第二章

建筑材料的基本性質(zhì)

建筑材料的基本性質(zhì)，是指材料處于不同的使用條件和使用環(huán)境時(shí)，通常必須考慮的最基本的、共有的性質(zhì)。因?yàn)榻ㄖ牧纤幗ǎ?gòu)）筑物的部位不同、使用環(huán)境不同、人們對(duì)材料的使用功能要求不同，所起的作用就不同，要求的性質(zhì)也就有所不同。所謂材料的性質(zhì)是指在負(fù)荷與環(huán)境因素聯(lián)合作用下材料所具有的屬性。

第一節(jié)材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造一、材料的組成1、材料的化學(xué)組成，是指組成材料的化學(xué)元素種類和數(shù)量。材料的化學(xué)成分，直接影響材料的化學(xué)性質(zhì)，也是決定材料物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)的重要因素。因此，材料種類常按其化學(xué)組成來劃分。2、材料的礦物組成，是指組成材料的礦物種類和數(shù)量。礦物，是指具有一定化學(xué)成分和一定結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)或單質(zhì)的總稱。礦物是構(gòu)成巖石及各類無機(jī)非金屬材料的基本單元。例，花崗巖的礦物組成主要是石英和長石；石灰?guī)r的礦物組成為方解石。材料的礦物組成直接影響無機(jī)非金屬材料的性質(zhì)。有機(jī)高分子材料分子組成的基本單元為鏈節(jié)。鏈節(jié)，是由一種或幾種低分子化合物按特定結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基本單元。鏈節(jié)的多次重復(fù)即構(gòu)成合成高分子材料。例如，聚氯乙烯的鏈節(jié)為氯乙烯，其重復(fù)次數(shù)稱為聚合度。二、材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指其微觀組織狀態(tài)而言，有晶體、非晶體及膠體三種。1、晶體結(jié)構(gòu)晶體是由質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列而形成的固體，具有固定外形。質(zhì)點(diǎn)的這種規(guī)則排列框架成為晶格。構(gòu)成晶格的最基本的幾何單元成為晶胞。晶體就是由大量形狀、大小和位向完全相同的晶胞堆砌而成，故晶體結(jié)構(gòu)取決與晶胞的種類及尺寸。3、膠體結(jié)構(gòu)膠體是指含有粒徑10-6～10-4mm的固體顆粒分散在介質(zhì)中的分散體系，如分散介質(zhì)是液體時(shí)，則此種膠體稱為溶膠。溶膠具有可流動(dòng)的性質(zhì)。由于溶膠的顆粒很細(xì)，使體系具有很大的表面積，因而具有很大的表面能。當(dāng)數(shù)量較多（膠體濃度大）或在物理化學(xué)作用下膠粒有自發(fā)相互吸附凝聚成大顆粒的趨勢(shì)，凝聚后構(gòu)成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使體系失去流動(dòng)性，成為半固體狀態(tài)，稱為凝膠。凝膠體中顆粒之間由范德華力結(jié)合。所以凝膠在攪拌、振動(dòng)等剪切力的作用下，其結(jié)合鍵很容易斷裂，使凝膠變成溶膠，粘度降低，重新具有流動(dòng)性。但靜置一定時(shí)間后，溶膠又會(huì)慢慢恢復(fù)成凝膠。這一轉(zhuǎn)變過程可以反復(fù)多次。凝膠、溶膠這種可逆互變的性能稱為觸變性。新拌水泥漿、石灰漿具有觸變性。三、材料的構(gòu)造材料的構(gòu)造是指其宏觀組織而言，如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理、鋼鐵材料中的氣孔、鋼材中的裂紋等。材料的各種性質(zhì)除受其組成及結(jié)構(gòu)的影響外，還與構(gòu)造有密切關(guān)系。如，構(gòu)造致密的材料強(qiáng)度高；疏松多孔的材料強(qiáng)度低；呈層狀或纖維狀結(jié)構(gòu)的材料，是各向異性的，即在不同的方向，所表現(xiàn)出來的性質(zhì)不相同。材料的各種性質(zhì)，除與孔隙率的大小有關(guān)外，還與孔隙的構(gòu)造特征有關(guān)。材料中的孔隙，由與外界相連通的開口孔隙和與外界相隔絕的閉口孔隙?？紫侗旧碛钟写旨?xì)之分，有極細(xì)孔隙、細(xì)小孔隙和粗大孔隙等。

第二節(jié)材料的物理性質(zhì)1.材料的密度

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或kg/m3

m—材料的質(zhì)量，g或kg

V—材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3或m3

測(cè)試時(shí)，材料必須是絕對(duì)干燥狀態(tài)。含孔材料則必須磨細(xì)后采用排開液體的方法來測(cè)定其體積。

材料的表觀體積是指包括內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的表觀體積中包含有內(nèi)部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質(zhì)量（有時(shí)還影響其表觀體積）。因此，材料的表觀密度除了與其微觀結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)外，還與其內(nèi)部構(gòu)成狀態(tài)及含水狀態(tài)有關(guān)。材料在烘干狀態(tài)下測(cè)得的表觀密度，稱為干表觀密度；材料在潮濕狀態(tài)下測(cè)得的表觀密度，稱為濕表觀密度。通常，材料表觀密度是指在氣干狀態(tài)下的表觀密度。

3.材料的堆積密度

堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

按下式計(jì)算：

式中 ρ0，—材料的堆積密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質(zhì)量，g或kg

V0，—材料的堆積體積，cm3或m3

粉狀或粒狀材料的質(zhì)量是指填充在一定容器內(nèi)的材料質(zhì)量，其堆積體積是指所用容器的容積而言。因此，材料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙，可分為疏松堆積密度、振實(shí)堆積密度及緊密堆積密度。

在土木建筑工程中，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、表觀密度和堆積密度等數(shù)據(jù)。5.孔隙率

材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率?？紫堵蔖按下式計(jì)算：V—材料的絕對(duì)密實(shí)體積，cm3或m3V0—材料的表觀體積，cm3或m3ρ0—材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3D+P=1孔隙率大，密實(shí)度就小。

6.空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆集體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例?？障堵蔖'，

按下式計(jì)算：

ρ0—材料的表觀密度;ρ0’—材料的堆積密度

空隙率的大小反映了散粒材料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭??？障堵士勺鳛榭刂苹炷凉橇霞?jí)配與計(jì)算含砂率的依據(jù)。

第三節(jié)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（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。

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

L------兩支點(diǎn)的間距，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）。

產(chǎn)生彈性變形的原因，是因?yàn)樽饔糜诓牧系耐饬Ω淖兞瞬牧腺|(zhì)點(diǎn)間的平衡位置，但此時(shí)外力并未超過質(zhì)點(diǎn)間的最大結(jié)合力，外力所做的功，轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧系膬?nèi)能（彈性能），當(dāng)外力除去時(shí)，內(nèi)能做功，質(zhì)點(diǎn)恢復(fù)到原有的平衡位置，變形消失。

產(chǎn)生塑性變形的原因，是作用于材料的外力，超過材料質(zhì)點(diǎn)間的最大結(jié)合力，或在長時(shí)間持續(xù)應(yīng)力作用下，使材料部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)造受到破壞，外力所做的功未轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅?，而消耗于部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)造的破壞，因而變形不再消失。

第四節(jié)材料與水有關(guān)的性質(zhì)一.材料的親水性與憎水性

與水接觸時(shí)，有些材料能被水潤濕，而有些材料則不能被水潤濕，對(duì)這兩種現(xiàn)象來說，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，通常以潤濕角的大小劃分，潤濕角為在材料、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。其中潤濕角θ愈小，表明材料愈易被水潤濕。當(dāng)材料的潤濕角θ＜９０?時(shí)，為親水性材料；當(dāng)材料的潤濕角θ＞９０?

時(shí)，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細(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，而且水分不能滲入材料的毛細(xì)管中，見圖２-1圖２－1材料潤濕示意圖

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料體積吸水率

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，并以WＶ表示。體積吸水率WＶ的計(jì)算公式為：式中 G1——材料吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ或kg）

G——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（ｇ或kg）。

V0—材料在自然狀態(tài)下的體積，（cm3或m3）

ρw—水的密度,（g/cm3

或kg/m3），常溫下取ρw=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^材料的開口孔吸入并經(jīng)過連通孔滲入內(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。

顯然，材料的含水率受所處環(huán)境中空氣濕度的影響。當(dāng)空氣中濕度在較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態(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。四.材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長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KR——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)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。用于一般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。五.材料的抗?jié)B性

抗?jié)B性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。土木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。

５.1滲透系數(shù)

材料的滲透系數(shù)可通過下式計(jì)算:式中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，說明材料的抗?jié)B性越強(qiáng)。5.2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。

第五節(jié)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)在或外來自然因素及有害介質(zhì)的作用，能長久地保持其使用性能的性質(zhì)。

材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經(jīng)常要受到環(huán)境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學(xué)、機(jī)械及生物的作用。

物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。這些作用將使材料發(fā)生體積的脹縮，或?qū)е聝?nèi)部裂縫的擴(kuò)展。時(shí)間長久之后即會(huì)使材料逐漸破壞。在寒冷地區(qū)，凍融變化對(duì)材料會(huì)起著顯著的破壞作用。在高溫環(huán)境下，經(jīng)常處于高溫狀態(tài)的建筑物或構(gòu)筑物，所選用的建筑材料要具有耐熱性能。在民用和公共建筑中，考慮安全防火要求，須選用具有抗火性能的難燃或不燃的材料。化學(xué)作用包括大氣、環(huán)境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液體或有害氣體對(duì)材料的侵蝕作用。機(jī)械作用包括使用荷載的持續(xù)作用，交變荷載引起材料疲勞，沖擊、磨損、磨耗等。生物作用包括菌類、昆蟲等的作用而使材料腐朽、蛀蝕而破壞。

磚、石料、混凝土等礦物材料，多是由于物理作用而破壞，也可能同時(shí)會(huì)受到化學(xué)作用的破壞。金屬材料主要是由于化學(xué)作用引起的腐蝕。木材等有機(jī)質(zhì)材料常因生物作用而破壞。瀝青材料、高分子材料在陽光、空氣和熱的作用下，會(huì)逐漸老化而使材料變脆或開裂。

材料的耐久性指標(biāo)是根據(jù)工程所處的環(huán)境條件來決定的。例如處于凍融環(huán)境的工程，所用材料的耐久性以抗凍性指標(biāo)來表示。處于暴露環(huán)境的有機(jī)材料，其耐久性以抗老化能力來表示。冰凍對(duì)材料破壞作用1.冰脹壓力作用孔隙中水的冰點(diǎn)隨孔徑減小而降低，故極細(xì)孔隙中的水在一般境況下不會(huì)結(jié)冰。粗大孔隙中的水易進(jìn)易出，不易充滿其中。主要發(fā)生在充滿了水的較粗孔隙內(nèi)和毛細(xì)孔隙內(nèi)。2.水壓力作用當(dāng)其受凍降溫時(shí)，不同直徑的孔隙內(nèi)的水逐漸結(jié)冰，體積膨脹，迫使尚未結(jié)冰的多余水移向附近，在這一過程中產(chǎn)生水壓力，使孔壁受到拉應(yīng)力，造成材料體積膨脹。冰凍對(duì)材料破壞作用3.顯微析冰作用材料孔隙中的水，一般為鹽類的稀溶液，一旦結(jié)冰，則析出純冰并使溶液濃度提高。此時(shí)，若相鄰較細(xì)孔中尚未結(jié)冰并仍存在著原濃度的溶液，則產(chǎn)生了濃度差，水則向已結(jié)冰區(qū)域遷移并迅速結(jié)冰，使已結(jié)冰的晶體增大。

當(dāng)材料中所含孔隙較少并已充滿水時(shí)，析冰作用使水向較粗孔隙移動(dòng)，使得較粗孔隙冰晶增大，致使冰脹壓力和水壓力作用更嚴(yán)重，使凍融破壞作用加劇。

材料的抗凍性

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。

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。抗凍性可作為礦物質(zhì)材料抵抗環(huán)境物理作用的耐久性綜合指標(biāo)。

抗凍性以試件在凍融后的質(zhì)量損失、外形變化或強(qiáng)度降低不超過一定限度時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來表示，或稱為抗凍等級(jí)。

材料的抗凍等級(jí)可分為Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。材料的抗凍性與材料的強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、耐水性和吸水飽和程度有關(guān)。

第六節(jié).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：式中

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，h；

（T2-T1）－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)稱為材料的熱容量。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);

G---材料質(zhì)量，kg;

（t2-t1）--材料受熱或冷卻前后的溫差，K。材料的溫度變形性

材料的溫度變形是指溫度升高或降低時(shí)材料的體積變化。

除個(gè)別材料以外，多數(shù)材料在溫度升高時(shí)體積膨脹，溫度下降時(shí)體積收縮。這種變化表現(xiàn)在單向尺寸時(shí)，為線膨脹或線收縮，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為線膨