2018一级注册建筑师考试《建筑结构与设备》讲义：建筑材料的基本性质

2018一级注册建筑师考试《建筑结构与设备》讲义：建筑材料的基本性质

　　一、建筑材料的物理性质：

　　㈠材料的密度、表观密度、堆积密度

　　1.密度：材料在绝对密度状态下单位体积的重量。

　　不包括孔隙体积，测定体积时需将材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶(排液转换法)测定。

　　2.表观密度：材料在自然状态下单位体积的质量。原称容重，也称体积密度。

　　包含内部孔隙体积，通常指气干状态下的表观密度

　　3.堆积密度：散粒材料(粉状或粒状)在堆积状态下单位体体积的质量。

　　与材料内部孔隙和颗粒之间的空隙都有关。

　　㈡孔隙率和空隙率

　　1.孔隙率：材料中孔隙体积占总体积的比例。

　　与空隙率相对应的是密实度，一般孔隙率越大，强度越低。

　　2.空隙率：散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例。

　　空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。在混凝土中，可作为控制砂石级配及计算混凝土砂率的依据。

　　㈢材料的亲水性和憎水性

　　材料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，一般可按润湿边角的大小将材料分为亲水性材料(如混凝土、木材、砖等)和憎水性材料(如沥青、石蜡等)。

　　㈣材料的吸水性和吸湿性

　　1.吸水性：在水中能吸收水分的性质。工程用建筑材料一般采用质量吸水率。吸水性与材料的亲水性、憎水性、孔隙率、孔隙特征有关。具有很多微小孔隙的亲水性材料吸水性特别强。

　　2.吸湿性：材料吸收空气中水分的性质。常用含水率表示。

　　含水率随空气湿度和环境温度变化而变化，与空气湿度平衡时称为平衡含水率。

　　㈤材料的耐水性：材料长期在饱和水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。采用软化系数表示。

　　对于经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，软化系数≥0.85;受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数≥0.75。

　　㈥材料的抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质。一般用渗透系数k或抗渗等级Pn表示，n表示最大水压力的0.1Mpa的倍数。

　　抗渗性是决定材料耐久性的主要因素。

　　㈦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、强度又不明显降低的性质，常用抗冻等级Fn表示。Fn指材料在经受n次冻融循环后，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%时，抗冻性合格。水工及冬季气温-15℃的地区的施工需要考虑。

　　抗冻性的高低取决于材料孔隙中被水充满的程度和材料对因水分结冰体积膨胀所产生压力的抵抗能力。

　　抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力通常也较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。处于温暖地区的建筑物，为抵抗大气的作用，确保建筑物的耐久性，有时对材料也提出一定的抗冻性要求。

　　㈧材料的导热性

　　用导热系数表示。影响导热系数的因素：

　　1.材料的组成与结构。通常金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料。

　　2.孔隙率。孔隙率大，含空气多，则材料表观密度小，其导热系数也就小。这是由于空气的导热系数小的缘故。

　　3.孔隙特征。在同等孔隙率的情况下，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，因为前者避免了对流传热。

　　4.含水情况。当材料含水或含冰时，材料的导热系数会急剧增大。

　　二、建筑材料的力学性能

　　㈠强度：强度是材料抵抗外力破坏的能力。

　　强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度。

　　材料的抗弯强度与受力情况、截面形状、支承条件等有关。

　　常用比强度衡量材料轻质高强方面的属性，值愈大，表示该材料具有愈好的轻质高强属性。

　　㈡弹性与塑性

　　1.弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。这种外力去除后即可恢复的变形称为弹性变形属可逆变形。

　　弹性模量E是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E愈大，材料愈不易变形。

　　2.材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，属不可逆变形。

　　3.弹-塑变：实际上纯弹性材料是没有的，大部分固体材料在受力不大时，表现出弹性变形，当外力达一定值时，则呈现塑性变形。有的材料受力后，弹性变形和塑性变形同时发生，当卸荷后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失(如混凝土)，这类材料称为“弹一塑”性材料。

　　㈢脆性与韧性

　　1.脆性：材料在外力作用下，无明显变形而突然破坏的性质。脆性材料有砖石、玻璃、混凝土等。

　　2.韧性：材料在冲击或震动载荷下能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。韧性材料有钢材、木材等。

　　通常脆性材料的拉压比很小，即抗拉强度明显低于抗压强度，所以脆性材料不能承受振动和冲击荷载，只适于用作承压构件。在结构设计中，对于承受动荷载(冲击、振动等)的结构物，所用材料应具有较高的韧性。

　　㈣硬度：抵抗较硬物压入其表面的能力。

　　不同材料硬度的测试方法

　　矿物硬度分为10个等级，最硬的10级为金刚石，最软的1级为滑石及白垩石。

　　布氏硬度HB可用来表示塑料、橡胶、金属等材料的硬度。

　　三、材料的化学性质：材料与外界环境的物质进行化学反应的能力或保持组成及结构稳定的能力。

　　四、建筑材料的耐久性：材料在使用过程中抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏的性能。是一种综合性质，抗渗性、抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性、耐热性、耐光性、耐磨性等均属耐久性范围。

　　五、材料的性质与材料的内部组成结构之间的关系

　　材料的性质除与试验条件(如测定材料强度时试件形状，尺寸、表面状况、含水状况及试验时的温、湿度与加荷速度等)有关外，主要是与材料本身的组成及结构有关。

　　材料的组成包括化学组成及矿物组成等.化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类与数量;矿物组成则是指构成材料的矿物的种类(如硅酸盐水泥熟料中的硅酸三钙、铝酸三钙等矿物)和数量。

　　材料的组成不仅影响材料的化学性质，也是决定材料物理、力学性质的重要因素。

　　材料的结构是决定材料性质的极其重要的因素，包括：

　　①微观结构(如晶体、玻璃体及胶体等);

　　②细观结构(如钢材中的铁素体、渗碳体等基本组织);

　　③宏观结构(如孔隙率、孔隙特征、层理、纹理等)。

　　原子晶体：中性原子以共价键结合而成的晶体，如石英。

　　离子晶体：正负离子以离子键结合而成的晶体，如NaCl。

　　分子晶体;以范德华力即分子间力结合而成的晶体，如有机化合物。

　　金属晶体：以金属阳离子为晶格，由金属阳离子与自由电子间的金属键结合而成的晶体，如钢铁。

　　晶体具有一定的几何外形、各向异性、有固定熔点和化学稳定性等特点，但金属材料如钢材却是各向同性的，因为钢材由众多细小晶粒组成，而晶粒是杂乱排布而成(晶格随机取向)的缘故。

　　玻璃体特点是各向同性、导热性较低、无固定熔点，其化学活性较高。

　　例如，高炉炼铁熔融状态的矿渣，经缓慢冷却后即得慢冷矿渣(重矿渣)，含晶体较多，为化学稳定性材料;但熔融物若经急冷，则质点来不及按一定规则排列，便凝固成固体，即为粒化高炉矿渣，含玻璃较多，磨细后能与水在石灰存在的条件下起水化硬化作用，因此可作为活性馄合材料使用。

　　胶体是由胶粒(粒径10-9～10-7m固体粒子)分散在连续介质中而成。胶体具有良好的吸附力与较强的粘结力;胶体脱水，胶粒凝聚，即成凝胶;凝胶完全脱水即为干凝胶，具有固体性质。如硅酸盐水泥完全水化后，水化硅酸钙凝胶约占70%，其胶凝能力强，且强度较高(凝胶粒子间存在范德华力与化学结合键)。

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