第2讲
建筑材料基本性能

一、材料的物理性质

1.材料的密度

密度是指材料的质量与体积之比。根据材料所处状态不同，材料的密度可分为密度、表观密度和堆积密度。

（1）密度。材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度，即

式中 ρ ——材料的密度，g/cm ³ 或kg/m ³ ；

m ——材料的质量，g或kg；

V ——材料在绝对密实状态下的体积，即材料体积内固体物质的实体积，cm ³ 或m ³ 。

建筑材料中除少数材料（如钢材、玻璃等）外，大多数材料都含有一些孔隙。为了测得含孔材料的密度，应把材料磨成细粉，除去内部孔隙，用李氏瓶测定其实体积。材料磨得越细，测得的体积越接近绝对体积，所得密度值越准确。

（2）表观密度。材料在自然状态下，单位体积的质量称为表观密度（也称体积密度），即

式中 ρ ₀ ——材料的表观密度，kg/m ³ 或g/cm ³ ；

m ——在自然状态下材料的质量，kg或g；

V ₀ ——在自然状态下材料的体积，m ³ 或cm ³ 。

在自然状态下，材料内部的孔隙可分为两类：有的孔之间相互连通，且与外界相通，称为开口孔；有的孔互相独立，不与外界相通，称为闭口孔。大多数材料在使用时其体积为包括内部所有孔在内的体积，即自然状态下的外形体积（ V ₀ ），如砖、石材、混凝土等。有的材料如砂、石在拌制混凝土时，因其内部的开口孔被水占据，因此材料体积只包括材料实体积及其闭口孔体积（以 V ′表示）。为了区别两种情况，常将包括所有孔隙在内时的密度称为表观密度；把只包括闭口孔在内时的密度称为视密度，用 ρ ′表示，即 。视密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义。

在自然状态下，材料内部常含有水分，其质量随含水程度而改变，因此视密度应注明其含水程度。干燥材料的表观密度称为干表观密度。可见，材料的视密度除决定于材料的密度及构造状态外，还与含水程度有关。

（3）堆积密度。粉状及颗粒状材料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度（也称松散体积密度），即

式中 ρ ′ ₀ ——材料的堆积密度，kg/m ³ ；

m ——材料的质量，kg；

V ′ ₀ ——材料的自然堆积体积，m ³ 。

材料的堆积密度主要与材料颗粒的表观密度以及堆积的疏密程度有关。

在建筑工程中，进行配料计算；确定材料的运输量及堆放空间；确定材料用量及构件自重等经常用到材料的密度、表观密度和堆积密度值，见表1-3。

2.材料的孔隙率、空隙率

（1）孔隙率。孔隙率是指在材料体积内，孔隙体积所占的比例。以 P 表示，即

材料的孔隙率的大小，说明了材料内部构造的致密程度。许多工程性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等，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，还与孔隙的构造特征密切相关。孔隙特征主要指孔的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及分布等。实际上绝对闭口的孔隙是不存在的，在建筑材料中，常以在常温常压下，水能否进入孔中来区分开口孔与闭口孔。因此，开口孔隙率（ P _K ）是指在常温常压下能被水所饱和的孔体积（即开口孔体积 V _K ）与材料的体积之比，即

闭口孔隙率（ P _B ）便是总孔隙率（ P ）与开口孔隙率（ P _K ）之差，即

（2）空隙率。空隙率是用来评定颗粒状材料在堆积体积内疏密程度的参数。它是指在颗粒状材料的堆积体积内，颗粒间空隙体积所占的比例。以 P ′表示，即

式中 V ₀ ——材料所有颗粒体积之总和，m ³ ；

ρ ₀ ——材料颗粒的表观密度。

当计算混凝土中粗骨料的空隙率时，由于混凝土拌和物中的水泥浆能进入石子的开口孔内（即开口孔也作为空隙），因此， ρ ₀ 应按石子颗粒的视密度 ρ ′计算。

3.材料与水有关的性质

（1）亲水性与憎水性（疏水性）。当水与建筑材料在空气中接触时，会出现两种不同的现象。图1-2（a）中水在材料表面易于扩展，这种与水的亲和性称为亲水性。表面与水亲和力较强的材料称为亲水性材料。水在亲水性材料表面上的润湿边角（固、气、液三态交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角）θ≤90°。与此相反，材料与水接触时，不与水亲和，这种性质称为憎水性。水在憎水性材料表面上呈图1-2（b）所示的状态，θ>90°。

（a）亲水性材料；（b）憎水性材料

在建筑材料中，各种无机胶凝材料、石材、砖瓦、混凝土等均为亲水性材料，因为这类材料的分子与水分子间的引力大于水分子之间的内聚力。沥青、油漆、塑料等为憎水性材料，它们不但不与水亲和，而且还能阻止水分渗入毛细孔中，降低材料的吸水性。憎水性材料常用作防潮、防水及防腐材料，也可以对亲水性材料进行表面处理，以降低其吸水性。

（2）吸湿性与吸水性。

1）吸湿性。

材料在环境中能吸收空气中水分的性质称为吸湿性。吸湿性常以含水率表示，即吸入水分与干燥材料的质量比。一般来说，开口孔隙率较大的亲水性材料具有较强的吸湿性。材料的含水率还受环境条件的影响，随温度和湿度的变化而改变。最终，材料的含水率将与环境湿度达到平衡状态，此时的含水率称为平衡含水率。

2）吸水性。

材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。吸水性大小用吸水率表示，吸水率常用质量吸水率，即用材料在水中吸入水的质量与材料干质量之比表示：

式中 W _m ——材料的质量吸水率，％；

m ₁ ——材料吸水饱和后的质量，g或kg；

m ——材料在干燥状态下的质量，g或kg。

对于高度多孔、吸水性极强的材料，其吸水率可用体积吸水率，即用材料吸入水的体积与材料在自然状态下体积之比表示：

式中 W _V ——材料的体积吸水率，%；

V _w ——材料吸水饱和时，水的体积，cm ³ ；

ρ _w ——水的密度，g/cm ³ 。

可见，体积吸水率与开口孔隙率是一致的。质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：

材料吸水率的大小主要取决于材料的孔隙率及孔隙特征，密实材料及只具有闭口孔的材料是不吸水的；具有粗大孔的材料因不易吸满水分，其吸水率常小于孔隙率；而那些孔隙率较大，且具有细小开口连通孔的亲水性材料往往具有较大的吸水能力。材料的吸水率是一个定值，它是该材料的最大含水率。

材料在水中吸水饱和后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数，其计算式为

式中 K _B ——饱和系数，％；

P _K 、 P ——分别为材料的开口孔隙率及总孔隙率，％。

饱和系数说明了材料的吸水程度，也反映了材料的孔隙特征，若 K _B =0，说明材料的孔隙全部为闭口的，若 K _B =1，则全部为开口的。

材料吸水后，不但可使质量增加，而且会使强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀，可见，材料中含水对材料的性能往往是不利的。

（3）耐水性。材料长期在水的作用下，强度不显著降低的性质称为耐水性。

材料含水后，将会以不同方式来减弱其内部结合力，使强度有不同程度的降低。材料的耐水性用软化系数表示：

式中 K ——材料的软化系数；

f ₁ ——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。

软化系数在0～1之间波动，软化系数越小，说明材料吸水饱和后强度降低得越多，耐水性越差。受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物所选用的材料，其软化系数不得低于0.85。因此，软化系数大于0.85的材料，常被认为是耐水的。干燥环境中使用的材料可不考虑耐水性。

（4）抗渗性。材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性）。材料的抗渗性常用抗渗等级来表示，抗渗等级用材料抵抗压力水渗透的最大水压力值来确定。其抗渗等级越大，则材料的抗渗性越好。

材料的抗渗性也可用其渗透系数Ks表示，Ks值越大，表明材料的透水性越好，抗渗性越差。

材料的抗渗性主要取决于材料的孔隙率及孔隙特征。密实的材料，具有闭口孔或极微细孔的材料，实际上是不会发生透水现象的。具有较大孔隙率，且为较大孔径、开口连通孔的亲水性材料往往抗渗性较差。

对于地下建筑及水工构筑物等经常受压力水作用的工程所用材料及防水材料都应具有良好的抗渗性能。

（5）抗冻性。材料在使用环境中，经受多次冻融循环而不破坏，强度也无显著降低的性质称为抗冻性。

材料经多次冻融循环后，表面将出现裂纹、剥落等现象，造成重量损失、强度降低。这是由于材料内部孔隙中的水分结冰时体积增大（约9％）对孔壁产生很大的压力（每平方毫米可达100N），冰融化时压力又骤然消失所致。无论是冻结还是融化过程，都会使材料冻融交界层间产生明显的压力差，并作用于孔壁使之遭损。

材料的抗冻性大小与材料的构造特征、强度、含水程度等因素有关。一般来说，密实的以及具有闭口孔的材料有较好的抗冻性；具有一定强度的材料对冰冻有一定的抵抗能力；材料含水量越大，冰冻破坏作用越大。此外，经受冻融循环的次数越多，材料遭损越严重。

材料的抗冻性试验是使材料吸水至饱和后，在-15℃温度下冻结规定时间，然后在室温的水中融化，经过规定次数的冻融循环后，测定其质量及强度损失情况来衡量材料的抗冻性。有的材料如普通砖以反复冻融15次后其重量及强度损失不超过规定值，即为抗冻性合格。有的材料如混凝土的抗冻性用抗冻等级来表示。

对于冬季室外计算温度低于-10℃的地区，工程中使用的材料必须进行抗冻性检验。

4.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。材料的导热能力用导热系数λ表示：

式中λ——导热系数，W/（m·K）；

Q ——传导的热量，J；

d ——材料的厚度，m；

A ——材料的导热面积，m ² ；

T ₂ - T ₁ ——材料两侧的温度差， K ；

t ——传热时间，s。

令 ， q 称为热流量，上式可写成：

从式（1-14）中可以看出，材料两侧的温度差是决定热流量的大小和方向的客观条件，而 A 则是决定 q 值的内在因素。材料的热阻用 R 表示，单位为m·K/W。

R = d /λ　（1-15）

式中 R ——热阻，（m ² ·K）/W；

d ——材料厚度，m；

λ——传热系数，W/（m·K）。

可见，导热系数与热阻都是评定建筑材料保温隔热性能的重要指标。材料的导热系数越小，热阻值越大，材料的导热性能越差，保温、隔热性能越好。

材料的导热性主要取决于材料的组成及结构状态。

1）组成及微观结构。金属材料的导热系数最大，如在常温下铜的λ=370W/（m·K），钢的λ=58W/（m·K），铝的λ=221W/（m·K）；无机非金属材料次之，如普通黏土砖的λ=0.8W/（m·K），普通混凝土的λ=1.51W/（m·K）；有机材料最小，如松木（横纹）的λ=0.17W/（m·K），泡沫塑料的λ=0.03W/（m·K）。相同组成的材料，结晶结构的导热系数最大，微晶结构的次之，玻璃体结构的最小，为了获取导热系数较低的材料，可通过改变其微观结构的办法来实现，如水淬矿渣就是一种较好的绝热材料。

2）孔隙率及孔隙特征。由于密闭的空气的导热系数很小，λ=0.023W/（m·K），因此材料的孔隙率的大小，能显著地影响其导热系数，孔隙率越大，材料的导热系数越小。在孔隙率相近的情况下，孔径越大，孔隙互相连通的越多，导热系数将偏大，这是由于孔中气体产生对流的缘故。对于纤维状材料，当其密度低于某一限值时，其导热系数有增大的趋势，因此这类材料存在一个最佳密度，即在该密度下导热系数最小。

此外，材料的含水程度对其导热系数的影响非常显著。由于水的导热系数λ=0.58W/（m·K），比空气约大25倍，所以材料受潮后其导热系数将明显增加，若受冻，则导热系数更大，冰的导热系数λ=2.33W/（m·K）。

人们常把防止内部热量散失称为保温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温、隔热统称为绝热。并将λ≤0.175W/（m·K）的材料称作绝热材料。

（2）热容量。材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。材料吸收或放出的热量可用下式计算：

Q = Cm （ T ₂ - T ₁ ）　（1-16）

式中 Q ——材料吸收（或放出）的热量，J；

C ——材料的比热（也称热容量系数），J/（kg·K）；

m ——材料的质量，kg；

T ₂ - T ₁ ——材料受热（或冷却）前后的温度差，K。

比热与材料质量之积称为材料的热容量值。材料具有较大的热容量值，对室内温度的稳定有良好的作用。

几种常用建筑材料的导热系数和比热值见表1-4。

（3）耐热性与耐燃性。

1）耐热性（也称耐高温性或耐火性）。材料长期在高温作用下，不失去使用功能的性质称为耐热性。材料在高温作用下会发生性质的变化而影响材料的正常使用。

①受热变质。一些材料长期在高温作用下会发生材质的变化。如二水石膏在65～140℃脱水成为半水石膏；石英在573℃由α石英转变为 β 石英，同时体积增大2％；石灰石、大理石等碳酸盐类矿物在900℃以上分解；可燃物常因在高温下急剧氧化而燃烧，如木材长期受热发生碳化，甚至燃烧。

②受热变形。材料受热作用要发生热膨胀导致结构破坏。材料受热膨胀大小常用膨胀系数表示。普通混凝土膨胀系数为10×10- ⁶ ，钢材膨胀系数为（10～12）×10 ^-6 ，因此它们能组成钢筋混凝土共同工作。普通混凝土在300℃以上，由于水泥石脱水收缩，骨料受热膨胀，因而混凝土长期在300℃以上工作会导致结构破坏。钢材在350℃以上时，其抗拉强度显著降低，会使钢结构产生过大的变形而失去稳定。

2）耐燃性。在发生火灾时，材料抵抗和延缓燃烧的性质称为耐燃性（或称防火性）。材料的耐燃性按耐火要求规定分为非燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料三大类。

①非燃烧材料，即在空气中受高温作用不起火、不微燃、不炭化的材料。无机材料均为非燃烧材料，如普通砖、玻璃、陶瓷、混凝土、钢材、铝合金材料等。但是，玻璃、混凝土、钢材、铝材等受火焰作用会发生明显的变形而失去使用功能，所以它们虽然是非燃烧材料，有良好的耐燃性，但却是不耐火的。

②难燃烧材料，即在空气中受高温作用难起火、难微燃、难炭化，当火源移走后燃烧会立即停止的材料。这类材料多为以可燃材料为基体的复合材料，如沥青混凝土、水泥刨花板等，它们可推迟发火时间或缩小火灾的蔓延。

③燃烧材料，即在空气中受高温作用会自行起火或微燃，当火源移走后仍能继续燃烧或微燃的材料，如木材及大部分有机材料。

为了使燃烧材料有较好的防火性，多采用表面涂刷防火涂料的措施。组成防火涂料的成膜物质可为非燃烧材料（如水玻璃）或是有机含氯的树脂。在受热时能分解而放出的气体中含有较多的卤素（F、Cl、Br等）和氮（N）的有机材料具有自消火性。

常用材料的极限耐火温度见表1-5。

5.材料的声学性质

（1）吸声。声波传播时，遇到材料表面，一部分将被材料吸收，并转变为其他形式的能。被吸收的能量 E _α 与传递给材料表面的总声能 E ₀ 之比称为吸声系数。用α表示：

吸声系数评定了材料的吸声性能。任何材料都有一定的吸声能力，只是吸收的程度有所不同，并且，材料对不同频率的声波的吸收能力也有所不同。因此通常采用频率为125、250、500、1000、2000、4000Hz，平均吸声系数α大于0.2的材料作为吸声材料。吸声系数越大，表明材料吸声能力越强。

材料的吸声机理是复杂的，通常认为，声波进入材料内部使空气与孔壁（或材料内细小纤维）发生振动与摩擦，将声能转变为机械能最终转变为热能而被吸收。可见，吸声材料大多是具有开口孔的多孔材料或是疏松的纤维状材料。一般来讲，孔隙越多，越细小，吸声效果越好；增加材料厚度，对低频吸声效果提高，对高频影响不大。

（2）隔声。隔声与吸声是两个不同的概念。隔声是指材料阻止声波的传播，是控制环境中噪声的重要措施。

声波在空气中传播遇到密实的围护结构（如墙体）时，声波将激发墙体产生振动，并使声音透过墙体传至另一空间中。空气对墙体的激发服从“质量定律”，即墙体的单位面积质量越大，隔声效果越好。因此，砖及混凝土等材料的结构，隔声效果都很好。

结构的隔声性能用隔声量表示，隔声量是指入射与透过材料声能相差的分贝（dB）数。隔声量越大，隔声性能越好。

6.材料的光学性质

（1）光泽度。材料表面反射光线能力的强弱程度称为光泽度。它与材料的颜色及表面光滑程度有关，一般来说，颜色越浅，表面越光滑，其光泽度越大。光泽度越大，表示材料表面反射光线能力越强。光泽度用光电光泽计测得。

（2）透光率。光透过透明材料时，透过材料的光能与入射光能之比称为透光率（透光系数）。玻璃的透光率与其组成及厚度有关。厚度越厚，透光率越小。普通窗用玻璃的透光率约为0.75～0.90。

二、材料的力学性质

1.强度及强度等级

（1）材料的强度。材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏的能力称为强度。材料在外力作用下，不同的材料可出现两种情况：一种是当内部应力值达到某一值（屈服点）后，应力不再增加也会产生较大的变形，此时虽未达到极限应力值，却使构件失去了使用功能；另一种是应力未能使材料出现屈服现象就已达到了其极限应力值而出现断裂。这两种情况下的应力值都可作为材料强度的设计依据。前者，如建筑钢材，以屈服点值作为钢材设计依据，而几乎所有的脆性材料，如石材、普通砖、混凝土、砂浆等，都属于后者。

材料的强度是通过对标准试件在规定的实验条件下的破坏试验来测定的。根据受力方式不同，可分为抗压强度、抗拉强度及抗弯强度等。常用材料强度测定见表1-6。

不同种类的材料具有不同的抵抗外力。同种材料，其强度随孔隙率及宏观构造特征不同而有很大差异。一般来说，材料的孔隙率越大，其强度越低。此外，材料的强度值还受试验时试件的形状、尺寸、表面状态、含水程度、温度及加荷载的速度等因素影响，因此国家规定了试验方法，测定强度时应严格遵守。

（2）强度等级、比强度。

1）强度等级。

为了掌握材料的力学性质，合理选择材料，常将建筑材料按极限强度（或屈服点）划分成不同的等级，即强度等级。对于石材、普通砖、混凝土、砂浆等脆性材料，由于主要用于抗压，因此以其抗压强度来划分等级，而建筑钢材主要用于抗拉，则以其屈服点作为划分等级的依据。

2）比强度。

比强度是用来评价材料是否轻质高强的指标。它是指材料的强度与其表观密度之比，其数值较大者，表明该材料轻质、高强。表1-7的数值表明，松木较为轻质高强，而烧结普通砖比强度值最小。

2.弹性和塑性

（1）弹性。材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状、尺寸的性质称为弹性。这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。材料在弹性范围内变形符合胡克定律，并用弹性模量E来反映材料抵抗变形的能力。 E 值越大，材料受外力作用时越不易产生变形。

（2）塑性变形。材料在外力作用下产生不能自行恢复的变形，且不破坏的性质称为塑性。这种不能自行恢复的变形称为塑性变形（或称不可恢复变形）。

实际上，只有单纯的弹性或塑性的材料都是不存在的。各种材料在不同的应力下，表现出不同的变形性能。

3.脆性和韧性

（1）脆性。材料在外力作用下，直至断裂前只发生弹性变形，不出现明显的塑性变形而突然破坏的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，如石材、普通砖、混凝土、铸铁、玻璃及陶瓷等。脆性材料的抗压能力很强，其抗压强度比抗拉强度大得多，可达十几倍甚至更高。脆性材料抗冲击及动荷载能力差，故常用于承受静压力作用的建筑部位，如基础、墙体、柱子、墩座等。

（2）韧性。材料在冲击、震动荷载作用下，能承受很大的变形而不致破坏的性质称为韧性（或冲击韧性）。建筑钢材、木材、沥青混凝土等都属于韧性材料。用作路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。材料的韧性用冲击试验来检验。

三、材料的耐久性

材料的使用环境中，在多种因素作用下能经久不变质，不破坏而保持原有性能的能力称为耐久性。

材料在环境中使用，除受荷载作用外，还会受周围环境的各种自然因素的影响，如物理、化学及生物等方面的作用。

物理作用包括干湿变化、温度变化、冻融循环、磨损等，都会使材料遭到一定程度的破坏，影响材料的长期使用。

化学作用包括受酸、碱、盐类等物质的水溶液及有害气体作用，发生化学反应及氧化作用、受紫外线照射等使材料变质或遭损。

生物作用是指昆虫、菌类等对材料的蛀蚀及腐朽作用。

实际上，影响材料耐久的原因是多方面因素作用的结果，即耐久性是一种综合性质。它包括抗渗性、抗冻性、抗风化性、耐蚀性、抗老化性、耐热性、耐磨性等诸方面的内容。

然而，不同种类的材料，其耐久性的内容各不相同。无机矿质材料（如石材、砖、混凝土等）暴露在大气中受风吹、日晒、雨淋、霜雪等作用产生风化和冻融，主要表现为抗风化性和抗冻性，同时有害气体的侵蚀作用也会对上述破坏起促进作用；金属材料（如钢材）主要受化学腐蚀作用；木材等有机材料常因生物作用而遭损；沥青、高分子材料在阳光、空气、热的作用下逐渐老化等。

处在不同建筑部位及工程所处环境不同，其材料的耐久性也具有不同的内容，如寒冷地区室外工程的材料应考虑其抗冻性；处于有水压力作用下的水工工程所用材料应有抗渗性的要求；地面材料应有良好的耐磨性等。

为了提高材料的耐久性，首先，应努力提高材料本身及对外界作用的抵抗能力（提高密实度，改变孔结构，选择恰当的组成原材料等）；其次，可用其他材料对主体材料加以保护（覆面、刷涂料等）；此外，还应设法减轻环境条件对材料的破坏作用（对材料处理或采取必要构造措施）。

对材料耐久性能的判断应在使用条件下进行长期的观察和测定。但这需要很长时间。因此，通常是根据使用要求进行相应的快速试验，如干湿循环、冻融循环、碳化、化学介质浸渍等，并据此对耐久性作出评价。 qmzZOjA/xRt4KR5SVR6OECdgQ9Uppl08KV3oAFVB7ymwaX/JVSRNGESbiwSxAQaL