任务1.2 建筑材料的基本性质
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任务内容及要求
1.2.1 建筑材料的性质——与质量有关
1.2.1.1 材料的体积构成与含水状态
1.材料的体积构成
材料的体积是材料占有的空间尺寸。由于材料具有不同的物理状态，因而表现出不同的体积。
块状材料的体积是由固体物质的实体积和材料内部孔隙的体积组成的，如图1.1所示。材料的孔隙又分为闭口孔隙和开口孔隙。闭口孔隙不进水，开口孔隙与材料周围的介质相通，材料浸水时易吸水饱和。
散粒状材料的体积是由固体物质体积、颗粒内部孔隙体积和颗粒之间的空隙体积组成
的，如图1.2所示。
图1.1 块状材料体积构成示意
图1.2 散粒状材料体积构成示意
2.材料的含水状态
材料在大气或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况不同，将材料的含水
状态四种：干燥状态、气干状态、饱和面干状态及湿润状态，如图1.3所示。材料的含水不同会对材料的多种性质产生一定的影响。
图1.3 材料的含水状态
1.2.1.2 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（1.1）计算：
ρ=Vm
（1.1）
式中 ρ——材料的密度，g/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，g；
V——材料在绝对密实状态下的体积（见图1.1、图1.2阴影部分），cm3。
材料在绝对密实状态下的体积是指不包括材料孔隙在内的固体物质的实体积。常用建筑材料中，除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都存在一定的孔隙。测定含孔材料的密度时，先将材料磨成细粉消除内部孔隙，烘干至恒重后，用李氏瓶常用排水法测出材料的实体积。
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（1.2）计算：
ρ0=Vm0
（1.2）
式中 ρ0——材料的表观密度，kg/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，kg；
V0——材料在自然状态下的体积（图1.1），cm3。
材料在自然状态下的体积包含材料内部孔隙在内的体积。一般，对于具有规则外形的材料，表观体积的测定可用外形尺寸直接计算；对于不具有规则外形的材料，可在其表面涂薄蜡层密封，然后采用排液法测定其表观体积。
材料的表观密度与材料的含水状态有关，含水状态不同，材料的质量及体积均会发生改变。通常，表观密度是指材料在气干状态（长期在空气中存放的干燥状态）下的表观密度；材料在烘干状态下测量的表观密度称为干表观密度；材料在潮湿状态下测得的表观密度称为湿表观密度。
3.堆积密度
堆积密度是指散粒材料或粉状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。按式（1.3）计算：
ρ′0=Vm′0
（1.3）
式中 ρ′0——材料的表观密度，kg/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，kg；
V′0——散粒材料的松散体积（图1.2），cm3。
散粒材料的松散体积，不但包括其表观体积，还包括颗粒间的空隙体积，可用容量筒测定。
堆积密度与材料的装填条件（即堆积密实程度）及含水状态有关，根据散粒材料堆放的紧密程度不同，堆积密度可分为疏松堆积密度、振实堆积密度及紧密堆积密度。
1.2.1.3 材料的密实度与孔隙率
1.密实度
密实度是指块状材料内部固体物质体积占材料在自然状态下总体积的百分率。用D
表示，按式（1.4）或式（1.5）计算：
V
D=
V0×100%
（1.4）
D=ρ0ρ×100%
（1.5）
2.孔隙率
孔隙率是指块状材料内部孔隙体积占材料在自然状态下总体积的百分率。用P表示，
按式（1.6）或式（1.7）计算：
P=VV孔0×100%
（1.6）
P=VV0-0V=1-VV0=（1-ρρ0）×100%
（1.7）
密实度与孔隙率的关系可用下式表示：
D+P=1
材料的密实度和孔隙率从两个不同侧面反映了材料的致密程度。建筑材料的许多性质都与材料的孔隙有关，这些性质除了取决于孔隙率的大小外，还与孔隙的特征有关，如大小、形状、分布、连通与否等。一般，同一种材料，孔隙率越小，连通孔隙越少，其强度越高，吸水性越小，抗渗性和抗冻性越好，但导热性越大。常见材料的密度、表观密度及孔隙率见表1.3。
表1.3
常见材料的密度、表观密度及孔隙率
续表
1.2.1.4 材料的填充率与空隙率
1.填充率
填充率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒体积V0所占材料堆积体积V′0的百分率。
用D′表示，按式（1.8）或式（1.9）计算：
D′=VV0′0×100%
（1.8）
D′=ρρ′00×100%
（1.9）
2.空隙率
空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒之间的空隙体积V空所占材料堆积体积
V′0的百分率。用P′表示，按式（1.10）或式（1.11）计算：
P′=VV空′0×100%
（1.10）
P′=V′0V-′0V0×100%=1-VV0′0=（1-ρρ′00）×100%
（1.11）
填充率与空隙率的关系可用下式表示：
D′+P′=1
材料的填充率和空隙率从两个不同侧面反映了散粒材料之间相互填充的疏密程度。
1.2.2 建筑材料的性质——与水有关
1.2.2.1 材料的亲水性与憎水性
不同材料遇水后和水的互相作用情况是不一样的，根据材料表面被水润湿的情况，材料可分为亲水性材料与憎水性材料。材料在空气中与水接触时，能被水润湿的性质称为亲水性；不能被水润湿的性质称为憎水性。
材料的亲水性与憎水性可用润湿角θ来说明，即在材料、空气、水三相交界处，沿水滴表面作切线，切线与材料表面（水滴的一侧）所得夹角，如图1.4所示。
θ愈小，表明材料易被水润湿。当θ≤90°时，材料表现为憎水性，该材料被称为亲水性材料，如木材、砖、混凝土、石材、钢材等；当θ＞90°时，材料表现为憎水性，称为憎水性材料，如沥青、塑料、石蜡等。
憎水性材料能阻止水分渗入材料内部降低材料的吸水性，因此，憎水性材料可用7做
图1.4 材料润湿角示意
防水、防潮材料，也可用于亲水性材料的表面憎水处理，以减少其吸水率，提高其抗渗性。
1.2.2.2 吸水性与吸湿性
1.吸水性
吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，其大小常用吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体积吸水率之分。
质量吸水率（W质）是指材料吸水饱和时，所吸入水分的质量占材料干燥质量的百分
率。按式（1.12）计算：
W质=mm水干×100%=m饱m-干m干×100%
（1.12）
体积吸水率（W体）是指材料吸水饱和时，所吸入水分的体积占干燥材料自然体积的
百分率。按式（1.13）计算：
W体=VV水干×100%=m饱V-干m干×ρ1H×100%
（1.13）
计算材料的吸水率时，一般用质量吸水率来计算。当材料的湿质量是干质量的几倍的情况下，其质量吸水率往往超过100%，一般用体积吸水率表示其吸水率，即体积吸水率适用于轻质多孔材料，如海绵、干木头等。
材料吸水率的大小取决于材料的亲水属性、材料的孔隙率及孔隙构造特征，如孔径大小、开口与否等。材料吸收水分后，不仅表观密度增大、强度降低、保温隔热性能降低，且易受冰冻破坏，会对材料产生不利的影响。
2.吸湿性
吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。材料的吸湿性常以含水率（W含）表示，含水率指材料所含水的质量占其干质量的百分率。按式（1.14）计算：
W含=m气m干-干m干×100%
（1.14）
含水率除了与材料的亲水属性、材料的孔隙率及孔隙构造特征有关外，还与空气的温度和湿度有关。空气的湿度大，温度低，材料的吸湿性大，反之则小。当材料中所含水分与空气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率。建筑材料在正常状态下，均处于平衡含水率状态。
案例分析：
通过分析案例可知，该住宅所采用的是没有烧透的红砖，砖的开口孔隙率大，吸水率
高。吸水后，红砖强度下降，特别是当有水进入砖内时，未烧透的黏土遇水软化，强度下降更大，不能承受房屋的重量，从而导致房屋倒塌。
1.2.2.3 耐水性
耐水性是指材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。材料的耐水性用软化系
数（K软）表示。按式（1.15）计算：
K软=f饱
（1.15）
f干
式中 K软——材料的软化系数；
f饱——材料在水饱和状态的强度，MPa；f干——材料在干燥状态下的强度，MPa。
软化系数的大小反映了材料浸水后强度降低的程度。一般，材料在潮湿时的强度均比在干燥时的强度低，主要是浸入的水分削弱了材料微粒间的结合力，同时材料内部往往含有一些易被水软化或溶解的物质，而使材料的强度有不同程度的降低。因此，软化系数在0～1之间变化，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。
软化系数的大小可作为选择材料的依据。工程上，通常将软化系数K软≥0.85的材料称为耐水性材料，适用于长期处于水中或潮湿环境中的重要结构物；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。
1.2.2.4 抗渗性
抗渗性（又称不透水性）是指材料抵抗压力水渗透的性质。当材料两侧存在一定的水压时，水会从压力较高的一侧通过材料内部的孔隙及缺陷，向压力较低的一侧渗透。材料的抗渗性可用渗透系数和抗渗等级表示。
1.渗透系数
渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。按式（1.16）计算：
K=Qd
（1.16）
AtH
式中 K——材料的渗透系数，cm/s；
Q——渗水量，cm3；d——试件厚度，cm；A——透水面积，cm2；t——透水时间，s；
H——静水压力水头，cm。
渗透系数越小，表示材料渗透的水量越少，即材料的抗渗性越好。对于防水、防潮材料，如沥青、油毡、沥青混凝土等材料常用渗透系数表示其抗渗性。
2.抗渗等级
抗渗等级是以规定的试件，在标准试验方法下试件可能承受的最大静水压力来确定，在水利水电工程中用抗渗等级 Wn表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的10倍
数，如 W4、W10分别表示试件能承受0.4MPa、1.0MPa的水压力而不渗水。
材料的抗渗等级越高，其抗渗性越强。对于混凝土、砂浆等材料的抗渗性常用抗渗等级来表示。
材料的抗渗性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。密实的材料及具有闭口微小孔的材料，是不渗水的；而具有较大孔隙且为细微连通的孔隙的亲水性材料抗渗性较差。对于地下建筑及水工建筑物、压力管道等经常受水压力作用的工程应选择具有良好抗渗性能的材料。
1.2.2.5 抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不显著降低强度的性质。
材料的抗冻性用抗冻等级Fn表示，n为即在一定条件下能够经受的冻融循环次数。如：F50表示此材料可承受50次冻融循环，而未超过规定的损失程度。n的数值越大，说明抗冻性能愈好。
水工建筑物经常处于干湿交替作用的环境中，选用材料时应按材料所处的工作环境和使用部位合理确定抗冻等级。
1.2.3 建筑材料的性质——与热有关
1.2.3.1 导热性
导热性是指材料传导热量的性质。导热性的大小用导热系数λ来表示。
导热系数是评价材料导热能力的指标。其物理意义为单位面积、单位厚度的材料，在单位温差下，单位时间内传导的热量。导热系数可按式（1.17）计算：
Qd
λ=
（1.17）
At（T2-T1）
式中 λ——材料的导热系数，W/（m·K）；
Q——通过材料传导的热量，J；
d——试件厚度，m；
A——材料传热面积，m2；
t——导热时间，s；
T1、T2——材料两侧的温差，K。
材料的导热能力与材料的孔隙率、孔隙特征、材料的含水状态及温度等有关：孔隙率愈大导热性愈小，因孔隙中含有空气，密闭空气的导热系数很小[λ=0.025 W/（m·K）]，故材料闭口孔隙率大时，导热系数小；开口连通孔隙具有空气对流作用，材料的导热系数较大；由于水的导热系数较大[λ=0.58 W/（m·K）]，故材料受潮时，导热系数会增大；材料在高温下的导热系数比常温下的要大些。
导热系数是确定材料绝热性的重要指标。导热系数越小，材料的绝热性越好。有保温隔热要求的建筑物宜选用导热系数小的材料做围护结构。工程中常将把λ＜0.23 W/（m·K）的材料称为绝热材料，在运输、存放、施工及使用过程中，须保持干燥状态。
几种常用材料的导热系数见表1.4。
1.2.3.2 热容量
热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，即当材料温度升高（或降低）1K时，所吸收（或放出）的热量，称为该材料的热容量。1kg材料的热容量，称为该材料的比热。按式（1.18）计算：
Q
c=
（1.18）
m（T2-T1）
式中 Q——材料吸收或放出的热量，J；
c——材料的比热，J/（kg·K）；m——材料的质量，kg；
T1、T2——材料受热或受冷前后的温差，K。
材料的热容量值对保持建筑物内部温度稳定有重要意义，热容量值高的材料对室温的调节作用大，使温度变化不致过快，冬季或夏季施工对材料进行加热或冷却处理时，均需考虑材料的热容量。
几种常用材料的比热值见表1.4。
表1.4
常用材料的导热系数及比热
1.2.4 建筑材料的性质——与力有关
材料的力学性质是指材料在外力作用下抵抗破坏及变形的性质。
1.2.4.1 材料的强度
1.强度
强度是指材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力，是材料试件按规定的试验方法，在静荷载作用下达到破坏的极限应力值的表示。当材料承受外力作用时，内部就会产生应力，外力增大时应力也随之增大，当材料不能再承受时，材料即破坏。
根据外力作用方式不同，材料强度可分抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗折（抗弯）强度等。各种强度的计算公式见表1.5。
材料的强度值与材料的组成、结构等内部因素有关。材料的组成相同，结构不同，强度也不相同。材料的孔隙率越大，强度值越小。材料的强度还试验条件有关，如试件的尺寸、形状和表面状态、试件的含水率、加荷速度、试验环境的温度、试验设备的精确度等。为了使试验结果比较准确，且具有可比性，国家规定了各种材料强度的标准试验方法。
表1.5
材料的强度计算公式
强度类别
受力作用示意图
计算式
备注
2.强度等级
为了方便设计及对工程材料进行质量评价，大多数以力学性质为主要性能指标的材料，通常根据其极限强度的大小划分成若干不同的等级，称为材料的强度等级。脆性材料主要根据其抗压强度来划分，如水泥、混凝土等；塑性材料和韧性材料主根据其抗拉强度来划分，如钢材等。强度等级的划分对掌握材料性能和正确选用材料具有重要意义。
3.比强度
比强度是按单位体积的质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比，是衡量材料是否轻质高强的指标。结构材料在建筑工程中主要承受结构荷载，对于多数结构物来说，相当一部分的承载能力用于抵抗其本身或其上部结构材料的自重荷载，只有剩余部分的承载能力才能用于抵抗外荷载。为此，提高材料的承载能力，不仅应提高材料的强度，还应减轻其本身的自重，即应提高材料的比强度。
比强度越大的材料其轻质高强的性能越好，选用比强度大的材料对增加建筑高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义。几种主要材料的比强度值见表1.6。
表1.6
几种主要材料的比强度值
1.2.4.2 弹性和塑性
弹性是指材料在外力作用下产生变形，外力取消后变形能完全恢复的性质。这种变形称为弹性变形。
弹性变形的大小与外力成正比，比例系数称E为弹性模量。在弹性变形范围内，按
式（1.19）计算：
ε=
σE
（1.19）
式中 ε——材料的应变；
σ——材料的应力，MPa；
E——材料的弹性模量，MPa。
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E值越大，材料越不容易变形。
塑性是指材料在外力作用下产生变形，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。这种变形称为塑性变形。
单纯的弹性材料是没有的。有的材料受力不大时产生弹性变形，受力超过一定限度后即产生塑性变形，如低碳钢。有的材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，当去掉外力后，弹性变形消失，而塑性变形不能消失，如混凝土。
1.2.4.3 脆性和韧性
脆性是指外力作用于材料并达到一定限度后，材料无明显塑性变形而发生突然破坏的性质。脆性材料塑性变形很小，抗压强度较高，抗冲击能力、抗振动能力、抗拉及抗折能力差。多数材料无机非金属材料均属于脆性材料，如天然石材、烧结普通砖、混凝土等。
韧性是指在冲击或震动荷载作用下，材料能吸收较大能量，同时产生较大变形，而不发生突然破坏的性质。韧性材料的特点是塑性变形大，抗拉、抗压强度较高，如建筑钢材、木材等。对于承受冲击震动荷载的路面、桥梁、吊车梁等结构，应选用具有较高韧性的材料。
1.2.5 材料的耐久性
材料在长期使用过程中，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。材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还受到自身和周围环境各种因素的破坏作用。这些破坏因素对材料的作用往往是复杂多变的，一般可将其归纳为物理作用、化学作用、力学作用和生物作用。
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。
化学作用主要指材料受到有害气体以及酸、碱、盐等液体对材料产生的破坏作用。如水泥石的腐蚀、钢材的锈蚀等。
力学作用是指材料受使用荷载的持续作用，交变荷载引起的疲劳、冲击及机械磨损等。
生物作用包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、虫蛀破坏，如木材的腐朽。
在实际工程中，材料遭到破坏往往是上述多个因素同时作用下引起的，所以材料的耐久性是一项综合性能，包括有抗渗性、抗冻性、耐腐性、抗风化性、耐磨性、耐光性等各方面的内容。不同的材料其耐久性的内容有所不同。为提高材料的耐久性，可根据使用情况和材料特点采取相应的措施。如减轻环境破坏作用、提高材料本身的密实度等以增强其抵抗能力，或对材料表面设置保护层等。提高耐久性对保护建筑物的正常使用、减少使用期间的维修费用、延长建筑物的使用寿命起着非常重要的作用。