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1、第二章 建筑材料的基本性质学习目标掌握建筑材料的物理性质、力学性质及耐久性等的相关概念、表示方法及影响因素。理解材料的孔隙特征与材料性质间相互影响的关系，能学用结合，合理选材。基础知识2.1材料的物理性质建筑材料的基本性质包括物理性质、力学性质、耐久性、装饰性、防火性、防射线性等，本节仅着重讨论建筑材料的物理性质和力学性质。2.1.1材料与质量有关的性质根据体积的表现形式不一样，有密度、表观密度和堆积密度三种概念。 1密度：是指材料的在绝对密实状态下，单位体积的干质量。计算公式： （2-1）多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积，密度测定时，体积测定可分成以下几种情况：（1）完全密实材料：
2、如玻璃、钢、铁、单矿物等。对于外形规则的材料可测量几何尺寸来计算其绝对密实体积；对于外形不规则的材料可用排水(液)法测定其绝对密实体积。（2）多孔材料：如砖、岩石等。磨细烘干用李氏瓶测定绝对密实体积。（3）粉状材料：如水泥、石膏粉等。用李氏瓶测定绝对密实体积(瓶中装入的液体根据被测材料的性质而定，如测定水泥时采用煤油)。（4）工程上近似看成绝对密实的材料：如砂、石子等。可用排水法测定。密度的测定办法：1）测质量：烘干（烘箱）-干燥（干燥器）-称量（天平）；2）测体积：（a）外观规则的材料，直接用游标卡尺测量尺寸求体积，如钢材、玻璃等（b）外观不规则的坚硬颗粒，如砂、石等，可由排水法测得； （c
3、）可研磨的非密实材料，如砌块、石膏等，V可采用密度瓶测定。2表观密度：是指材料的在自然状态下，单位体积的干质量。计算公式： （2-2）注意： V0=V+VK （2-3）表观密度的测定：（1）外形规则的材料，如砖，可直接测量体积得到；（2）外形不规则的，可采用封腊排水法测定体积；思考1：对同种物质，试比较密度和表观密度的大小？思考2：如何测量木材的表观密度？3堆积密度：是指粉末状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。计算公式： （2-4）注意： V0=V0 + VJ=V + VK + VJ （2-5）一般采用容积筒测定容量升的大小视颗粒的大小而定，一般砂子采用1L的容量升，石子采用10
4、L，20L，30L的容量升。常用材料的密度、表观密度和堆积密度值参见教材（表2-1）思考3：如何测定砂和石子的堆积密度？4 材料的密实度和孔隙率、填充率和空隙率（1）材料的密实度D与孔隙率P：材料的密实度：是指材料的体积内，被固体物质充满的程度，用D表示， （2-6）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。材料的孔隙可分为闭口孔和开口孔。（2-7）密实度和孔隙率的关系：D+P=1 （2-8）（2）开口孔隙率与闭口孔隙率开口孔隙率PK：是指材料中能被水所饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率： (2-9)式中 m1干燥状态下材料的质量，g; m2水饱
5、和状态下材料的质量，g; w水的密度，常温下可取w=1 g/cm3 故常略去。材料开口孔隙与周围介质相通，孔隙之间也相通，一般的浸水条件（如在水槽中浸泡）下即被水充满。开口孔隙率增加，材料吸水量增大，影响材料其他性质。闭口孔隙率PB：为总孔隙率P与开口孔隙率PK之差，即PB= PPK （2-10）密实度和孔隙率反映了材料的致密程度。例:孔隙率小,则其强度越高；吸水越少；抗渗性和抗冻性越好。但是导热性越大；思考4：空隙率与孔隙率有什么区别？分析：孔隙率的大小反映了材料的致密程度；空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的致密程度；*（3）材料的填充率D空隙率P填充率D：它是指散粒状材料堆积体
6、积中，颗粒体积所占的百分率。 （2-11）空隙率P：它是指散粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率。 （2-12）2.1.2 材料与水有关的性质1材料的亲水性和憎水性：材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质；其原因（见教材及图2-3）常见的憎水性材料有：沥青、石蜡和塑料等，常用做防水、防潮材料。思考5：1）材料亲水和憎水的原因是什么？2） 防水防潮材料应优先选用哪种材料？分析：1）材料亲水的原因是材料分子与水分子间的吸引力大于水分子之间的内聚力，因此能被子水湿润；反之亦然。2）应优先选用憎水材料，如沥青，石蜡、塑料等；2材料的含水状态亲水材料的含水状
7、态可分为四种基本状态，如图2-4所示。（a）干燥状态材料的孔隙中不含水或含水极微；（b）气干状态材料的孔隙中所含水与大气湿度相平衡；（c）饱和面干状态材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和；（d）湿润状态材料不仅孔隙中含水饱和，而且表面上为水湿润附有一层水膜。3材料的吸水性与吸湿性：（1）吸水性：材料在水中吸收水分的性质，称为吸水性，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法：1）质量吸水率： （2-13）2）体积吸水率： （2-14）材料的吸水率一般用重量吸水率表示。体积吸水率与重量吸水率之间存在以下关系： (2-15)注：上式中的单位为 g/cm3，不是 kg/m3。3）材料吸水率大小与孔隙率和孔
8、隙特征的关系如前所述，材料孔隙特征指孔尺寸大小，孔是开口的还是闭口的。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。因此不能简单地说，材料孔隙率越大，吸水率也越大，而应结合材料的孔隙特征来讨论。严格地讲，体积吸水率仅反映材料细小开口孔隙率的大小。（2）吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性；用含水率表示： （2-16）思考6：材料的吸水率和含水率有什么区别？含水率指材料所含水分，与环境关系密切，随温度变化而变化。吸水率指材料在水中吸收水分达吸水饱和状态时所吸收的水分的质量（体积）占干燥材料质量
9、（体积）的百分数。吸水率与外界环境无关，对同一材料而言吸水充为定值。其大小取决于材料的孔隙与孔隙特征。细微而连通孔隙且孔隙率大的材料吸水率较大，粗大孔隙的材料，其吸水率不高。4材料的耐水性：材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质。 （2-17）一般用软化系数KR表示，KR0.85的为耐水材料思考7：应如何选用受潮或被水浸泡部位的结构材料？工程实例1-1：某倒塌房屋用的红砖的经检测其抗压强度为14MPa,浸水饱和后的抗压强度为11MPa,说明其房屋倒塌的原因。解：房屋倒塌的红砖的抗压强度为14MPa,浸水饱和后的抗压强度为11MPa,其软化系数为：原因分析：房屋倒塌所用红砖
10、的软化系数小于0.85,是不能作为潮湿环境或被水浸泡的结构材料。由于红砖内开口孔隙率大，吸水率高，吸水后红砖强度降低，特别浸水后，强度下降幅度更大，不能承受房屋的重量，导致房屋的倒塌。5材料的抗渗性，指抵抗压力水渗透的性质。用抗渗等级P表示，如P6表示材料的最大渗水压力为0.6MPa;材料渗水的原因是，材料内部存在连通孔隙，这些孔隙成为渗水的通道。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征的关系：细微连通的孔隙，水易渗入，这种材料孔隙越大，抗渗性越差；闭口孔水不能渗入，即使孔隙率大，但抗渗性仍良好；开口大孔水最易渗入，抗渗性最差。思考8：孔隙率越大其抗渗性越差吗？【工程实例1-1】改善孔的结构提高材料的
11、抗渗性 【现象】提高混凝土的抗渗性能的措施之一是在混凝土搅拌过程中掺入引气剂。 【原因分析】通常我们认为材料的孔隙率越大，材料的抗渗性越差。事实上增大孔隙率，改变孔的构造，可提高混凝土的抗渗性。在混凝土搅拌过程中掺入引气剂，可在混凝土中形成大量均匀分布且稳定而封闭的气泡。由于是封闭气泡，气泡可堵塞或隔断混凝土中的毛细管渗水，反而提高了材料的抗渗性。6材料的抗冻性，指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏,强度也不显著下降的性质。一般用抗冻等级F表示，如F10，表示在标准试验条件下，材料强度下降不大于25，质量损失不大于5，所能经受的冻融循环次数最多为10次。思考9：孔隙率越大，其抗冻性是否
12、越差？解：材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。材料的开口孔隙多，抗冻性差；材料的闭口孔隙多进入材料的水分不会很多，其抗冻性不会差。另材料强度越高，抗冻性越好；*213材料与热量有关的性质1导热性： 导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。思考10：影响材料导热系数的主要因素有哪些？答：（1）材料的化学组成和物理结构：如金属比非金属导热系数大（2）孔隙状况：孔隙率越大，导热系数越小；（3）含水率：受潮后导热系数较大；（4）环境的温度：温度越高，导热系数越大。思考11：空气、水和冰的导热性能哪个最大？为什么保温隔热材料要注意防潮？答：因为空气、水和冰的
13、导热系数依次增加，故保温材料在受潮、受冻后，导热系数可增大100倍左右。2材料的热容量：指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。（见课本公式）3材料的温度变形性是指材料在温度升高或降低时材料体积变化的特性。多数材料在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的表征参数为线膨胀系数。在温度变化时材料的线膨胀量或线收缩量可用公式计算： (2-22)式中：线膨胀系数，mm 或1/K；L材料的原始长度，mm 或cm。L线变形量，mm 或cm ；T2T1 温度变化时的温度差，K；材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，在工程中常选择适当的材料来满足工程对温度
14、变形的要求。2.2材料的力学性质与耐久性2.2.1材料的强度和强度等级1，材料的强度：材料的强度是指材料在外力作用下，破坏时能承受的最大应力。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，如图2-5所示。材料的抗压、抗拉和抗剪强度的计算公式为 (2-23)材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加情况有关。材料试件一般为矩形截面，施荷方式是在两支点间的中间作用一集中荷载，此时，抗弯强度计算式为： (2-24)材料的强度与材料的组成、结构等内在因素有关，如不同品种的材料，强度差异明显；同种材料，其强度随孔隙率增加而降低。尤其要注意外界条件的影响：（1）试件的尺寸大小与表面平整度：通常条件下，试件尺寸越大，“环箍效应”作用相对较小，测得的强度值越小；反之亦然；当试件表面凹凸不平时，产生了应力集中，测得的强度值会显著降低；试件表面涂油，“环箍效应”作用相对较小，测得的强度值偏小。（2）加荷速度：加荷速度越快，测得的强度值越大；反之亦然。（3）
