第一章 建筑材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质教学要求：了解材料的组成与结构以及它们与材料性质的关系；要求掌握材料与质量有关的性质、与水有关的性质及与热有关的性质的概念及表示方法，并能较熟练地运用；要求了解材料的力学性质及耐久性的基本概念。建筑物是由各种建筑材料建筑而成的，这些材料在建筑物的各个部位要承受各种各样的作用，因此要求建筑材料必须具备相应性质。如结构材料必须具备良好的力学性质；墙体材料应具备良好的保温隔热性能、隔声吸声性能；屋面材料应具备良好的抗渗防水性能；地面材料应具备良好的耐磨损性能等等。一种建筑材料要具备哪些性质，这要根据材料在建筑物中的功用和所处环境来决定。一般而言，建筑材料的基本性质包括物理性质、化学性质、力学性质和耐久性。第一节材料的物理性质一、材料的基本物理性质（一）实际密度材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度。用公式表示如下：ρ=m/v式中ρ——材料的密度，g/cm3；m——材料在干燥状态下的质量，g；V——干燥材料在绝对密实状态下的体积，cm3。材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的固体物质部分的体积，也称实体积。在自然界中，绝大多数固体材料内部都存在孔隙，因此固体材料的总体积（V0）应由固体物质部分体积（V）和孔隙体积（VP）两部分组成，而材料内部的孔隙又根据是否与外界相连通被分为开口孔隙（浸渍时能被液体填充，其体积用Vk表示）和封闭孔隙（与外界不相连通，其体积用Vb表示）。测定固体材料的密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.2mm），经干燥后采用排开液体法测得固体物质部分体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确。工程所使用的材料绝大部分是固体材料，但需要测定其密度的并不多。大多数材料，如拌制混凝土的砂、石等，一般直接采用排开液体的方法测定其体积——固体物质体积与封闭孔隙体积之和，此时测定的密度为材料的近似密度（又称为颗粒的表观密度）。（二）体积密度整体多孔材料在自然状态下，单位体积的质量称为体积密度。用公式表示如下：ρo=m/Vo式中ρo——材料的体积密度，kg/m3；m——材料的质量，kg；Vo——材料在自然状态下的体积，m3。整体多孔材料在自然状态下的体积是指材料的固体物质部分体积与材料内部所含全部孔隙体积之和，即V0=V+Vp。对于外形规则的材料，其体积密度的测定只需测定其外形尺寸；对于外形不规则的材料，要采用排开液体法测定，但在测定前，材料表面应用薄蜡密封，以防液体进入材料内部孔隙而影响测定值。一定质量的材料，孔隙越多，则体积密度值越小；材料体积密度大小还与材料含水多少有关，含水越多，其值越大。通常所指的体积密度，是指干燥状态下的体积密度。（三）堆积密度散粒状（粉状、粒状、纤维状）材料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。用公式表示如下：ρ0′=m/V0′式中ρ0′——材料的堆积密度，kg/m3；m——散粒材料的质量，kg；V0′——散粒材料在自然堆积状态下的体积，又称堆积体积，m3。在建筑工程中，计算材料的用量、构件的自重、配料计算、确定材料堆放空间，以及材料运输车辆时，需要用到材料的密度。二、材料的密实度与孔隙率（一）密实度密实度是指材料内部固体物质填充的程度。用公式表示如下：D=V/V0（二）孔隙率孔隙率是指材料内部孔隙体积占自然状态下总体积的百分率。用公式表示如下：P=(V0-V)/V0孔隙率一般是通过试验确定的材料密度和体积密度求得。材料的孔隙率与密实度的关系为：P＋D=1材料的孔隙率与密实度是相互关联的性质，材料孔隙率的大小可直接反映材料的密实程度，孔隙率越大，则密实度越小。孔隙按构造可分为开口孔隙和封闭孔隙两种；按尺寸的大小又可分为微孔、细孔和大孔三种。材料孔隙率大小、孔隙特征对材料的许多性质会产生一定影响，如材料的孔隙率较大，且连通孔较少，则材料的吸水性较小，强度较高，抗冻性和抗渗性较好，导热性较差，保温隔热性较好。三、材料的填充率与空隙率（一）填充率′填充率是指装在某一容器的散粒材料，其颗粒填充该容器的程度。用公式表示如下：D′=V0/V0/（二）空隙率空隙率是指散粒材料（如砂、石等）颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率。用公式表示如下：P′=(1-V0/V0/)×%=（1-ρ0′/ρo)×%式中ρo——颗粒状材料的表观密度，kg/m3；ρ0′——颗粒状材料的堆积密度，kg/m3。散粒材料的空隙率与填充率的关系为：P′＋D′=1。空隙率与填充率也是相互关联的两个性质，空隙率的大小可直接反映散粒材料的颗粒之间相互填充的程度。散粒状材料，空隙率越大，则填充率越小。在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制集料级配与计算混凝土砂率的重要依据。四、材料与水有关的性质（一）亲水性与憎水性材料与水接触时，根据材料是否能被水润湿，可将其分为亲水性和憎水性两类。亲水性是指材料表面能被水润湿的性质；憎水性是指材料表面不能被水润湿的性质。当材料与水在空气中接触时，将出现图1.3所示的两种情况。在材料、水、空气三相交点处，沿水滴的表面作切线，切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角（用θ表示）。当θ越小，表明材料越易被水润湿。一般认为，当θ≤90°时，，材料表面吸附水分，能被水润湿，材料表现出亲水性；当θ＞90°时，则材料表面不易吸附水分，不能被水润湿，材料表现出憎水性。亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。建筑材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料为憎水性材料，如沥青、石蜡、某些塑料等。建筑工程中憎水性材料常被用作防水材料，或作为亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。（二）吸水性与吸湿性1.吸水性材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法：质量吸水率和体积吸水率。（1）质量吸水率材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干质量的百分率。用公式表示如下：Wm=(m湿-m干)/m干式中Wm——材料的质量吸水率，%；m湿——材料在饱和水状态下的质量，g；m干——材料在干燥状态下的质量，g。（2）体积吸水率材料在吸水饱和时，所吸收水分的体积占干燥材料总体积的百分率。用公式表示如下：WV==(m湿-m干)/Vo×1/ρ水式中WV——材料的体积吸水率，%；Vo——干燥材料的总体积，cm3；ρ水——水的密度，g/cm3。常用的建筑材料，其吸水率一般采用质量吸水率表示。对于某些轻质材料，如加气混凝土、木材等，由于其质量吸水率往往超过100%，一般采用体积吸水率表示。材料吸水率的大小，不仅与材料的亲水性或憎水性有关，而且与材料的孔隙率和孔隙特征有关。材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的。一般而言，孔隙率越大，开口孔隙越多，则材料的吸水率越大；但如果开口孔隙粗大，则不易存留水分，即使孔隙率较大，材料的吸水率也较小；另外，封闭孔隙水分不能进入，吸水率也较小。2.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示，用公式表示如下：W含=(m含-m干)/m干式中W含——材料的含水率，%；m含——材料在吸湿状态下的质量，g；m干——材料在干燥状态下的质量，g。材料的含水率随空气的温度、湿度变化而改变。材料既能在空气中吸收水分，又能向外界释放水分，当材料中的水分与空气的湿度达到平衡，此时的含水率就称为平衡含水率。一般情况下，材料的含水率多指平衡含水率。当材料内部孔隙吸水达到饱和时，此时材料的含水率等于吸水率。材料吸水后，会导致自重增加、保温隔热性能降低、强度和耐久性产生不同程度的下降。材料含水率的变化会引起体积的变化，影响使用。（三）耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料耐水性用软化系数表示，用公式表示如下：K软=?饱/?干式中K软——材料的软化系数；?饱——材料在饱和水状态下的抗压强度，MPa；?干——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。软化系数的大小反映材料在浸水饱和后强度降低的程度。材料被水浸湿后，强度一般会有所下降，因此软化系数在0～1之间。软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。工程中将K软＞0.85的材料称为耐水性材料。对于经常位于水中或潮湿环境中的重要结构的材料，必须选用K软＞0.85耐水性材料；对于用于受潮较轻或次要结构的材料，其软化系数不宜小于0.75。（四）抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常采用渗透系数表示。渗透系数是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，单位时间内透过单位面积的水量，用公式表示如下：K=Qd/hAt式中K——材料的渗透系数，cm/h；W——透过材料试件的水量，cm3；d——材料试件的厚度，cm；A——透水面积，cm2；t——透水时间，h；h——静水压力水头，cm。渗透系数反映了材料抵抗压力水渗透的能力，渗透系数越大，则材料的抗渗性越差。对于混凝土和砂浆，其抗渗性常采用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，采用标准的试验方法测定试件所能承受的最大水压力来确定，以“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力（MPa）的10倍值。材料抗渗性的大小，与其孔隙率和孔隙特征有关。材料中存在连通的孔隙，且孔隙率较大，水分容易渗入，故这种材料的抗渗性较差。孔隙率小的材料具有较好的抗渗性。封闭孔隙水分不能渗入，因此对于孔隙率虽然较大，但以封闭孔隙为主的材料，其抗渗性也较好。对于地下建筑、压力管道、水工构筑物等工程部位，因经常受到压力水的作用，要选择具有良好抗渗性的材料；作为防水材料，则要求其具有更高的抗渗性。（五）抗冻性材料在饱和水状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，且强度也不显著降低的性质，称为抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，采用标准试验方法，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损害和剥落时所能经受的最大冻融循环次数来确定，以“Fn”表示，其中n为最大冻融循环次数。材料经受冻融循环作用而破坏,主要是因为材料内部孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积要增大，若材料内部孔隙充满了水，则结冰产生的膨胀会对孔隙壁产生很大的应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂；随着冻融循环次数的增加，材料逐渐被破坏。材料抗冻性的好坏，取决于材料的孔隙率、孔隙的特征、吸水饱和程度和自身的抗拉强度。材料的变形能力大，强度高，软化系数大，则抗冻性较高。一般认为，软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。在寒冷地区及寒冷环境中的建筑物或构筑物，必须要考虑所选择材料的抗冻性。五、材料与热有关的性质为保证建筑物具有良好的室内小气候，降低建筑物的使用能耗，因此要求材料具有良好的热工性质。通常考虑的热工性质有导热性、热容量。（一）导热性当材料两侧存在温差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传导热量的能力称为导热性。材料导热性的大小用导热系数表示。导热系数是指厚度为1m的材料，当两侧温差为1K时，在1s时间内通过1m2面积的热量。用公式表示如下：λ=Qd/(T2－T1)At式中λ——材料的导热系数，W/（m·K）；Q——传递的热量，J；α——材料的厚度，m；A——材料的传热面积，m2；t——传热时间，s；T2－T1——材料两侧的温差，K。材料的导热性与孔隙率大小、孔隙特征等因素有关。孔隙率较大的材料，内部空气较多，由于密闭空气的导热系数很小〔λ=0.023W/（m·K）〕，其导热性较差。但如果孔隙粗大，空气会形成对流，材料的导热性反而会增大。材料受潮以后，水分进入孔隙，水的导热系数比空气的导热系数高很多〔λ=0.58W/（m·K）〕，从而使材料的导热性大大增加；材料若受冻，水结成冰，冰的导热系数是水导热系数的4倍，为λ=2.3W/（m·K），材料的导热性将进一步增加。建筑物要求具有良好的保温隔热性能。保温隔热性和导热性都是指材料传递热量的能力，在工程中常把1/λ称为材料的热阻，用R表示。材料的导热系数越小，其热阻越大，则材料的导热性能越差，其保温隔热性能越好。（二）热容量材料容纳热量的能力称