第一节
建筑材料概述

一、建筑材料的分类及作用

（一）建筑材料的分类

广义的建筑材料是指用于建造建筑物和构筑物的所有材料，是原材料、半成品、成品的总称。狭义的建筑材料是指直接构成建筑物和构筑物实体的材料。

作为建筑材料应同时满足两个基本要求：

（1）满足建筑物或构筑物本身的某些技术性能要求，保证其正常使用；

（2）能抵御周围环境的影响和有害介质的侵蚀，保证建筑物或构筑物经久耐用。

建筑材料的发展跨越了漫长社会生产实践和科学研究历程，已形成一个庞大的、品种繁多的材料体系。最常见的建筑材料的分类，是按材料的化学组成分为无机材料、有机材料、复合材料，见表 2.1.1。

（二）建筑材料在建筑生产中的作用

建筑业是我国国民经济的支柱行业，建筑材料是建筑生产活动的物质基础，与建筑设计、建筑结构、建筑施工和建筑经济一样，是建筑工程学科的重要组成部分。

建筑工程中许多技术问题的突破和创新，常有赖于建筑材料的解决，新的建筑材料的出现，又将促进结构设计及施工技术的革新。由于社会生产力的不断发展和科学技术的进步，建筑材料才越出了几千年来沿用的砖、木、石、土的限制，广泛使用水泥和钢材，出现了钢筋混凝土结构；随着轻质高强材料的问世，又推动了现代建筑和高层建筑的发展。而建筑技术的发展，总是不断地对建筑材料提出更新的要求，一些具有特殊功能的材料也就应运而生。由此可见，建筑材料生产及其科学技术的发展，不仅对建筑业的发展有重要作用，还会影响地区和国家经济建设的速度。

建筑生产活动中，建筑材料不但使用量大、面广、规格多，且经济性很强，直接影响工程造价。据统计，一般建筑工程造价中材料费用占 60 %左右，且呈上升趋势。由此可见，选用材料是否经济合理，对降低建筑造价起着十分关键的作用。

二、建筑材料的物理性质

（一）建筑材料的质量与体积

1.密度。材料在绝对密实状态下，单位体积的质量用下式表示：

式中 ρ ——密度（g/cm ³ 、kg/m ³ ）；

m ——材料在干燥状态的质量（g、kg）；

V ——材料的绝对密实体积（cm ³ 、m ³ ）。

材料的绝对密实体积是指固体物质所占体积，不包括孔隙在内。密实材料如钢材、玻璃等的体积可根据其外形尺寸求得。

相对密度是用材料的质量与同体积水（4℃）的质量的比值表示。

2.表观密度。即体积密度，是材料在自然状态下单位体积的质量，用下式表示：

式中 ρ ₀ ——表观密度（kg/m ³ ）；

m ——材料的重量（kg）；

V ₀ ——材料在自然状态下的外形体积（m ³ ）。

材料在自然状态下的体积，包括材料内部孔隙在内的体积。外形规则的材料可根据外形尺寸计算出体积，外形不规则的颗粒材料，可使其饱水后，再用排水法测得颗粒体积。

3.堆密度。堆密度也称堆积密度，系指粉状或粒状材料，在堆积自然状态下，材料的堆积体积包括材料内部孔隙和松散材料颗粒之间的空隙在内的体积。堆密度是材料在自然堆积状态下单位体积的质量，按下式计算：

式中 ρ ' ₀ ——堆密度（kg/m ³ ）；

m ——材料的重量（kg）；

V ' ₀ ——材料的堆积体积（m ³ ）。

常用材料的密度、表观密度和堆密度见表2.1.2。

（二）建筑材料的密实度与孔隙率

建筑工程中常用的材料是固体材料，其体积由固体物质和孔隙体积组成，它们所占的比例均能说明材料的密实程度。

1.密实度。指材料体积内被固体物质所充实的程度，用下式表示：

式中 ρ ₀ ——表观密度（g/cm ³ 、kg/m ³ ）；

ρ ——密度（g/cm ³ ）；

D ——密实度（%）。

2.孔（空）隙率。指材料体积内孔隙体积所占的比例，用下式表示：

式中 P ——孔（空）隙率（%）。

密实度和孔隙率两者之和为 1，两者均反映了材料的密实程度，通常用孔隙率来直接反映材料密实程度。孔隙率的大小对材料的物理性质和力学性质均有影响，而孔隙特征、孔隙构造和大小对材料性能影响较大。构造分为封闭孔隙（与外界隔绝）和连通孔隙（与外界连通）；按孔隙的尺寸大小分为粗大孔隙、细小孔隙、极细微孔隙。孔隙率小，并有均匀分布闭合小孔的材料，建筑性能好。

散状颗粒材料在自然堆积状态时，颗粒间空隙体积占总体积的比率，称为空隙率。

（三）建筑材料与水有关的性质

1.吸水性与吸湿性。

（1）吸水性。材料与水接触吸收水分的能力称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率分质量吸水率和体积吸水率。

按下式计算材料的吸水率 ω _wa 。

质量吸水率为

体积吸水率为

式中 m ₁ ——材料吸水饱和后的质量（g）；

m ——材料烘干到恒重时的质量（g）；

V ₀ ——干燥材料在自然状态下的体积（cm ³ ）。

材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙特征有关。具有细微而连通孔隙的材料吸水率大，具有封闭孔隙的材料吸水率小。当材料有粗大的孔隙时，水分不易存留，这时吸水率也小。

轻质材料，如海绵、塑料泡沫等，可吸收水分的质量远大于干燥材料的质量，这种情况下，吸水率一般要用体积吸水率表示。

（2）吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水气的能力称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示，按下式计算材料的含水率 ω _wc ：

式中 m _湿 ——材料吸收空气中的水气后的质量（g）。

材料含水率大小，除与材料本身组织、结构和成分有关外，还与周围环境的湿度、温度有关。当气温低、相对湿度大时，材料的含水率也大。材料的含水率与外界湿度一致时的含水率称为平衡含水率。平衡含水率并不是不变的，它随环境中的温度和湿度的变化而改变，当材料的吸水达到饱和状态时的含水率即为材料的吸水率。

材料含水会使材料堆密度和导热性增大、强度降低、体积膨胀，故材料吸水或吸湿后对材料的使用性能一般是不利的。

2.耐水性。材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。有孔材料的耐水性用软化系数表示，按下式计算材料的软化系数 K _软 ：

式中 f _饱 ——材料在水饱和状态下的抗压强度（MPa）；

f _干 ——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。

材料的软化系数在 0～1 之间波动。因为材料吸水，水分渗入后，材料内部颗料间的结合力减弱，软化了材料中的不耐水成分，致使材料强度降低。所以材料处于同一条件时，一般而言吸水后的强度比干燥状态下的强度低。软化系数越小，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差。对重要工程及长期浸泡或潮湿环境下的材料，要求软化系数不低于 0.85～0.90。通常把软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。

3.抗冻性与抗渗性。

（1）抗冻性。材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质，用“抗冻等级”表示。

冰冻的破坏作用是由材料孔隙内的水分结冰引起的。水结冰时体积增大9 %左右，从而对孔壁产生压力而使孔壁开裂。“抗冻等级”表示材料经过规定的冻融次数，其质量损失、强度降低均不低于规定值。如混凝土抗冻等级D ₁₅ 号是指所能承受的最大冻融次数是15次（在-15℃的温度冻结后，再在20℃的水中融化，为一次冻融循环），这时强度损失率不超过25 %，质量损失不超过 5 %。

（2）抗渗性。材料抵抗压力水渗透的性质，用渗透系数表示。

即

式中 K ——渗透系数〔mL/（cm ² ·s）〕；

Q ——渗水量（mL）；

d ——试件厚度（cm）；

A ——表面积（cm ² ）；

t ——渗水时间（s）；

H ——静水压力水头（cm）。

材料的渗透系数越小，其抗渗性能越好。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率及其特征有密切关系。孔隙率小而且是封闭孔隙的材料，具有较高的抗渗性能。对于常受到压力水作用的地下建筑或水工构筑物，要求材料具有一定的抗渗性。

混凝土的抗渗性可用抗渗等级，如 P ₆ 即表示能抵抗0.6MPa的静水压力而不渗透。

三、建筑材料的力学性质

（一）强度与比强度

1.强度。强度是指在外力（荷载）作用下材料抵抗破坏的能力。当材料承受外力时，内部产生应力，外力逐渐增加，应力也相应增大，直到材料内部质点间的作用力不再能够抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力就是材料的强度。

材料在建筑物中所承受的外力，主要有压、拉、剪、弯、扭，因此，材料抵抗外力破坏的强度也分为抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗扭。上述强度都指在静力试验下测得的，又称静力强度，见图2.1.1。

材料抗压、抗拉、抗剪强度用以下公式计算：

式中 f ——强度（MPa）；

P ——破坏时最大荷载（N）；

F ——受力截面面积（mm ² ）。

当外力为作用于构件中央的集中荷载，且构件具有两个支点，材料截面为矩形时，抗弯强度用以下公式计算：

式中 f _m ——材料抗弯强度（MPa）；

P ——材料破坏时最大荷载（N）；

l ——两支点间距离（mm）；

b ——试件截面宽度（mm）；

h ——试件截面高度（mm）。

2.比强度。比强度是按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度对其表观密度的比值，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。如普通混凝土C30的比强度（0.0125）低于Ⅱ级钢的比强度（0.043），说明这两种材料相比混凝土显出质量大而强度低的弱点，应向轻质高强方向改进配制技术。

（二）弹性与塑性

1.弹性。弹性是指外力作用下材料产生变形，外力取消后变形消失，材料能完全恢复原来形状的性质，这种变形属可逆变形，称为弹性变形，见图2.1.2。变形数值的大小与外力成正比。其比例系数是材料的弹性模量，用符号 E 表示。在弹性变形范围内， E 为常数。即

式中 σ ——材料的应力（MPa）；

ε ——材料的应变。

弹性模量是衡量材料在弹性范围内抵抗变形能力的指标， E 越小，材料受力变形越大。

2.塑性。塑性是指外力作用下材料产生变形，外力取消后仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂隙的性质，这种变形称为塑性变形，见图2.1.3。

实际工程中单纯的弹性材料是不存在的，多数材料受力后变形是介于弹塑性变形之间的。当受力不大时，主要产生弹性变形，受力超过一定限度，才产生明显的塑性变形。如混凝土，既具有弹性变形，又具有塑性变形。材料的弹塑性变形见图 2.1.4。

材料的弹性和塑性与材料本身的成分、外界条件有关。如材料在某一特定的温度和外力条件下属于弹性范畴，但当改变其条件时，可能会变成具有塑性性质。