现代建筑材料科学：基本性质和特点

2　建筑材料的基本性质

学习指导

本章共四节，本章的学习目的是：

(1)了解建筑材料的基本组成、结构和构造及其与材料基本性质的关系。

(2)熟练掌握建筑材料的基本力学性质。

(3)掌握建筑材料的基本物理性质。

(4)掌握建筑材料耐久性的基本概念。

本章的难点是材料的组成及其对材料性质的影响。建议通过学习了解材料科学的基本概念，理解材料的组成结构与性能的关系，及其在工程实践中的意义。

建筑物是由各种建筑材料建筑而成，这些材料在建筑物的各个部位要提供各种各样的作用，因此要求建筑材料必须具备相应的性质。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。一种建筑材料要具备哪些性质，要根据材料在建筑物中的功用和所处环境来决定。可见，建筑材料在使用过程中所体现的作用很复杂，而且它们之间又相互影响。对建筑材料的要求应当是严格的和多方面的，充分发挥建筑材料的正常服役性能，满足建筑结构的正常使用寿命。

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，现分别讨论如下。

2.1　材料的物理性质

2.1.1　材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度

1)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：

(2-1)

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)。

图2-1　固体材料的体积构成

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，材料内部的孔隙又根据是否与外界相连通分为开口孔隙(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)。固体材料的体积构成见图2-1。

测定固体材料的密度时，须将材料磨成细粉(粒径小于0.2 mm)，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(又称为颗粒的视密度或表观密度)。

材料的表观密度，是材料在近似密度状态下单位体积的质量，可用ρa表示：

(2-2)

式中： ρa——材料的表观密度(g/cm3)；

m——材料在干燥状态下的质量(g)；

Va——干燥材料在近似密实状态下的体积(Va=V+Vb)(cm3)。

2)体积密度

材料在自然状态下，单位体积的质量称为体积密度，俗称容重。用公式表示如下：

(2-3)

式中： ρ0——材料的体积密度(kg/m3)；

m——材料的质量(kg)；

V0——材料在自然状态下的体积(m3)。

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。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。

3)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：

(2-4)

式中： 材料的堆积密度(kg/m3)；

m ——散粒材料的质量(kg)；

——散粒材料在自然堆积状态下的体积，又称堆积体积(m3)。

散粒状材料在自然堆积状态下的体积)，是指含有孔隙在内的颗粒材料的总体积(V0)与颗粒之间空隙体积)之和。即：

(2-5)

式中： 堆积体积(m3)；

V0——材料在自然状态下的体积(m3)；

——颗粒之间空隙体积(m3)。

图2-2　堆积体积示意图

测定堆积密度时，采用一定容积的容器，将散粒状材料按规定方法装入容器中，测定材料质量，容器的容积即为材料的堆积体积。见图2-2。

由于大多数材料或多或少含有一些孔隙，故一般材料的。

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，以及材料运输时，需要用到材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度。常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度见表2-1。

表2-1　常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度

2.1.2　材料的孔隙率与密实度

1)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：

%%

(2-6)

孔隙率一般是通过试验确定的材料密度和体积密度求得。

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，如材料的孔隙率较小，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。

2)密实度

密实度是指材料内部固体物质的体积占总体积的百分率。反映材料体积内固体物质充实的程度。用公式表示如下：

(2-7)

材料的孔隙率与密实度的关系为：

P+D=1

(2-8)

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。

2.1.3　材料的空隙率与填充率

1)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：

%%

(2-9)

2)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：

(2-10)

散粒材料的空隙率与填充率的关系为：

P′+D′=1

(2-11)

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。

2.1.4　材料与水有关的性质

1)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2-3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，如图2-3(a)所示，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，如图2-3(b)所示，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。

图2-3　材料被水润湿示意图

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。

2)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　即材料在吸水饱和时，所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示如下：

%

(2-12)

式中： Wm——材料的质量吸水率(%)；

mb——材料在饱和水状态下的质量(g)；

mg——材料在干燥状态下的质量(g)。

(2)体积吸水率　即材料在吸水饱和时，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：

%

(2-13)

式中： Wv——材料的体积吸水率(%)；

V0——干燥材料的总体积(cm3)；

ρw——水的密度(g/cm3)，在常温下水可取ρw=1 g/cm3。

土木工程中所用材料一般采用质量吸水率。质量吸水率与体积吸水率有下列关系：

Wv=Wm·ρ0

(2-14)

式中： ρ0——材料在干燥状态下的体积密度(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。

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%，黏土砖为8%～20%，而木材或其他轻质材料吸水率可大于100%。

材料含水后，自重增加，强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时会发生明显的膨胀。

3)吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小用含水率表示，用公式表示如下：

%

(2-15)

式中： Wh——材料的含水率(%)；

ms——材料在吸湿状态下的质量(g)；

mg——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。

4)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：

(2-16)

式中： KR——材料的软化系数；

fb——材料在吸水饱和状态下的抗压强度(MPa)；

fg——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。

一般材料随着含水量的增加，会减弱其内部结合力，从而导致强度下降。如花岗岩长期浸泡在水中，强度会下降3%。普通黏土砖和木材受影响更为显著。

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KR>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KR>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。

5)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：

(2-17)

式中： Ks——材料的渗透系数(cm/h)；

Q——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。如P4、P6、P8、P10、P12等分别表示材料能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2 MPa的水压力而不渗水。

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。

6)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，在规定试验条件下，其强度降低不超过25%，且质量损失不超过5%时所能承受的最大的冻融循环次数来表示。用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F50、F100、F150等，分别表示材料抵抗50次、100次、150次冻融循环，强度降低和质量损失均未超过规定的程度，测得的强度降低不超过其规定值。

材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用要求、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，一般要求其抗冻等级为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土为F50、F100或F200，而水工结构高达F500。

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。抗冻性是评价材料耐久性的一个重要指标。

2.1.5　材料的热工性质

1)导热性

材料传导热量的性能称为导热性。材料的导热能力用导热系数表示，其物理意义是指单位厚度(1 m)的材料，当两个相对侧面温差为1 K时，在单位时间(1 s)内通过单位面积(1 m2)所传递的热量。其计算公式为：

(2-18)

式中： λ——材料的导热系数[W/(m·K)]；

Q——传导的热量(J)；

A——热传导面积(m2)；

a——材料厚度(m)；

t——导热时间(s)；

T2-T1——材料两侧的温度差(K)。

影响材料导热性的因素与材料的成分、微观结构、孔隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等密切相关。

一般无机材料的导热系数大于有机材料；材料的孔隙率越大，导热系数越小；同类材料的导热系数随表观密度的减小而减小；微细而封闭孔隙组成的材料，其导热系数小，粗大而连通的孔隙组成的材料，其导热系数大；材料的含水率越大，导热系数越大；大多数建筑材料(金属除外)的导热系数随温度升高而增大。

各种材料的导热系数差别很大，大致在0.029～3.5 W/(m·K)，如泡沫塑料导热系数为0.035 W/(m·K)，而大理石导热系数为3.5 W/(m·K)。工程中通常把导热系数小于0.23 W/(m·K)的材料称为保温隔热材料。相关材料导热系数见表2-2。

材料的导热系数愈小，绝热性能愈好，表示其保温隔热性能愈好。材料受潮或受冻后，绝热性能显著下降，其导热系数会大大提高。因此，绝热材料应经常处于干燥状态。

2)比热容

材料加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为热容量。热容量的大小用比热容C表示。比热容是指单位重量(1 g)材料温度升高或降低1 K时，所吸收或放出的热量。其计算公式为：

(2-19)

式中： C——材料的比热容[J/(g·K)]；

Q ——材料吸收或放出的热量(J)；

m ——材料的质量(g)；

T2-T1——材料受热或冷却后的温差(K)。

材料的比热容越大，本身能吸入或储存较多的热量，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时缓和室内的温度波动，对保持室内温度稳定有良好的作用，并减少能耗。材料中比热容最大的是水，水的比热容C=4.19 J/(g·K)，因此蓄水的平屋顶能使室内冬暖夏凉，沿海地区的昼夜温差也较小。

材料的导热系数和比热容是对建筑物进行热工计算的重要参数。设计时应选用导热系数较小而热容量较大的土木工程材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏保温隔热层厚度的重要数据。几种典型材料的导热系数和比热容指标如表2-2所示。

表2-2　常用材料的导热系数和比热容

3)耐燃性

材料对火焰和高温的抵抗能力，称为材料的耐燃性。建筑装饰材料的耐燃性能按照《建筑内部装修设计防火规范》(GB 50222—1995)的规定，分为不燃性(A)、难燃性(B1)、可燃性(B2)和易燃性(B3)四级。

(1)不燃性(A)。在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不燃烧、不炭化的材料，如砖、天然石材、混凝土、砂浆、金属材料等。

(2)难燃性(B1)。在空气中受到火烧或高温作用时，难起火、难燃烧、难炭化，当离开火源后燃烧或微烧立即停止的材料，如纸面石膏板、水泥石棉板、水泥刨花板等。

(3)可燃性(B2)。在空气中受到火烧或高温作用时，立即起火或燃烧，且离开火源后仍继续燃烧或微烧的材料，如胶合板、纤维板、木材等。

(4)易燃性(B3)。在空气中受到火烧或高温作用时，立即起火，并迅速燃烧，且离开火源后仍继续燃烧的材料，如部分未经阻燃处理的塑料、纤维织物等。

在装饰工程中，应根据建筑物的耐火等级和材料的使用部位，选用不同级别的耐燃材料。

4)耐火性

耐火性是指材料在火焰和高温作用下，保持其不被破坏、性能不明显下降的能力。材料的耐火性用耐火极限表示。耐火极限是指按规定方法，从材料受到火的作用起，直到材料失去支持能力、完整性被破坏或失去隔火作用的时间，以h或min计。

一般耐燃的材料不一定耐火，而耐火的材料一般都耐燃。如钢材是不燃烧材料，但其耐火极限仅有0.25 h，故钢材虽为重要的建筑结构材料，但其耐火性却较差，使用时须进行防火处理。(www.xing528.com)

5)耐急冷急热性

材料的耐急冷急热性又称为材料的耐热震性，指材料抵抗急冷急热交替作用保持其原有性质的能力。

当制品骤然受热(或受冷)发生膨胀(或收缩)时，因各部分变形互相受到制约而产生热应力。当热应力超过制品内部结合力时，制品就产生崩裂或剥落。制品的耐急冷急热性以实验方法测定。耐急冷急热性主要取决于耐火原料及其制品的热膨胀性、异热性和断裂韧性等，并与其组织结构、形状和尺寸有关。

许多无机非金属材料(如瓷砖、玻璃)在急冷急热交替作用下，易产生巨大的温度应力，引起爆裂破坏。

【工程案例分析2-1】

加气混凝土砌块吸水分析

现象：某施工队原使用普通烧结黏土砖，后改为表观密度为700 kg/m3的加气混凝土砌块。在抹灰前采用同样的方式往墙上浇水，发现原使用的普通烧结黏土砖易吸足水量，但加气混凝土砌块表面看来浇水不少，但实则吸水不多。

原因分析：加气混凝土砌块虽孔多，但其气孔大多数为“墨水瓶”结构，肚大口小，毛细管作用差，只有少数孔是水分蒸发形成的毛细孔。因此，吸水及导湿均较缓慢。材料的吸水性不仅要看孔的数量多少，还需要看孔的结构。

2.2　材料的力学性质

材料的力学性质是指材料受外力作用时的变形行为及抵抗变形和破坏的能力，通常包括强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、耐磨性等。它是选用建筑材料时首要考虑的基本性质。各种材料的力学性质是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。

2.2.1　材料的强度及强度等级

1)材料的强度

材料在荷载(外力)作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。当材料受到外力作用时，其内部就产生应力，荷载增加，所产生的应力也相应增大，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，达到应力极限，这个极限应力值就是材料的强度，又称极限强度。

强度的大小直接反映材料承受荷载能力的大小。由于荷载作用形式不同，材料的强度主要有抗压强度、抗拉强度、抗弯(抗折)强度及抗剪强度等。见表2-3。

表2-3　材料受力作用示意图及计算公式

试验测定的强度值除受材料本身的组成、结构、孔隙率大小等内在因素的影响外，还与试验条件有密切关系，如试件形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度及试验时加荷速度等。为了使测定的强度值准确且具有可比性，必须按规定的标准试验方法测定材料的强度。

2)材料的强度等级

材料的强度等级是按照材料的主要强度指标划分的级别。掌握材料的强度等级，对合理选择材料，控制工程质量是十分重要的。如烧结普通砖按抗压强度分为MU10～MU30共五个强度等级；硅酸盐水泥按28天的抗压强度和抗折强度分为42.5级～62.5级共三个强度等级；钢筋混凝土用的混凝土按其抗压强度分为C15～C80共十四个等级等。

材料的强度指的是材料的实测极限应力值，是唯一的；而每一强度等级则包含一系列实测强度。常用建筑材料的强度见表2-4。

表2-4　常用建筑材料的强度(MPa)

续表2-4

对不同材料要进行强度大小的比较可采用比强度。比强度是指材料的强度与其体积密度之比。它是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。几种主要材料的比强度见表2-5。

表2-5　几种主要材料的比强度

由表2-5数值可知，玻璃钢和木材是轻质高强的材料，普通混凝土是体积密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土——这一当代最重要的结构材料，向轻质、高强发展，是一项十分重要的工作。

2.2.2　材料的弹性与塑性

1)材料的弹性

材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失并能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。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，其比例系数E称为材料的弹性模量。材料在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力σ与应变ε的比值，用下式表示：

(2-20)

式中： E ——材料的弹性模量(MPa)；

σ——材料的应力(MPa)；

ε——材料的应变，无量纲。

E值是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E越大，材料越不易变形。

2)材料的塑性

材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为塑性。不能消失(恢复)的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形，是永久变形。

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仅产生弹性变形，受力超过一定极限后即产生塑性变形。有些材料在受力时，当所受外力小于弹性极限时，仅产生弹性变形；而外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形，如低碳钢，其变形曲线如图2-4(a)所示。有些材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失，如普通混凝土，其变形曲线如图2-4(b)所示。

图2-4　弹塑性材料的变形曲线

2.2.3　材料的脆性与韧性

1)材料的脆性

材料受外力作用，当外力达到一定限度时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显塑性变形，这种性质称为脆性，具有脆性的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，因此其抵抗冲击荷载或震动作用的能力很差。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如混凝土、玻璃、天然岩石、砖瓦、陶瓷等。

2)材料的韧性

在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质，称为韧性或冲击韧性。具有这种性质的材料称为韧性材料。材料的韧性用冲击韧性指标aK表示。冲击韧性指标是用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的能量。其计算公式为：

(2-21)

式中： aK——材料的冲击韧性指标(J/mm2)；

AK——试件破坏时所消耗的能量(J)；

A——试件受力净截面积(mm2)。

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，如吊车梁、桥梁、路面等所用材料，均应具有较高的韧性。

2.2.4　材料的硬度与耐磨性

1)材料的硬度

硬度是指材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。不同材料的硬度测定方法不同，通常采用的有刻划法和压入法两种。刻划法常用于测定天然矿物的硬度。矿物硬度分为10级(莫氏硬度)，其递增的顺序为：滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10。钢材、木材及混凝土等的硬度常用压入法测定，例如布氏硬度。布氏硬度值是以压痕单位面积上所受压力来表示的。

材料的硬度愈大，则其耐磨性愈好，但不易加工。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度，如回弹法测定混凝土强度实际上是用回弹仪测定混凝土表面硬度，间接推算混凝土强度。

2)材料的耐磨性

耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率表示，其计算公式为：

(2-22)

式中： N——材料的磨损率(g/cm2)；

m1、m2——分别为材料磨损前、后的质量(g)；

A——试件受磨面积(cm2)。

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，用于踏步、台阶、地面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。一般来说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。

【工程案例分析2-2】

测试强度与加荷载速度

现象：人们在测试混凝土等材料的强度时可观察到，对于同一试件，加荷载速度过快，所测值偏高。

原因分析：材料的强度除与其组成结构有关外，还与其测试条件有关，包括加荷载速度、温度、试件大小和形状等。当加荷载速度过快时，荷载的增长速度大于材料裂缝扩展速度，测出的数值就会偏高。为此，在材料的强度测试中，一般都规定其加荷载速度范围。

2.3　材料的耐久性

材料在使用过程中，能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不失去其原有性能的性质，称为耐久性。

影响材料耐久性的主要因素可归纳为内在因素和外在因素。

(1)内在因素主要包括材料的结构和构造性质、化学成分或组成性质等，它是造成材料耐久性下降的根本原因。当材料密实性较大时，耐久性通常较好；构造为开口贯通且孔隙较大的材料，耐久性通常较差；当材料的成分或组成易溶于水或其他液体，或易与其他物质产生化学反应时，材料的耐水性、耐蚀性等较差；无机矿物质脆性材料在温度剧变时，耐急冷急热性较差；晶体材料较同组成的非晶体材料的化学稳定性高；含不饱和键的有机材料，抗老化性较差。

(2)外在因素是指材料在使用过程中长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用，主要包括物理作用、化学作用、机械作用、生物作用和大气作用等。

① 物理作用。包括材料的干湿变化、温度变化及冻融变化等。这些变化可引起材料的收缩和膨胀，长期而反复作用会使材料逐渐破坏。

② 化学作用。包括酸、碱、盐等物质的水溶液及气体对材料的侵蚀作用，使材料的组成成分发生质的变化，而引起材料的破坏，如水泥石的化学侵蚀、钢材的锈蚀等。

③ 机械作用。包括冲击、疲劳荷载及各种气体、液体和固体引起的磨损或磨耗等。

④ 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，如木材及植物纤维材料的腐烂等。

⑤ 大气作用。指在阳光、空气及辐射的作用下，材料逐渐老化、变质而破坏，如沥青、高分子材料的老化。

耐久性是材料的一项综合性质，因材料的组成和构造不同，其耐久性的内容也不同，所以无法用一个统一的指标去衡量所有材料的耐久性。如钢材的锈蚀破坏；石材、混凝土、砂浆、烧结普通黏土砖等无机非金属材料，主要是因冻融、风化、碳化、干湿变化等物理作用而破坏，当与水接触时，有可能因化学作用而破坏；沥青、塑料、橡胶等有机材料因老化而破坏。

在实际工程中，由于各种原因，建筑材料常会因耐久性不足而过早破坏，因此，耐久性是建筑材料的一项重要技术性质。只有深入了解并掌握建筑材料耐久性的本质，从材料本身、设计、施工、使用、维护等各方面共同努力，才能保证材料和结构的耐久性，延长建筑物的使用寿命。

【工程案例分析2-3】

水 池 壁 崩 塌

现象：某市自来水公司一号池建于山上，1980年1月交付使用，1989年6月20日池壁突然崩塌，造成39人死亡、6人受伤的特大事故。该水池贮存的是冷却水，输入池内水温达41℃。该水池为预应力装配式钢筋混凝土圆形结构，池壁由132块预制钢筋混凝土板拼装，接口处部分有水泥。板块间接缝处用细石混凝土二次浇筑，外绕钢丝，再喷射砂浆保温层，池内壁设计未作防渗层，只要求在接缝处向两侧各延伸5 cm范围内刷两道素水泥浆。

原因分析：①池内水温高，增强了对池壁的腐蚀能力，导致池壁结构过早破损。②预制板接缝面未打毛，清洗不彻底，故部分留有泥土；且接缝混凝土振捣不实，部分有蜂窝麻面，其抗渗能力大大降低，使水分浸入池壁，并对钢丝产生电化学腐蚀。事实上，所有钢丝已严重锈蚀，有效截面减少，抗拉强度下降，以致断裂，使池壁倒塌。③设计方面亦存在考虑不周，且对钢丝严重锈蚀未能及时发现等问题。

2.4　材料的组成、结构、构造及其对材料性质的影响

建筑材料的性能受环境因素的影响固然很重要，但这些都是外因，外因要通过内因才起作用，所以对材料性质起决定作用的因素是其内因。所谓内部因素，是指材料的组成、结构、构造对材料性质的影响。

2.4.1　材料的组成及其对材料性质的影响

材料的组成是指材料的化学成分或矿物成分，它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。

1)化学组成

化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类与数量。当材料处于某一环境中，材料与环境中的物质间必然要按化学变化规律发生作用。如混凝土受到酸、盐类物质的侵蚀作用，木材遇到火时的耐燃、耐火性能，钢材和其他金属材料的锈蚀等，都属于化学作用。材料在各种化学作用下表现出的性质都是由其化学组成所决定的。

2)矿物组成

这里的矿物是指无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组织结构。矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。某材料，如天然石材、无机胶凝材料，其矿物组成是决定其性质的主要因素。例如，硅酸盐水泥中，熟料矿物硅酸三钙含量高，则其硬化速度较快，强度较高。

从宏观组成层次讲，人工复合的材料如混凝土、建筑涂料等是由各种原材料配合而成的，因此影响这类材料性质的主要因素是其原材料的品质及配合比例。

2.4.2　材料的结构及其对性质的影响

1)宏观结构

材料的宏观结构是指可用肉眼观察到的外部和内部结构。建筑材料常见的结构形式有：密实结构、多孔结构、纤维结构、层状结构、散粒结构、纹理结构。

(1)密实结构　密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差，如钢材、天然石材、玻璃钢等。

(2)多孔结构　多孔结构的材料其内部存在大体上呈均匀分布的、独立的或部分相通的孔隙，孔隙率较高，孔隙又有大孔和微孔之分。具有多孔结构的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况。一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，绝热性较好，如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。

(3)纤维结构　纤维结构的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向疏松，组织中存在着相当多的孔隙。这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好，如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。

(4)层状结构　层状结构的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片材或具有各向异性的片材胶合而成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状结构的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围，如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。

(5)散粒结构　散粒状结构是指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密，强度高，适合做混凝土集料；后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热材料。粒状结构的材料颗粒间存在大量的空隙，其空隙率主要取决于颗粒大小的搭配。用作混凝土集料时，要求紧密堆积，轻质多孔粒状材料用作保温填充料时，则希望空隙率大一些好。

(6)纹理结构　天然材料在生长或形成过程中，自然造成的天然纹理，如石材、大理石、花岗岩等板材，或人工制造材料时特意造成的纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等，这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。为了提高建筑材料的外观美，目前广泛采用仿真技术，已研制出多种纹理的装饰材料。

2)亚微观结构

亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。其尺度范围在10-3～10-9 m。材料的显微结构根据其尺度范围，还可以分为显微结构和纳米结构。其中，显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-3～10-7 m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙及界面特性等结构；对于金属材料，通常是研究其金相结构，即晶界及晶粒尺寸等。对于木材，通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有着显著的影响。例如，钢材的晶粒尺寸越小，钢材的强度越高。又如混凝土中毛细孔的数量减少、孔径减小，将使混凝土的强度和抗渗性等提高。因此，对于建筑材料而言，从显微结构层次上研究并改善材料的性能十分重要。

材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。其尺度范围在10-7～ 10-9 m。材料的纳米结构是20世纪80年代末期引起人们广泛关注的一个尺度。其基本结构单元有团簇、纳米微粒、人造原子等。由于纳米微粒和纳米固体有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理和化学性能，因而得到了迅速发展，在土木工程中也得到了应用，例如，磁性液体、纳米涂料等。通常胶体中的颗粒直径为1～ 100 nm，其结构是典型的纳米结构。

3)微观结构

材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征，它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的联系。建筑材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可以分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料，各具不同特性。

(1)晶体　构成晶体的质点(原子、离子、分子)是按一定的规则在空间呈有规律的排列。因此晶体具有一定的几何外形，显示各向异性。但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。

晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对晶体材料的性质有着重要的影响。例如在硅酸盐矿物材料(如陶瓷)的复杂晶体结构(基本单元为硅氧四面体)中，质点的相对密集程度不高，且质点间大多是以共价键联结，变性能力小，呈现脆性。

(2)非晶体　非晶体又称无定形物质，是相对晶体而言的。在非晶体中，组成物质的原子和分子之间的空间排列不呈现周期性和平移对称性，其结构完全不具有长程有序，只存在短程有序。非晶体包括玻璃体和凝胶等。

将熔融的物质进行迅速冷却(急冷)，使其内部质点来不及作有规则的排列就凝固了，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称无定形体。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清楚的解理面，加热时无固定熔点，只出现软化现象。同时，因玻璃体是在快速急冷下形成的，故内应力较大，具有明显的脆性，如玻璃等。

由于玻璃体在凝固时质点来不及作定向排列，质点间的能量只能以内能形式储存起来，因此玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能，在一定的条件下，易与其他物质发生化学反应。例如，粉煤灰、水淬粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，常被大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥的性质。硅酸盐水泥水化会产生凝胶体。

2.4.3　材料的构造及其对性能的影响

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的互相组合搭配情况。“构造”这一概念与结构相比，更强调相同材料或不同材料间的搭配组合关系。如材料的孔隙、掩饰的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。若孔隙是开口、细微且连通的，则材料吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性则提高。所以，对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，表观密度越大，则强度越高。

【工程案例分析2-4】

材料微观结构对性能的影响

现象：某工程灌浆材料采用水泥净浆，为了达到较好的施工性能，配合比中要加入硅粉，并对硅粉的化学组成和细度提出要求。但施工单位将硅粉误解为磨细石英粉，生产中加入的磨细石英粉的化学组成和细度均满足要求，仍造成在实际使用中效果不好，水泥浆体成分不均。

原因分析：硅粉又称硅灰，是硅铁厂烟尘中回收的副产品，其化学组成为SiO2，微观结构为表面光滑的玻璃体，能改善水泥净浆施工性能。磨细石英粉的化学组成也为SiO2，微观结构为晶体，表面粗糙，对水泥净浆的施工性能有副作用。硅粉和磨细石英粉虽然化学成分相同，但细度不同，微观结构不同，致使材料的性能差异明显。

【现代建筑材料知识拓展】月球上的建筑材料

1969年人类首次登上月球。人口增长，资源枯竭，月球很有可能成为若干年后人类地球以外的居住空间。人类如何在月球上建立自己的第二家园？

有专家认为，月球上可用来生产建筑材料的天然资源首推水泥和混凝土。从月球带回岩石的成分分析表明，月球岩石含丰富的氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁等，可直接煅烧生产与地球高铝水泥成分相近的胶凝材料。月球的岩石也可加工成碎石、碎砂，若解决水，则可在月球上生产水泥、混凝土。事情尽管令人鼓舞，但仍有不少问题，如月球表面为真空状态，混凝土浇筑有问题；又如月球的温度对水泥的水化硬化会有影响等。

请思考：在月球上采用什么建筑材料更为有利。

课后思考题

一、填空题

1.材料的吸水性大小用_________表示，吸湿性大小用_________表示。

2.材料与水接触时，按能否被水润湿，将材料分为_________和_________两大类。

3.材料的抗冻性以材料在吸水饱和状态下所能抵抗的_________来表示。

4.孔隙率越大，材料的导热系数越_________，其材料的绝热性能越_________。

5.散粒材料的总体积是由固体体积、_________和_________组成。

6.材料与水有关的性质有亲水性与憎水性、_________、_________、吸湿性、_________和_________。

7.同种材料的孔隙率越_________，其强度越高。当材料的孔隙一定时，_________孔隙越多，材料的保温性能越好。

8.在水中或长期处于潮湿状态下使用的材料，应考虑材料的_________性。

9.当孔隙率相同时，分布均匀而细小的封闭孔隙含量愈大，则材料的吸水率_________、保温性能_________、耐久性_________。

10.按材料的结构和构造的尺度范围，可分为三种：_________、_________和_________。

二、名词解释

1.材料的孔隙率　2.憎水性材料　3.材料的弹性

4.表观密度　5.比热容

三、单项选择题

1.材料在水中吸收水分的性质称为(　　)。

A.吸水性　B.吸湿性　C.耐水性　D.渗透性

2.材料的耐水性用(　　)来表示。

A.渗透系数　B.抗冻性　C.软化系数　D.含水率

3.评定钢材强度的基本指标是(　　)。

A.抗压强度　B.抗拉强度　C.抗弯强度　D.抗折强度

4.某材料吸水饱和后重110g，比干燥时重了10g，此材料的吸水率等于(　　)。

A.10%　B.11.1%　C.9.1%　D.9.9%

5.含水率为10%的砂220 g，其干燥后的重量是(　　)g。

A.209　B.209.52　C.210　D.200

6.以下四种材料中属于憎水性材料的是(　　)。

A.花岗岩　B.木材　C.石油沥青　D.混凝土

7.材料的抗渗标号为P6，说明该材料所能承受的最大水压力为(　　)。

A.6 MPa　B.0.6 MPa　C.60 MPa　D.66 MPa

8.对于同一种材料，密度、表观密度与堆积密度之间的关系是(　　)。

A.密度>堆积密度>表观密度　B.密度>表观密度>堆积密度

C.堆积密度>密度>表观密度　D.表观密度>堆积密度>密度

9.当材料的孔隙率增大时，材料的(　　)一定降低。

A.密度和表观密度　B.抗冻性和抗渗性

C.表观密度和强度　D.憎水性和亲水性

10.脆性材料的特征是(　　)。

A.破坏前无明显变形　B.抗压强度与抗拉强度均较高

C.抗冲击破坏时吸收能量大　D.受力破坏时，外力所做的功大

11.一般而言，材料的导热系数是(　　)。

A.金属材料>无机非金属材料>有机材料　B.金属材料>有机材料>无机非金属材料

C.金属材料<有机材料<无机非金属材料　D.金属材料<无机非金属材料<有机材料

12.材料的耐水性可用软化系数表示，软化系数是(　　)。

A.吸水后的表观密度与干表观密度之比

B.饱水状态的抗压强度与干燥状态的抗压强度之比

C.饱水后的材料质量与干燥质量之比

D.饱水后的材料体积与干燥体积之比

四、简述题

1.某砖在干燥状态下的抗压强度为20 MPa，当其在吸水饱和状态下抗压强度为14 MPa，请问此砖是否适用于潮湿环境的建筑物？

2.简述材料强度的概念及其影响强度测定的因素。

3.试述材料的孔隙率和空隙率的概念与区别。

4.简述材料导热系数的物理意义及影响因素。

5.简述材料的耐久性与其应用价值间的关系，能否认为材料的耐久性越高越好？

6.软化系数是反映材料什么性质的指标？为何要控制这个指标？

7.简述材料的亲水性与憎水性在建筑工程中的应用。

8.影响材料抗渗性的因素有哪些？如何改善材料的抗渗性？

9.保温、隔热材料为什么要注意防潮、防冻？

10.材料的孔隙率的大小和孔隙特征是如何影响密度、体积密度、抗渗性、抗冻性、导热性等性质的？

五、计算题

1.某材料的体积密度为1 820 kg/m3，孔隙率为30%，试求该材料的密度。

2.某岩石在气干、绝干、水饱和状态下测得的抗压强度分别为172 MPa、178 MPa、168 MPa，该岩石可否用于水下工程。

3.某一块状材料的全干质量为100 g，自然状态体积为40 cm3，绝对密实状态下的体积为33 cm3，试求该材料的密度、体积密度和密实度。

4.烧结普通砖的尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为2 487 g， 浸水饱和质量为2 984 g，试求该砖的体积密度、密度、质量吸水率。