建筑工程材料检测方法及性质

1.2.1 任务目标

☉【知识目标】

1.掌握建筑材料检验与技术标准。

2.了解建筑材料课程的学习方法与要求。

☉【能力目标】

能进行相关材料的检测。

1.2.2 任务实施

建筑物在使用过程中，要承受各种不同的作用。这些不同的作用包括各种形式的外力、恶劣环境的影响等，将直接加载到建筑物的组成材料——建筑材料上;而且建筑物的某些特殊部位会要求建筑材料具有一些特殊的性能，例如抗渗防水、保温隔热、耐热、耐化学腐蚀等。因此，必须掌握建筑材料的基本性质及检测方法，以合理选用建筑材料。

【材料的物理性质与检测方法】

1.密度、表观密度、堆积密度

自然界中的材料，由于其单位体积中所含孔隙形状及数量不同，因此其基本的物理性质参数——单位体积的质量也有差别。

材料内部常含有以下两大类型的孔隙:

(1)自身封闭的孔隙。

(2)与外界连通的(开口)孔隙。

材料在不同状态时，其单位体积的值是不同的，因而，其单位体积的质量也不同，现分述如下。

(1)密度。实际密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量。实际密度按下式计算:

式中 ρ——实际密度(g/cm3);

m——材料在干燥状态下的质量(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材料内部孔隙的固体物质的真实体积。

在常用建筑材料中，除钢材、玻璃等少数接近绝对密实的材料外，绝大多数材料都含有一些孔隙。

密度测定的一般方法和步骤如下:

1)测定质量:在测定质量时，必须将样品在恒温干燥箱中烘干至恒重，然后在干燥箱中冷却至室温，用适当精度的衡器称量质量。

2)测定体积:

①外观规则的材料，如钢材、玻璃等，可直接用适当精度的尺测量尺寸，按几何公式求出体积。

②外观不规则的坚硬颗粒，如砂、石等，可采用排水法测定。

③可研磨的非密实材料，如砌块、石膏等，可磨细后采用排液法测定。

3)按公式计算密度。

4)通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料密度，精确至0.01g/cm3。

(2)体积密度。体积密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。体积密度按下式计算:

式中 ρ0——材料的体积密度(kg/m3或g/cm3);

m——材料的质量;

V0——材料在自然状态下的体积(m3或cm3)。

体积密度测定的一般方法和步骤如下:

1)测定质量:在确定的含水状态下，用适当精度的衡器称量样品的质量。

2)测定自然状态下的体积:

①外观规则的材料，直接用适当精度的尺测量尺寸，按几何公式求出体积。如加气混凝土砌块等。

②外观不规则的材料，可用排液法测定。应在材料表面涂蜡，以防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值。

③按公式计算密度。

④通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料密度，精确至10kg/m3。

(3)表观密度。表观密度是指材料在包含其内部闭口孔隙条件下的单位体积所具有的质量。表观密度按下式计算:

式中 ρ′——材料的表观密度(kg/m3或g/cm3);

m——材料在干燥状态下的质量(kg或g);

V′——材料在自然状态下不含开口孔隙的体积(m3或cm3)。

表观密度测定的一般方法和步骤如下:

1)测定质量:在确定的含水状态下，用适当精度的衡器称量样品的质量。

2)测定自然状态下的体积:

①外观规则的材料，如加气混凝土砌块等，可直接用适当精度的尺测量尺寸，按几何公式求出体积。

②外观不规则的材料，可用排液法测定。应在材料表面涂蜡，以防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值。

③按公式计算表观密度。

④通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料表观密度，精确至10 kg/m3。

(4)堆积密度。堆积密度是指散粒(粉状、粒状或纤维状)材料在自然堆积状态下，单位体积(包含了颗粒内部的孔隙及颗粒之间的空隙)所具有的质量。堆积密度按下式计算:

式中 ——堆积密度(kg/m3);

——材料的堆积体积(m3)。

堆积密度测定的一般方法和步骤如下:

1)选择合适的容量筒。根据材料颗粒的尺寸，选择容积大小合适的容量筒。

2)用规定的方法将颗粒样品装满容量筒。

①测量松散堆积密度时，一般不进行捣实或振实。

②测量紧密堆积密度时，要分装材料，充分捣实或振实。

③用适当精度的衡器称量样品的质量。

④按公式计算堆积密度。

⑤通常应该进行两次平行试验，并且取两次试验结果的平均值作为材料的堆积密度，精确至10kg/m3。

在建筑工程中，计算材料用量、构件自重、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、堆积密度等参数。相关参数可查表。

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所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映了材料的致密程度，用D表示，按下式计算:

含有孔隙的固体材料的密实度均小于1。

材料的很多性能(强度、吸水性、耐久性、导热性等)均与密实度有关。

(2)孔隙率。孔隙率是指材料体积内，孔隙体积占材料总体积的百分率。孔隙率表示材料中含有体积的多少，直接反映了材料的致密程度，用P表示，按下式计算:

孔隙率与密实度的关系为:P＋D＝1(由此可知，材料的总体积是由固体物质与其所包含的孔隙所组成)。

孔隙可分为连通孔隙(不仅彼此贯通且与外界相通)和封闭孔隙(彼此不连通且与外界隔绝);按尺寸大小还可分为微孔、细孔和大孔。

孔隙率的大小及孔隙本身的特点与材料的许多特性有密切关系。一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和防冻性较好。

3.材料的填充率与空隙率

(1)填充率。填充率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒所填充的程度。填充率散粒材料的颗粒之间相互填充的致密程度，用D′表示，按下式计算:

(2)空隙率。空隙率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。空隙率用P′表示，按下式计算:

空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。

4.材料与水有关的性质

(1)亲水性与憎水性。材料被水润湿的程度用润湿角θ表示。θ≤90°的材料为亲水性材料;θ＞90°的材料为憎水性材料。

大多数建筑材料都属于亲水性材料，表面均能被润湿，且能通过毛细管作用将水吸入到毛细管内部。

沥青、石蜡等属于憎水性材料，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。此类材料可作为防水材料，也可对亲水材料进行表面处理，以降低其吸水性。

其含水情况可分为以下四种基本状态:

1)干燥状态——不含水或含水极微。

2)气干状态——所含水与大气湿度相平衡。

3)饱和面干状态——表面干燥，而孔隙中水达到饱和。

4)湿润状态——孔隙中含水饱和，且表面附有一层水膜。

(2)吸水性。吸水性可分为质量吸水率和体积吸水率。其计算公式如下:

质量吸水率:

体积吸水率:

两者的关系是:

质量吸水率测定的一般方法和步骤如下:

1)称量吸水饱和状态下材料的质量。

2)将吸水饱和状态下的材料按规定方法烘干至恒重，称取质量。

3)按公式计算质量吸水率。

4)通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料的质量吸水率。

体积吸水率测定的一般方法和步骤如下:

1)称量吸水饱和状态下材料的质量。

2)将吸水饱和状态下的材料按规定方法烘干至恒重，称取质量。

3)测定材料自然状态下的体积。

4)按公式计算体积吸水率。

5)通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料的体积吸水率。

材料的吸水性与其孔隙率的大小及孔隙的特征有关。一般孔隙率越大吸水性越强。(www.xing528.com)

封闭的孔隙水分不易进入;粗大开口的孔隙，水分又不易存留，故体积吸水率常小于孔隙率，因此常用质量吸水率表示吸水性。对于某些轻质材料，如加气混凝土、软木等，质量吸水率往往超过100%，这时最好用体积吸水率表示吸水性。水在材料中，对材料的性质将产生不良的影响，它使材料的体积密度和导热性增大，强度降低、体积膨胀。因此，吸水率大对材料性能是不利的。

(3)吸湿性。材料在潮湿的空气中水分的性质，称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。材料所含水的质量占材料干燥质量的百分数，称为材料的含水率。其计算公式为:

吸湿性测定的一般方法和步骤如下:

1)称量含水状态下材料的质量。

2)将含水状态下的材料按规定方法烘干至恒重，称取质量。

3)按公式计算含水率。

4)通常应该进行两次平行试验，取两次试验结果的平均值作为材料的含水率。

材料的含水率大小，除与材料本身的特性有关外，还与周围环境的温度、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变化，既能在空气中吸收水分，又可向外界扩散水分，最终使材料中的水分与空气的湿度达到平衡，这时的材料含水率称为平衡含水率。平衡含水率不是固定不变的，它随环境温度及湿度的变化而变化。

(4)耐水性。材料长期在饱和水作用下而不被破坏，其强度也不显著下降的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，按下式计算:

(5)抗渗性。材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。抗渗性用渗透系数K或抗渗等级表示，按下式计算:

材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。对于地下建筑及水工建筑物，因为长期受到水压力的作用，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能。

(6)抗冻性。材料在吸水饱和状态下能经受多次冻结和融化作用(冻融循环)而不被破坏，同时强度也不严重降低的性质，称为抗冻性。试件在规定的标准试验条件下，经过一定次数的冻融循环后，强度降低不超过规定数值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻等级。材料抗冻性能的高低，取决于材料的吸水饱和程度和材料对结冰时体积膨胀所产生压力的抵抗能力。

5.材料与热有关的性质

材料与热有关的性质主要有:材料的导热性、热容性和热变形性。

(1)导热性。导热性是指材料传导热量的能力。导热性用导热系数表示，比例系数λ则定义为导热系数，按下式计算:

式中 λ——导热系数，单位为[W/(m·K)];

t1－t2——材料两侧温差(K);

d——材料厚度(m);

A——材料导热面积(m2);

t——导热时间(s)。

材料的导热系数主要与以下因素有关:

1)材料的化学组成和物理结构:一般金属材料的导热系数要大于非金属材料，无机材料的导热系数大于有机材料，晶体结构材料的导热系数大于玻璃体或胶体结构的材料。

2)孔隙状况:材料的孔隙率越高、闭口孔隙越多、孔隙直径越小，则导热系数越小。

3)环境的温湿度:因空气、水、冰的导热系数依次加大，故保温材料在受潮、受冻后，导热系数可加大近100倍。因此，保温材料使用过程中一定要注意防潮防冻。

(2)热容性。材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为热容。比热容c是指单位质量的材料温度升高1K(或降低1K)时所吸收(或放出)的热量。材料的热容可用热容量表示，它等于比热容c与质量m的乘积，单位为kJ/K，按下式计算:

材料的热容量对于稳定建筑物内部温度的恒定和冬期施工有很重要的意义。热容量大的材料可缓和室内温度的波动，使其保持恒定。

(3)热变形性。材料的热变形性是指材料在温度变化时的尺寸变化。热变形性按下式计算:

式中 ΔL——材料的热变形量(mm);

α——线膨胀量(1/K);

L——材料原来的长度(mm);

t2－t1——材料受热或冷却前后的温度差(K)。

建筑工程上要求材料的热变形不可过大，对于线膨胀系数大的材料，应充分考虑温度变化引起的伸缩。

【材料的力学性质及耐久性】

1.材料的力学性质

(1)强度。材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力称为强度。

材料抵抗由静荷载产生应力破坏的能力，称为材料的静力强度。它是以材料在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值来表示的，实质上等于材料受力破坏时单位受力面积上所承受的力，按下式计算:

式中 f——材料的强度(MPa);

F——材料能承受的最大荷载(N);

A——受力面积(mm2)。

1)强度的分类。

抗压强度——材料抵抗压力破坏的能力。

抗拉强度——材料抵抗拉力破坏的能力。

抗弯强度——材料抵抗弯曲破坏的能力。

抗剪强度——材料抵抗剪力破坏的能力。

2)研究材料强度等级的意义。针对不同种类的材料具有抵抗不同形式力的作用特点，将材料按其相应极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级。对于水泥、石材、砖、混凝土、砂浆等在建筑物中主要用于承压部位的材料以其抗压强度来划分强度等级。而建筑钢材在建筑物中主要用于承受拉力荷载，所以，以其屈服强度作为划分强度等级的依据。

3)与材料强度有关的因素。

①材料强度的大小理论上取决于材料内部质点结合力的强弱，实际上与材料中结构缺陷有直接关系。

②组成相同的材料其强度决定其孔隙率的大小。

③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很大关系。使测试结果准确、可靠、具有可比性，对于以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。

4)强度测定的一般方法和步骤如下。

①按规定的方法、数量制作试件。

②测试试件的受力面积。

③选用适当量程的材料试验机，测定试件的破坏荷载。

④根据试件受力方式，选用正确的公式计算试件的强度。

(2)变形。材料在外力作用下，由于质点间平衡位置改变，质点产生相对位移，而形状与体积发生变化，称为材料的变形。

1)弹性与塑性。

弹性:弹性是指材料在应力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。这种当外力取消后瞬间即可完全消失的变形，称为弹性变形。明显具有弹性变形特征的材料称为弹性材料。

塑性:塑性是指材料在应力作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状尺寸，且不产生裂纹的性质。这种不随外力撤销而消失的变形，称为塑性变形，或永久变形。明显具有塑性变形特征的材料称为塑性材料。

弹塑性材料: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:①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。随着外力增大至超过弹性极限后，则出现另一种变形——塑性变形。②混凝土在受力一开始，弹性变形和塑性变形就同时发生，除去外力后，弹性变形可以恢复(消失)，而塑性变形不能消失，这种变形称为弹塑性变形，具有这种变形特征的材料叫作弹塑性材料。

2)脆性与韧性。

脆性:脆性是指材料在外力作用下直到破坏前无明显塑性变形而发生突然破坏的性质。具有这种破坏性质的材料称为脆性材料。

脆性材料的特点如下:

①抗压强度远大于抗拉强度。

②受力作用时塑性变小，而且破坏时无任何征兆，有突发性。

③主要适用于承受压力静荷载。

④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、砖、生铁、普通混凝土等。

韧性:韧性是指材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生一定的变形，而不至破坏的性能，又叫冲击韧度。具有这种性质的材料称为韧性材料。

韧性材料的特点如下:

①塑性变形大。

②受力时产生的抗拉强度接近或高于抗压强度。

③破坏前有明显征兆。

④主要适用于承受拉力或动荷载。

木材、建筑钢材、沥青混凝土等属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车梁等需要承受冲击荷载和有抗震要求的结构用建筑材料均应具有较高的韧性。

3)徐变:固体材料在恒定外力长期作用下，变形随时间延长而逐渐增大的现象，称为徐变。

对于非晶体材料来说，徐变是由于材料在外力作用下，内部产生类似液体的粘性流动而造成的;对于晶体材料来说，徐变则由于在切应力作用下，材料内部晶格错动和滑移而造成的。

(3)材料的冲击韧性、硬度、磨损及磨耗。

1)冲击韧性:材料在冲击、振动荷载作用下抵抗破坏的性能，称为冲击韧性。表示方法:冲击韧性以材料冲击破坏时消耗的能量表示。要求有较高的冲击韧性的材料:用于桥梁、路面、吊车梁、桩等受冲击、振动荷载作用的建筑物及有抗震要求的建筑物的材料。

2)硬度:材料抵抗其他较硬物体压入的能力，称为硬度。硬度大的材料耐磨性较好，但不易加工。硬度较大的材料，强度也较高，有些材料硬度与强度之间有较好的相互关系。测定硬度的方法简单，而且不破坏被测材料，所以有些材料可以通过测定硬度来推算其强度。如在测定混凝土结构强度时，可用回弹硬度来推算其强度的近似值。

3)磨损及磨耗。

①磨损:材料受摩擦作用而减少质量和体积的现象称为磨损。

②磨耗:材料同时受摩擦和冲击作用而减少质量和体积的现象称为磨耗。

地面、路面等经常受摩擦的部位要求材料有较好的抗磨性能。硬度大、强度高、韧性好、构造均匀致密的材料，抗磨性较好。

2.材料的耐久性

耐久性是指材料在使用过程中，抵抗各种自然因素及其他有害物质长期作用，能长久保持其原有性质的能力。

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、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等。

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个方面。

(1)物理作用:一般是指干湿变化、温度变化、冻融循环等。这些作用会使材料发生体积变化或引起内部裂纹的扩展，而使材料逐渐破坏，如混凝土、岩石、外装修材料的热胀冷缩等。

(2)化学作用:包括酸、碱、盐等物质的水溶液及有害气体的侵蚀作用。这些侵蚀作用会使材料逐渐变质而破坏，如水泥石的腐蚀、钢筋的锈蚀、混凝土在海水中的腐蚀、石膏在水中的溶解作用等。

(3)生物作用:是指菌类、昆虫等的侵害作用，包括使材料因虫蛀、腐朽而破坏，如木材的腐蚀等。

在实际工程中，材料往往受多种破坏因素的同时作用。材料性质不同，其耐久性的内容各不相同。金属材料往往受电化学作用引起腐蚀、破坏，其耐久性指标主要是耐蚀性。无机非金属材料(如石材、砖、混凝土等)常受化学作用、溶解、冻融、风蚀、温差、摩擦等因素综合作用，其耐久性指标更多地包括抗冻性、抗风化性、抗渗性、耐磨性等方面的要求。有机材料常由生物作用、光、热电作用而引起破坏，其耐久性包括抗老化性、耐蚀性指标。

提高材料的耐久性的措施:首先应根据工程的重要性、所处的环境合理选择材料;增强自身对外界作用的抵抗能力，如提高材料的密实度等，或采取保护措施，使主体材料与腐蚀环境相隔离;甚至可以从改善环境条件入手减轻对材料的破坏。

由于耐久性是材料的一项长期性质，所以对耐久性最可靠的判断是在使用条件下进行长期的观察和测定，这样做需要很长的时间。通常是根据使用要求，在试验室进行快速试验，并据此对耐久性做出判断，快速检查的项目有干湿循环、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。

1.2.3 任务小结

本任务主要介绍了建筑材料的各种物理性能及化学性能，并介绍了相应的检测方法。重点介绍了以下内容。

(1)密度、表观密度、堆积密度。

(2)材料与水有关的性质。

(3)材料的力学性质。