建筑工程概论：建筑材料基本性质

任务情景

构成建筑物的梁、板、柱、墙等构件是由各种建筑材料制成的，材料在使用过程中，会受到各种外力作用，如图4-1所示，材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，根据外力的不同，材料的强度也被定义为不同类别。

图4-1 材料所受外力作用示意图

任务分析

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。在相同条件下，材料的强度高，则材料及结构的承载力也高，因此，材料的强度是材料非常重要的力学性质，也是材料选择非常重要的指标之一。

知识精讲

建筑材料是指建筑结构物中使用的各种材料及制品，它是一切建筑工程的物质基础。正确选择和合理使用建筑材料，对建筑结构物的安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。

建筑材料可按不同原则进行分类。根据材料来源，可分为天然材料及人造材料；根据使用部位，可分为承重材料、屋面材料、墙体材料和地面材料等；根据建筑功能，可分为结构材料、装饰材料、防水材料、绝热材料等；根据组成物质的种类及化学成分，可分为无机材料、有机材料和复合材料等。

随着社会生产力和科学技术水平的提高，各种新型建筑材料不断被研制出来，进而推动了建筑结构设计方法和施工工艺的变化，而新的建筑结构设计方法和施工工艺对建筑材料品种和质量提出更高的要求。随着人类的进步和社会的发展，更有效地利用地球有限的资源，全面改善及迅速扩大人类工作与生存空间，发展环保型建筑材料已势在必行。建筑材料在原材料、生产工艺、性能及产品方面也将面临新的挑战和更广阔的发展空间。在原材料方面要充分利用再生资源及工农业废料；在生产工艺方面要大力引进现代技术，改造或淘汰陈旧设备，降低原材料及能源消耗，减少环境污染；在性能方面要力求轻质、高强、耐久及多功能；在产品形式方面要积极发展项制技术，逐步提高构件化、单元化的水平。

掌握各种建筑材料的性能及其适用范围，选择最合适的品种，是设计者的主要任务。

一、材料的基本物理性质

1.材料的密度、表观密度与堆积密度

（1）密度

密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量，按式（4-1）计算：

式中：ρ——密度，g/cm3

m——材料的质量，g；

v——材料在绝对密实状态下的体积，cm3

绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其体积。材料磨得越细，测得的密度数值就越精确。砖、石材等块状材料的密度即用此法测得。

在测量某些致密材料（如卵石等）的密度时，直接以块状材料为试样，以排液置换法测量其体积，材料中部分与外部不连通的封闭孔隙无法排除，这时所求得的密度称为近似密度（ρa）。

（2）表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量，按式（4-2）计算：

式中：ρ0——表观密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

v0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3。

材料的表观体积是指包含内部孔隙的体积。当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积均将有所变化，故测定表现密度时，须注明其含水情况。一般是指材料在气干状态（长期在空气中干燥）下的表观密度。在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。

（3）堆积密度

堆积密度是指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量，按式（4-3）计算：

式中：——堆积密度，kg/m3；

m——材料的质量，kg；

——材料的堆积体积， m3。

测定散粒材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是对所用容器的容积而言的。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙。

常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率如表4-1所示。

表4-1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率

2.材料的密实度与孔隙率

（1）密实度

密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，按式（4-4）计算：

式中：D——密实度；

V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3；

V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3；

r0——表观密度，g/cm3或kg/m3；

r——密度，g/cm3。

（2）孔隙率

孔隙率是指材料体积内，孔隙体积所占的比例，用式（4-5）表示：

即　D＋P＝1 　（4-6）

或　孔隙率＋密实度＝1

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材料内部孔隙的构造，可分为连通的与封闭的两种。连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔隙则不仅彼此不连通且与外界相隔绝。孔隙按尺寸大小又分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。孔隙的大小及其分布对材料的性能影响较大。

（3）填充率

填充率是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗粒填充的程度，按式（4-7）计算：

式中：D′——填充率；

——材料的堆积体积，cm3；

——堆积密度，cm3

（4）空隙率

空隙率（P′）是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例，用式（4-8）表示：

即　D′＋P′＝1　（4-9）

或　填充率＋孔隙率＝1

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。

3.材料与水有关的性质

（1）亲水性与憎水性

建筑物常与水或大气中的水气接触。然而水分与不同固体材料表面之间相互作用的情况是不同的。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（润湿边角）θ越小，浸润性愈好。如果润湿边角θ为零，则表示该材料完全被水所浸润；居于中间的数值表示不同程度的浸润。一般认为，当润湿边角≤90°时（如图4-2（a）所示），水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，此种材料称为亲水性材料。当≥90°时（如图4-2（b）所示），水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子间的吸引力，则材料表面不会被水浸润，此种材料称为憎水性材料。这一概念也可应用到其他液体对固体材料的浸润情况，相应地称为亲液性材料或憎液性材料。

图4-2 材料润湿边角

（2）含水率

材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比，称为材料的含水率，即

式中：W——材料的含水率；

m——材料在干燥状态下的质量，g；

m1——材料在含水状态下的质量，g。

（3）吸水性

材料与水接触吸收水分的性质，称为材料的吸水性。当材料吸水饱和时，其含水率称为吸水率。多数情况是按质量计算吸水率的，但也有按体积计算吸水率的（吸入水的体积占材料自然状态下体积的百分率）。如果材料具有细微而连通的孔隙，则其吸水率较大；若是封闭孔隙，水分就不容易渗入。粗大的孔隙水分虽然容易渗入，但仅能润湿孔壁表面而不易在孔内存留。所以，封闭或粗大孔隙材料，其吸水率是较低的。

各种材料的吸水率相差很大，如花岗岩等致密岩石的吸水率仅为0.5％～0.7％，普通混凝土为2％～3％， 土砖为8％～20％，而木材或其他轻质材料的吸水率则常大于100％。

（4）吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿作用一般是可逆的，也就是说材料既可吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。

与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。木材的吸湿性特别明显，它能大量吸收水气而增加重量，致使材料降低强度和改变尺寸。木门窗在潮湿环境往往不易开关，就是由于吸湿所引起的。保温材料如果吸收水分之后，将很大程度地降低其隔热性能。所以要特别注意采取有效的防护措施。

（5）耐水性

材料抵抗水的破坏作用的能力称为耐水性。一般材料随着含水量的增加，会减弱其内部结合力，强度都有不同程度的降低，即使致密的石料也不能完全避免这种影响。例如，花岗岩长期浸泡在水中，强度将下降3％，普通黏土砖和木材所受影响更为显著。材料的耐水性可用软化系数K表示：

式中：K——材料的软化系数；

f——材料在水饱和状态下的无侧限抗压强度，MPa；

F——材料在干燥状态下的无侧限抗压强度，MPa。

软化系数的范围波动在0～1之间。软化系数的大小，有时成为选择材料的重要依据。受水浸泡或处于潮湿环境的重要建筑物，则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造，通常软化系数大于0.80的材料，可以认为是耐水的。

（6）抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性）。材料的抗渗性用渗透系数Ks来表示：

式中：Ks——渗透系数，cm/h；

Q——透水量，cm3；

d——试件厚度，cm；

A——透水面积，cm2；

t——时间，h；

H——静水压力水头，cm。

渗透系数愈小的材料表示其抗渗性愈好。

对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级来表示：

S＝10H－1 　（4-13）

式中：S——抗渗等级；

H——试件开始渗水时的水压，MPa。(www.xing528.com)

材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙串和孔隙特征有密切关系。孔隙率很低而且是封闭孔隙的材料就具有较高的抗渗性能。对于地下建筑及水工构筑物，因常受到压力水的作用，所以要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性，如贮油罐则要求材料具有良好的不渗油性。

（7）抗冻性

材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻标号表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Dn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如D25、D50等。

材料抗冻标号的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻标号为D15或D25；用于桥梁和道路的混凝土应为D50、D100或D200，而水工混凝土要求高达D500。

4.材料的热工性质

（1）导热性

当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。

材料的导热性可用导热系数表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，两次表面温度差为1K （或1℃）时，在1h内通过1m2面积传递的热量。用公式表示为

式中：λ——材料的导热系数，W/（m·K）；

Q——传到的热量，J；

α——材料的厚度，m；

A——材料传热的面积，m2；

z——传热时间，s；

t1－t2——材料两侧温度差，K或℃。

材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系数差别很大，如泡沫塑料λ＝0.035W/（m·K），而大理石λ＝3.48W/（m·K）。工程中通常把λ＜0.23W/（m·K）的材料称为绝热材料。

（2）比热

材料比热（C）的物理意义是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量。用公式表示为

式中：C——比热，k J/（kg·K）；

Q——传导的热量，J；

m——材料的质量，kg；

t1－t2——材料两侧的温度差，K或℃。

材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。几种典型材料的热工性质指标如表4-2所示，由表可见，水的比热最大。

表4-2 几种典型材料的热工性质指标

[例4-1] 某种石子经完全干燥后，其质量为482g，将其放入盛有水的量筒中吸水饱和后，水面由原来的452cm3上升至630cm3，取出石子，擦干表面水后称质量为487g，试求该石子的表观密度。

解：本题中，石子的表观密度是石子的质量与表观体积之比，表观体积是石子实体积加闭口孔隙体积，不包括开口孔隙。本例中，石子放入水中，水填充到石子的开口孔隙中，因此水排开的体积即体积上升量就是石子的实体体积加闭口孔隙体积。

即石子的表观密度是2.708g/cm3。

二、材料的基本力学性质

材料的力学性质是指材料在外力作用下，抵抗破坏的能力和变形方面的性质，它对合理选用材料非常重要，是建筑材料最重要的技术性质。

1.材料的强度

材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。当材料受外力作用时，内部就产生应力。外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时，应力达极限值，这个极限应力值就是材料的强度，也称极限强度。

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，材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪强度的计算公式为

式中：f——材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪），MPa；

P——构件破坏时的最大荷载，N；

A——试件受力面积，mm2。

材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同而构造不同，强度也不一样。材料的孔隙率愈大，则强度愈小。一般表观密度大的材料，其强度也大。晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。玻璃原是脆性材料，抗拉强度很小，但当制成玻璃纤维后，则成了很好的抗拉材料。材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。一般温度高时，材料的强度将降低，这对沥青混凝土尤为明显。

材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面形状有关。相同材料采用小试件测得的强度较大；试件高，加荷速度快者强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。为了使试验结果准确，且具有可比性，各国都制定了统一的材料试验标准，在测定材料强度时，必须严格按照规定的试验方法进行。材料的强度是大多数材料划分等级的依据。常用建筑材料的强度如表4-3所示：

表4-3 常用建筑材料的强度 单位：MPa

2.材料的弹性和塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，这时的比例系数E称为材料的弹性模量。材料在弹性变形范围内，E为常数，其值可用应力（σ）与应变（ε）之比表示，即

各种材料的弹性模量相差很大，通常原子键能高的材料具有高的弹性模量。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。E值愈大，材料愈不易变形，亦即刚度好。弹性模量是结构设计时的重要参数。

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形。

实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，而当外力达一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。另外许多材料在受力时弹性变形和塑性变形同时发生，这种材料当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失。混凝土就是这类材料的代表。弹塑性材料的变形曲线如图4-3所示，图中ab为可恢复的弹性变形，b0为不可恢复的塑性变形。

3.材料的脆性与韧性

材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料，其变形曲线如图4-4所示。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，所以脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用作受拉构件，只适于用作承压构件。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。

图4-3 弹塑性材料的变形曲线

图4-4 脆性材料的变形曲线

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车架、桥梁、路面等所用的材料均应具有较高的韧性。

4.材料的硬度与耐磨性

硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。测定材料硬度的方法有多种，通常采用的有刻划法和压入法两种，不同材料其硬度的测定方法不同。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按硬度递增顺序分为10级，即滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。压入法如布氏硬度值是以压痕单位面积上所受压力来表示的，常用于测定钢材、木材和混凝土等建筑材料的硬度。

材料的硬度愈大，其耐磨性愈好。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。在建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，应具有较高的耐磨性。

三、材料的耐久性

材料的耐久性是指用于建筑物的材料，在环境的多种因素作用下，能经久不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。耐久性是材料的一项综合性质，各种材料耐久性的具体内容，因其组成和结构不同而异。例如钢材易受氧化而锈蚀；无机非金属材料常因氧化、风化、炭化、溶蚀、冻融、热应力、干湿交替作用等而破坏；有机材料多因腐烂、虫蛀、老化而变质等。

1.材料经受的环境作用

材料在建筑物使用过程中，除材料内在原因使其组成、构造、性能发生变化以外，还要长期受到使用条件及各种自然因素的作用，这些作用可概括为以下几方面。

（1）物理作用

物理作用包括环境温度、湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用。材料在经受这些作用后，将发生膨胀、收缩或产生内应力，长期的反复作用，将使材料渐遭破坏。

（2）化学作用

化学作用包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或其他有害物质对材料的侵蚀作用以及日光、紫外线等对材料的作用。

（3）机械作用

机械作用包括荷载的持续作用，交变荷载对材料引起的疲劳、冲击、磨损、磨耗等。

（4）生物作用

生物作用包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、虫蛀等而破坏。

2.材料耐久性的测定

对材料耐久性最可靠的判断，是对其在使用条件下进行长期的观察和测定，但这需要很长的时间。为此，近年来采用快速检验法，这种方法是模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性做出判定。

3.提高材料耐久性的重要意义

在设计建筑物选用材料时，必须考虑材料的耐久性问题，因为只有采用耐久性良好的建筑材料，才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等，均具有十分重要的意义。

四、材料的装饰性

1.材料装饰性的意义

建筑是技术与艺术相结合的产物，而建筑艺术的发挥，除建筑设计外，在很大程度上取决于建筑材料的装饰性。为了满足这方面的要求，建材行业的工作者们不断研制和生产出各种形形色色、琳琅满目的装饰材料。

建筑装饰材料主要用作建筑物内外墙面、柱面、地面及顶棚等处的饰面层，这类材料往往兼具结构、绝热、防潮、防火、吸声、隔音或耐磨等两种以上的功能。因此，采用装饰材料修饰主体结构的面层，不仅能大大改善建筑物的外观艺术形象，使人们获得舒适和美的感受，最大限度地满足人们生理和心理上的各种需要，同时也起到了保护主体结构材料的作用，提高建筑物的耐久性。所以材料的装饰性对于建筑物具有十分重要的作用。近年来，随着人们生活水平的提高，对建筑装修、装饰的要求越来越高，目前一般用于建筑装饰的费用要占建筑总造价的1/3以上，高等级的建筑物可能更高。所以材料的装饰性很重要。

2.材料的装饰功能

装饰材料通常通过以下功能达到美化建筑物的作用。

（1）色彩

色彩最能突出表现建筑物的美，古今中外的建筑物，无一不是利用材料的色彩来塑造其美。同时，不同色彩能使人产生不同感觉。如建筑外部的浅色块给人以庞大、肥胖感，深色块使人感觉瘦小和苗条。在室内看到红、橙、黄等色使人联想到太阳、火焰而感到温暖，故称暖色；见到绿、蓝、紫等色会让人联想到大海、蓝天、森林而感到凉爽，故称冷色。暖色调使人感到热烈、兴奋、温暖，冷色调使人感到宁静、幽雅、清凉。为此，建筑装饰材料的色彩可以营造不同的空间环境，满足不同的使用要求。

（2）光泽

光泽是材料的表面特性之一，也是材料的重要装饰性能。高光泽的材料具有很高的观赏性，同时在灯光的配合下，能对空间环境的装饰效果起到强化、点缀和烘托的作用。

光泽是光线在材料表面有方向性的反射。若反射光线分散在各个方向，称漫反射，如为与入射光线成对称的集中反射，则称镜面反射。镜面反射是材料产生光泽的主要原因。材料表面的光洁度越高，光线的反射越强，光泽越高。所以许多装饰材料的面层均加工成光滑的表面，如天然大理石和花岗石板材、釉面砖、镜面玻璃、不锈钢钢板等。生产中判别材料表面的光泽度，可采用光电光泽度计进行测定。

（3）透明性

材料的透明性是由于光线透材料的结果。能透光又能透视的材料称透明体（如普通平板玻璃），只能透光而不能透视者称半透明体（如压花玻璃）。由于透明材料具有良好的透光性，故被广泛用作建筑采光和装饰。采用大量透明材料建造的玻璃幕墙建筑，给人以通透明亮、具有强烈的时代气息之感。

（4）表面质感

表面质感是指材料本身具有的材质特性，或材料表面由人为加工至一定程度而造成的表面视感和触感，如表面粗细、软硬程度、手感冷暖、纹理构造、凹凸不平、图案花纹、明暗色差等。这些表面质感均会对人们的心理产生影响。设计时根据建筑功能要求，恰当地选用各种不同质感的材料，充分发挥材料本身的质感特性，是成功的重要途径。

（5）形状尺寸

材料的形状与尺寸是建筑构造的细部之一。将建筑材料加工生产成各种形状和不同尺寸的型材，以配合建筑形体和线条，可构筑成风格各异的各种建筑造型，既满足使用功能要求，又创造出建筑的艺术美。

课堂提问

1.材料的密度有哪几种？分别表示什么含义？

2.什么是材料的密实度和孔隙率？

3.材料的强度、弹性和塑性分别指的是什么？用哪些指标表示？