建筑材料的基本性质

第一章 建筑材料的基本性质

教学要求

1、熟悉本课程经常涉及到的有关材料性质的基本概念，为学好以后各章知

识创造条件。

2、了解材料的组成与结构，及其与材料性质的关系。

3、掌握材料的基本物理性质、与水有关的性质及与热有关的性质及其表示

方法，并能熟练地运用。

4、了解材料力学性质及耐久性的基本概念。

内容提要

1、材料的组成与结构

（1）材料的组成：化学组成；矿物组成。

（2）材料的结构：宏观结构；显微结构；微观结构；材料孔隙。

2、材料的物理性质

（1）基本物理性质：体积密度、密度及表观密度，材料的孔隙率；散粒 材料的堆积密度与空隙率。

（2）材料与水有关的性质：亲水性与憎水性、吸水性、耐水性、抗水性。

（3）材料与热有关的性质：导热性、热容量。

3、材料的力学性质

（1）材料强度：材料在不同荷载下的强度；试验条件对材料强度试验结果 的影响；强度等级或标号；比强度。

（2）材料变形：弹性变形；塑性变形。

（3）冲击韧性。

（4）硬度、磨损及磨耗。

4、材料的耐久性

重点、难点

重点：材料的物理性质、力学性质及有关计算。

难点：材料基本物理性质的有关计算。

第一节 材料的化学组成、结构与构造

一、材料的化学组成

材料的化学组成是决定材料性质的内在因素之一。主要包括：元素组成和矿物组成。

二、材料的微观结构

材料的性质与材料内部的结构有密切的关系。材料的结构主要分成：宏观结构、显微结构、微观结构。

微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜和X 射线来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在610~1010??m 。材料的许多物理性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、导电性等都是由其微观结构所决定。

从微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。

1．晶体。质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构称为晶体结构。晶体具有如下特点:

（1）具有特定的几何外形，这是晶体内部质点按特定规则排列的外部表现。

（2）具有各向异性，这是晶体的结构特征在性能上的反应。

（3）具有固定的熔点和化学稳定性，这是晶体键能和质点处于最低能量状态所决定的。

（4）结晶接触点和晶面是晶体结构破坏或变形的薄弱部位。

根据组成晶体的质点及化学键的不通，晶体可分为：

原子晶体：中性原子与共价键结合的晶体，如石英等。

离子晶体：正负离子与离子键结合的晶体，如等。

2CaCl 分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合的晶体，如有机化合物。

金属晶体：以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结合的晶体，如钢。

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。例如碳素钢，其晶体中的质点相对密集程度较高，质点间又是以金属键联结着，结合力强，故钢材具有较高的强度、很大的塑性变形能力。同时，因其晶格间隙中存在着自由运动的电子，从而使钢材具有良好的导电性和导热性。而在硅酸盐矿物材料（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，结合力较弱，故这类材料的强度较低，变形能力差，呈现脆性。同时，晶粒的大小对材料性质也

有重要影响，一般晶粒愈细，分布愈均匀，材料的强度愈高。所以改变晶粒的粗细程度，可使材料性质发生变化，如钢材的热处理就是利用这一原理。

2．玻璃体。将熔融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及作有规则的排列就凝固，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称为无定形体或非晶体。玻璃体的结合键为共价键与离子键。其结构特征为构成玻璃体的质点在空间上呈非周期性排列。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清晰的解理面，加热时无固定的熔点，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，例如玻璃。

对玻璃体结构的认识，目前有如下三种观点：

（1）构成玻璃体的质点呈无规则空间网络结构。此为无规则网络结构学说。

（2）构成玻璃体的微观组织为微晶子，微晶子之间，通过变形和扭曲的界面彼此相连。此为微晶子学说。

（3）构成玻璃体的微观结构为近程有序、远程无序。此为近程有序、远程无序学说。 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的形式储存起来，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。例如水淬粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，经常大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性能。玻璃体在烧土制品或某些天然岩石中，起着胶粘剂的作用。

3．胶体。物质以极微小的质点（粒径为710~109?? m ）分散在介质中所形成的结构称为胶体。其中分散粒子一般带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，从而使胶体保持稳定性。由于胶体的质点很微小，其总表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有较强的粘结力。

在胶体结构中，若胶粒较少，则液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响较大，这种胶体机构称为溶胶结构。溶胶具有较大的流动性，土木工程材料中的涂料就是利用这一性质配制而成。若胶粒数量较多，则胶粒在表面能的作用下产生凝聚作用或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相联，形成空间网络结构，从而使胶体结构的强度增大，变形性能减小，形成固态或半固体状态，此胶体结构称为凝胶结构。凝胶具有触变性，即凝胶被搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶粘剂等均表现出触变性。当凝胶完全脱水硬化变成干凝胶体，它具有固体的性质，即产生强度。硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是干凝胶体。

胶体结构与晶体及玻璃体结构相比，强度较低、变形较大。

对材料的组成和微观结构的分析与研究，通常采用x射线衍射分析、差热分析、红外光谱分析、扫描电镜分析、电子探针微区分析等方法。

三、材料的构造

材料在宏观可见的层次上的组成形式成为构造，按照材料的宏观组织和孔隙状态的不同可将材料分为以下类型：

1.致密状构造：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，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。

2.多孔状构造：多孔结构的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立或部分相通的孔隙，孔隙率较大。孔隙有大孔和微孔之分。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，吸水性较大，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。

3.微孔状构造：该种结构具有众多直径微小的孔隙，通常密度和导热系数较小，有良好的隔声吸声性能和吸水性，抗渗性能较差。石膏制品，烧结砖具有典型的微孔状构造。

4.颗粒状构造：颗粒状构造的材料是指呈松散颗粒状的材料。颗粒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，适合做承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因其多孔结构，适合做绝热材料。粒状构造的材料，颗粒间存在大量的空隙，其空隙率主要取决于颗粒级配。

5.纤维状构造：纤维结构的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向较疏松，组织中存在相当多的孔隙，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、玻璃纤维、石棉等。

6.层状构造：层状结构的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片状材料或具有各向异性的片状材料胶合成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，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、绝热性或装饰性等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。

四、建筑材料的孔隙

材料实体内部和实体间常常部分被空气所占据，一般称材料实体内部被空气所占据的空间为孔隙，而材料实体之间被空气所占据的空间为空隙。

孔隙率是指孔隙在材料体积中所占的比例。一般孔隙率越大，材料的密度越小、强度越

低、保温隔热性能越好、吸声隔热能力越高。

第二节 材料的物理性质

一、 材料与质量有关的性质

1.材料的密度、表观密度、体积密度和堆积密度

密度：物质单位体积的质量

根据材料所处的体积状况部同，分实际密度、表观密度、体积密度、堆积密度。

（1）. 实际密度（简称密度） 用公式表示为：

V

m =

ρ （1-1） 式中： ρ——材料的密度（）； 3

/cm g m ——材料在干燥状态下的重量（）；

——干燥材料在绝对密实状态下的体积（）。

g V 3cm 材料在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本身的体积，

亦称实体积。土木工程料中除钢材、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定有孔隙的材料密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.20mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。

绝对密实状态下 不含任何孔隙的体积

磨成细粉用密度瓶测体积--密度

致密的不规则散粒材料--排水法

相对密度：无量纲

（2）. 表观密度 包含孔隙在内--水分影响密度--干密度。用公式表示为：

'

'V m =

ρ （1-2） 式中： 'ρ——材料的表观密度（或）； 3/cm g 3

/cm kg

m ——材料的重量（g 或）；

——材料的表观体积（或）

。 kg 'V 3cm 3m （3）. 体积密度

材料在自然状态下，单位体积的质量。材料在自然状态下单位体积的重量称为材料的体积密度（原称容重，道路工程中亦称为毛体积密度）。 用公式表示为：

0V m =

ρ （1-3） 式中： 0ρ——体积密度（或）；

——材料的重量（3/cm g 3/cm kg m g 或）；

kg 0V ——材料在自然状态下的体积（或）。

3cm 3m 材料在自然状态下的体积是指包含材料内部开口孔隙和闭口孔隙的体积。对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的重量和体积（可用量具量测），即可算得。不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防止水分渗入材料内部而使所测结果不准。

材料表观密度的大小与其含水情况有关。当材料含水率变化时，其重量和体积均有所变化。因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。在烘干状态下的表观密度称为干表观密度。

（4）. 堆积密度

粉状、粒状、纤维状材料在堆积状态下，单位体积所具有的质量。 用公式表示为：

'0

'0V m =ρ （1-4） 式中：

'0ρ——散粒材料的堆积密度（）； 3

/cm kg m ——散粒材料的重量（）；

kg '0V ——散粒材料在自然堆积状态下的体积（）

。 3m 散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙

在内的总体积。散粒材料的体积可用已标定容积的容器测得。砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。

由于大多数材料或多或少含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度。 包含孔隙与空隙。

2． 材料的密实度和孔隙率

（1）. 密实度

固体物质的体积占总体积的百分率称为密实度。反映材料体积内被固体物质所充实的程度。用公式表示为：

%100%10000×=×=

ρ

ρV V D （1-5） （2）. 孔隙率 材料内部孔隙体积占总体积的百分率称为材料的孔隙率（P）。用公式表示为：

%1001(%100000×?=×?=ρ

ρV V V P （1-6） 材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造）可以不同。按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种，连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。孔隙率的大小及其孔隙特征与材料的许多重要性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。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，抗渗性和抗冻性较好。

密实度＋孔隙率＝1

3. 填充率与空隙率

（1）. 填充率 散粒状材料在其堆积体积中，被颗粒实体体积填充的程度。可用下式表示：

%100%1000'

00'0

'×=×=ρρV V D （1-7） （2）. 空隙率

散粒材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占总体积的百分率称为空隙率（）。用公式表示为： '

P

%1001(%1000'

00

'00''×?=×?=ρρV V V P （1-8） 空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。

在配制混凝土时，砂、石的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。 二、 材料与水有关的性质

1. 亲水性与憎水性

当材料在空气中与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，即具有亲水性；有些材料则不能被水润湿，即具有憎水性。

材料具有亲水性的原因是材料与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力。当材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，材料表现为憎水性。

材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1-1所示。θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当θ≤90度时（如图1-1a），材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；θ＞90度时（如图1-1b），材料表面不吸附水，此种材料称为憎水性材料。当θ=0度时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和

憎液材料。

亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而渗入材料内部。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。憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。土木工程材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料等为憎水性材料。

亲水性材料：石料、砖、混凝土、木材

憎水性材料：沥青、石蜡--防水材料

2. 吸水性（浸水状态下）

吸水性。材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，有以下

两种表示方法：

（1）吸水率：质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的质量占材料干质量的百分率。用下式表示：

%1001

12×?=

m m m W W （1-9） 式中： W W ——材料的质量吸水率（%）；

2m ——材料在吸水饱和状态下的质量（）；

g 1m ——材料在干燥状态下的质量（）。

g （2）体积吸水率：体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用下式表示：

%10010120×??==

W

W V V m m V V W ρ （1-10） 式中： V W ——材料的体积吸水率（%）；

W V ——材料所吸收水分的体积（）；

3

cm 0V ——干燥材料在自然状态下的体积（）； 3cm W ρ——水的密度（），在常温下可取3/cm g W ρ=1。

3

/cm g 土木工程用材料一般采用重量吸水率。重量吸水率与体积吸水率有下列关系： 0V W W W ρ=? （1-11）

式中：

0ρ——材料在干燥状态下的体积密度（）。

3

/cm g 材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。

材料的吸水性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率差异很大，如花岗岩的吸水率只有

0.5%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，烧结普通砖的吸水率为8%～20%，木材的吸水率可超过100%。

吸水率大对材料是不利的。

3. 吸湿性

吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率是指材料内部所含水重量占材料干重量的百分率。用公式表示为：

1

1m m m W k ?=

（1-12） 式中： W ——材料的含水率（）；

%k m ——材料在吸湿状态下的重量（）；

g 1m ——材料在绝对干燥状态下的重量（）。

g 材料的吸湿性随着空气湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率较大，反之则小。材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积很大，吸附水的能力很强所致。

材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、导热性增大、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用。

4. 耐水性

材料长期在饱和水作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示： f

f K w p =

（1-13） 式中： p K ——材料的软化系数；

w f ——材料在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）

。 p K 值的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。材料的软化系数在0～1之间。不同材料的值相差颇大，如粘土=0，而金属=1。土木工程中将≥0.85的材料，称为耐水材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用>0.85的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其值不宜小于0.75。

p K p K p K p K p K p K p K 5. 抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的意义是：一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为： 由d

HA k Q t ?= 得 t

HA Qd k =

（1-14） 式中： k ——材料的渗透系数（）；

h cm /Q ——渗透水量（）； 3

cm d ——材料的厚度（）；

cm A ——渗水面积（）； 2

cm t ——渗水时间（）；

h H ——静水压力水头（cm ）。

k 值愈大，表示渗透材料的水量愈多，即抗渗性愈差。

材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”表示，其中n 为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数，如P4、P6、P8、PS10、P12等分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa 的水压而不渗水。

材料的抗渗性与其孔隙特征有关。细微连通的孔隙中水易渗入，故这种孔隙愈多，材料

的抗渗性愈差。封闭孔隙中水不易渗入，因此封闭孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔中水最易渗入，故其抗渗性最差。

抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下结构、压力管道、压力容器等结构时，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。

6. 抗冻性

吸水饱和状态下破坏作用时由于材料孔隙内的水结冰时体积膨胀而引起的。

材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而重量损失不大，强度也无显著降低的性质称为材料的抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和重量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。

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。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F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。

材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9%，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力，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多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对结冰膨胀所产生的冻胀应力的抵抗能力。如果孔隙未充满水，即还未达到饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大的冻胀应力。极细的孔隙虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水冰点很低，它在一般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用。毛细管孔隙中易充满水分，又能结冰，故对材料的冰冻破坏影响最大。若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。

另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻融破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。

抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项重要指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。

例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状态下的体积为40立方厘米，质量为85.50克，吸水饱和后的质量为89.77克，烘干后的质量为82.30克。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙率、闭口孔隙率、含水率。

解：密度=干质量/密实状态下的体积=82.30/40×（1-0.24）=2.7克/立方厘米

开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积=（89.77-82.3）÷1/40=0.187

闭口孔隙率=孔隙率-开口孔隙率=0.24-0.187=0.053

表观密度=干质量/表观体积=82.3/40×（1-0.187）=2.53

含水率=水的质量/干重=（85.5-82.3）/82.3=0.039

三、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，当其相对两侧表面温度差为1k 时，在1s 时间内通过1

面积的热量。用公式表示为： 由d

t T T A Q )(21?=λ，得 At

T T Qd )(21?=

λ （1-15） 式中： λ——材料的导热系数（

）；

Q ——传导的热量（J）； d ——材料厚度（m）；

A ——热传导面积（）；

t ——热传导时间（s）；

21T T ?——材料两侧温度差（k）。

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，大致在

0.029～3.5，如泡沫塑料，而大理石。工程中通常把的材

料称为绝热材料。 导热系数与材料内部孔隙构造有密切关系。由于密闭空气的导热系数很小（），所以，材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高。材料受潮或受冻后，其导热系数大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多（分别为0.58

和2.20）。因此，绝热材料应经

常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。

2. 比热容、热容量

热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质，可用下式表示： )(12T T Cm Q ?= （1-16）

式中：

Q ——材料的热容量（J）

； m ——材料的重量（g）；

12T T ?——材料受热或冷却前后的温度差（k）；

C ——材料的比热（）。

比热的物理意义是指1g 重量的材料，在温度升高或降低1k 时所吸收或放出的热量。用公式表示为：

)

(12T T m Q C ?=

（1-17） 式中： Q 、、、C 的意义，同前面所述。

m 12T T ?比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为4.19

，而结冰后比热则

是2.05。 材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，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。

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土木工程筑材料，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绝热层厚度的重要数据。

3. 耐燃性和耐火性

耐燃性：材料在火焰或高温作用下可否燃烧的性质。

耐火性：材料在火焰或高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。用其耐受的时间来表示，称为耐火极限。

第三节 材料的力学性质

材料在外力作用下，有关抵抗破坏和变形的能力的性质。

一、材料的强度特征

1. 材料的强度

材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料受外力作用时，其内部产生应力，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，应力达到极限值，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，如图1-3-1所示。

图1-3-1 材料受外力作用示意图

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、抗拉和抗剪的计算公式为：

A

P f max =

（1-18） 式中： f ——材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪）（）；

max P ——试件破坏时的最大荷载（N）；

A ——试件受力面积（）。

材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其二支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯极限强度按下式计算：

2max 23bh

L P f t =

（1-19） 式中：

t f ——材料的抗弯极限强度（）；

max P ——试件破坏时的最大荷载（N）；

L——试件两支点间的距离（mm）；

b、h——分别为试件截面的宽度和高度（mm）。

（1）. 抗压强度：fc

混凝土、砖、石等的重要力学指标。

试件的尺寸都有一定的规定（为了便于比较、交流）。

对混凝土来说，有立方体抗压强度、轴心抗压强度（棱柱体强度）

立方体抗压强度：边长为150mm 的立方体在20o±3oC 的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天。--《混凝土结构设计规范》

试验方法对强度有较大的影响--"箍"的作用。

棱柱体强度：150×mm×150mm×300mm

（2）. 抗拉强度：ft

钢材的重要力学指标

建筑中，钢材一般都是用来承受拉力的（梁、板中的应用）。

钢筋根据它的力学指标也分为几个等级。

（3）. 抗剪强度：fv

在钢结构的牛腿设计中经常用到。

在混凝土梁、板设计中也要用到抗剪计算，要复杂多了，涉及到混凝土及钢筋两种不同的材料。

（4）. 抗弯强度：ftm

2．影响材料试验结果的因素

（1）试件的性质和大小：相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快

者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。

（2）加荷速度：加荷速度快者，强度值偏高。

（3）温度：一般温度高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。

（4）含水状况：含有水分的材料，其强度较干燥时的低。

（5）表面状况：试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。

3．强度等级

各种材料的强度差别甚大。建筑材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为4个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级等等。建筑材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。

注意：对于以力学性质为主要性能指标的材料，通常按其强度值的大小划分成若干等级或标号。脆性材料（混凝土、水泥等）主要以抗压强度来划分等级或标号，塑性材料（钢材等）以抗拉强度来划分。强度值和强度等级或标号不能混淆，前者是表示材料力学性质的指标，后者是根据强度值划分的级别。

4. 比强度

为了对不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度反映材料单位体积重量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度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。玻璃钢和木材是轻质高强的材料，它们的比强度大于低碳钢，而低碳钢的比强度大于普通混凝土。普通混凝土是表观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。

飞机上的一些合成材料是典型的轻质高强型材料，建筑也在向这个方向发展。比如铝合金的广泛应用，一些高强塑料代替钢铁（UPVC）。

二、 材料的弹性与塑性

1.弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力消除后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。

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称为弹性模量。材料

在弹性变形范围内，弹性模量为常数，其值等于应力 与应变 之比，即：

ε

σ=E （1-19） 弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。弹性模量愈大，材料愈不易变形，亦即刚度愈好。弹性模量是结构设计的重要参数。

2.塑性变形：材料在外力作用下产生变形而不出现裂缝，当外力消除后，不能够自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种变形称为塑性变形。

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，当外力超过一定值时，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产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，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1-4所示，图中ab 为可恢复的弹性变形，bo 为不可恢复的塑性变形。

弹塑性材料的变形曲线

三、 材料的韧性与脆性

材料受外力作用，当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性。具有这种性质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，可高达数倍甚至数十倍。脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力很差，只适合用作承压构件。土木工程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。

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧性指标表示。冲击韧性指标是指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。

脆性材料：抗压强度比抗拉强度高得多。

四、 材料的硬度和耐磨性

1. 硬度：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，常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，按刻划法矿物硬度分为十级（莫氏硬度），其硬度递增顺序为滑石1级、石膏2级、方解石3级、萤石4级、磷灰石5级、正长石6级、石英7级、黄玉8级、刚玉9级、金钢石10级。钢材、木材及混凝土等材料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。

一般材料的硬度愈大，则其耐磨性愈好。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。

2. 耐磨性：耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。在土木工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。

第四节 材料的耐久性

耐久性是材料的一项综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有着密切关系。

一、环境对材料的作用

在构筑物使用过程中，材料除内在原因使其组成、构造、性能发生变化以外，还长期受到周围环境及各种自然因素的作用而破坏。这些作用可概括为以下几方面： 1．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，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。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，以及日光等对材料的作用，使材料产生本质的变化而破坏。

3．机械作用。包括荷载的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。

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、蛀蚀等破坏。

各种材料耐久性的具体内容，因其组成和结构不同而异。例如钢材易氧化而锈蚀；无机非金属材料常因氧化、风化、碳化、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。

二、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作出判定。在实验室进行快速试验的项目主要有：干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。

三、提高材料耐久性的重要意义

在设计选用土木工程材料时，必须考虑材料的耐久性问题。采用耐久性良好的土木工程材料，对节约材料、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。

本章小结

了解内容：一 建筑材料性质分为物理性质、化学性质、力学性质、耐久性。

二 建筑材料的内部结构层次：

原子晶体，以强度、硬度和熔点高而著称；

离子晶体，在建材中较为普遍，影响材料的强度和硬度。

分子晶体，硬度小、熔点低。

三 建筑材料的孔隙：

孔隙形成的原因：水分的占据作用、外加的发泡作用、火山作用、焙烧作用。

孔隙的类型：连通孔隙、封闭孔隙、半封闭孔隙。

空隙对材料性质的影响：见书第8页。

重点内容：一 体积密度、密度、表观密度

体积密度：此密度中的体积指全部固体体积和全部孔体积之和。

密度：此密度中的体积指固体体积。

表观密度：此密度中的体积指固体体积和闭口孔体积之和。

二 孔隙率

掌握孔隙率的定义及计算公式，着重是开口孔隙率和闭口孔隙率。

三 散粒材料的堆积密度及空隙率

堆积密度：此密度中的体积指全部固体体积和孔隙体积及空隙体积。

空隙率：见书。

四 亲水性和增水性

润湿角小于或等于90度时，为亲水性；润湿角大于90度时，为增水性。

五 吸水性：