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)本章主要內(nèi)容：材料的組成、結(jié)構(gòu)；材料的物理性質(zhì)；材料的力學(xué)性質(zhì)；材料的裝飾性；材料的耐久性；重點內(nèi)容：材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)難點內(nèi)容：物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)的公式應(yīng)用要求：材料的組成及結(jié)構(gòu)，材料與水有關(guān)的性質(zhì)

建筑材料的基本性質(zhì)：

1、含義：是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時，通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。因為建筑材料所處的建（構(gòu)）筑物的部位不同、使用環(huán)境不同，人們對材料的功能要求也就有所不同，所起的作用就不同，要求的性質(zhì)也就有所不同。2、舉例：柱、梁等結(jié)構(gòu)材料要求有良好的力學(xué)性能；防水材料要求有抗?jié)B防水性能；外墻裝飾材料要求有裝飾性能；墻體、樓板還要求有隔熱保溫、吸聲隔音功能等等。第一節(jié)材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造對性質(zhì)的影響（一）材料的組成1、化學(xué)組成：是指構(gòu)成材料的化學(xué)成分。它直接影響材料的化學(xué)性質(zhì)，也是決定材料物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。

注：鋼板中含碳量不同，鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性等都會發(fā)生變化。第一節(jié)材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造對性質(zhì)的影響（一）材料的組成2、礦物組成：是無機(jī)非金屬材料中化合物存在的基本形式，是決定其材料性質(zhì)的主要因素。例：硅酸鹽水泥的主要礦物組成是硅酸鈣、鋁酸鈣。在硅酸鹽水泥熟料中，熟料礦物硅酸三鈣含量高時凝結(jié)硬化塊、強(qiáng)度高。備注：材料的化學(xué)組成不同，礦物組成一定不同；材料的化學(xué)組成相同，可以有不同的礦物組成。（二）、材料的結(jié)構(gòu)1、宏觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）：用肉眼或者放大鏡能夠分辨的毫米級以上的粗大組織。分類主要特征常用材料致密結(jié)構(gòu)內(nèi)部基本上無孔隙鋼材、有色金屬、玻璃、塑料等多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有粗大孔隙加氣砼、泡沫砼、泡沫塑料、人造輕質(zhì)材料微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有微細(xì)孔隙普通燒結(jié)磚、建筑石膏制品纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織具有方向性木材、竹材、玻璃纖維、石棉片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)疊合結(jié)構(gòu)膠合板、夾心板散粒結(jié)構(gòu)松散顆粒砂子、石子2、微觀組織：用電子顯微鏡、X射線衍射儀等手段來研究的材料原子、分子級組織結(jié)構(gòu)。它可以影響材料的許多物理性質(zhì)如強(qiáng)度、硬度、熔點、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性等。微觀結(jié)構(gòu)分類特征常用材料晶體原子晶體中性原子構(gòu)成，以共價鍵來聯(lián)系，原子晶體的強(qiáng)度、硬度、熔點都高、密度較大金剛石、石英、碳化硅離子晶體正、負(fù)離子夠成，靠靜電引力來聯(lián)系，離子晶體的強(qiáng)度、硬度、熔點都較高，但波動較大氯化鈣、石膏、石灰?guī)r分子晶體分子夠成，靠分子力來聯(lián)系，分子晶體的強(qiáng)度、硬度、熔點都較低蠟及部分有機(jī)化合物金屬晶體金屬陽離子構(gòu)成，靠金屬鍵聯(lián)結(jié)，強(qiáng)度、硬度變化大，密度也大鐵、鋼、鋁、銅非晶體沒有固定的幾何外形，且各向同性，具有化學(xué)不穩(wěn)定性無機(jī)玻璃NaCl晶體中，Na+、Cl-離子有規(guī)律排列非晶體2、細(xì)觀（亞微觀或顯微觀）結(jié)構(gòu)：用光學(xué)顯微鏡所觀察到的微米級組織結(jié)構(gòu)，它介于宏觀和微觀之間。該結(jié)構(gòu)主要研究材料內(nèi)部的晶粒、顆粒等的大小和形態(tài)、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布等。例如：金屬材料的金相組織,木材的木纖維、導(dǎo)管等。1.密度（一）、材料的密度、表觀密度和堆積密度(1)定義：密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的干質(zhì)量（與材料孔隙無關(guān)）

。(2)計算公式：(3)測定方法：磨細(xì)、烘干、稱量、排液法測體積。（g/cm3）第二節(jié)建筑材料的基本性質(zhì)3.表觀密度(1)定義：指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的干質(zhì)量（與材料內(nèi)部孔隙有關(guān)）。(2)計算公式：(3)測定方法：規(guī)則材料,測量外形尺寸，計算體積;不規(guī)則材料表面封蠟，排水法測體積。(g/cm3）石塊4.堆積密度(1)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(zhì)量。(2)計算公式：（kg/m3）(3)測定方法：視顆粒的大小用容積升來測定。例砂子用1L的容積升，石子用10L、20L、30L的容積升。石子反映塊狀材料的致密程度的兩個指標(biāo)。1.密實度D（二）、材料的密實度與孔隙率（1）定義：指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實的程度，即材料的絕對密實體積與總體積之比。(2)計算公式：凡含孔隙的固體材料的密度均小于1。顯然，D+P=1。2.孔隙率P（1）定義：指材料內(nèi)部孔隙（開口的和閉口的）體積占總體積的比例。(2)計算公式：反映散狀材料填充程度和空隙率的指標(biāo)1.填充率D'（1）定義：填充率是指顆粒材料的堆積體積中，顆粒體積所占總體積的百分率，它反應(yīng)了被顆粒所填充的程度(2)計算公式：（三）、材料的填充率與空隙率2.空隙率P'（1）定義：空隙率是指顆粒材料的堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積占總體積的百分率。(2)計算公式：1.親水性與憎水性親水性：θ≤90°,如木材、磚、混凝土、石等。憎水性：90°<θ<180°，如瀝青、石蠟、塑料等。憎水性材料具有較好的防水性和防潮性，常用作防水材料，也可用于親水性材料的表面處理，以減少吸水率，提高抗?jié)B性。親水性憎水性潤濕角潤濕角（四）、材料與水有關(guān)的性質(zhì)2.材料的吸水性與吸濕性（1）吸水性：材料與水接觸吸收水分的性質(zhì)。取決于材料的親水性和憎水性及孔隙率和孔隙特征。有兩種表示方法：1)質(zhì)量吸水率材料在吸水飽和狀態(tài)下，所吸收的水分的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。計算公式：

(2)體積吸水率

指材料吸水飽和狀態(tài)下，所吸水的體積占材料自然體積的百分率。計算公式：一般情況下都有質(zhì)量吸水率來表示材料的吸水性，但是輕質(zhì)、吸水率強(qiáng)的材料其質(zhì)量吸水率常大于100%,而采用體積吸水率表示。如木材、海棉等思考：吸水性與材料的孔隙特征的關(guān)系？質(zhì)量吸水率與體積吸水率的關(guān)系為影響材料吸水性的因素：一般材料的孔隙率越大，吸水性越強(qiáng)。開口而連通的細(xì)小的孔隙越多，吸水性越強(qiáng)；閉口孔隙，水分不易進(jìn)入；開口的粗大孔隙，水分容易進(jìn)入，但不能存留，故吸水性較小。各種材料的質(zhì)量吸水率如下：花崗巖：0.2%~0.7%；普通混凝土：2%~3%；燒結(jié)普通粘土：8%~20%；木材或其他輕質(zhì)材料：大于100%3.吸濕性材料吸收空氣中水分的性質(zhì),稱為吸濕性。用含水率表，含水率是指材料中所含水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。計算式為：影響材料吸濕性的因素有：(1)與吸水性相同。(2)周圍環(huán)境條件的影響，空氣的濕度大、溫度低時，材料的吸濕性大，反之則小。平衡含水率：材料中所含水分與空氣濕度達(dá)到平衡時的含水率。材料吸水與吸濕后對其性質(zhì)的影響：會產(chǎn)生不利的影響，如材料吸水或吸濕后，使其質(zhì)量增加，體積膨脹，導(dǎo)熱性增大，強(qiáng)度和耐久性下降。4.耐水性耐水性：材料長期在水作用下，保持其原有性質(zhì)的能力。結(jié)構(gòu)材料的耐水性主要指強(qiáng)度的變化，用軟化系數(shù)表示：計算公式：

軟化系數(shù)一般在0～1間波動，KR的大小，說明材料吸水飽和后強(qiáng)度下降的程度。

KR越小，表明材料吸水飽和后強(qiáng)度下降得越大，材料耐水性越差。軟化系數(shù)大于0.85的材料，通常可以認(rèn)為是耐水材料。

材料的耐水性主要取決于其組成成分在水中的溶解度和材料內(nèi)部開口孔隙率的大小。5.抗?jié)B性材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性能稱為抗?jié)B性（不透水性）。材料的抗?jié)B性可用滲透系數(shù)來表示。公式：混凝土、砂漿等的抗?jié)B性用抗?jié)B等級來表示。如P6、P8、P10、P12等，P越大，抗?jié)B性越好。影響材料抗?jié)B性的因素：與材料的親水性有關(guān)，更取決于材料的孔隙率及孔隙特征?？紫堵屎苄《沂欠忾]孔隙的材料具有較高的抗?jié)B性。滲透系數(shù)K反映水在材料中流動的速度。K越大，抗?jié)B性越差。6.抗凍性定義：材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，其強(qiáng)度也不嚴(yán)重降低的性質(zhì)。凍結(jié)循環(huán)破壞的原因：材料有孔隙，孔隙中的水在結(jié)冰時體積膨脹9%，產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力。P13材料的抗凍性用抗凍等級來表示。影響材料抗凍性的因素：內(nèi)因：材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙率的大小和孔隙特征、強(qiáng)度、耐水性等。外因：材料孔隙中充水的程度、凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度、凍融頻率等。1.導(dǎo)熱性五、材料的熱性質(zhì)材料傳遞熱量的性質(zhì)稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小用導(dǎo)熱系數(shù)λ表示:顯然，導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的隔熱保溫性能越好。材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定于：(1)材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造；(2)孔隙率與孔隙特征、含水率以及溫度。2.熱容量材料受熱時吸收熱量,冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為熱容量。熱容量的大小也可以用比熱容來表示。是指單位質(zhì)量的材料，溫度升高或降低1K時所吸收或放出的能量Q。比熱越大，對保證室內(nèi)溫度的相對穩(wěn)定越有利。工程中應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小、熱容大的材料?？梢怨?jié)約能耗并長時間地保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定?；?.熱變形性熱變形性是指材料隨溫度的升降而產(chǎn)生熱脹冷縮變形的性質(zhì)。也稱溫度變形。熱變形性用線膨脹系數(shù)α來表示：公式：線膨脹系數(shù)越大，表明材料的熱變形性越大。材料的熱變形性對于土木工程是不利的，如在大面積或大體積的混凝土工程中，當(dāng)熱變形產(chǎn)生的膨脹拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，可引起溫度裂縫，故大體的建筑工程，為防止熱變形引起裂縫，設(shè)置伸縮縫；石油瀝青當(dāng)溫度下降到一定程度時，產(chǎn)生脆裂等。4.耐燃性耐燃性是指材料在空氣中遇火不著火燃燒的性能，是影響建筑物防火、結(jié)構(gòu)耐火等級的重要因素。根據(jù)材料的耐燃性可分為三類：（1）非燃燒材料，磚、砂漿、混凝土，石材、金屬材料等（2）難燃燒材料，石膏板、水泥石棉板、瀝青混凝土、板條抹灰等。（3）燃燒材料，膠合板、纖維板、木材，葦箔等第三節(jié)材料的力學(xué)性質(zhì)一、材料的強(qiáng)度及強(qiáng)度等級二、材料的彈性和塑性三、材料的脆性和韌性四、材料的硬度和耐磨性

材料的力學(xué)性質(zhì)，主要是指在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力和變形的有關(guān)性質(zhì)。一、材料的強(qiáng)度及強(qiáng)度等級1、材料的強(qiáng)度定義：指材料在外力（荷載）作用下不破壞時能承受的最大應(yīng)力。材料的受力狀態(tài)根據(jù)材料的受力狀態(tài)不同，可以將材料的的強(qiáng)度分為：抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎（抗折）強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度這些強(qiáng)度是通過靜力試驗來測定，因此總稱為靜力強(qiáng)度。具體的計算公式如下：混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度試驗（1）材料的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度的計算式為：

式中：f—材料的強(qiáng)度（MPa）

P—試件破壞時的最大荷載（N）

A—試件受力面積（mm2）（2）矩形截面的材料的抗彎強(qiáng)度的計算式為：

式中：f—材料的抗彎（折）強(qiáng)度（MPa）

P—試件破壞時的最大荷載（N）

l—試件兩支點的距離（mm）

b—試件截面的寬度（mm）

h—試件截面的高試（mm）影響材料強(qiáng)度的相關(guān)因素：（1）與材料的組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)；（2）與材料的孔隙率有關(guān)，孔隙率越大，強(qiáng)度越小；（3）與試驗條件有關(guān)，如試件的尺寸、形狀、表面狀態(tài)、試件的含水率、加荷速度、試驗環(huán)境的溫度、試驗設(shè)備的精確度以及操作人員的技術(shù)水平；2、強(qiáng)度等級強(qiáng)度等級：建筑材料根據(jù)其極限強(qiáng)度的大小，劃分成若干不同的等級分類：（1）脆性材料按抗壓強(qiáng)度分：如燒結(jié)普通黏土磚（

Mu10,Mu15,Mu20

）、石、水泥（32.5，42.5）、混凝土（C10,C15,C25）等；（2）塑性材料和韌性材料按抗拉強(qiáng)度分：如鋼材；3、比強(qiáng)度定義：材料的強(qiáng)度與其表觀密度的比值（f/ρ0）。它是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的一項重要指標(biāo)。材料比強(qiáng)度的性質(zhì)：（1）比強(qiáng)度越大，則材料的輕質(zhì)高強(qiáng)性能越好；（2）比強(qiáng)度大的材料或提高材料的比強(qiáng)度，對增加建筑物高度、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價等具有重大意義；

彈性指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，能完全恢復(fù)到原形狀的性質(zhì)。這種變形屬于可逆變形，稱為彈性變形。二、材料的彈性和塑性1.彈性材料的彈性變形曲線變形數(shù)值的大小與外力大小成正比。用彈性模量E來表示，其值等于應(yīng)力σ與應(yīng)變ε的比值。即在彈性變形范圍內(nèi)，E為常數(shù)。

塑性指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。這種不能恢復(fù)的永久變形，稱為塑性變形。2.塑性材料的塑性變形曲線實際上純彈性變形的材料是沒有的，通常一些材料在受力不大時，僅產(chǎn)生彈性變形；受力超過一定極限后，即產(chǎn)生塑性變形，如建筑鋼材；有些材料在受力后，彈性變形和塑性變形同時產(chǎn)生，當(dāng)外力取消后，彈性變形會恢復(fù)，而塑性變形不能消失，如混凝土。3.彈塑性變形材料的彈塑性變形曲線圖中ab為可恢復(fù)的彈性變形，bo為不可恢復(fù)的塑性變形。三、材料的脆性與韌性1、脆性定義：材料在外力作用下，直到破壞前并無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)。特點：（1）塑性變形小，抵抗沖擊、振動荷載的能力差；（2）抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度；（3）不宜作受拉構(gòu)件，只適于用作承壓構(gòu)件；適合材料：大部分無機(jī)非金屬材料，如：天然石材、陶瓷、磚、玻璃、普通混凝土。2、韌性定義：材料沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，并產(chǎn)生較大的變形而不破壞的性質(zhì)。也稱沖擊韌性。特點：（1）塑性變形大，抗拉、抗壓強(qiáng)度都較高；適合材料：如：建筑鋼材、木材、橡膠在建筑工程中，對于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁、橋梁、路面等所用的材料，均應(yīng)具有較高的韌性。

四、材料的硬度與耐磨性1、硬度定義：材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。測定方法：（1）刻劃法：用于測定天然礦物的硬度，礦物硬度分為10級，其遞增的順序為：滑石；石膏；方解石；螢石；磷灰石；正長石；石英；黃玉；剛玉；金剛石。（2）壓入法：鋼材、木材及混凝土等的硬度。特點：（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損的能力。常以磨損率衡量，用N表示式中：N—材料的磨損率（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—試件受磨面積（cm2）影響材料耐磨性的因素：（1）材料的組成成分、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度等有關(guān)（2）強(qiáng)度較高且密實的材料，其硬度較大，耐磨性較好，加工越困難。在建筑工程中，對于用作踏步、臺階、地面、路面等的材料，應(yīng)具有較高的耐磨性。第四節(jié)材料的裝飾性一、裝飾材料的概述1、裝飾材料的定義：

作用于建筑物內(nèi)、外墻面、柱面、地面、及頂棚等處的飾面材料。2、裝飾材料的作用：

裝飾作用、保護(hù)作用、其他特殊作用（如絕熱、防潮、防火、吸聲、隔音等）二、裝飾效果主要取決于：1、色彩（1）以白色或淺色為主的立面，給人明快、清新的感覺；（2）以深色為主的立面，給人端莊、穩(wěn)重的感覺；（3）紅、橙、黃等暖色，給人熱烈、溫暖、興奮的感覺；（4）綠、藍(lán)、紫羅蘭等冷色，給人感覺寧靜、幽雅、清涼；2、質(zhì)感

質(zhì)感是材料表面的粗細(xì)、軟硬程度、凹凸不平、紋理構(gòu)造、花紋圖案、明暗色差等給人的一種綜合感覺。（1）粗糙的混凝土或磚的表面，顯得較為厚重、粗獷；（2）平滑、細(xì)膩的玻璃和鋁合金表面，顯得較為輕巧、活波。（3）質(zhì)感與材料的特性、表面的加工程度、施工方法以及建筑物的形體、立面風(fēng)格等有關(guān)。3、線型線型是指立面裝飾的分格縫與凹凸線條構(gòu)成的裝飾效果。