第二节材料的物理性质一.docx
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第二节材料的物理性质一
第二节材料的物理性质一、材料的基本物理性质
建筑材料的基本物理性质是表示材料与其质量、构造状态有关的物理状态参数。
（一）与质量有关的性质
1．密度
指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
用下式表示。
优
ID—V
式中JD——材料的密度，g／cm。
；．’
优——材料的绝干质量，g；
y——材料在绝对密度状态下的体积，简称为绝对体积或实体积，cm。
。
材料的密度』D大小取决于组成物质的原子量和分子结构。
重金属材料的密度为7．50--．-
9．OOg／cm。
；硅铝酸盐的密度多在1．80～3．30g／cm。
之间；有机高分子材料的密度小于2．50
g／cms。
同为碳原子组成，石墨的分子结构较松散，密度为2．20g／cm。
，而金刚石极为坚实，密
度高达3．50g／cm。
。
2．表观密度
指材料在自然状态下，单位体积的质量。
用下式表示：
m
P。
一一Vo
式中JD。
——材料的表观密度，亦称体积密度，kg／m。
或g／cm。
；
优——材料的质量，kg或g；t
y。
——材料在自然状态下的体积，简称自然体积或表观体积（包括材料的实体积和
所含孔隙体积），m。
或cm。
。
材料表观密度』D。
的大小与其含水状态有关。
当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积
都会发生变化，因而表观密度亦不相同，故测定材料表观密度时，应注明其含水情况，未特别
标明者，常指气干状态下的表观密度。
在进行材料对比试验时，则以绝干状态下测得的表观
密度，即干表观密度为准。
粉状材料如水泥、消石灰粉等，其平均颗粒粒径甚小，与一般块体材料测定密度时所研
碎制作的试样粒径相近，因而它们的表观密度，特别是干表观密度值与密度值很接近，可视
为相等。
散粒材料如砂、石子等，其表观密度亦称颗粒表观密度，是指在自然状态下，颗粒单位体
积（包括内部孔隙体积）的质量，而不包括颗粒间的空隙体积。
3．堆积密度
在建筑工程中，经常使用大量的散粒材料或粉状材料，如砂、石子、水泥等，它们都直接
以颗粒状态使用，不再加工成块状材料，这些材料也可按上述方法求出它们的密度，但工程
意义不大，使用时一般不需考虑每个颗粒内部的孔隙，而是要知道其堆积密度。
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。
用下式表示：
Im
』D。
一Voo式中反——材料的堆积密度，kg／m。
；
m——材料的质量，kg；
y’。
——材料的自然（松散）堆积体积（包括颗粒体积和颗粒之
间空隙的体积），m。
，也即按一定方法装入一定容器的
容积，如图1—1所示。
（二）与构造状态有关的性质
1．孔隙率与孔隙特征
孔隙率是指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。
用下式表示：
P=孚×lOO％一（1一譬）×100~／
’0P
式中尸——材料的孔隙率，％；
yo——材料的自然体积，cm。
或rrl。
；
y——材料的绝对密实体积，cm。
或nl。
。
．
材料孔隙率大小直接反映材料的密实程度。
材料的孔隙率高，则表示密实程度小。
必须指出，材料内部的孔隙是各式各样的，十分复杂，如有大小、形状、分布、连通与否等
之分，以上均属孔隙构造上的特征，统称为孔隙特征。
不仅孔隙率大小影响着材料的各种性
质，孔隙特征对于研究材料的性质也十分重要，但在一般工程应用上并不一定要划分得十分
清楚，通常材料的孔隙特征主要是指孔隙的连通性，按此可将孔隙分为开El孔隙和闭口孔
隙。
开口孔隙（简称开孔）是指材料内部孔隙不仅彼此互相贯通，并且与外界相通，如常见的
毛细孔。
在一般浸水条件下，开孔能吸水饱和。
开口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸声
性，并降低抗冻性。
闭口孔隙（简称闭孔）是指材料内部孔隙彼此不连通，而且与外界隔绝。
闭口孔隙能提高
材料的隔热保温性能和耐久性。
．
由此可见，材料的孔隙率P也可分为开口孔隙率（P叩）和闭H孔隙率（P。
。
），即：
P—P。
，+P。
I
2．空隙率
空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占其自然堆积体积的百分率。
用下式
表示：
T，，TrJ
P‘一半×100％=（1一鲁）×100％
’0^，
式中P’——材料的空隙率，％；
y；——材料的自然堆积体积，cm。
或m。
；
yo——材料的颗粒体积，cm。
或rn。
。
在上述各参数中，密度并不能反映材料的性质，但可以大致了解材料的品质，并可用它
计算材料的孔隙率，以及进行混凝土配合比的计算。
表观密度建立了材料自然体积与质量之间的关系，在建筑工程中可用来计算材料用量、
构件自重、确定材料堆放空间等。
孔隙率和孔隙特征反映材料的密度程度，并和材料的许多性质都有密切关系，如强度、
吸水性、保温性、耐久性等。
空隙率在配制混凝土时可作为控制砂、石级配与计算配合比时的重要依据。
由上可见，材料的密度、表观密度、孔隙率或空隙率等是认识材料、了解材料性质与应用
的重要指标，所以常称为材料的基本物理性质。
常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙如表1—1所示。
表I-1常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
材料名称
密度p
（g／era。
）
表观密度IDo
‘（kg／m。
）
堆积密度而
（kg／m。
）
孔隙率P
（％）
钢
花岗岩
石灰岩
砂
水泥
普通粘土砖
粘土空心砖
普通混凝土
松木
泡沫塑料
7.85
2.70～3.00
2.40～2.60
2.80～3.10
2.50～2.70
2.50～2.70
1.55～1.60
7850
2500~2900
18002600
2500~2600
1600～1900
1000~1400
2200~2600
400～800
20～50
1400～1700
1200～1300
0
0.5～1.0
0.6～3.0
35~40（空隙率）
50~55（空隙率）
20～40
50～60
5～20
55～75
98
二、材料与水有关的性质‘
材料在使用过程中，经常与水发生关系，如雨水、雪水、地下水、生活用水、大气中的水汽等。
然而水分与固体材料表面之间相互作用的情况是不同的，因此要研究材料与水接触后的有关性质。
（一）亲水性与憎水性
亲水性指材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。
具备这种性质的材料称为亲水性材料。
大多数的建筑材料，如砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料。
憎水性指材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。
具备这种性质的材料称为憎水性材料，如石蜡、沥青等。
．
材料的亲水性与憎水性可用润湿角口来说明，口愈小，表明材料易被水润湿。
实验证明，当润湿角口≤90。
时，这种材料称为亲水性材料，如图1—2a所示；当润湿角0>90。
时，这种材料称为憎水性材料，如图1—2b所示。
亲水性材料可以被水润湿，即水可在材料表面铺展开，而且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部，如图1—3a所示；憎水性材料不能被水润湿，水分不易渗入材料毛细管中，如图1—3b所示。
憎水性材料常用作防水材料。
（二）吸水性与吸湿性·
1．吸水性
材料浸入水中吸收水分的能力称为吸水性。
吸水性的大小常以吸水率表示。
有以下两种表示方法：
（1）质量吸水率指材料吸水饱和时，所吸水量占材料绝干质量的百分率。
用公式表示
如下：
Ⅳ。
一鲁×100％==：
_~sw---×100％式中缈。
——材料的质量吸水率，％；
卅sw——材料吸饱水时所吸入的水量，g或kg；
m：
，——材料吸饱水时质量，g或kg；
m——材料的绝干质量，g或kg。
（2）体积吸水率指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占绝干材料自然体积的百分率。
用公式表示为：
肌：
==锷×100％=％≯·恚×100％式中Ⅳ，——材料的体积吸水率，％；
y。
。
——材料吸饱水时所吸入的水的体积，cms或ms；
yo——绝干材料在自然状态下的体积，cma或m。
；
阳——水的密度，g／cm。
。
常温下取』D。
=lg／cma。
质量吸水率与体积吸水率的关系为：
W，一W。
·Po式中P0为材料的干表观密度，g／cm3。
Wv可用来说明材料内部孔隙被水充满的程度，而在材料中，只有开口孔隙能吸水，故体积吸水率即为材料的开口孔隙率。
体积吸水率概念比较清楚，但为方便起见，在工程应用上常用质量吸水率表示材料的吸水性。
由于材料的吸水率是表示材料吸收水分的能力，所以是一固定值。
2．吸湿性
材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。
材料的吸湿性常以含水率表示。
可用以下公式表示：
W’：
—mw--—m×100％式中Ⅳ，m——材料的含水率，％；
m——材料含水时的质量，g或kg；
辨——材料的绝干质量，g或kg。
．
含水率表示材料在某一时间的含水状态，不是固定值，它随环境温度和空气湿度的变化而改变。
当与大气湿度相平衡时的含水率称为平衡含水率（或称气干含水率）。
材料的吸水性和吸湿性，不仅取决于材料本身是亲水的还是憎水的，还与材料的孔隙率和孔隙特征有关。
一般来说，孔隙率大，则吸水性大。
但若是闭口孔隙，水分则不易吸入；而
粗大的开口孔隙，水分虽容易渗入，但不易存留，仅能润湿孔壁表面，不易吸满。
只有当材料具有微小而连通的孔隙（如毛细孔）时，其吸水性和吸湿性才很强。
’
·材料吸水后，对材料性质将产生一系列不良影响，它会使材料的表观密度增大、体积膨胀、强度下降、保温性下降、抗冻性变差等，所以吸水率大对材料性质是不利的。
（三）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。
材料的耐水性用软化系数表示。
可按下式计算：
K一务式中K。
——材料的软化系数；’
／18。
——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
^一一材料在于燥状态下的抗压强度。
MPa。
‘
软化系数K，。
的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。
一般材料随着含水量的增加。
其质点间的结合力有所减弱，强度会有不同程度的降低。
如果材料中含有某些可溶性物质（如粘土、石灰等），则强度降低更为严重，即使是致密的石材也不能完全避免这种影响·如花岗岩长期浸泡在水中，强度将下降3％，烧结普通砖和木材所受影响更大。
软化系数值一般在o～1之间。
软化系数愈小，表示材料的耐水性愈差。
根据K。
。
大小可以判断各种材料的使用场合，所以K。
。
值常成为处于水中或潮湿环境中选择材料的依据。
工程上，通常将K。
。
≥0．85的材料称为耐水性材料。
长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，必须选用K。
。
≥O．85的材料。
对用于受潮较轻或次要结构的材料·其K。
不应小于0．75。
材料的耐水性主要与其组成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有关。
溶解度很小或不溶的材料，则软化系数一般较大，如金属材料K。
。
一1；若材料可溶于水且具有较大的孔隙率，则其软化系数较小或很小，如粘土的K。
。
一0。
（四）抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（不透水性）。
由于材料具有不同程度的渗透性，当材料两侧存在不同水压时，一切破坏因素（如腐蚀性介质等）都可通过水或气体进入材料内部，然后把所分解的产物带出材料，使材料逐渐破坏。
如地下建筑、基础、压力管道、容器、水工建筑等经常受到压力水或水头差的作用，故所用材料应具有一定的抗渗性。
对于各种防水材料，则要求具有更高的抗渗性。
材料的抗渗性可用以下两种指标表示：
1．渗透系数
材料的透水性遵守达西定律：
在一定时间t内，透过材料试件的水量Ⅳ，与试件的渗水面积A及水头差H成正比，与渗透距离（试件厚度）d成反比，见图l一4，可用公式表示如下：
式中K。
——材料的渗透系数，cm／h；
彬——总渗透水量，cm。
；
A——渗水面积，cm。
；
H一一水头差，cm；
f——渗水时间，h；
d一一材料的厚度，cm。
·
渗透系数％值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性差。
一些防渗、防水材料，如油毡、瓦、水工沥青混凝土等，其防水性常用渗透系数表示。
2．抗渗等级
建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土等材料，其抗渗性能常用抗渗等级来表示。
抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受
的最大水压力来确定的，用符号“P”和材料透水前所能承受的最大水压力的0．1MPa数表
示。
如P4、P6、P8等分别表示材料能承受0．4、0．6、0．8MPa的水压而不渗水。
所以，抗渗等
级愈高，材料的抗渗性能愈好。
材料抗渗性好坏，与其孔隙率和孔隙特征有关。
绝对密实的材料和具有闭口孔隙的材
料，或具有极细孔隙（孔径小于1肛m）的材料，实际上可认为是不透水的。
开口大孔最易渗
水，故其抗渗性最差。
此外，材料的抗渗性还与其亲水性或憎水性有关，亲水性材料的毛细孔
由于毛细作用而有利于水的渗透。
（五）抗冻性
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，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。
简言之，抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗冻融循环作用的能力。
在比较寒冷的北方地区，夏秋两季材料常受雨水浸湿饱和，冬季结冰，夏季开冻融化，年复一年，如此反复遭受冻融循环的作用。
水在材料孔隙中结冰时，体积约增大9％，如此时孔隙内充满水（吸水饱和状态），当水变成冰时将会给孔壁造成很大的静水压力（称为冰晶压力），该压力可高达100MPa，可使孔壁开裂。
冰在融化时是从表面先开始融化，然后向内逐层进行，因而外层的冰晶压力先消失。
可见，无论是结冰、还是融化的过程，都会在材料的内外层产生明显的应力差和温度差，对材料起破坏作用，使材料碎裂、质量损失、强度下降。
冻融循环次数愈多，这种破坏作用愈严重。
材料的抗冻性主要取决于材料的孔隙率、孔隙特征，另外还与材料吸水饱和的程度、材料本身的强度、以及冻结条件（如冻结温度、冻结速度及冻融循环作用的频繁程度）等有关。
工程上材料的抗冻性用抗冻等级表示。
抗冻等级是将材料吸水饱和后，按规定方法进行
冻融循环试验，以质量损失不超过5％、强度下降不超过25％时，所能经受的最大冻融循环
次数来确定的，用符号‘‘F”和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100等。
抗冻等级愈高，
材料的抗冻性愈好。
对材料抗冻性的要求，视工程种类、结构部位、所处环境、使用条件、以及建筑物等级而
定。
三、材料与热有关的性质
在建筑中，建筑材料除了需满足必要的强度及其它性能的要求外，为了节约建筑物的使
用能耗，以及为生产和生活创造适宜的环境，常要求建筑材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。
（一）导热性与热阻．
当材料两侧存在温度差时，热量从温度高的一侧向温度低的一侧传导的性质称为导热性，材料的导热性常用导热系数。
A一表示。
材料传导热量的示意图见图1-5。
匀质材料导热系数的计算公式为：
Q一社!
兰型
Ⅱ
．Q·口
^。
西．==iF丽式中A…材料的导热系数，W／（m’K）；
Q一一总传热量，J}
口——材料厚度，m；
t，--t：
——材料两侧绝对温度之差，K；
A——传热面积，m。
；
Z——传热时间，s。
用能耗，以及为生产和生活创造适宜的环境，常要求建筑材料具有一定的热工性质，以维持室内滴度。
（一）导热性与热阻．
当材料两侧存在温度差时，热量从温度高的一侧向温度低的一侧传导的性质称为导热性，材料的导热性常用导热系数“A”表示。
材料传导热量的示意图见图1-5。
匀质材料导热系数的计算公式为：
Q：
．=l堕型丛丛生
n
、Q·a
^。
西_==iF丽式中A…材料的导热系数，W／（m·K）；
Q——总传热量，J，
口——材料厚度，ITI；
t。
--t：
——材料两侧绝对温度之差，K；
A一一传热面积，m。
；
Z…侍热时间．s．
导热系数的物理意义是：
单位厚度的材料，当两侧温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。
若用q表示单位时间（s）内通过单位面积（m。
）的热流量（J），即：
q一茅匆，则q—a“（t1一tz）
在上式中，温度t，--t。
是决定热流量q的大小和传递方向的外因，而材料的导热系数与材料层厚度的比值）t／a，则是决定q值大小的内因。
在建筑热工上，把a／a的倒数口／A叫做材料层的热阻，用R表示，单位为（m。
·K）／w，这样上式可改写为：
q=去（t。
一彩
热阻也是材料层本身的一个热性能指标，它说明材料层抵抗热流通过的能力，或者说明热流通过材料层时所遇到的阻力。
在同样的温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量越少。
在多层导热条件下，应用热阻概念计算十分方便。
导热系数或热阻是评定材料保温绝热性能好坏的主要指标。
尺值越大则表示该物体（如墙体、楼板）或构件的绝热性能愈好。
影响建筑材料的导热系数主要因素有：
（1）材料的组成与结构。
一般地说，金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于菲金属材料、有机材料、非晶体材料。
（2）孔隙率大：
含空气多，则材料表观密度小，其导热系数也就小。
因为，空气的导热系数只有0．025W／（m·K），所以，表观密度小的材料，主要是空气的导热系数起着重要作用。
（3）细小孔隙、闭口孔隙组成的材料比粗大孔隙、开口孔隙的材料导热系数小，因为避免了对流传热。
（4）材料含水或含冰时，会使导热系数急剧增加。
（5）导热时的温度越高，导热系数越大（金属材料除外）。
（二）热容量
材料在加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质称为热容量。
墙体、屋面或其它部位采
用高热容量材料时，可以长时间保持室内温度的稳定。
热容量大小用比热（也称热容量系
数）表示。
’、
比热表示1g材料温度升高1K时所吸收的热量（J）或降低1K时所放出的热量（J）。
材料在加热（或冷却）时，吸收（或放出）的热量与质量、温度差成正比，可用下式表示：
Q—C·m·（￡l—t2）’
式中Q——材料的热容量，J；，
C——材料的比热，J／（g·K）；’
优——材料的质量，g；
t，--tz——材料受热或冷却前后的绝对温度差（K）。
由上式可得比热为：
c=而‰
比热是反映材料吸热或放热能力大小的物理量。
不同材料的比热不同，即使是同一材
料，由于所处物态不同，比热也不同。
例如水的比热是4．19J／（g·K），而结冰后的比热是
2．05J／（g·K）。
材料的导热系数和比热是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）、进行热工计算时的重要参
数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定
性。
同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度时的重要数据。
常用建
筑材料的导热系数和比热指标见表l一2。
表1-2常用建筑材料的导热系数和比热指标·
材料名称
导热系数
W／（m·K）
比热
J／（g·K）
建筑钢材
花岗岩
普通混凝土
水泥砂浆
白灰砂浆
普通粘土砖
-粘土空心砖
松木
泡沫塑料
冰
水
静止空气
58
3.49
1.28
0.93
0.81
0.81
0.64
0.17～O．35
0.03
2.20
0.60
0.025
0.48
’0.92
0.88
0.84
0.84
0.84
0.92
2.5I
1.30
2.05
4.19
1.00
四、材料与声有关的性质
~．ffl对于居住、工作和生活的空间要求安静或音质清新，能隔绝外界的噪音和声污染。
一般建筑物的内外墙、楼地面等要求具有隔声和吸声性能。
对于影剧院、礼堂、音乐厅、播音室等，则对吸声有更高要求。
（一）吸声性
当声波传播到材料的表面时，一部分声波被反射，另一部分穿透材料，其余部分则传递给材料。
对于含有大量开El孔隙的多孔材料，传递给材料的声能在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，使相当一部分声能转化为热能而被吸收或消耗掉；对于含有大量封闭孔隙的柔性多孔材料，传递给材料的声能在空气振动的作用下孔壁也产生振动，使声能在振动时因克服内部摩擦而被消耗掉。
声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性，评定材料吸声性能好坏的主要指标称为吸声系数（口），其定义式如下：
E。
+丘
“===—瓦一式中E。
——材料消耗掉的声能；
E。
——穿透材料的声能；
E。
——入射到材料表面的全部声能。
吸声系数a无量纲，口值越大，表示材料吸声效果越好。
吸声系数口与声音的频率和入射方向有关。
同一材料而不同频率的声波，从不同方向射向材料时，有不同的口值。
通常规定以125、250、500、1000、2000、4000Hz等六个特定频率，从不同方向入射，测得的平均吸声系数五，表示材料的吸声特性。
并将石≥0．20的材料称为
；．．吸声材料。
吸声材料大多为轻质、疏松、多孔的，孔隙率常在70％以上。
常用的吸声材料有玻璃棉、岩棉、矿棉等纤维材料及其板、毡等，以及开I=I石膏板、软质纤维板等。
影响多孔材料吸声效果的因素有：
（1）材料的表观密度和声速材料的表观密度愈小、声速愈小，则高频吸声系数大。
一般有机材料的吸声系数比无机材料大。
（2）孔隙构造开I=I孔隙率大的材料、表面柔软、透气性好．以及通向材料内部连通孔隙多的材料，则吸声系数大。
（3）材料厚度增加材料厚度可提高对低频声音的吸收效果，而对高频声音没有多大效果。
（二）隔声性
隔声与吸声不同，不能简单地把吸声材料作为隔声材料使用。
声波在建筑结构中的传播主要通过空气和固体来实现。
因而隔声分隔空气声和隔固体声两种。
两者的隔声方法是不同的。
隔声量（R），又称传声损失，是表示材料隔绝空气声的能力，是在标准隔声试验室内测出的，其单位是分贝（dB）。
R越大，隔声效果越好。
根据声学中的“质量定律”，墙或板的隔声量主要取决于单位面积的材料质量（kg／m。
），材料质量越大，越不易振动，则隔声效果越好。
因此，必须选用密实、沉重的材料（如粘土砖、
钢板、钢筋混凝土）作为隔声材料。
对隔固体声最有效的措施是采用不连续的结构处理，即在楼板面层与结构层之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料，或在楼板上铺设地毯、塑料地面、木地板等柔软材料，以吸收能量而减振。
第三节材料的力学性质
一、材料的强度
（一）强度的定义和种类
材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。
通常以材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力来表示，亦称极限强度。
材料在建筑物上承受的外力主要有拉、压、弯、剪等四种形式，因此在使用材料时要考虑材料的抗拉、抗压、抗弯、以及抗剪强度。
这些强度值是通过标准试件的静力破坏试验测得的，总称为静力强度。
材料承受各种外力的示意图见图1—6。
材料的抗拉、抗压、抗剪强度可按下式计算：
’厂一百P式中，——材料的抗拉、抗压、抗剪强度．MPa；
P——试件失去承载力时的最大荷载，N；。
以——试件受力面积，mm。
材料的抗弯强度（也称抗折强度）与试件的几何外形及荷载施加情况有关。
对于矩形截
面的条形试件，当其两支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯强度可按下式计算：
．3尸Z．
‘．tb===—2‘b—。
h—’
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