔熱性能（λ越大，傳熱越快，保溫性越差）。2.2.1導(dǎo)熱性棉襖浸水后保暖性變差？孔多的材料保溫性能好？各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，常見建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍是0.035～3.5W／(m·K)，工程中通常把λ＜0.23W／(m·K)的材料稱為絕熱材料（保溫和隔熱材料）。常用建筑材料的熱工性質(zhì)指標(biāo)

材料名稱

導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)

比熱J/(g·K)鋼

550.46玻璃0.9花崗巖

3.490.92普通混凝土

1.510.88水泥砂漿

0.930.84普通粘土磚

0.810.84粘土空心磚

0.640.92松木

0.17～0.352.51泡沫塑料

0.031.30冰

2.202.05水

0.604.19靜止空氣

0.023

影響導(dǎo)熱性的因素：材料的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)

化學(xué)組成不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，所以不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)也不同。如：一般情況下，導(dǎo)熱系數(shù)的大小為：金屬材料﹥非金屬材料﹥有機(jī)材料孔隙率和空隙構(gòu)造特征

一般來(lái)說：P↑，導(dǎo)熱性↓，原因是靜止空氣的λ＜一般材料的λ。

P一定時(shí)，隨著連通孔和粗孔的增多，λ↑，因?yàn)槿艨紫洞执蠡蜇炌?，?duì)流作用加強(qiáng)，λ↑。材料的濕度和溫度

材料受潮后，λ↑，導(dǎo)熱性↑，保溫隔熱性↓（λ水＞λ空氣）。材料受潮后再受凍，λ進(jìn)一步↑，保溫隔熱性進(jìn)一步↓(λ冰＞λ水)。棉襖浸水后保暖性變差？孔多的材料保溫性能好？復(fù)習(xí)思考題1.中空玻璃為什么比同厚度的實(shí)心玻璃保溫性能好？2.保溫材料為什么保持干燥狀態(tài)保溫效果較好？2.2.2熱容定義：材料受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)。用比熱容C表示。在建筑工程中的作用：大比熱容的材料對(duì)保持室內(nèi)溫度的相對(duì)穩(wěn)定有很大影響。材料名稱

比熱J/(g·K)鋼

0.46銅

0.38花崗巖

0.92普通混凝土

0.88水泥砂漿

0.84普通粘土磚

0.84粘土空心磚

0.92松木

2.51泡沫塑料

1.30冰

2.05水

4.192.3.1強(qiáng)度與比強(qiáng)度強(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（或荷載）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)試件尺寸和破壞時(shí)的荷載值，計(jì)算材料的強(qiáng)度。2.3材料的力學(xué)性質(zhì)根據(jù)外力作用方式的不同，材料的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度（或抗折強(qiáng)度）及抗剪強(qiáng)度等形式。如下圖所示：材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度可直接由下式計(jì)算：

f------材料強(qiáng)度，MPa

Fmax--材料破壞時(shí)的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2材料的抗彎強(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，則其抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算：式中 fw------材料的抗彎強(qiáng)度，MPa

Fmax---材料受彎破壞時(shí)的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2

L------兩支點(diǎn)的間距，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm常見建筑材料的強(qiáng)度/MPa材料抗壓強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度

花崗巖100～2505～810～14普通燒結(jié)磚7.5～30—

1.8～4.0普通混凝土7.5～601～4—

松木(橫紋)

30～5080～12060～100建筑鋼材235～1600235～1600—

比強(qiáng)度比強(qiáng)度是指按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比（f/ρ0）。在高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)工程中常采用比強(qiáng)度較高的材料。是反映材料輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)參數(shù)。在高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)工程中常采用比強(qiáng)度較高的材料。這類輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，也是未來(lái)土木建筑材料發(fā)展的主要方向。

木材強(qiáng)度值雖比混凝土低，但其比強(qiáng)度卻高于混凝土，這說明木材與混凝土相比較是典型的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。

例如幾種主要材料的比強(qiáng)度

材料表觀密度/(kg/m3)強(qiáng)度/MPa比強(qiáng)度低碳鋼78504200.054普通混凝土（抗壓）2400400.017松木（順紋抗拉）5001000.200玻璃鋼20004500.225燒結(jié)普通磚（抗壓）

1700100.0062.3.2彈性與塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，有一部分變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為材料的塑性。彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。

2.3.3脆性與韌性脆性：材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。磚、石材、玻璃、混凝土等都是脆性材料。

Play韌性：材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不破壞，這種性質(zhì)稱為韌性。建筑鋼材、木材、塑料等是較典型的韌性材料。路面、橋梁、吊車梁以及有抗震要求的結(jié)構(gòu)都要考慮材料的韌性。Play課堂討論大理石和玻璃誰(shuí)更堅(jiān)硬？大理石玻璃2.3.4硬度與耐磨性硬度材料的硬度是材料表面的堅(jiān)硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法、回彈法和壓入法測(cè)定材料的硬度?？虅澐ㄓ糜谔烊坏V物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長(zhǎng)石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為１０個(gè)硬度等級(jí)。刻劃法壓入法耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計(jì)算公式如下：式中G——材料的磨耗率（g/cm2）

m1——材料磨損前的質(zhì)量（g）

m2——材料磨損后的質(zhì)量（g）

A——材料試件的受磨面積（cm2）石膏能否用于砌筑橋墩、大壩？建筑紅磚能否用作防水材料？長(zhǎng)期與水接觸的建筑部位和潮濕部位對(duì)建筑材料有哪些要求？與水有關(guān)的性質(zhì)包括：親水性和憎水性；吸水性和吸濕性；耐水性；抗?jié)B性和抗凍性。2.4材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.4.1親水性與憎水性根據(jù)材料在空氣中與水接觸時(shí)，能否被潤(rùn)濕分為親水性材料：潤(rùn)濕角θ≦90°憎水性材料：潤(rùn)濕角90°＜θ＜180°

親水性憎水性建筑中大部分材料屬于親水材料，瀝青、石蠟、塑料等屬于憎水材料可用作防水材料，也可用于親水材料的表面處理。Play2.4.2吸水性與吸濕性材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力稱為吸水性，用吸水率表示，吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。

吸水性材料中所吸水分是通過開口孔隙吸入的，故開口孔隙率愈大，則材料的吸水量愈多。材料吸水達(dá)飽和時(shí)的體積吸水率，即為材料的開口孔隙率。材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。對(duì)于細(xì)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(jìn)去，而開口大孔雖然水分易進(jìn)入，但不能存留，只能潤(rùn)濕孔壁，所以吸水率仍然較小。吸水率對(duì)材料性質(zhì)的影響（強(qiáng)度、保溫性、抗?jié)B性、抗凍性），例如：瓷磚的吸水率越大，抗凍性越差。各種材料的吸水率很不相同，差異很大，如花崗巖的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，粘土磚的吸水率達(dá)8％～20％，而木材的吸水率可超過100％。材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性（潮濕材料在干燥的空氣中也會(huì)放出水分）。材料的吸濕性用含水率表示。含水率系指材料內(nèi)部所含水重占材料干重的百分率。

吸濕性材料的吸濕性隨空氣的濕度和環(huán)境溫度的變化而改變，當(dāng)空氣濕度較大且溫度較低時(shí)，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(shí)的含水率，稱為平衡含水率。選擇瓷磚和木材要關(guān)注材料的吸水率還是含水率？

2.4.3耐水性耐水性是指材料長(zhǎng)期在飽和水作用下，而不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(shù)表示。一般材料吸水后，強(qiáng)度降低，但降低的程度不同，例如：石膏和混凝土。

因?yàn)樗謺?huì)分散在材料內(nèi)微粒的表面，削弱其內(nèi)部結(jié)合力，則有不同程度的。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。軟化系數(shù)的范圍波動(dòng)在0~1之間，當(dāng)軟化系數(shù)大于0.80時(shí)，認(rèn)為是耐水性的材料。受水浸泡或處于潮濕環(huán)境的建筑物，則必須選用軟化系數(shù)不低于0.85的材料建造.材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性。用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級(jí)表示（一定厚度的材料，在一定水壓力下，在單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積的水量），抗?jié)B等級(jí)是在規(guī)定試驗(yàn)方法下材料所能抵抗的最大水壓力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水壓力而不滲透?？?jié)B性是決定材料耐久性的主要指標(biāo)（抗凍性和抗侵蝕性）。材料的抗?jié)B性與材料內(nèi)部的空隙率特別是開口孔隙率有關(guān)，開口空隙率越大，大孔含量越多，則抗?jié)B性越差。材料的抗?jié)B性還與材料的增水性和親水性有關(guān)，增水性材料的抗?jié)B性優(yōu)于親水性材料。地下建筑及水工建筑等，因經(jīng)常受壓力水的作用，所用材料應(yīng)具有一定的抗?jié)B性。對(duì)于防水材料則應(yīng)具有好的抗?jié)B性。

2.4.4抗?jié)B性Play材料飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融交替作用，既不破壞強(qiáng)度又不顯著下降的性質(zhì)。用抗凍等級(jí)表示?？箖龅燃?jí)FN，N↑，抗凍性↑。2.4.5抗凍性

F150混凝土——該混凝土能夠抵抗的最大凍融循環(huán)次數(shù)為150次例如材料吸水后，在負(fù)溫作用條件下，水在材料毛細(xì)孔內(nèi)凍結(jié)成冰，體積膨漲所產(chǎn)生的凍脹壓力造成材料的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。

凍融循環(huán)凍融破壞的表現(xiàn)：表面出現(xiàn)剝落、裂紋、質(zhì)量損失，強(qiáng)度降低。凍融破壞的原因：孔隙中水結(jié)冰體積膨脹，對(duì)孔壁造成壓力。

廚房的瓷磚有剝落現(xiàn)象，試分析原因，如何解決？2.5.1耐久性材料在長(zhǎng)期使用過程中，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)，統(tǒng)稱之為耐久性。耐久性是一種復(fù)雜的、綜合的性質(zhì),包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)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(huán)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(xué)作用和生物作用。要根據(jù)材料所處的結(jié)構(gòu)部位和使用環(huán)境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據(jù)各種材料的耐久性特點(diǎn)，合理地選用。

2.5材料的耐久性與