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1、第二章建筑材料的基本性质 建筑材料的基本性质，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。因为建筑材料所处建（构）筑物的部位不同、使用环境不同、人们对材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性质也就有所不同。所谓材料的性质是指在负荷与环境因素联合作用下材料所具有的属性。,第一节材料的组成、结构及构造,一、材料的组成1、材料的化学组成，是指组成材料的化学元素种类和数量。材料的化学成分，直接影响材料的化学性质，也是决定材料物理性质及力学性质的重要因素。因此，材料种类常按其化学组成来划分。2、材料的矿物组成，是指组成材料的矿物种类和数量。矿物，是指具有一定化学
2、成分和一定结构及物理力学性质的物质或单质的总称。矿物是构成岩石及各类无机非金属材料的基本单元。例，花岗岩的矿物组成主要是石英和长石；石灰岩的矿物组成为方解石。材料的矿物组成直接影响无机非金属材料的性质。,有机高分子材料分子组成的基本单元为链节。链节，是由一种或几种低分子化合物按特定结构构成的基本单元。链节的多次重复即构成合成高分子材料。例如，聚氯乙烯的链节为氯乙烯，其重复次数称为聚合度。二、材料的结构材料的结构是指其微观组织状态而言，有晶体、非晶体及胶体三种。1、晶体结构晶体是由质点（原子、离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列而形成的固体，具有固定外形。质点的这种规则排列框架成为晶格
3、。构成晶格的最基本的几何单元成为晶胞。晶体就是由大量形状、大小和位向完全相同的晶胞堆砌而成，故晶体结构取决与晶胞的种类及尺寸。,晶体的物理力学性质，除与其质点的本性及其晶体结构形态有关外，还与质点间结合力有关，这种结合力称为结合键，可分为离子键、共价键、金属键和分子键四种。在实际材料中，大多数晶体并不是由某一种类型键结合的，而是存在着混合键。例，硅酸盐结构是由共价键和离子键混合而成的。2、非晶体结构非晶体结构又称为无定形结构或玻璃体结构。与晶体的区别在于质点排列没有一定规律性。非晶体没有一定的几何外形，而且是各向同性的。如石英玻璃在生产过程中，由于熔融物急速冷却，使内部的质点来不及按一定的规则
4、进行排列，便凝固成固体，故称为玻璃体。由于生成玻璃体时没有结晶放热过程，在其内部蓄积着大量的内能，是一种不稳定的结构，可逐渐发生结构转化。它具有较高的化学活性，也是其能与别的的物质起化学反应的原因之一。合成树脂、橡胶也是非晶体物质。,3、胶体结构胶体是指含有粒径10-610-4mm的固体颗粒分散在介质中的分散体系，如分散介质是液体时，则此种胶体称为溶胶。溶胶具有可流动的性质。由于溶胶的颗粒很细，使体系具有很大的表面积，因而具有很大的表面能。当数量较多（胶体浓度大）或在物理化学作用下胶粒有自发相互吸附凝聚成大颗粒的趋势，凝聚后构成连续的网状结构，使体系失去流动性，成为半固体状态，称为凝胶。凝胶体
5、中颗粒之间由范德华力结合。所以凝胶在搅拌、振动等剪切力的作用下，其结合键很容易断裂，使凝胶变成溶胶，粘度降低，重新具有流动性。但静置一定时间后，溶胶又会慢慢恢复成凝胶。这一转变过程可以反复多次。凝胶、溶胶这种可逆互变的性能称为触变性。新拌水泥浆、石灰浆具有触变性。,三、材料的构造,材料的构造是指其宏观组织而言，如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、钢铁材料中的气孔、钢材中的裂纹等。材料的各种性质除受其组成及结构的影响外，还与构造有密切关系。如，构造致密的材料强度高；疏松多孔的材料强度低；呈层状或纤维状结构的材料，是各向异性的，即在不同的方向，所表现出来的性质不相同。材料的各种性质，除与孔隙率的
6、大小有关外，还与孔隙的构造特征有关。材料中的孔隙，由与外界相连通的开口孔隙和与外界相隔绝的闭口孔隙。孔隙本身又有粗细之分，有极细孔隙、细小孔隙和粗大孔隙等。,第二节 材料的物理性质1.材料的密度 材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：=m/v式中：密度,g/cm3 或 kg/m3m材料的质量，g 或 kgV材料的绝对密实体积，cm3 或 m3 测试时，材料必须是绝对干燥状态。含孔材料则必须磨细后采用排开液体的方法来测定其体积。,2.材料的表观密度表观密度（俗称“容重”）是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：,式中0材料的表观密度,g/cm3 或 kg/m3m
7、材料的质量，g 或 kgV0材料的表观体积，cm3 或 m3,材料的表观体积是指包括内部孔隙在内的体积。因为大多数材料的表观体积中包含有内部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量（有时还影响其表观体积）。因此，材料的表观密度除了与其微观结构和组成有关外，还与其内部构成状态及含水状态有关。材料在烘干状态下测得的表观密度，称为干表观密度；材料在潮湿状态下测得的表观密度，称为湿表观密度。通常，材料表观密度是指在气干状态下的表观密度。,3.材料的堆积密度 堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：式中0，材料的堆积密度,g/cm3 或 kg/m3
8、m 材料的质量，g 或 kgV0，材料的堆积体积，cm3 或 m3,粉状或粒状材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙，可分为疏松堆积密度、振实堆积密度及紧密堆积密度。在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，配料计算以及确定堆放空间时经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。,4.材料的密实度 密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。密实度的计算式如下：对于绝对密实材料，因 0=，故密实度D=1 或 100%。对于大多数建筑材料，因 0，故密实度D 1 或 D 100%。密度；0材料的表观密度,5.孔隙率
9、材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率P按下式计算：V材料的绝对密实体积，cm3 或 m3V0材料的表观体积，cm3 或 m30材料的表观密度,g/cm3 或 kg/m3 D+P=1 孔隙率大，密实度就小。,6.空隙率 空隙率是指散粒材料在其堆集体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。空隙率P，按下式计算：0材料的表观密度;0材料的堆积密度 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。,第三节 材料的力学性质1.材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。通常情况下，材料内部的应力多由外力（或荷载）作用而
10、引起，随着外力增加，应力也随之增大，直至应力超过材料内部质点所能抵抗的极限，即强度极限，材料发生破坏。在工程上，通常采用破坏试验法对材料的强度进行实测。将预先制作的试件放置在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料的强度。,根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等。材料的抗拉、抗压、抗剪强度的计算式如下：,式中 f-材料强度，MPaFmax-材料破坏时的最大荷载，NA-试件受力的断面面积，mm2,材料的抗弯强度与受力情况有关，一般试验方法是将条形试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：,式
11、中 fw-材料的抗弯强度，MPaFmax-材料受弯破坏时的最大荷载，NL-两支点的间距，mmb、h-试件横截面的宽及高，mm,2.弹性和塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。,产生弹性变形的原因，是因为作用于材料的外力改变了材料质点间的平衡位置，但此时外力并未超过质点间的最大结合力，外力所做的功，转变为材料的内能（弹性能），当外力除去时，内能做功，质点恢复到原有的平
12、衡位置，变形消失。产生塑性变形的原因，是作用于材料的外力，超过材料质点间的最大结合力，或在长时间持续应力作用下，使材料部分结构或构造受到破坏，外力所做的功未转变为弹性能，而消耗于部分结构或构造的破坏，因而变形不再消失。,3.脆性和韧性 材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂浆等。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。,第四节材料与
13、水有关的性质一.材料的亲水性与憎水性与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料的分子结构。亲水性材料与水分子之间的分子亲合力，大于水分子本身之间的内聚力；反之，憎水性材料与水分子之间的亲合力，小于水分子本身之间的内聚力。,工程实际中，材料是亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分，润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角。其中润湿角愈小，表明材料愈易被水润湿。当材料的润湿角 时，为亲水性材料；当材料的润湿角 时，为憎水性材料。水在亲水性材料表面可以铺展开，且能
14、通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；水在憎水性材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中，见图-1,图1 材料润湿示意图（）亲水性材料；（）憎水性材料,二.材料的吸水性材料能吸收水分的能力，称为材料的吸水性。吸水的大小以吸水率来表示。质量吸水率质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水量占材料在干燥状态下的质量百分比，并以m 表示。质量吸水率m 的计算公式为：,式中 G1材料吸水饱和状态下的质量（或kg）G材料在干燥状态下的质量（或kg）。,体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水的体积占材料自然体积的百分率，并以W表示。体积吸水率W的计算公式为：,式中G1材料吸水饱和状态下的
15、质量（或kg）G材料在干燥状态下的质量（或kg）。V0 材料在自然状态下的体积，（cm3 或 m3）w 水的密度,（g/cm3 或 kg/m3），常温下取w=1.0 g/cm3,材料的吸水率与其孔隙率有关，更与其孔特征有关。因为水分是通过材料的开口孔吸入并经过连通孔渗入内部的。材料内与外界连通的细微孔隙愈多，其吸水率就愈大。,三.材料的吸湿性材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。干燥的材料处在较潮湿的空气中时，便会吸收空气中的水分；而当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，便会向空气中放出水分。前者是材料的吸湿过程，后者是材料的干燥过程。由此可见，在空气中，某一材料的含水多少是随空气的湿
16、度变化的。,材料在任一条件下含水的多少称为材料的含水率，并以h表示，其计算公式为：,式中:Gs材料吸湿状态下的质量（或kg）G材料在干燥状态下的质量（或kg）。,显然，材料的含水率受所处环境中空气湿度的影响。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫作材料的平衡含水率。,四.材料的耐水性材料的耐水性是指材料长期在饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。衡量材料耐水性的指标是材料的软化系数KR：,式中 KR 材料的软化系数 fb 材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）。fg 材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）,软化系数反映了材料
17、饱水后强度降低的程度，是材料吸水后性质变化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分会分散在材料内微粒的表面，削弱其内部结合力，强度则有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。,材料耐水性限制了材料的使用环境，软化系数小的材料耐水性差，其使用环境尤其受到限制。软化系数的波动范围在0至1之间。工程中通常将0.85的材料称为耐水性材料，可以用于水中或潮湿环境中的重要工程。用于一般受潮较轻或次要的工程部位时，材料软化系数也不得小于0.75。,五.材料的抗渗性抗渗性是材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞
18、或其它缺陷，当材料两侧的水压差较高时，水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其它缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透，不仅会影响工程的使用，而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质，或将材料内的某些成分带出，造成材料的破坏。,.1 渗透系数材料的渗透系数可通过下式计算:,式中K渗透系数,（cm/h）;Q渗水量，（cm3）A 渗水面积,（cm2）H 材料两侧的水压差，（cm）d 试件厚度（cm）t 渗水时间（h）材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。,5.2 抗渗等级 材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，材料标准试件在透水前所能承受的最大水压力，并以字母P及可承受的水压力（以0.1MPa为单
19、位）来表示抗渗等级。如P4、P6、P8、P10等，表示试件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压而不渗透。,第五节 材料的耐久性 材料的耐久性是泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久地保持其使用性能的性质。材料在建筑物之中，除要受到各种外力的作用之外，还经常要受到环境中许多自然因素的破坏作用。这些破坏作用包括物理、化学、机械及生物的作用。,物理作用可有干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境
20、下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。在民用和公共建筑中，考虑安全防火要求，须选用具有抗火性能的难燃或不燃的材料。,化学作用包括大气、环境水以及使用条 件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。,砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。,
21、材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。例如处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。,冰冻对材料破坏作用,1.冰胀压力作用 孔隙中水的冰点随孔径减小而降低，故极细孔隙中的水在一般境况下不会结冰。粗大孔隙中的水易进易出，不易充满其中。主要发生在充满了水的较粗孔隙内和毛细孔隙内。2.水压力作用 当其受冻降温时，不同直径的孔隙内的水逐渐结冰，体积膨胀，迫使尚未结冰的多余水移向附近，在这一过程中产生水压力，使孔壁受到拉应力，造成材料体积膨胀。,冰冻对材料破坏作用,3.显微析冰作用 材料孔隙中的水，一般为盐类的稀溶液，一旦结冰
22、，则析出纯冰并使溶液浓度提高。此时，若相邻较细孔中尚未结冰并仍存在着原浓度的溶液，则产生了浓度差，水则向已结冰区域迁移并迅速结冰，使已结冰的晶体增大。当材料中所含孔隙较少并已充满水时，析冰作用使水向较粗孔隙移动，使得较粗孔隙冰晶增大，致使冰胀压力和水压力作用更严重，使冻融破坏作用加剧。,材料的抗冻性 材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨涨所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。抗冻性可作为矿物质材料抵
23、抗环境物理作用的耐久性综合指标。,抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称为抗冻等级。材料的抗冻等级可分为15、25、50、100、200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。材料的抗冻性与材料的强度、孔结构、耐水性和吸水饱和程度有关。,第六节.材料与热有关的性质1.导热性当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质，称为材料的导热性。导热性用导热系数 表示。导热系数的定义和计算式如下所示：,式中导热系数，（）；传导的热量，d材料厚度，；A热传导面积，m2Z一热传导时间，h；
24、（T2-T1）材料两面温度差，K。,在物理意义上，导热系数为单位厚度(1m)的材料、两面温度差为1时、在单位时间(1s)内通过单位面积(1)的热量。,2.热容量和比热 材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热。比热的计算式如下所示：,式中C-材料的比热，J/（kgK）;Q-材料吸收或放出的热量(热容量);G-材料质量，kg;（t2-t1）-材料受热或冷却前后的温差，K。,材料的温度变形性 材料的温度变形是指温度升高或降低时材料的体积变化。除个别材料以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变
25、化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的技术指标为线膨胀系数（）。,例1-1 材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？例1-2 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？例1-3 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。,例1-1 材料的密度、表观密度、堆积密度有何区别？如何测定？材料含水后对三者有什么影响？解密度：表观密度：堆积密度：,V为材料的绝对密实体积V0为材
26、料的表观体积(固、液、气）V0，为材料的堆积体积,对于含孔材料，三者的测试方法要点如下：测定密度时，需先将材料磨细，之后采用排出液体或水的方法来测定体积。测定表观密度时，直接将材料放入水中，即直接采用排开水的方法来测体积；测定堆积密度时，将材料直接装入已知体积的容量筒中，直接测试其自然堆积状态下体积。含水与否对密度、表观密度无影响，因密度、表观密度均是对干燥状态而言的。含水对堆积密度的影响则较复杂一般来说是使堆积密度增大。,例1-2 某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm3、表观密度为2.61g/cm3、堆积密度为1680 kg/m3，计算此石子的孔隙率与空隙率？解石子的孔隙率P为：,石子的空隙率P，为：,例1-3 某石材在气干、绝干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为174、178、165 MPa，求该石材的软化系数，并判断该石材可否用于水下工程。解该石材的软化系数为:,由于该石材的软化系数为0.93，大于0.85，故该石材可用于水下工程。,
