《建筑材料》

教師：周萬良第一章緒論主要內容一.建筑材料的分類二.建筑材料的重要作用三.建筑材料的發展趨勢四.建筑材料的標準化五.學習本課程的目的、要求和方法一.建筑材料的分類根據化學成分，建筑材料可分為無機材料，有機材料和復合材料。見下表。附：灰砂磚：蒸壓灰砂磚是以適當比例的石灰和石英砂、砂或細砂巖,經磨細、加水拌和、半干法壓制成型并經蒸壓養護而成。粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰為主要原料(也可以摻加適量石膏和骨料)，經坯料制備、壓制成型，加常壓或高壓蒸汽養護而成的墻體材料。顏色呈黑灰色。玻璃鋼的科學名稱是玻璃纖維增強塑料，它是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料,以合成樹脂作基體材料制作而成。按功能可以分為建筑結構材料，墻體材料和建筑功能材料。見下表。建筑結構材料：主要指構成建筑物受力構件或結構所用的材料。如梁、板、柱、基礎等部位所用材料。對這類材料的主要技術性能要求是力學性能和耐久性。建筑功能材料：主要是指擔負某些建筑功能、非承重用的材料，它們賦予建筑物防水、防火、保溫、隔熱、采光、隔聲、裝飾等功能。用于建筑物內、外及分隔墻體所用的墻體材料分為承重墻材和非承重墻材，前者有力學性能要求，后者則起圍護作用并擔負部分建筑功能要求。建筑材料建筑結構材料磚混結構：石材、磚、水泥混凝土、鋼筋鋼木結構：建筑鋼材、木材墻體材料磚及砌塊：普通磚、空心磚，硅酸鹽砌塊墻板：混凝土墻板、石膏板、復合墻板建筑功能材料防水材料：瀝青及其制品絕熱材料：石棉、礦棉，玻璃棉、膨脹珍珠巖吸聲材料:木絲板、毛氈，泡沫塑料采光材料：玻璃裝飾材料：涂料、塑料裝飾材料、鋁材、陶瓷緒論二.建筑材料的重要作用（1）是各種土木工程的物質基礎，在建筑工程中建材所占的投資比例為40-70%左右。見圖１～圖６。（2）材料決定了建筑結構的設計方法。如鋼材和混凝土強度提高可使鋼筋混凝土結構的承載力提高，從而可縮小結構的截面尺寸，降低建筑物的自重和材料消耗量，繼而可降低建筑物造價和地基處理費用。（3）材料決定施工方法。如木結構建筑物的施工，要用到鋸子、釘子、刨子等，而鋼結構施工則要用到焊接工具、切割工具、吊車等，而鋼筋混凝土結構則要進行立模、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。（4）是工程質量優劣的決定性因素之一。材料質量的優劣，配制是否合理，選用是否恰當直接影響建筑工程質量。（５）材料與建筑結構相互影響、相互發展。一種新的建筑材料的出現，必將促進建筑結構的改變。如鋼筋混凝土、預應力混凝土的出現，大大提高了混凝土的抗拉強度，從而使利用混凝土建造大跨度橋梁稱為可能；高強度混凝土出現使建造高層建筑物成為可能。同樣，新的建筑結構的出現、新的建筑功能要求又會促進材料科學的發展。如港口工程、海洋工程中的結構物要求耐化學腐蝕能力強，故要求人們去研制耐腐蝕性高的混凝土和鋼材。地下結構、隧道和地鐵工程則需要高抗滲防水材料，故人們想方設法的提高材料的抗滲性，等等。上海金茂大廈圖１天安門圖３所用建筑材料：土、石、木料、磚、石灰，磚石材料就達1億m3。圖４埃菲爾鐵塔圖５三.建筑材料的發展趨勢（1）輕質、高強材料。材料越輕質高強，則建筑物可越高、跨度可越大、施工越容易。（2）高性能材料。材料的性能提高，相應地使用壽命提高，使用期材料的維修費用降低，從而可節約材料、降低建造和使用成本，減少能耗和廢棄物的排放等。（3）綠色環保型材料。又稱環境友好型材料或生態材料，包括低耗能材料，用工農業廢料、廢渣等代替自然資源生產的材料,降低材料生產過程中廢棄物的排放量，材料的再生循環利用等等，要做到既發展建筑材料，又不損害后代人的利益。四.建筑材料的標準化材料的技術標準:國家標準、行業標準、企業標準和地方標準。GB-國家標準 GB/T—國家推薦性標準GBJ-建筑工程國家標準 JGJ-建設部行業標準JG—建筑工業行業標準HG—化工部標準SH—石油化學工業部標準JC-國家建材局行業標準YB-冶金部行業標準 JTJ-交通部行業標準SD-水電行業標準 DB-地方標準Q—企業標準標準的表示方法：標準名稱+部門代號+編號+批準年份例：《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007ASTM—美國國家標準BS—英國國家標準DIN—德國國家標準JIS—日本國家標準ISO—國際標準國家標準和部門行業標準都是全國通用標準，屬國家指令性技術文件，均必須嚴格遵照執行，尤其是強制性標準。標準是根據一定時期的技術水平制定的，它隨技術水平的發展需要進行修訂，新標準實施后，舊標準自動廢除。標準是對重復性事物和概念所做的統一規定。它以科學、技術和實踐經驗的綜合成果為基礎，經有關方面協商一致，由主管機構批準，以特定形式發布，作為共同遵守的準則和依據。標準的本質屬性是一種“統一規定”。這種統一規定是作為有關各方共同遵守的準則和依據。我國標準分為強制性標準和推薦性標準兩類。強制性標準必須嚴格執行，做到全國統一。推薦性標準國家鼓勵企業自愿采用。但推薦性標準如經協商，并計入經濟合同或企業向用戶作出明示擔保，有關各方則必須執行，做到統一。標準制定的對象是重復性事物和概念。這里講的“重復性”指的是同一事物或概念反復多次出現的性質。例如批量生產的產品在生產過程中的重復投入，重復加工，重復檢驗等。只有當事物或概念具有重復出現的特性并處于相對穩定時才有制定標準的必要。制定標準過程要經有關方面協商一致。如制定產品標準不僅要有生產部門參加，還應當有用戶、科研、檢驗等部門參加共同討論研究，這樣制定出來的標準才具有權威性、科學性和適用性。標準化：包括制定，發布及實施標準的過程。通過制定、發布和實施標準，達到統一是標準化的實質。

第二章建筑材料的基本性質建筑材料的基本性質歸納起來可分為：一.物理性質：包括密度、與水有關的性質、與熱有關的性質等。二.力學性質：包括強度、塑性與彈性、脆性與韌性等性質。三.耐久性：材料在長期使用中，會受到環境和其內部各種破壞因素的作用（物理、化學及生物因素等）而導致其使用功能下降。材料抵抗這些因素破壞作用的能力叫耐久性。包括抗滲性、抗凍性、耐腐蝕性等。主要內容2.1材料的物理性質2.2材料的力學性質2.3材料的耐久性2.4材料的組成、結構和構造及其對性能影響2.1材料的物理性質2.1.1與密度有關的性質

密度是指材料的質量與其體積之比。根據材料所處狀態不同，可分為（真）密度、表觀密度和堆積密度。一、密度干燥材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量稱為密度。ρ=m/v

（式中：ρ—密度，ｇ／ｃｍ３；m－材料實體積的質量；

v—材料在絕對密實狀態下的體積，即材料內固態物質的實體積，也可叫絕對體積）注意：（1）干燥狀態的材料（2）單位：ｇ／ｃｍ３，一般不用kg/ｍ３（3）實體積的測定：在建筑材料中，除金屬、玻璃、瀝青等少數材料外，都含有一些孔隙。為了測得含孔材料的密度，應把材料磨成細粉（粒徑至少小于0.20mm），除去孔隙，經干燥后用李氏密度瓶測定實體積。材料磨得越細，所測得的體積越接近絕對體積。硅酸鹽水泥：3.0~3.15ｇ／ｃｍ３，火山灰水泥、礦渣水泥或粉煤灰水泥：2.8~3.0ｇ／ｃｍ３，粉煤灰：2.2~2.3ｇ／ｃｍ３

注意：（1）表觀體積=實體積+全部孔隙體積。但道路建筑材料表觀體積的含義與此不同，因而表觀密度的定義也與此不同。（2）單位：kg／ｍ３和ｇ／ｃｍ３均可。（3）表觀密度與材料的含水狀態有關，一般含水量增加，表觀密度增加。除有特別說明外，一般指干燥狀態時的表觀密度。（4）表觀體積的測定方法：形狀規則的材料，用尺子測量。形狀不規則的材料，加工成規則的形狀，用尺子測量。不必加工的材料，如吸水率（如砂、石）很小，直接用排液法（排水法或排油法）測量。否則將材料表面封蠟，再用排水法測量。（5）碎石或卵石：2.7ｇ／ｃｍ３，砂：2.6ｇ／ｃｍ３，普通混凝土：2400~2450kg／ｍ３V——實體積V0——表觀體積v’——視密度時用到的體積m——實體積對應的質量mp——孔隙的質量mo——表觀體積對應的質量

VV′V0mmpmo某塊材料的質量與體積關系四、材料的孔隙與密實度孔隙對材料性質的影響：孔隙率大小和孔隙特征與材料的許多重要性質如強度、抗滲性、吸水性、抗凍性和導熱性等有密切關系?？紫兜亩嗌伲嚎紫堵市。瑒t材料密實程度高，材料強度高?？紫兜奶卣鳎喊纯紫冻叽绱笮?，可把孔隙分為為微孔（孔徑<100nm）、毛細孔（孔徑為100nm～1000nm）和大孔（孔徑>1000nm）三種。按孔隙之間是否相互貫通，把孔隙分為孤立孔、連通孔。按孔隙與外界之間是否連通，把孔隙分為開口孔、封閉孔。開口毛細孔越多，材料吸水性大；開口孔隙越多，材料抗滲、抗凍性越差；閉口孔隙越多，材料抗滲、抗凍性和隔熱性反而越好?？紫堵剩嚎紫堵适侵覆牧蟽炔靠紫扼w積(開口孔隙和閉口孔隙)占材料總體積的百分率。公式：

密實度：材料內部固體物質的實體積占材料總體積的百分率。公式：開口空隙率：指材料內部開口孔隙體積占材料總體積的百分率。用Pk表示。閉口空隙率：指材料內部閉口孔隙體積占材料總體積的百分率。用Pb表示。

Pk+Pb=P六、材料的空隙與填充率空隙率：散粒材料顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率。空隙率大小反應了散粒材料的密實程度。在混凝土配合比設計時，砂、石空隙率是計算砂率的重要依據。公式：填充率：所有顆粒的表觀體積占堆積體積的百分率。公式：2.1.2材料與水有關的性質一、材料的親水性與憎水性能被水潤濕的材料為親水性材料，反之為憎水性材料，如荷葉。建筑材料大多為親水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、磚等，只有少數材料如瀝青、石蠟及某些塑料等為憎水性材料。潤濕邊角：在材料、水和空氣的三相體的交點處沿水滴表面做切線，切線與材料和水接觸面的夾角θ，稱為潤濕邊角。

θ≤90°時，材料表現為親水性；θ=0時，材料完全被水潤濕。此時材料對水分子的吸引力大于水分子間的內聚力。

θ＞90°時，材料表現為憎水性。此時材料對水分子的吸引力小于水分子間的內聚力。憎水性材料能阻止水分進入材料內部的毛細孔中，常用作防水材料。二、吸濕性：自然狀態下定義：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。用含水率表示，對某一固定材料而言，含水率是一個變值。材料開口毛細孔數量越多則吸濕性越強。含水率：m1——材料濕質量；mo——材料干質量。平衡含水率：材料中所含水分與周圍空氣的濕度相平衡時的含水率為平衡含水率。潮濕材料在干燥空氣中放出水分的性能稱還濕性。三、吸水性：材料在水中吸收水分的性質。用吸水率表示，它反應材料飽水（吸水飽和）狀態下吸收水分的能力，對某一固定材料而言為一恒值。質量吸水率：材料飽水時,吸收水分的質量占材料干質量的百分率

（式中：m1——材料飽水時的質量；mo——材料干質量）體積吸水率：材料飽水時,吸收水分的體積占材料干表觀體積百分率（式中：Vo——材料干表觀體積，ρo——材料干表觀密度）注意：（1）開口毛細孔越多，吸水率越大。（2）一般，體積吸水率等于開口空隙率。（3）當材料吸濕達到飽和狀態時的含水率即為吸水率。四、耐水性：材料長期在水作用下不破壞、強度也不明顯下降的性質。軟化系數：

KR＞0.85為耐水材料，該值越小耐水性越差。一般，材料吸水后，強度會降低，故KR=0~1。長期處于水中或潮濕環境中的重要結構，必須選用KR＞0.85的材料。受潮較輕或次要結構材料，KR不宜小于0.75.fb——材料飽水狀態時抗壓強度；fg——材料干燥狀態時抗壓強度。五、抗滲性：抵抗壓力水滲透的性質

。用滲透系數或抗滲等級表示。滲透系數:透水量（式中：KS、A、t、H、d分別表示滲透系數、滲水面積、滲水時間、水壓水頭高度和材料厚度。水頭也稱壓頭，是水壓力換算成垂直水柱高度的形式。1標準大氣壓=760毫米汞柱=10.336米水柱）Ks的意義：滲透系數越小，表明抗滲性能越好?？節B等級:指材料不被水滲透時所能承受的最大水壓力。用“P+10倍最大水壓力值（MPa）”表示。如：最大承水壓力為0.4MPa，表示為P4，有P4、P6

、P8、P10、P12等抗滲等級。一般，抗滲性決定了材料的耐久性和質量。特別是地下結構、水池、壓力管道和容器等對抗滲性要求高。抗滲性與材料孔隙數量和特征有關。在孔隙數量相等時，開口大孔數量多，抗滲性最差；開口連通細孔多，抗滲性也差；但封閉細孔多的材料的抗滲性反而好。因為使滲水路徑延長了。六、抗凍性材料在飽水狀態下，能經受多次凍融循環作用不破壞，強度也不顯著降低的性質。用抗凍等級表示?？箖龅燃墸喊聪嚓P標準的規定進行凍融循環試驗，材料在達到規定的破壞程度（強度損失率不超過25%且質量損失率不超過5%）時能經受的最大凍融循環次數。用“F+最大凍融循環次數”表示。有F15、F25、F50、F100、F200、F300…等抗凍等級。材料凍融破壞的主因是材料孔隙中的水結冰產生的膨脹造成的。影響材料抗凍性的因素如下：（1）孔隙充水程度。孔隙未充滿水，即使受凍也不一定會破壞，因為有孔隙中有多余的空間容納結冰時產生的膨脹。（2）開口孔隙率：越大則抗凍性越差。（3）極細孔隙中的水的冰點降低，不會降低材料抗凍性。根據熱力學理論，孔中的水是否結冰，還取決于孔的孔徑?？讖綖?0

nm

時，水在-

5

℃時才結冰；而孔徑為3.5

nm

時，水在-

20

℃時才結冰。（4）閉口孔隙率：越大則抗凍性好。2.1.3材料與熱有關的性質

現在國家非常重視節能、環保型房屋建設，大力推廣保溫、隔熱材料的使用，材料的熱工性質也是一個重要性質。一、導熱性：材料傳導熱量的能力稱導熱性。用導熱系數λ表示。(式中：λ——導熱系數，W/（m·k）；Q、A、δ、t、△T分別表示傳導的熱量、傳熱面積、材料厚度、傳熱時間和材料兩側溫差)材料導熱性與孔隙數量和特征有關：密閉細微孔隙越多，材料（如泡沫材料）隔熱性能越好。因為延長了傳導路徑。粗大孔隙或貫通孔隙越多，材料導熱性能越好。因為這時熱的傳遞方式由傳導為主變為對流為主。材料受潮或受凍后，導熱性增加。因為空氣、水、冰的導熱系數分別為0.023（最?。?.58、2.20W/（m·k）。普通混凝土λ=1.6；鋼λ=56；銅λ=370。二、熱容量和比熱熱容量：指材料升溫時吸收熱量多少或降溫時放出熱量多少的性質。如吸收或放出熱量多則熱容量大，反之則小。Q=c·m·△T（式中：Q——材料吸收或放出的熱量；c——比熱，J/（g·K）或kJ/（kg·K）；m——材料質量；△T——溫差；c·m——熱容量）比熱c=Q/(m·△T),表示單位質量的材料溫度升高或下降1K時吸收或放出的熱量。導熱系數和熱容量是建筑物維護結構（墻體或屋蓋）進行熱工設計時的重要參數，應選用導熱系數小而熱容量大的材料，以利于室內溫度的穩定。

2.2材料的力學性質2.2.1強度——材料抵抗外力破壞的能力。用材料單位面積上能承受的最大應力表示，單位MPa。一、形式：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度：P——破壞時的最大荷載，NA——受力面積，mm2

抗彎強度（抗折強度）

單點加荷：

三分點加荷：

L/2L/2二、強度等級

為了合理選擇材料，將材料按強度大小劃分成不同的等級，即強度等級，如材料要達到某一強度等級，則其強度不能低于該強度等級的規定值。石材、混凝土、紅磚等脆性材料主要用于抗壓，以抗壓強度劃分等級，鋼材主要用于抗拉，以抗拉強度劃分等級。不同材料。具體的強度等級劃分方法在以后內容講述。

三、比強度

它等于材料的強度與表觀密度之比。比強度是評價材料輕質高強的指標，數值越大，表明材料越輕質高強。這對保證建筑物強度、減小自重、節約材料、提高建筑物高度和跨度有重要的實際意義。比強度：木材＞低碳鋼＞普通混凝土。普通混凝土不是輕質高強材料。四、影響強度的因素：材料的組成：不同組成的材料，其強度不同。孔隙率：增加（表觀密度降低），強度呈直線下降。含水狀態：含水分時材料強度低于干燥狀態時。溫度：升高，強度降低。試驗條件：試件尺寸：增大，強度降低；（試件越大，內部出現缺陷的幾率越大，而試件的破壞就是從缺陷處開始的）加荷速度：越快，強度越大；（試件的破壞與所受壓力不同步，有滯后效應）試件高度：長方形試件強度小于立方體試件；（長方體環箍效應的影響要小些）試件表面的平整度與光滑度：越平整、光滑，強度越小。（環箍效應的影響減?。?/p>

2.2.2材料的彈性與塑性

材料受外力作用，在破壞前都會產生變形。根據變形的特點，可分為彈性變形和塑性變形。

彈性變形：材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種能夠完全恢復的變形稱為彈性變形。用彈性模量（E）來衡量彈性變形能力。E=σ/εE越大，材料越不易產生彈性變形，剛度越大，為結構設計的重要參數。

塑性變形：材料在外力作用下產生變形，當外力取消后仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質稱為塑性。這種不能恢復的變形稱為塑性變形。

實際上，單純的彈性或塑性材料是不存在的。在較小力作用下時材料表現為彈性，但在較大力作用時則表現為塑性。2.2.3材料的脆性與韌性

脆性：材料在外力作用下，只發生很小的彈性變形和塑性變形就突然破壞的性質稱為脆性。具有這種性質的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強度比抗拉強度大得多，可達幾倍到幾十倍，如混凝土。脆性材料抵抗沖擊或振動荷載的能力差，故常用于承受靜壓力作用的工程部位如基礎、墻體、柱子、墩座等。脆性材料：石、磚、砼、陶瓷、玻璃、鑄鐵等。韌性：材料在沖擊、振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時也能產生一定的塑性或彈性變形而不破壞的性質稱為韌性（或沖擊韌性）。建筑鋼材、木材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。用作路面、橋梁、吊車梁以及有抗震要求的結構都要考慮材料的韌性。材料的韌性用沖擊韌性指標來衡量。

2.2.4硬度和耐磨性

硬度是材料抵抗其他物體刻劃、壓入其表面出現塑性變形的能力。常用的測定測定硬度的方法有刻劃法和壓入法。通常，石料、陶瓷、礦物的硬度采用刻劃法測定其莫氏硬度（共十級，級別越高材料越硬，滑石為1級，金剛石為10級）；鋼材，木材，混凝土采用鋼球壓入法測定其布氏硬度（HB），以壓痕單位面積上承受的壓力表示。硬度越大，材料耐磨性越好，抗壓強度越高。耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力，通常用磨損率K表示，即：K=（M1-M2）/A其中M1，M2——分別表示磨損前后的質量；A——受磨面積。路面材料如石子、砂子，經常受水沖刷的部位用材料要具有較高的耐磨性。2.3耐久性耐久性：材料在長期使用中，會受到環境和其內部各種破壞因素的作用（物理、化學及生物因素等）而導致其使用功能下降，材料抵抗這些破壞因素長期作用的能力叫耐久性?；炷聊途眯允且粋€綜合性質，包括抗滲性、抗凍性、耐腐蝕性、堿-骨料反應、抗碳化等性質。物理因素：凍融、干濕、冷熱循環，風化，風沙、水流的沖刷等?；瘜W因素：大氣和環境水中的酸、堿、鹽、CO2、O2、日光等。機械因素：包括荷載的持續作用，沖擊，磨耗等。生物因素：包括菌類、昆蟲的破壞作用等。耐久性的判斷：最可靠的判斷是對材料進行長期觀察和測定，但這不便快速進行判斷，常通過測定材料的抗滲性、抗凍性、抗碳化性等來判斷耐久性。耐久性良好的材料使用壽命長（間接節約了材料），維修費用低，有利于環保、節能。本章思考題一、是非判斷題

1某些材料雖然在受力初期表現為彈性，達到一定程度后表現出塑性特征，這類材料稱為塑性材料。

2某材料含大量開口孔隙，直接用排水法測定其體積，該材料的質量與所測得的體積之比即為該材料的表觀密度。

3材料吸水飽和狀態時水占的體積可視為開口孔隙體積。

4在空氣中吸收水分的性