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第2章　建筑材料的基本性质
2.1　材料的物理性质
2.2　材料的力学性质
2.3　材料的耐久性
2.1　材料的物理性质?
2.1.1　材料的密度?
　　1.密度?
　　密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量，其计算公式为
(2－1)
式中:r——材料的密度（g/cm3或kg/m3)；?
　　m——材料的质量（g或kg）；?
　　V——材料在绝对密实状态下的体积（cm3或m3）。
　　材料的绝对密实度体积是指不包括内部孔隙的材料体积。除了钢材、玻璃等材料外，材料的密实度体积一般难以直接测定，在测定材料的密度时，可把材料磨成细粉，干燥后用比值瓶测定其密实体积，显然材料磨的越细，体积越接近密实状态下的体积，测得的密度越准确。一般砖、石材等材料的密度采用此方法测得。?
　　对于砂石其空隙率很小，可用排水法测定其密度，这种方法测得的密度称为视密度。
　　2.表观密度（体积密度）?
　　材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度（体积密度），其计算公式为
(2－2)
式中：r0——材料的表观密度（g/cm3或kg/m3)；?
m——材料在自然状态下的质量（g或kg）；?
V0——材料在自然状态下的体积（cm3或m3）。
　　材料在自然状态下的体积包含了其内部孔隙的体积，当材料含有水分时体积发生了变化，含水率不同，测得的表观密度不同，所以测定表观密度时须注明其含水情况。材料的含水状态有气干、烘干、饱和面干和湿润状态。表观密度为气干状态下的密度，烘干状态下的为干表观密度。
　　3.堆积密度?
　　材料在堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度，其计算公式为
(2－3)
式中：r0′——堆积密度（kg/cm3）；?
　　　m——材料的质量（kg）；?
　　　V0′——材料堆积体积（m3）。?
　　堆积体积是指散粒状材料在堆积状态下的外观体积，该体积包括颗粒间的空隙和颗粒内部的孔隙。?
　　显然同一材料堆积状态不同，其体积的大小不尽相同，自然堆积的体积大，密实堆积的体积小，堆积体积可用材料填充容器的容积大小来确定。
2.1.2　材料的密实度、孔隙率、填充率与空隙率?
　　1.密实度?
　　材料单位体积内被固体物质所充实的程度，称为材料的密实度，密实度计算公式为
(2－4)
　　式中:D——材料密实度（<1）；?
　　V——材料中固体物质的体积(cm3或m3)；?
　　V0?——材料体积（cm3或m3）；?
　　r——材料密度（g/cm3或kg/cm3）；?
　　r0——材料表观密度（g/cm3或kg/cm3）。?
材料的强度、吸水性、耐水性、导热性等诸多性质都与其密实度有关。 　
　　2.孔隙率?
　　材料中孔隙体积所占整个材料体积的比例，称为材料的孔隙率。孔隙率的计算公式为
(2－5)
即：孔隙率=1-密实度。?
　　孔隙率与密实度从不同方面反映了材料的性质，孔隙率同样对于材料的诸多性质有着直接影响，如表观密度、强度、耐腐蚀性、耐水性、导热性、抗冻性、抗渗性等。材料的这些性质还与孔隙的形状和大小有关，一般孔隙率较小、封闭微孔较多的材料强度较高，抗渗性、抗冻性较好，而吸水性、导热系数较小。
表2－1常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度及孔隙率
　　3.填充率?
　　颗粒状材料的堆积体积中，颗粒体积占总体积的比率称为填充率，其计算公式为
式中：V0′——排水法求得的材料体积（cm3）；?
D′——填充率，反映了堆积体积中颗粒所填充的程度。
(2-6)
　　4.空隙率?
　　颗粒状材料的堆积体积中，颗粒间的空隙体积占总体积的比率称为空隙率，其计算公式为
(2-7)
　　在填充和黏结颗粒状材料时，空隙率为确定胶结材料的需要量提供了依据。?
由式(2－7)有:P′+D′=1,即填充率与空隙率的和为1。
2.1.3　材料与水有关的性质?
　　1.亲水性与憎水性?
材料在空气中与水接触时，会出现两种不同的现象，即亲水性与憎水性。所谓的亲水性就是水在材料表面易于扩张，材料表面被润湿，表现出与水较强亲合力，这样的材料称为亲水性材料。如图2.1所示，对于亲水性材料，水滴表面的切线与水和固体接触面所形成润湿边角θ≤90°，θ愈小，浸润性愈好。θ>90°，材料表面不能被水润湿，表现为憎水性，这样的材料称为憎水性材料。常见的砖、混凝土、木材等建筑材料对水有较强的吸附作用，属于亲水性材料；沥青、塑料、油漆等对水有排斥作用，属于憎水性材料，工程上常将憎水性材料作为防水材料。?
图2.1　材料润湿边角
(a)亲水性材料；(b)?憎水性材料
　　2.吸水性与吸湿性?
（1）吸水性。材料吸收水分的性质称为吸水性，吸水性用吸水率来表示，吸水率用质量吸水率和体积吸水率来表示。?
质量吸水率指材料吸收水分的质量与干燥材料在自然状态下质量的比率，其计算公式为
(2-8)
式中：Ww——质量吸水率；?
m1——材料吸水饱和状态下的质量(g)；?
m——材料在绝对干燥状态下的质量(g)。
　　体积吸水率指材料吸收水分的体积与干燥材料在自然状态下体积的比率，其计算公式为
(2-9)
式中：Wv——体积吸水率；?
V0——吸收水分的体积(cm3)；?
V——干燥材料自然状态下的体积(cm3)。
两种吸水率之间的关系为
（2－10)
式中：ρ0——干燥表观密度。?
吸水率与材料的组成尤其是孔隙率和孔隙特征有关，若材料具有连通细微的孔隙，其吸水率较大，而粗大的孔隙水分不易留存、封闭孔隙水分不易渗入，其吸水率较低，如木材吸水率大于100%、黏土砖为8~20%、普通混凝土为2%~4%，花岗岩为0.5%~0.7%。
（2）吸湿性。材料在空气中也可吸收水分，这种性质称为材料的吸湿性。吸湿性用含水率来表示，即
(2－11)
式中：W——材料的含水率；?
mk——吸湿后的质量(g)；?
m——材料在绝对干燥下的质量(g)。
　　材料的含水率随着空气湿度和温度的大小而变，最终与空气湿度达到平衡，此时的含水率称之为平衡含水率。?
　　材料不同，其吸湿性不同。一般来说，开口孔隙率较大的亲水材料具有较强的吸湿性，如木材的吸湿性就特别明显，木材因吸收水分导致重量增加，强度降低、体积改变。
　　3.耐水性?
　　材料长期在饱和水的作用下不被破坏，且强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般材料吸水后，随着含水量的增加造成其内部结合力的削弱，强度的降低。如花岗岩长期浸水，其强度有所降低，而木材、黏土砖则更为明显。材料的耐水性用软化系数表示，即
(2－12)
式中：K——软化系数；?
f1——材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；?
f——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。
　　软化系数的取值范围为0~1之间，软化系数的大小表明了材料在浸水后强度降低的程度，软化系数愈小，说明材料强度降低愈多，其耐水性愈差。软化系数有时可成为选择材料的依据之一。对于严重水浸蚀或潮湿环境下的重要结构材料其软化系数应在0.85~1之间，对于受潮湿较轻或次要的建筑物所用材料其软化系数应在0.7~0.85之间。通常软化系数大于0.85的材料可认为是耐水材料。
　　4.抗渗性?
　　材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质称为抗渗性，抗渗性用渗透系数或抗渗等级来表示。?
　　单位时间内单位静水压力作用下通过单位截面积材料的水量称为抗渗系数，抗渗系数K表示为
(2－13)
式中：Q——透水量(cm3)；?
K——渗透系数?(cm/h)?；?
d——材料试件厚度（cm）；??
A——透水面积?(cm2?)；??
t——渗透时间（h）；??
H——静水压力水头(cm)。
砂浆、混凝土材料用抗渗等级来表示其抗渗性，抗渗等级为
S=10H-1
(2－14)
式中：S——抗渗等级（无量纲）；?
H——渗水压力(MPa) 。?
　　渗透系数愈小则抗渗等级愈高，材料的抗渗性愈好。用于水工、地下建筑物、屋面的防水材料都具有一定的抗渗性，以防止漏水、渗水现象发生。
　　5.抗冻性?
　　材料在吸水饱和状态下经多次冻融循环作用而不破坏、强度也不显著降低的性质称为抗冻性。
　　当材料内部孔隙充满水且水温降至负温时，水冻结体积膨胀（约9%）对孔壁产生很大压力，冰融化时压力又骤然消失，这样使材料冻融交界层间产生明显的压力差，材料经过多次这样循环后，其表面将出现裂纹、剥落等现象，造成强度降低、质量损失。
　　材料的抗冻性与材料的孔隙率、孔隙特征、充水程度和降温速度等因素有关，材料的密实程度愈高、强度愈高，其抗冻破坏的能力也愈强，抗冻性愈好；材料孔隙细微且连通，充水程度饱和、降温速度快，对其抗冻性不利。?
材料的抗冻性用抗冻标号Dn表示，Dn为材料所能经受的最大冻融循环次数，即材料达到规定破坏程度（强度降低、质量损失）所经历的冻融循环次数。?
　　冬季室外温度低于-10℃的地区，建筑材料须进行抗冻性检验。 　
2.1.4　材料与热有关的性质?
　　1.导热性?
　　材料传导热量的能力称为导热性，材料的导热能力用导热系数λ表示。
(2－15a)
式中：λ——材料导热系数［W/(m·K)］；?
Q——传导的热量（J）；?
d——材料厚度（m）；?
T2-T1——材料两侧温差(K)；?
A——材料传热面积（m2）；?
t——导热时间（s）。
由式（2－15a）有材料传导热量：
(2－15b)
材料导热系数除与式（2－15a）各量有关外，还与材料的组成、孔隙率、含水率等有关。一般来说，材料孔隙率小、含水率高，则导热系数大。?
材料导热系数的大小，决定了材料的保温性。导热系数大，导热性强，保温性差；反之导热系数小，绝热性能强，保温性好。工程上习惯把导热系数<0.2W/(m·K)?的材料称为保温隔热材料。在工程设计与施工中为使结构具有良好的保温性能，应使材料处于干燥状态，且选用导热系数小的材料。
　　2.热容量与比热?
材料温度每升高或降低1℃所吸收或放出的热量称为材料的热容量，热容量计算公式：
Q=cm(T2-T1)
(2－16)
式中：Q——材料的热容量（J）；?
c——材料的比热［J/(g·K)］；?
m——材料的质量（g）；?
T2-T1——温度差（K）。
由式（2－15）有比热计算公式：
(2－17)
即质量1g的材料，温度每改变1K时所吸收或放出的热量。?
比热与热容量成正比，比热、热容量也是反映材料热性能的重要指标。在结构物上选择不同比热、热容量的材料对稳定室内温度的变化有重要的影响。
　　3.耐火性与耐燃性?
　　材料在高温或火作用下保持其原有性能不明显下降的性质称为耐火性。材料的耐火性用耐火度表示，依据耐火度不同材料可分为：耐火材料（耐火度>1580℃）、难熔材料（耐火度1350℃~1580℃）和易熔材料（耐火度<1350℃）。??
　　材料在高温或火作用下可否燃烧的性质称为耐燃性。根据耐燃性的不同，材料可分为易燃材料（如纤维织物等）、可燃材料（如木材等）、难燃材料（如纸面石膏板、水泥刨花板等）、非燃材料（如砖、石、钢材等）。?
　　值得注意的是耐燃材料不一定耐火，但耐火材料一般耐燃，如钢材为非燃材料，但耐火性较差。?
　　工程上可根据建筑物或热工设备特点、重要性来选择不同的耐火、耐燃材料。
2.2　材料的力学性质
2.2.1　强度?
　　材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。在外力作用下，材料内部产生应力，外力增加应力也随之增加，当外力增加到某一极限值时，材料发生了破坏，此时的应力称为强度极限（材料的强度）。根据外力作用方式的不同，强度可分为拉（压）强度、弯曲强度、扭转强度、剪切强度。?
　　材料的各种强度可通过相应的试验测得，如通过拉压、剪切、弯曲试验可分别测得材料的拉压、剪切、弯曲强度。
轴向拉压、剪切荷载作用下的材料强度（应力）为
(2－18)
式中：σ——拉压、剪切应力（强度）（Mpa）；?
F——轴向拉（压）、剪切荷载（N）;?
A——材料的受力面积（mm2）。
　　两端铰支的矩形截面试件在跨中集中力作用下，材料的抗弯（折）强度为
(2－19)
式中：σm——材料的抗弯（折）强度（MPa）；??
P——集中荷载（N）;?
L——试件的长度（跨长）(mm)；?
b、h——试件截面的宽度（mm）、高度(mm)?。
　　材料的强度与其组成和构造有关，不同种类的材料其强度不同。相同种类的材料当其内部构造不同时，其强度有较大的差异，材料的致密度愈高，其强度愈高。如混凝土、砖、石、铸铁等脆性材料，它们的抗压强度较高、但抗拉强度较低，而钢材这样的塑性材料其抗拉、抗压强度均较高。脆性、塑性材料制作的构件分别用于承受压力和拉力。作为衡量材料力学性质的主要指标的抗拉（压）强度用强度等级（标号）来表示，所谓的强度等级（标号）就是对以强度值为主要指标的材料，按其强度值的高低划分成若干等级。脆性、塑性材料分别以抗压、抗拉强度来划分强度（标号）等级。如普通硅酸盐水泥有425、525、625等标号，混凝土有75、100、…、600等标号。
　　单位体积质量材料具有的强度称为比强度。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，比强度越大，材料的轻质高强性能越好。高层建筑、大跨度结构常采用比强度大的材料。轻质高强材料是建筑材料发展的方向。?
　　掌握材料的力学性质，合理地选用材料对于设计、施工都是非常重要的。
2.2.2　弹性和塑性?
　　在外力作用下材料要产生变形，当外力去除后变形若能够完全恢复，材料的这种性质称为弹性，恢复的变形称为弹性变形。变形若不能恢复，材料的这种性质称为塑性，不能恢复的变形称为塑性变形。在弹性范围内材料的变形符合胡克定理。?
　　事实上，完全弹性或完全塑性的材料是不存在的，有些材料在弹性极限范围内表现为弹性，在超过弹性极限后则表现为塑性，如建筑钢材就属于这种类型。有的材料受力后，同时产生弹性变形与塑性变形，当外力去除后，弹性变形得到恢复而保留了塑性变形。在图2.2中，加载产生的总变形为oa，卸载后变形ab得到了恢复，而变形bo不能恢复，则ab为弹性变形，而bo为塑性变形，如混凝土材料就属于这种类型。
图2.2　材料的弹塑性变形
2.2.3　脆性和韧性?
　　在外力作用下材料无明显变形而突然破坏的性质称为脆性。脆性材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，脆性材料往往作成受压构件。脆性材料抗冲击、抗振动的能力差。混凝土、铸铁、石材、砖等都是脆性材料。?
　　在冲击或振动载荷作用下，材料吸收较大能量产生一定变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。可通过冲击试验来确定材料的韧性，韧性用材料受载荷作用达到破坏时所吸收的能量来表示。建筑钢材、木材等均属于韧性材料。路面、桥梁、吊车梁及有抗震要求的结构均需考虑材料的韧性。
2.2.4　硬度和耐磨性?
　　材料表面抵抗较硬物体刻划或压入的能力称为材料的硬度。非金属材料硬度用莫氏硬度表示。
　　所谓莫氏硬度就是用系列标准硬度的矿物块对材料表面刻划，由划痕确定硬度等级。由刻划矿物不同分为十个等级，莫氏硬度的十个等级见表2－2。
表2－2　莫氏硬度等级表
　　金属材料硬度等级用压入法测定。主要有布氏硬度法（HB）和洛氏硬度法（HR），前者以淬火的钢珠压入材料表面产生的球形凹痕单位面积上所受压力来表示，后者用金刚石圆锥或淬火的钢球制成的压头压入材料表面压痕深度表示。工程上常用材料的硬度来推算确定其强度，因为硬度大的材料其强度也高。譬如，用回弹仪测得混凝土表面硬度便可推算出混凝土的强度。?
　　材料表面抵抗磨损的能力称为耐磨性，耐磨性用磨损率来表示。标准试验条件下试件磨损前后的质量差与试件受磨表面积之比即为磨损率。材料的耐磨性与其硬度、强度以及组成结构等因素有关。材料硬度愈高、愈致密，其耐磨性就越好。地面、路面等受磨损的部位要求使用磨损率小、耐磨性好的材料。
　2.3　材料的耐久性?
　　所谓的耐久性是指材料在长期的使用过程中，保证其原有性能不变的性质（不变质、不破坏）。影响材料耐久性的因素是多方面的，有物理、化学方面的作用也有生物方面的影响。物理作用是指材料受到温度变化、干湿交替、冻融循环、磨损等物理因素长久作用使其性能受到破坏，影响长期使用；化学作用包括材料受酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀作用，发生化学反应使其组成成分发生了变化，引起材料破坏；而生物方面的影响是指材料受到昆虫的蛀蚀或菌类的腐朽作用而发生的破坏。有时材料在所处环境中几种破坏作用会同时发生，如混凝土由于受到物理作用、化学作用而破坏，塑料、沥青在热和空气中有害气体作用下出现老化现象而变脆、开裂等。
　　工程上通常用材料抵抗使用环境中主要影响因素的能力来评价耐久性，如混凝土主要通过抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性和抗炭化性来确定其耐久性的，而钢材的耐久性主要取决于其抗腐蚀性，沥青的耐久性主要取决于其在空气中的稳定性和对温度的敏感性。?
　　工程上要依据结构所处的环境和材料在结构上的部位，根据材料耐久性特点合理地选用材料。

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