建筑材料電子教案第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日

第一節材料的組成與結構材料的組成

1.1化學組成

無機非金屬建筑材料的化學組成以各種氧化物含量來表示。 金屬材料以元素含量來表示。 化學組成決定著材料的化學性質，影響其物理性質和力學性質。

第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.2礦物組成材料中的元素和化合物以特定的礦物形式存在并決定著材料的許多重要性質。 礦物組成是無機非金屬材料中化合物存在的基本形式。1.3相組成材料中結構相近性質相同的均勻部分。第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.材料的結構與構造

2.1宏觀結構（構造）

材料的宏觀結構是指用肉眼和放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小，以及更大尺寸的構造情況。宏觀構造，按孔隙尺寸可以分為：

（1）致密結構，基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）多孔結構，是指具有粗大孔隙的結構。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造輕質材料等。

(3）微孔結構，是指微細的孔隙結構。如石膏制品、粘土磚瓦等。

(4）纖維結構，是指木材纖維、玻璃纖維、礦物棉纖維所具有的結構。第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日

（5）層狀結構，采用粘結或其他方法將材料迭合成層狀的結構。如膠合板、迭合人造板、蜂窩夾芯板、以及某些具有層狀填充料的塑料制品等。

(6）散粒結構，是指松散顆粒狀結構。比如混凝土骨料、用作絕熱材料的粉狀和和粒狀的添充料。

第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.2微觀結構

微觀結構是指材料在原子、分子層次的結構。材料的微觀結構，基本上可分為晶體與非晶體。 晶體結構的特征是其內部質點（離子、原子、分子）按照特定的規則在空間周期性排列。非晶體也稱玻璃體或無定形體，如無機玻璃。玻璃體是化學不穩定結構，容易與其它物體起化學作用。第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日

2.3亞微觀結構

亞微觀結構也稱作細觀結構，是介于微觀結構和宏觀結構之間的結構形式。如金屬材料晶粒的粗細及其金相組織，木材的木纖維，混凝土中的孔隙及界面等。

從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的結構上來研究土木工程材料的性質，才能深入其本質，對改進與提高材料性能以及創制新型材料都有著重要的意義。

第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第二節材料的狀態參數和結構特征1.材料的體積

體積是材料占有的空間尺寸。由于材料具有不同的物理狀態，因而表現出不同的體積。1.1材料的絕對密實體積：干材料在絕對密實狀態下的體積。即材料內部沒有孔隙時的體積，或不包括內部孔隙的材料體積。一般以Ｖ表示材料的絕對密實體積1.2材料的表觀體積：材料在自然狀態下的體積，即整體材料的外觀體積（含內部孔隙和水分）。一般以V0

表示材料的表觀體積。第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日

1.3材料的堆積體積：粉狀或粒狀材料，在堆集狀態下的總體外觀體積。根據其堆積狀態不同，同一材料表現的體積大小可能不同，松散堆積下的體積較大，密實堆積狀態下的體積較小。材料的堆集體積一般以來表示。

第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.材料的密度

材料的密度是指材料在絕對密實狀態下單位體積的質量，按下式計算：

式中：ρ—密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V—材料的絕對密實體積，cm3或m3

測試時，材料必須是絕對干燥狀態。含孔材料則必須磨細后采用排開液體的方法來測定其體積。

第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.材料的表觀密度

表觀密度（俗稱“容重”）是指材料在自然狀態下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0—材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0—材料的表觀體積，cm3或m3第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日

材料的表觀體積是指包括內部孔隙在內的體積。因為大多數材料的表觀體積中包含有內部孔隙，其孔隙的多少，孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影響其總質量（有時還影響其表觀體積）。因此，材料的表觀密度除了與其微觀結構和組成有關外，還與其內部構成狀態及含水狀態有關第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日

4.材料的堆積密度

堆積密度是指粉狀或粒狀材料，在堆積狀態下單位體積的質量。

按下式計算：

式中 ρ0，—材料的堆積密度,g/cm3或kg/m3

m—材料的質量，g或kg

V0，—材料的堆積體積，cm3或m3第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日

粉狀或粒狀材料的質量是指填充在一定容器內的材料質量，其堆積體積是指所用容器的容積而言。因此，材料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙。

在土木建筑工程中，計算材料用量、構件的自重，配料計算以及確定堆放空間時經常要用到材料的密度、表觀密度和堆積密度等數據。第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日

5.材料的密實度

密實度是指材料體積內被固體物質充實的程度。密實度的計算式如下：

對于絕對密實材料，因ρ0=ρ，故密實度D=1或100%。對于大多數土木工程材料，因ρ0〈

ρ，故密實度D?1或D

?

100%。

ρ—密度；ρ0—材料的表觀密度第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日6.孔隙率

材料的孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料總體積的百分率。孔隙率P按下式計算：V—材料的絕對密實體積，cm3或m3V0—材料的表觀體積，cm3或m3ρ0—材料的表觀密度,g/cm3

或kg/m3ρ—密度,g/cm3或kg/m3

第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日

7.空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆集體積中,顆粒之間的空隙體積所占的比例。空隙率P，按下式計算：

ρ0—材料的表觀密度;ρ0，—材料的堆積密度空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒互相填充的致密程度。空隙率可作為控制混凝土骨料級配與計算含砂率的依據。第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第三節材料的物理性質一、材料與水有關的性質1.材料的親水性與憎水性

與水接觸時，有些材料能被水潤濕，而有些材料則不能被水潤濕，對這兩種現象來說，前者為親水性，后者為憎水性。

材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料的分子結構。親水性材料與水分子之間的分子親合力，大于水分子本身之間的內聚力；反之，憎水性材料與水分子之間的親合力，小于水分子本身之間的內聚力。

第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日工程實際中，材料是親水性或憎水性，通常以潤濕角的大小劃分，潤濕角為在材料、水和空氣的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角。其中潤濕角θ愈小，表明材料愈易被水潤濕。當材料的潤濕角θ＜９０?時，為親水性材料；當材料的潤濕角θ＞９０?時，為憎水性材料。水在親水性材料表面可以鋪展開，且能通過毛細管作用自動將水吸入材料內部；水在憎水性材料表面不僅不能鋪展開，而且水分不能滲入材料的毛細管中，見圖1-1第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日圖1－1材料潤濕示意圖

（ａ）親水性材料；（ｂ）憎水性材料第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.材料的吸水性

材料能吸收水分的能力，稱為材料的吸水性。吸水的大小以吸水率來表示。

2.1質量吸水率

質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水量占材料在干燥狀態下的質量百分比，并以ｗm表示。質量吸水率ｗm的計算公式為：

式中mb——材料吸水飽和狀態下的質量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥狀態下的質量（ｇ或kg）。

第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.2體積吸水率

體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水的體積占材料自然體積的百分率，并以WＶ表示。體積吸水率WＶ的計算公式為：

式中 mb——材料吸水飽和狀態下的質量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥狀態下的質量（ｇ或kg）。

V0—

材料在自然狀態下的體積，（cm3或m3）

ρw—

水的密度,（g/cm3

或kg/m3），常溫下取ρw=1.0g/cm3

第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料的吸水率與其孔隙率有關，更與其孔特征有關。因為水分是通過材料的開口孔吸入并經過連通孔滲入內部的。材料內與外界連通的細微孔隙愈多，其吸水率就愈大。第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.材料的吸濕性

材料的吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。干燥的材料處在較潮濕的空氣中時，便會吸收空氣中的水分；而當較潮濕的材料處在較干燥的空氣中時，便會向空氣中放出水分。前者是材料的吸濕過程，后者是材料的干燥過程。由此可見，在空氣中，某一材料的含水多少是隨空氣的濕度變化的。第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料在任一條件下含水的多少稱為材料的含水率，并以Ｗh表示，其計算公式為：

式中 ms——材料吸濕狀態下的質量（ｇ或kg）

mg——材料在干燥狀態下的質量（ｇ或kg）。

第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日顯然，材料的含水率受所處環境中空氣濕度的影響。當空氣中濕度在較長時間內穩定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態，此時材料的含水率保持不變，其含水率叫作材料的平衡含水率。第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日4.材料的耐水性

材料的耐水性是指材料長期在飽和水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質。衡量材料耐水性的指標是材料的軟化系數KR：式中KR——

材料的軟化系數

fb—

材料吸水飽和狀態下的抗壓強度（MPa）。

fg—

材料在干燥狀態下的抗壓強度（MPa）

第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日

軟化系數反映了材料飽水后強度降低的程度，是材料吸水后性質變化的重要特征之一。一般材料吸水后，水分會分散在材料內微粒的表面，削弱其內部結合力，強度則有不同程度的降低。當材料內含有可溶性物質時（如石膏、石灰等），吸入的水還可能溶解部分物質，造成強度的嚴重降低。

第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料耐水性限制了材料的使用環境，軟化系數小的材料耐水性差，其使用環境尤其受到限制。軟化系數的波動范圍在0至1之間。工程中通常將ＫＲ＞0.85的材料稱為耐水性材料，可以用于水中或潮濕環境中的重要工程。用于一般受潮較輕或次要的工程部位時，材料軟化系數也不得小于0.75。第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日5.抗凍性

材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨漲所產生的凍脹壓力造成材料的內應力，會使材料遭到局部破壞。隨著凍融循環的反復，材料的破壞作用逐步加劇，這種破壞稱為凍融破壞。

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態下，能經受反復凍融循環作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能。第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日抗凍性以試件在凍融后的質量損失、外形變化或強度降低不超過一定限度時所能經受的凍融循環次數來表示，或稱為抗凍等級。

材料的抗凍等級可分為Ｆ15、Ｆ25、Ｆ50、Ｆ100、Ｆ200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環。材料的抗凍性與材料的強度、孔結構、耐水性和吸水飽和程度有關。

第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日6.材料的抗滲性

抗滲性是材料在壓力水作用下抵抗水滲透的性能。土木建筑工程中許多材料常含有孔隙、孔洞或其它缺陷，當材料兩側的水壓差較高時，水可能從高壓側通過內部的孔隙、孔洞或其它缺陷滲透到低壓側。這種壓力水的滲透，不僅會影響工程的使用，而且滲入的水還會帶入能腐蝕材料的介質，或將材料內的某些成分帶出，造成材料的破壞。

第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日6.1滲透系數

材料的滲透系數可通過下式計算:

式中K—滲透系數,（cm/h）;

Q—滲水量，（cm3

）

A—

滲水面積,（cm2

）

H—

材料兩側的水壓差，（cm）

d—試件厚度（cm）

t—滲水時間（h）

材料的滲透系數越小，說明材料的抗滲性越強。第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日6.2抗滲等級

材料的抗滲等級是指用標準方法進行透水試驗時，材料標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，并以字母P及可承受的水壓力（以0.1MPa為單位）來表示抗滲等級。如P4、P6、P8、P10…等，表示試件能承受逐步增高至0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa…的水壓而不滲透。

第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日二.材料的熱工性質

1.導熱性

當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質，稱為材料的導熱性。導熱性用導熱系數λ表示。導熱系數的定義和計算式如下所示：第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日式中

λ——導熱系數，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；

Ｑ－傳導的熱量，Ｊ

ｄ—材料厚度，ｍ；

Ｆ——熱傳導面積，m2

Ｚ一熱傳導時間，h；

（t2-t1）－材料兩面溫度差，K

在物理意義上，導熱系數為單位厚度(1m)的材料、兩面溫度差為1Ｋ時、在單位時間(1s)內通過單位面積(1㎡)的熱量。

第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.熱容量和比熱

材料在受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質稱為材料的熱容量。單位質量材料溫度升高或降低1Ｋ所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數或比熱。比熱的計算式如下所示：式中

C---材料的比熱，J/（g·K）

Q--材料吸收或放出的熱量(熱容量)

m---材料質量，g

（t2-t1）--材料受熱或冷卻前后的溫差，K第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.熱阻和傳熱系數

熱阻是材料層（墻體或其它圍護結構）抵抗熱流通過的能力，熱阻的定義及計算式

為：

Ｒ＝ｄ/λ式中Ｒ——材料層熱阻，（m2·K）/W；

ｄ——材料層厚度，ｍ；

λ——材料的導熱系數，Ｗ／(ｍ·K)

熱阻的倒數１／Ｒ稱為材料層（墻體或其它圍護結構）的傳熱系數。傳熱系數是指材料兩面溫度差為1Ｋ時，在單位時間內通過單位面積的熱量。

第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日4.材料的溫度變形性

材料的溫度變形是指溫度升高或降低時材料的體積變化。

除個別材料以外，多數材料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。這種變化表現在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮，相應的技術指標為線膨脹系數（α）。第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料的單向線膨脹量或線收縮量計算公式為：

ΔL=（t2-t1）·α·L

式中

ΔL--線膨脹或線收縮量（mm或cm）

(t2-t1）--材料升（降）溫前后的溫度差（Ｋ）

α--材料在常溫下的平均線膨脹系數(１／Ｋ)

L---材料原來的長度（ｍｍ或ｍ）

土木工程中，對材料的溫度變形大多關心其某一單向尺寸的變化，因此，研究其平均線膨脹系數具有實際意義。材料的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四節材料的力學性質1.材料的強度

材料的強度是材料在應力作用下抵抗破壞的能力。通常情況下，材料內部的應力多由外力（或荷載）作用而引起，隨著外力增加，應力也隨之增大，直至應力超過材料內部質點所能抵抗的極限，即強度極限，材料發生破壞。

在工程上，通常采用破壞試驗法對材料的強度進行實測。將預先制作的試件放置在材料試驗機上，施加外力（荷載）直至破壞，根據試件尺寸和破壞時的荷載值，計算材料的強度。

第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日根據外力作用方式的不同，材料強度有抗拉、抗壓、抗剪、抗彎（抗折）強度等。材料的抗拉、抗壓、抗剪強度的計算式如下：

式中 f------材料強度，MPa

Fmax--材料破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2-第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料的抗彎強度與受力情況有關，一般試驗方法是將條形試件放在兩支點上，中間作用一集中荷載，對矩形截面試件，則其抗彎強度用下式計算：式中 fw------材料的抗彎強度，MPa

Fmax---材料受彎破壞時的最大荷載，N

A------試件受力面積，mm2

L------兩支點的間距，mm

b、h---試件橫截面的寬及高，mm

第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.彈性和塑性

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。這種完全恢復的變形稱為彈性變形（或瞬時變形）。材料在外力作用下產生變形，如果外力取消后，仍能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（或永久變形）。第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.脆性和韌性

材料受力達到一定程度時，突然發生破壞，并無明顯的變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬脆性材料，如天然石材，燒結普通磚、陶瓷、玻璃、普通混凝土、砂漿等。脆性材料的另一特點是抗壓強度高而抗拉、抗折強度低。在工程中使用時，應注意發揮這類材料的特性。

第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日材料在沖擊或動力荷載作用下，能吸收較大能量而不破壞的性能，稱為韌性或沖擊韌性。韌性以試件破壞時單位面積所消耗的功表示。計算公式如下：式中ak-----材料的沖擊韌性，J/mm2

Ｗk-----試件破壞時所消耗的功，J；

A-------材料受力截面積。（mm2）第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日4.硬度和耐磨性

①硬度

材料的硬度是材料表面的堅硬程度，是抵抗其它硬物刻劃、壓入其表面的能力。通常用刻劃法，回彈法和壓入法測定材料的硬度。

刻劃法用于天然礦物硬度的劃分，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃晶、剛玉、金剛石的順序，分為１０個硬度等級。

第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日回彈法用于測定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強度；也用于測定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強度。第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日②耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，計算公式如下：式中G------材料的磨耗率，（g/cm2）

m1----材料磨損前的質量，（g）

m2-----材料磨損后的質量，（g）

A------材料試件的受磨面積（cm2）第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日

第五節材料的耐久性

材料的耐久性是泛指材料在使用條件下，受各種內在或外來自然因素及有害介質的作用，能長久地保持其使用性能的性質。

材料在建筑物之中，除要受到各種外力的作用之外，還經常要受到環境中許多自然因素的破壞作用。這些破壞作用包括物理、化學、機械及生物的作用。

第五十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日物理作用可有干濕變化、溫度變化及凍融變化等。這些作用將使材料發生體積的脹縮，或導致內部裂縫的擴展。時間長久之后即會使材料逐漸破壞。在寒冷地區，凍融變化對材料會起著顯著的破壞作用。在高溫環境下，經常處于高溫狀態的建筑物或構筑物，所選用的建筑材料要具有耐熱性能。在民用和公共建筑中，考慮安全防火要求，須選用具有抗火性能的難燃或不燃的材料。第五十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日化學作用包括大氣、環境水以及使用條件下酸、堿、鹽等液