![]()
目 录
绪论 1
0.1 建筑材料的定义及在建筑工程中的
地位和作用 1
0.2 我国建筑材料的应用及技术标准 1
0.3 建筑材料的发展趋势 3
0.4 建筑材料的分类 4
0.5 建筑材料课程涉及的主要内容及
学习方法 5
第1章 建筑材料的基本性能 6
1.1 物理性能 6
1.1.1 与质量有关的性质 6
1.1.2 与水有关的性质 10
1.1.3 与热有关的性质 14
1.2 材料的力学性质 16
1.2.1 材料的强度 16
1.2.2 材料的弹性和塑性 17
1.2.3 材料的脆性和韧性 18
1.2.4 材料的硬度和耐磨性 19
1.3 材料的耐久性 19
1.4 材料基本性能的发展动态 20
复习思考题 21
第2章 建筑石材 22
2.1 建筑中常用的岩石 22
2.1.1 岩浆岩 22
2.1.2 沉积岩 23
2.1.3 变质岩 23
2.2 石材 24
2.2.1 石材的主要技术性质 24
2.2.2 石材的品种与应用 25
2.3 建筑石材发展动态 27
复习思考题 29
第3章 气硬性胶凝材料 30
3.1 石灰 30
3.1.1 石灰的生产 30
3.1.2 石灰的熟化 31
3.1.3 石灰的硬化 31
3.1.4 建筑工程中常用石灰品种
及主要性能 32
3.1.5 石灰的特点与应用 33
3.1.6 石灰的储运 34
3.2 石膏 34
3.2.1 石膏的生产 34
3.2.2 建筑工程中常用的石膏品种 34
3.2.3 建筑石膏 35
3.2.4 高强石膏 37
3.3 水玻璃 38
3.3.1 水玻璃的组成与生产 38
3.3.2 水玻璃的硬化 38
3.3.3 水玻璃的性质与应用 39
复习思考题 40
第4章 水硬性胶凝材料 41
4.1 硅酸盐水泥 41
4.1.1 硅酸盐水泥的定义 41
4.1.2 硅酸盐水泥熟料的生产过程 42
4.1.3 硅酸盐水泥熟料的矿物
组成及特性 43
4.1.4 硅酸盐水泥的凝结硬化 45
4.1.5 硅酸盐水泥的技术要求和
技术标准 48
4.1.6 硅酸盐水泥石的腐蚀与防止 52
4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥 54
4.2.1 混合材料 54
4.2.2 普通硅酸盐水泥 55
4.2.3 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质
硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐
水泥 56
4.2.4 复合硅酸盐水泥 59
4.3 水泥的应用、验收与保管 59
4.3.1 六种常用水泥的特性与应用 59
4.3.2 水泥的验收 61
4.3.3 水泥的保管 61
4.4 其他品种的水泥 61
4.4.1 白色及彩色硅酸盐水泥 61
4.4.2 快硬硅酸盐水泥 63
4.4.3 膨胀水泥 63
4.4.4 中低热水泥 64
4.4.5 道路硅酸盐水泥 66
4.4.6 砌筑水泥 67
4.4.7 铝酸盐水泥 68
4.5 水硬性胶凝材料的发展动态 69
复习思考题 70
第5章 混凝土 71
5.1 概述 71
5.1.1 混凝土的定义 71
5.1.2 混凝土的分类 71
5.1.3 混凝土的特点与应用 72
5.1.4 混凝土的发展 73
5.2 普通混凝土的组成材料 73
5.2.1 水泥 73
5.2.2 细骨料 74
5.2.3 粗骨料 78
5.2.4 拌和及养护用水 81
5.2.5 外加剂 82
5.3 混凝土的主要技术性能 86
5.3.1 新拌混凝土的和易性 86
5.3.2 硬化混凝土的主要技术
性质 92
5.4 混凝土的质量控制与强度评定 105
5.4.1 混凝土的质量控制 105
5.4.2 混凝土的强度评定 107
5.5 混凝土的配合比设计 114
5.5.1 配合比设计的基本要求 114
5.5.2 配合比设计的方法及步骤 115
5.5.3 配合比设计例题 123
5.5.4 掺和料普通混凝土 129
5.6 其他品种混凝土 134
5.6.1 轻混凝土 134
5.6.2 防水混凝土(抗渗混凝土) 138
5.6.3 聚合物混凝土 139
5.6.4 纤维混凝土 140
5.6.5 高强混凝土 141
5.6.6 商品混凝土 142
5.6.7 绿色混凝土 143
5.7 混凝土发展动态 144
5.7.1 钢纤维混凝土 144
5.7.2 高性能混凝土 145
复习思考题 145
第6章 建筑砂浆 147
6.1 砌筑砂浆 147
6.1.1 砌筑砂浆的组成材料 147
6.1.2 砌筑砂浆的主要技术性质 148
6.1.3 砌筑砂浆的配合比设计 150
6.2 抹面砂浆 153
6.2.1 普通抹面砂浆 153
6.2.2 装饰抹面砂浆 154
6.2.3 特种抹面砂浆 155
6.3 建筑砂浆的发展动态 156
复习思考题 157
第7章 金属材料 158
7.1 钢的冶炼及钢的分类 158
7.1.1 钢的冶炼 158
7.1.2 钢材的分类 159
7.2 钢材的主要技术性能 160
7.2.1 钢材的力学性能 160
7.2.2 钢材的工艺性能 164
7.3 冷加工强化与时效对钢材性能的
影响 165
7.3.1 冷加工强化处理 165
7.3.2 时效 166
7.4 钢材的化学性能 166
7.4.1 不同化学成分对钢材性能
的影响 166
7.4.2 钢材的锈蚀 167
7.4.3 钢材的防锈 168
7.5 常用建筑钢材 168
7.5.1 钢筋混凝土用钢材 169
7.5.2 钢结构用钢材 173
7.5.3 钢材的选用 177
7.6 建筑钢材的防火 178
7.6.1 建筑钢材的耐火性 178
7.6.2 钢结构防火涂料 179
7.7 铝和铝合金 181
7.7.1 铝的主要性能 182
7.7.2 铝合金的分类 183
7.7.3 铝合金的牌号 183
7.7.4 铝合金的应用 185
7.8 金属材料的发展动态 187
复习思考题 189
第8章 墙体材料 190
8.1 砌墙砖 190
8.1.1 烧结普通砖 190
8.1.2 烧结多孔砖和烧结空心砖 194
8.1.3 蒸压蒸养砖 197
8.2 混凝土砌块 198
8.2.1 蒸压加气混凝土砌块 198
8.2.2 混凝土空心砌块 200
8.3 轻型墙板 203
8.3.1 石膏板 203
8.3.2 蒸压加气混凝土板 205
8.3.3 纤维水泥板 206
8.3.4 泰柏板 207
8.4 混凝土大型墙板 207
8.4.1 轻骨料混凝土墙板 208
8.4.2 饰面混凝土幕墙板 208
8.5 墙体材料发展动态 209
复习思考题 209
第9章 建筑防水材料 210
9.1 防水材料的基本材料 210
9.1.1 沥青 210
9.1.2 合成高分子材料 217
9.2 防水卷材 217
9.2.1 沥青防水卷材 217
9.2.2 合成高分子改性沥青防水
卷材 220
9.2.3 合成高分子防水卷材 225
9.3 建筑防水涂料 230
9.3.1 防水涂料的特点与分类 230
9.3.2 水乳型沥青基防水涂料 231
9.3.3 溶剂型沥青防水涂料 231
9.3.4 合成树脂和橡胶系防水
涂料 232
9.3.5 无机防水涂料和有机无机
复合防水涂料 235
9.4 防水密封材料 237
9.4.1 不定型密封材料 237
9.4.2 定型密封材料 242
9.5 屋面防水工程对材料的选择及
应用 244
9.6 防水卷材生产企业的发展现状 246
复习思考题 247
第10章 建筑塑料 248
10.1 塑料的组成 248
10.1.1 树脂 248
10.1.2 添加剂 249
10.1.3 塑料的主要性质 250
10.2 建筑塑料的应用 250
10.2.1 塑料门窗 250
10.2.2 塑料管材 251
10.2.3 塑料楼梯扶手 255
10.2.4 塑料装饰扣(条)板、线 255
10.2.5 塑料地板砖 255
10.2.6 玻璃钢卫生洁具 255
10.2.7 泡沫塑料 256
10.3 建筑塑料的发展动态 256
复习思考题 257
第11章 木材及其制品 259
11.1 天然木材及其性能 259
11.1.1 木材的宏观构造 259
11.1.2 木材的微观构造 260
11.1.3 木材的物理性能 261
11.1.4 木材的力学性能 263
11.2 木材制品及综合应用 264
11.2.1 木材规格 264
11.2.2 木材的主要应用及其
装饰效果 266
11.2.3 木材的综合应用 267
11.3 木材防护 269
11.3.1 木材腐朽 269
11.3.2 木材防腐、防虫 270
11.4 木材及其制品的发展动态 270
复习思考题 271
第12章 建筑装饰材料 272
12.1 装饰材料的基本要求及选用 272
12.1.1 装饰材料的基本要求 272
12.1.2 装饰材料的选用 273
12.2 地面装饰材料 274
12.2.1 聚氯乙烯卷材地板 274
12.2.2 木质地板 275
12.2.3 地毯 276
12.3 内墙装饰材料 277
12.3.1 塑料墙纸 277
12.3.2 内墙涂料 279
12.4 外墙装饰材料 281
12.4.1 外墙涂料 281
12.4.2 外墙涂料的种类 282
12.4.3 玻璃幕墙 283
12.5 顶棚装饰材料 284
12.5.1 矿棉吸声装饰板 284
12.5.2 石膏装饰板 285
12.5.3 聚氯乙烯塑料天花板 286
12.6 建筑装饰材料的发展动态 286
复习思考题 287
第13章 建筑材料性能检测试验 288
13.1 试验一：建筑材料的基本性质
试验 289
13.1.1 实际密度试验 289
13.1.2 体积密度试验 290
13.1.3 表观密度试验 292
13.1.4 堆积密度试验 294
13.1.5 吸水率试验 295
13.2 试验二：水泥技术指标测试 296
13.2.1 水泥检验的一般规定 297
13.2.2 水泥细度试验 297
13.2.3 水泥标准稠度用水量测试 300
13.2.4 水泥净浆凝结时间检验 304
13.2.5 水泥安定性检验 305
13.2.6 水泥胶砂强度检验 308
13.3 试验三：混凝土用骨料技术指标
检验 313
13.3.1 骨料的取样方法 314
13.3.2 砂子的颗粒级配及细度
模数检验 315
13.3.3 砂子的含水率检验 316
13.3.4 石子的堆积密度与空隙率
检验 317
13.3.5 碎石或卵石的颗粒级配
试验 319
13.3.6 石子的含水率检验 320
13.4 试验四：混凝土拌和物试验 320
13.4.1 用坍落度法检验混凝土拌
和物的和易性 321
13.4.2 用维勃稠度法检验混凝土
拌和物的和易性 323
13.4.3 混凝土拌和物表观密度
测试 324
13.5 试验五：混凝土强度试验 325
13.5.1 混凝土强度检测试件的
成形与养护 326
13.5.2 混凝土立方体抗压强度
检验 327
13.5.3 混凝土立方体劈裂抗拉
强度检验 328
13.5.4 普通混凝土抗折强度检验 329
13.6 试验六：砂浆试验 330
13.6.1 砂浆拌制和稠度测试 331
13.6.2 砂浆分层度测试 333
13.6.3 砂浆立方体抗压强度试验 334
13.7 试验七：砌墙砖及砌块试验 336
13.7.1 烧结普通砖抽样方法及
相关规定 336
13.7.2 尺寸测量 337
13.7.3 外观检查 338
13.7.4 砖的抗折强度测试 340
13.7.5 砖的抗压强度测试 341
13.7.6 混凝土小型砌块尺寸测量
和外观质量检查 343
13.7.7 混凝土小型砌块抗压强度
试验 344
13.7.8 混凝土小型砌块抗折强度
试验 345
13.8 试验八：钢筋力学及工艺性能
试验 346
13.8.1 钢筋的取样方法及取样
数量、复检与判定 347
13.8.2 钢筋拉伸试验 347
13.8.3 钢筋冷弯试验 352
13.9 试验九：沥青材料试验 354
13.9.1 取样方法及数量 354
13.9.2 石油沥青的针入度检验 355
13.9.3 石油沥青的延度检验 357
13.9.4 石油沥青的软化点检验 359
13.10 试验十：防水卷材试验 361
13.10.1 石油沥青防水卷材抽样的
规定 361
13.10.2 试验的一般规定 361
13.10.3 拉力测试 362
13.10.4 耐热度测试 363
13.10.5 不透水性测试 363
13.10.6 柔度测试 364
参考文献 365
![]()
第1章 建筑材料的基本性能
学习内容与目标
* 掌握材料的基本物理性质及物性参数对材料的物理、力学性能，耐久性的影响。
* 熟悉与各种物理过程相关的材料的性质、与热有关的性质等。
在建筑物中，建筑材料要受到各种不同的作用，因而要求建筑材料具有相应的不同性能。例如，用于建筑结构的材料要承受各种外力的作用，因此，选用的材料应具有所需要的力学性能。又如，根据建筑物不同部位的使用要求，有些材料应具有防水、绝热、吸声等性能；对于某些工业建筑，要求材料具有耐热、耐腐蚀等性能。此外，对于长期暴露在大气中的材料，要求能经受风吹、日晒、雨淋、冰冻而引起的温度变化、湿度变化及反复冻融等的破坏变化。为了保证建筑物的耐久性，要求在工程设计与施工中正确地选择和合理地使用材料，因此，必须熟悉和掌握各种材料的基本性质。
建筑材料的性质是多方面的，某种建筑材料应具备何种性质，这要根据它在建筑物中的作用和所处的环境来决定。一般来说，建筑材料的性质可分为四个方面，包括物理性能、力学性能、化学性能及耐久性。
本章主要学习材料的物理性能、力学性能和耐久性。材料的物理性能包括与质量有关的性质、与水有关的性质、与热有关的性质；力学性能包括强度、变形性能、硬度以及耐磨性。
1.1 物 理 性 能
1.1.1 与质量有关的性质
自然界的材料，由于其单位体积中所含孔(空)隙程度不同，因而其基本的物理性质参数--单位体积的质量也有差别，现分述如下。
1. 密度
密度是指材料在密实状态下单位体积的质量，可按下式计算：
(1-1)
式中：--密度，g/cm3或kg/m3；
m--材料的质量，g或kg；
V--材料在密实状态下的体积，简称体积或实体积，cm3或m3。
材料的密度大小取决于组成物质的原子量大小和分子结构，原子量越大，分子结构越紧密，材料的密度则越大。
建筑材料中除少数材料(钢材、玻璃等)接近密实外，绝大多数材料内部都包含有一些孔隙。在自然状态下，含孔块体的体积V0是由固体物质的体积(即密实状态下材料的体积)V和孔隙体积Vk两部分组成的，如图1-1所示。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥后用李氏密度瓶测定其体积。对于某些较为致密但形状不规则的散粒材料，在测定其密度时，可以不必磨成细粉，而直接用排水法测其体积的近似值(颗粒内部的封闭孔隙体积没有排除)，这时所求得的密度为视密度。混凝土所用砂、石等散粒材料常按此法测定其密度。
图1-1 材料组成示意图
1-孔隙；2-固体物质
2. 表观密度
表观密度是指材料单位表观体积的质量，可按下式计算：
(1-2)
式中：--材料的表观密度，g/cm3或kg/m3；
m--材料的质量，g或kg；
--材料在自然状态下的表观体积，cm3或m3。
表观体积是指材料的实体积与闭口孔隙体积之和。测定表观体积时，可用排水法测定。
表观密度的大小除取决于密度外，还与材料闭口孔隙率和孔隙的含水程度有关。材料的闭口孔隙越多，表观密度越小；当孔隙中含有水分时，其质量和体积均有所变化。因此在测定表观密度时，须注明含水状况，没有特别标明时常指气干状态下的表观密度，在进行材料对比试验时，则以干燥状态下测得的表观密度值(干表观密度)为准。
3. 体积密度
材料在自然状态下，单位体积的质量称为体积密度，可按下式计算：
(1-3)
式中：--材料的体积密度，g/cm3或kg/m3；
m--在自然状态下材料的质量，g或kg；
V0--材料在自然状态下的体积，cm3或m3。
在自然状态下，材料内部的孔隙可分为两类：有的孔之间相互连通，且与外界相通，称为开口孔；有的孔互相独立，不与外界相通，称为闭口孔，如图1-2所示。大多数材料在使用时其体积为包括内部所有孔隙的体积，即自然状态下的外形体积(V0)，如砖、石材、混凝土等。有的材料如砂、石在拌制混凝土时，因其内部的开口孔被水占据，因此材料体积只包括材料实体积及其闭口孔体积(以表示)。为了区别这两种情况，常将包括所有孔隙在内的密度称为体积密度；把只包括闭口孔在内的密度称为表观密度(亦称视密度)，表观密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义。
图1-2 颗粒的气孔与孔隙的类型
在自然状态下，材料内部常含有水分，其质量随含水程度而改变，因此体积密度应注明其含水程度。干燥材料的体积密度称为干体积密度。可见，材料的体积密度除决定于材料的密度及构造状态外，还与含水程度有关。
4. 堆积密度
堆积密度是指散粒或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量，可按下式计算：
(1-4)
式中：--材料的堆积密度，kg/m3；
m--材料的质量，kg；
--材料的自然堆积体积，包括颗粒的体积和颗粒之间空隙的体积(见图1-3)，也即按一定方法装入容器的容积，m3。
材料的堆积密度取决于材料的表观密度以及测定时材料的装填方式和疏密程度。松堆积方式测得的堆积密度值要明显小于紧堆积时的测定值。工程中通常采用松散堆积密度，确定颗粒状材料的堆积空间。
在土木建筑工程中，计算材料用量、构件的自重，计算配料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。
5. 孔隙率与密实度
1) 孔隙率
孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分率。以P表示，可用下式计算：
(1-5)
式中：P--孔隙率，%；
V--材料的密实体积，cm3 或 m3；
--材料的自然体积，cm3 或m3。
图1-3 散粒材料堆积及体积示意图(堆积体积=颗粒体积 空隙体积)
1-固体物质；2-空隙；3-孔隙
孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，其大小取决于材料的组成、结构以及制造工艺。材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的孔隙有关。这些性质不仅取决于孔隙率的大小，还与孔隙的大小、形状、分布、连通与否等构造特征密切相关。
孔隙的构造特征，主要是指孔隙的形状和大小。材料内部开口孔隙增多会使材料的吸水性、吸湿性、透水性、吸声性提高，抗冻性和抗渗性变差。材料内部闭口孔隙的增多会提高材料的保温隔热性能。根据孔隙的大小，孔隙分为粗孔和微孔。一般均匀分布的密闭小孔，要比开口或相连通的孔隙好。不均匀分布的孔隙，对材料的性质影响较大。
2) 密实度
密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例，以D表示。密实度的计算公式如下：
(1-6)
式中：D--材料的密实度(%)。
材料的与越接近，即越接近于1，材料就越密实。密实度、孔隙率是从不同角度反映材料的致密程度，一般工程上常用孔隙率来表示。密实度和孔隙率的关系为。常用材料的一些基本物性参数如表1-1所示。
6. 空隙率与填充率
1) 空隙率
空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率，用表示，可按下式计算：
(1-7)
式中：--材料的空隙率，%；
--自然堆积体积，cm3 或m3；
--材料在自然状态下的体积，cm3或m3。
表1-1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
材 料
密度/(g/cm3)
表观密度/(kg/m3)
堆积密度/(kg/m3)
孔隙率(%)
石灰岩
2.60
1800～2600
－
－
花岗岩
2.60～2.90
2500～2800
－
0.5～3.0
碎石(石灰岩)
2.60
－
1400～1700
－
砂
2.60
－
1450～1650
－
黏土
2.60
－
1600～1800
－
普通黏土砖
2.50～2.80
1600～1800
－
20～40
黏土空心砖
2.50
1000～1400
－
－
水泥
3.10
－
1200～1300
－
普通混凝土
－
2000～2800
－
5～20
轻骨料混凝土
－
800～1900
－
－
木材
1.55
400～800
－
55～75
钢材
7.85
7850
－
0
泡沫塑料
－
20～50
－
－
玻璃
2.55
－
－
－
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的紧密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。
2) 填充率
填充率是指散粒或粉状材料颗粒体积占其自然堆积体积的百分率，用表示，其计算公式如下：
(1-8)
空隙率与填充率的关系为。由上可见，材料的密度、表观密度、体积密度、孔隙率及空隙率等是认识材料、了解材料性质与应用的重要指标，常称为材料的基本物理性质。
1.1.2 与水有关的性质
1. 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组成。亲水性材料与水分子之间的分子亲和力，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和力，小于水分子本身之间的内聚力。
实际工程中，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，如图1-4所示。
图1-4 材料润湿示意图
大多数建筑材料，如石料﹑砖﹑混凝土﹑木材等都属于亲水性材料，表面都能被水润湿。沥青﹑石蜡等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。该类材料一般能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。憎水性材料不仅可用作防水材料，而且还可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。
2. 吸水性
材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性。吸水性的大小用吸水率来表示，吸水率有两种表示方法。
(1) 质量吸水率：材料吸水饱和时，其所吸收水分的质量占材料干燥时质量的百分率，按下式计算。
(1-9)
式中：--质量吸水率(%)；
--材料在吸水饱和状态下的质量，g；
--材料在干燥状态下的质量，g。
(2) 体积吸水率：材料吸水饱和时，吸入水分的体积占干燥材料自然体积的百分率，按下式计算：
(1-10)
式中：--体积吸水率(%)；
--干燥材料在自然状态下的体积，cm3；
--水的密度，常温下取1g/cm3。
体积吸水率与质量吸水率的关系为
式中：--材料在干燥状态下的体积密度。
对于轻质多孔的材料，如加气混凝土﹑软木等，由于吸入水分的质量往往超过材料干燥时的自重，所以更能反映其吸水能力的强弱，因为不可能超过100%。
材料吸水率的大小不仅取决于材料本身是亲水的还是憎水的，而且与材料的孔隙率的大小及孔隙特征密切相关。一般孔隙率愈大，吸水率也愈大；孔隙率相同的情况下，具有细小连通孔的材料比具有较多粗大开口孔隙或闭口孔隙的材料的吸水性更强。
吸水率增大对材料的性质有不良影响，如表观密度、体积密度增加，体积膨胀，导热性增大，强度及抗冻性下降等。
3. 吸湿性
材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。
含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分数，可按下式计算：
(1-11)
式中：--材料的含水率(%)；
--材料含水时的质量，g；
--材料干燥至恒重时的质量，g。
材料的含水率大小，除与本身的成分﹑组织构造等有关外，还与周围的温度﹑湿度有关。气温越低，相对湿度越大，材料的含水率也就越大。
材料随着空气湿度的大小，既能在空气中吸收水分，又可向空气中扩散水分，后与空气湿度达到平衡，此时的含水率称为平衡含水率。木材的吸湿性随着空气湿度的变化特别明显。例如木门窗制作后如长期处在空气湿度小的环境，为了与周围湿度平衡，木材便向外散发水分，于是门窗体积收缩而致干裂。
4. 耐水性
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。
材料长期在饱和水作用下而不被破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，可按下式计算：
(1-12)
式中：--材料的软化系数；
--材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
--材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
软化系数一般在0～1之间波动，软化系数越大，耐水性越好。对于经常位于水中或处于潮湿环境中的重要建筑物所选用的材料要求其软化系数不得低于0.85；对于受潮较轻或次要结构所用材料，软化系数允许稍有降低但不宜小于0.75。工程上将软化系数大于0.85的材料定义为耐水材料。
5. 抗渗性
抗渗性是材料在压力水作用下抵抗渗透的性能。土木建筑工程中许多材料常含有孔隙、孔洞或其他缺陷，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、孔洞或其他缺陷渗透到低压侧。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。材料抗渗性有两种不同的表示方式。
1) 渗透系数
材料在压力水作用下透过水量的多少遵守达西定律，即在一定时间内，透过材料试件的水量W与试件的渗水面积A及水头差h成正比，与试件厚度d成反比，如图1-5所示。其计算公式如下：
(1-13)
式中：K--渗透系数，cm/h；
W--透过材料试件的水量，cm3；
A--透水面积，cm2 ；
h--材料两侧的水压差，cm；
d--试件厚度，cm；
t--透水时间，h。
图1-5 材料透水示意图
材料的渗透系数越小，说明材料的抗渗性越强。一些防水材料(如油毡)的防水性常用渗透系数表示。
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水压力，并以字母P及可承受的水压力(以0.1 MPa为单位)来表示抗渗等级。其计算公式如下：
P (1-14)
式中：P--抗渗等级；
p--开始渗水前的水压力，MPa。
如P4、P6、P8、P10...表示试件能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa...的水压而不渗透。可见，抗渗等级越高，抗渗性越好。
实际上，材料的抗渗性不仅与其亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。孔隙率小而且孔隙封闭的材料具有较高的抗渗性。
6. 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，体积膨胀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。
抗冻性将试件按规定方法进行冻融循环试验，以质量损失不超过5%，强度下降不超过25%，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F15、F25、F50、F100、F200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。
材料在冻融循环作用下产生破坏，一方面是由于材料内部孔隙中的水在受冻结冰时产生的体积膨胀(约9%)对材料孔壁造成巨大的冰晶压力，当由此产生的拉应力超过材料的抗拉极限强度时，材料内部即产生微裂纹，引起强度下降；另一方面是在冻结和融化过程中，材料内外的温差引起的温度应力会导致内部微裂纹的产生或加速原来微裂纹的扩展，而终使材料破坏。显然，这种破坏作用随冻融作用的增多而加强。材料的抗冻等级越高，其抗冻性越好，材料可以经受的冻融循环次数越多。
实际应用中，抗冻性的好坏不但取决于材料的孔隙率及孔隙特征，并且还与材料受冻前的吸水饱和程度、材料本身的强度以及冻结条件(如冻结温度、速度、冻融循环作用的频繁程度)等有关。
材料的强度越低，开口孔隙率越大，则材料的抗冻性越差。材料受冻时，其孔隙充水程度(以水饱和度KS表示，即孔隙中水的体积VW与孔隙体积VK之比，即KS=VW/VK)越高，材料的抗冻性越差。理论上讲，若材料内孔隙分布均匀，当水饱和度KS＜0.91时，结冻不会对材料孔壁造成压力；当KS＞0.91时，未充水的孔隙空间亦不能容纳由于水结冰而增加的体积，故对材料的孔隙产生压力，因而引起冻害。实际上，由于孔隙分布不均匀和局部饱和水的存在，KS需小于0.91才是安全的。此外，冻结温度越低，速度越快，越频繁，那么材料产生的冻害就越严重。
所以，对于受大气和水作用的材料，抗冻性往往决定了它的耐久性，抗冻等级越高，材料越耐久。对抗冻等级的选择应根据工程种类、结构部位、使用条件、气候条件等因素来决定。
1.1.3 与热有关的性质
1. 导热性
材料传导热量的能力称为导热性，其大小用热导率表示。在物理意义上，热导率为单位厚度的材料，当两侧面温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。均质材料的热导率可用下式表示(见图1-6)：
(1-15)
式中：--热导率，W/(m·K)；
Q--传导的热量，J；
d--材料厚度，m；
A--热传导面积，m2；
t--热传导时间，h；
--材料两侧温度差，K。
图1-6 材料传热示意图
显然，热导率越小，材料的隔热性能越好。各种建筑材料的热导率差别很大，大致在0.035 W/(m·K)(泡沫塑料)至3.500 W/(m·K)(大理石)之间。通常将≤0.15 W/(m·K)的材料称为绝热材料。
材料的热导率决定于材料的化学组成、结构、构造、孔隙率与孔隙特征、含水状况及导热时的温度。一般来讲，金属材料、无机材料、晶体材料的热导率分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。宏观组织结构呈层状或纤维构造的材料，其热导率因热流与纤维方向不同而异，顺纤维或层内材料的热导率明显高于与纤维垂直或层间方向的热导率。由于≤0.025 W/(m·K)，远远小于固体物质的热导率，因此材料的表观密度越小，则孔隙越多，材料的热导率越小。当孔隙率相同时，由微小而封闭孔隙组成的材料比由粗大而连通的孔隙组成的材料具有更低的热导率，原因是前者避免了材料孔隙内的热的对流传导。此外，由于=0.58 W/(m·K)、=2.20 W/(m·K)，因此当材料受潮或受冻时会使材料热导率急剧增大，导致材料的保温隔热效果变差。而且对于大多数建筑材料(除金属外)，热导率会随导热时温度的升高而增大。
2. 热容量
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。热容量的大小用比热容表示。比热容为单位质量(1 g)材料温度升高或降低(1 K)所吸收或放出的热量。比热容的计算式如下：
(1-16)
式中：c--材料的比热容，J/(g·K)；
Q--材料吸收或放出的热量，J；
m--材料的质量，g；
--材料受热或冷却前后的温差，K。
材料的热导率和比热容是设计建筑物维护结构、进行热工计算时的重要参数，选用热导率小、比热容大的材料可以节约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。常见建筑材料的热导率和比热容如表1-2所示。
表1-2 常用建筑材料的热导率和比热容指标
材料名称
热导率/
(W/(m?K))
比热容/
(J/(g?K))
材料名称
热导率/
(W/(m?K))
比热容/
(J/(g?K))
建筑钢材
58
0.48
黏土空心砖
0.64
0.92
花岗岩
3.49
0.92
松木
0.17～0.35
2.51
普通混凝土
1.28
0.88
泡沫塑料
0.03
1.30
水泥砂浆
0.93
0.84
冰
2.20
2.05
白灰砂浆
0.81
0.84
水
0.60
4.19
普通黏土砖
0.81
0.84
静止空气
0.025
1.00
1.2 材料的力学性质
1.2.1 材料的强度
材料的强度是指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)作用而引起，随着外力的增加，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，依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，材料强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯(抗折)强度等，如图1-7所示。
图1-7 材料承受各种外力的示意图
材料的抗压、抗拉、抗剪强度的计算公式如下：
(1-17)
式中：f--材料抗拉、抗压、抗剪强度，MPa；
--材料破坏时的荷载，N；
A--试件受力面积，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：
(1-18)
式中：--材料的抗弯强度，MPa；
--材料受弯破坏时的荷载，N；
--两支点的间距，mm；
、--试件横截面的宽度及高度，mm。
材料强度的大小理论上取决于材料内部质点间结合力的强弱，实际上与材料中存在的结构缺陷有直接关系。对于组成相同的材料，其强度取决于其孔隙率的大小，如图1-8所示。不仅如此，材料的强度还与测试强度时的测试条件和方法等外部因素有关。为使测试结果准确，可靠且具有可比性，对于强度为主要性质的材料，必须严格按照标准试验方法进行静力强度的测试。
图1-8 混凝土强度与孔隙率的关系
此外，为了便于不同材料的强度比较，常采用比强度这一指标。所谓比强度是指按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料的强度与其体积密度之比，即。因此，比强度是衡量材料轻质高强的一个主要指标。表1-3是几种常见建筑材料的比强度对比表。
表1-3 钢材、木材、混凝土和红砖的强度比较
材 料
体积密度ρ0/(kg/m3)
抗压强度fc/MPa
比强度fc/ρ0
低碳钢
7860
415
0.53
松木
500
34.3(顺纹)
0.69
普通混凝土
2400
29.4
0.012
红砖
1700
10
0.006
1.2.2 材料的弹性和塑性
材料在极限应力作用下会被破坏而失去使用功能，在非极限应力作用下则会发生某种变形。弹性变形与塑性变形反映了材料在非极限应力作用下两种不同特征的变形。
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)。明显具有弹性变形的材料称为弹性材料。这种变形是可逆的，其数值的大小与外力成正比。其比例系数称为弹性模量。在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应变的比值，即
(1-19)
式中：--材料的应力，MPa；
--材料的应变；
--材料的弹性模量，MPa。
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，越大，材料越不易变形。
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)。明显具有塑性变形的材料称为塑性材料。
实际上，纯弹性与纯塑性的材料都是不存在的。不同的材料在力的作用下表现出不同的变形特征。例如，低碳钢在受力不大时仅产生弹性变形，此时，应力与应变的比值为一常数。随着外力增大直至超过弹性极限时，则不但出现弹性变形，而且出现塑性变形。对于沥青混凝土，在它受力开始，弹性变形和塑性变形便同时发生，除去外力后，弹性变形可以恢复，而塑性变形不能恢复。沥青混凝土应力应变如图1-9所示，具有弹塑性变形特征的材料称为弹塑性材料。
图1-9 弹塑性材料变形曲线
1.2.3 材料的脆性和韧性
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。
材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较大能量而不破坏的性能，称为韧性或冲击韧性。韧性以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。如木材、建筑钢材等属于韧性材料。韧性材料的特点是塑性变形大，受力时产生的抗拉强度接近或高于抗压强度。
图1-9(c)中ab段为可恢复的弹性变形；bO段为不可恢复的塑性变形。
1.2.4 材料的硬度和耐磨性
材料的硬度是指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他硬物刻划、压入其表面的能力。不同材料测定硬度的方法不同。刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。回弹法用于测定混凝土表面的硬度，并间接推算混凝土的强度，也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。一般，硬度大的材料耐磨性较强，但不易加工。
耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：
(1-20)
式中：G--材料的磨耗率，g/cm2；
--材料磨损前的质量，g；
--材料磨损后的质量，g；
--材料试件的受磨面积，cm2。
土木建筑工程中，用于道路、地面、踏步等部位的材料，均应考虑其硬度和耐磨性。一般来说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。
1.3 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。耐久性是衡量材料在长期使用条件下的安全性能的一项综合指标，包括抗冻性、抗渗性、抗化学侵蚀性、抗碳化性能、大气稳定性、耐磨性等多种性质。
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、环境水以及使用过程中酸、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，交变荷载引起的材料疲劳、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，同时也可能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发黏、变脆或开裂。
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。由于耐久性是一项长期性质，所以对材料耐久性可靠的判断是在使用条件下进行长期的观察和测定，这样做需要很长时间。通常是根据使用要求，在实验室进行快速试验，并对此耐久性作出判断。实验室快速试验包括：干湿循环、冻融循环、加湿与紫外线干燥循环、碳化、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。
1.4 材料基本性能的发展动态
高层建筑的迅速发展，带来了建筑材料的供需矛盾，使减轻建筑自重和抗震设计等问题更为突出。目前，我国的高层建筑自重偏大，材料用量多，给设计、施工、运输和造价带来不少问题。
1. 发展高层建筑轻质高强材料的意义
(1) 采用轻质高强建材，能节约大量的砖、灰、砂、石等材料，并能减少水泥、钢材的用量。
(2) 能够减少结构截面和减薄墙身，并可使房屋的有效使用面积提高5%～10%，还能提高隔热隔音效果。
(3) 可使基础设计更趋经济、合理。高层建筑基础费用所占比重较大，尤其深层软地基地区，其基础的费用可以超过总费用的20%，减轻自重就可以大大降低基础造价。
(4) 有利于抗震。
(5) 有利于向大型构件组合化过渡，以提高施工效率。
2. 轻质高墙材料的种类
1) 高强钢材
用它可做成功效较高的结构，尤其对高层建筑中跨度大、负荷重的部位极为有利，使其充分发挥材料作用；在受弯构件中，高强钢筋配合相应的高强混凝土可大大减小构件截面。
2) 高强混凝土
据资料介绍，柱子强度等级从C40提高到C80，承载能力可提高一倍，自重减轻25%，而造价只增加5%左右。
3) 钢管混凝土
它是介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种新颖的组合结构。构件在受荷情况下，钢管和混凝土之间相互抑制、共同工作，钢管对混凝土产生紧箍作用，使其受到约束而处于三向应力状态。由于三向受压，使能承受的应力远高于棱柱体强度，这样就可使构件截面大为减小，构件自重减轻。
4) 轻骨料混凝土
减轻混凝土重量是混凝土科学技术发展的重要目标，国外普遍认为高层建筑采用轻骨料混凝土是经济的，可使钢筋混凝土结构的重量减轻25%。
5) 加气混凝土
英国、瑞典、波兰、日本及俄罗斯等国都大量采用加气混凝土。采用加气混凝土比采用轻骨料混凝土更为经济和有效，与轻骨料混凝土墙板相比可降低自重30%～55%。
6) 石膏板
在国外，日本大量生产泡沫石膏板，美国广泛采用石膏复合板(泡沫塑料等为芯板的复合板)作为内墙材料。其他国家采用石膏板作为内墙隔墙或加工成复合板、天花板、吸音饰面板、地板和框架式复合板，它们具有防火、隔热和保温的性能，有利于抗震、增加房屋的有效使用面积，尤其对于减轻自重为突出。
总之，发展应用轻质高强材料，既是技术问题，也具有现实的经济意义，以期达到减轻自重、发展高层建筑的社会经济效果。
复习思考题
1．何谓材料的密度、表观密度、体积密度和堆积密度？如何计算？
2．材料的孔隙率和孔隙特征对材料的体积密度、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度及保温隔热性能有何影响？
3．某工程共需普通黏土砖50 000块，用载重量5 t的汽车分两批运完，每批需汽车多少辆？每辆车应装多少块砖？(砖的体积密度为1800 kg/m3，每立方米按684块计。)
4．已知普通砖的密度为2.5 g/cm3，体积密度为1800 kg/m3，试计算该砖的孔隙率和密实度？
5．某一块状材料的烘干质量为100 g，自然状态下的体积为40 cm3，密实状态下的体积为30 cm3，试计算其密度、体积密度、密实度和孔隙率。
6．建筑材料的亲水性和憎水性在建筑工程中有什么实际意义？
7．何谓材料的吸水性、吸湿性、耐水性、抗渗性和抗冻性？各用什么指标表示？
8．材料的质量吸水率和体积吸水率有何不同？两者存在什么关系？什么情况下用体积吸水率表示材料的吸水性？
9．收到含水率5%的砂子500 t，实为干砂多少吨？若需要干砂500 t，应进含水率5%的砂子多少吨？
10．软化系数是反映材料什么性质的指标？它的大小与该项指标的关系是什么？
11．何谓材料的热导率？为什么表观密度小的材料热导率也小？
12．脆性材料和韧性材料有何区别？使用时应注意哪些问题？
![正版新书]建筑材料(第3版)卢经扬,余素萍9787302438816](http://imgservice.suning.cn/uimg1/b2c/image/COekN2XduU9s8aXiqGRCdw.png_400w_400h_4e)
![正版新书]建筑材料(第3版)卢经扬,余素萍9787302438816](http://imgservice.suning.cn/uimg1/b2c/image/COekN2XduU9s8aXiqGRCdw.png_60w_60h_4e)
