第一章　園林工程基本建筑材料的識別與應用

第一節(jié)　園林工程基本建筑材料分類及基本性能

園林工程基本建筑材料是指構成園林建筑物或構筑物的基礎、梁、板、柱、墻體、屋面、地面以及室內(nèi)外景觀裝飾工程所用的材料。

一、園林工程基本材料分類

園林景觀材料設施按裝飾部位分有地面裝飾材料、墻面裝飾材料、水景裝飾材料、小品設施、照明設施等。按材質(zhì)分有石材、木材、塑料、金屬、玻璃、陶瓷等。市場上常見的園林建筑材料品種分類見表1-1。

二、建筑材料的基本性能

由于不同的建筑材料所處環(huán)境及建（構）筑物部位的不同，在使用中對材料的技術性能要求也就不同，如結構材料應具有一定的力學性能；屋面材料應具有一定的防水、保溫、隔熱等性能；地面材料應具有較高的強度、耐磨、防滑等性能；墻體材料應具有一定的強度、保溫、隔熱等性能。掌握建筑材料的基本性能是正確選擇與合理使用建筑材料的基礎。

（一）物理性質(zhì)

1.密度

材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為密度。具體公式如下：

ρ=m/V

式中　ρ——材料的密度，g/cm³；

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

V——材料在絕對密實狀態(tài)下的體積，cm³。

絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括孔隙在內(nèi)的體積。除了鋼材、玻璃等少數(shù)接近于絕對密實的材料外，絕大多數(shù)材料都有一些孔隙，如磚、石材等塊狀材料。在測定有孔隙的材料密度時，應把材料磨成細粉以排除其內(nèi)部孔隙，經(jīng)干燥至恒重后，用密度瓶（李氏瓶）測定其實際體積，該體積即可視為材料絕對密實狀態(tài)下的體積。材料磨得愈細，測定的密度值愈精確。

2.表觀密度

表觀密度也稱為體積密度。表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。具體公式如下：

ρ₀=m/V₀

式中　ρ₀——材料的體積密度，kg/m³；

m——材料的質(zhì)量，kg；

V₀——材料在自然狀態(tài)下的體積，m³。

整體多孔材料在自然狀態(tài)下的體積是指材料的固體物質(zhì)部分體積與材料內(nèi)部所含全部孔隙體積之和。對于外形規(guī)則的材料，其體積密度的測定只需測定其外形尺寸；對于外形不規(guī)則的材料，要采用排開液體法測定，但在測定前，材料表面應用薄蠟密封，以防液體進入材料內(nèi)部孔隙而影響測定值。

通常所指的體積密度，是指干燥狀態(tài)下的體積密度。一定質(zhì)量的材料，孔隙越多，則體積密度值越小；材料體積密度大小還與材料含水多少有關，含水越多，其值越大。

3.堆密度

散粒狀（粉狀、粒狀、纖維狀）材料在自然堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量稱為堆積密度。具體公式如下：

ρ'₀=m/V'₀

式中　ρ'₀——材料的堆積密度，kg/m³；

m——散粒材料的質(zhì)量，kg；

V'₀——散粒材料在自然堆積狀態(tài)下的體積，又稱堆積體積，m³。

在建筑工程中，計算材料的用量、構件的自重、配料，確定材料堆放空間，以及材料運輸車輛時，都需要用到材料的密度。

4.孔隙率

孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積占自然狀態(tài)下總體積的百分率，具體公式如下：

孔隙按構造可分為開口孔隙和封閉孔隙兩種；按尺寸的大小又可分為微孔、細孔和大孔三種。材料孔隙率、孔隙特征會對材料的性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，如材料的孔隙率較大，且連通孔較少，則材料的吸水性較小，強度較高，抗凍性和抗?jié)B性較好，導熱性較差，保溫隔熱性較好。孔隙率一般是通過試驗確定的材料密度和體積密度求得的。

常用建筑材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率見表1-2。

5.空隙率

空隙率是指散粒材料（如砂、石等）顆粒之間的空隙體積占材料堆積體積的百分率。具體公式如下：

式中　ρ₀——顆粒狀材料的表觀密度，kg/m³；

ρ'₀——顆粒狀材料的堆積密度，kg/m³。

散粒材料的空隙率與填充率也是相互關聯(lián)的兩個性質(zhì)，空隙率大小可直接反映散粒材料的顆粒之間相互填充的程度。散粒狀材料，空隙率越大，則填充率越大，在配制混凝土時，砂、石的空隙率是作為控制集料級配與計算混凝土砂率的重要依據(jù)。

6.密實度

密實度是指材料內(nèi)部固體物質(zhì)填充的程度，具體公式如下：

D=V/V₀

材料的密實度與孔隙率是相互關聯(lián)的性質(zhì)，材料孔隙率的大小可直接反映材料的密實程度，孔隙率越大，則密實度越小。

7.親水性與憎水性

材料與水接觸時，根據(jù)材料能否被水潤濕，可將其分為親水性和憎水性兩類。親水性是指材料表面能被水潤濕的性質(zhì)；憎水性是指材料表面不能被水潤濕的性質(zhì)。

當材料與水在空氣中接觸時，將出現(xiàn)兩種情況，如圖1-1所示。在材料、水、空氣三相交點處，沿水滴的表面作切線，切線與水和材料接觸面所成的夾角稱為潤濕角（用θ表示）。θ越小，表明材料越易被水潤濕。一般認為，當θ≤90°時，材料表面吸附水分，能被水潤濕，材料表現(xiàn)出親水性；當θ≥90°時，則材料表面不易吸附水分，不能被水潤濕，材料表現(xiàn)出憎水性。

8.吸水性

吸水性是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)。吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有兩種表示方法，為質(zhì)量吸水率和體積吸水率。

（1）質(zhì)量吸水率。材料在吸水飽和時，所吸收水分的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。用公式表示如下：

式中　w_m——材料的質(zhì)量吸水率， %；

m_濕——材料在飽和水狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

m_干——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

（2）體積吸水率。材料在吸水飽和時，所吸收水分的體積占干燥材料總體積的百分率。用公式表示如下：

式中　w_V——材料的體積吸水率， %；

V₀——干燥材料的總體積，cm³；

ρ_水——水的密度，g/cm³。

材料吸水率的大小，不僅與材料的親水性或憎水性有關，而且與材料的孔隙率和孔隙特征有關。材料所吸收的水分是通過開口孔隙吸入的。一般而言，孔隙率越大，開口孔隙越多，則材料的吸水率越大；但如果開口孔隙粗大，則不易存留水分，即使孔隙率較大，材料的吸水率也較小；另外，封閉孔隙水分不能進入，吸水率也較小。常用的建筑材料，其吸水率一般采用質(zhì)量吸水率表示。對于某些輕質(zhì)材料，如加氣混凝土、木材等，由于其質(zhì)量吸水率往往超過100%，一般采用體積吸水率表示。

9.吸濕性

吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)。吸濕性的大小用含水率表示，具體公式如下：

式中　w_含——材料的含水率， %；

m_含——材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

m_干——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

材料的含水率隨空氣的溫度、濕度變化而改變。材料既能在空氣中吸收水分，也能向外界釋放水分，當材料中的水分與空氣的濕度達到平衡時，此時的含水率就稱為平衡含水率。材料的含水率多指平衡含水率。當材料內(nèi)部孔隙吸水達到飽和時，材料的含水率等于吸水率。材料吸水后，會導致自重增加、保溫隔熱性能降低、強度和耐久性產(chǎn)生不同程度的下降。材料含水率的變化會引起體積的變化，影響使用。

10.耐水性

材料長期在飽和水作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。材料耐水性用軟化系數(shù)表示，用公式表示如下：

K_軟=f_飽/f_干

式中　K_軟——材料的軟化系數(shù)；

f_飽——材料在飽和水狀態(tài)下的抗壓強度，MPa；

f_干——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度，MPa。

軟化系數(shù)的大小反映材料在浸水飽和后強度降低的程度。材料被水浸濕后，強度一般會有所下降，因此軟化系數(shù)在0～1之間。軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強度降低越多，其耐水性越差。工程中將K_軟>0.85的材料稱為耐水性材料。對于經(jīng)常位于水中或潮濕環(huán)境中的重要結構的材料，必須選用K_軟>0.85的耐水性材料；對于用于受潮較輕或次要結構的材料，其軟化系數(shù)不宜小于0.75。

11.抗?jié)B性

抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性通常采用滲透系數(shù)表示。滲透系數(shù)是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，單位時間內(nèi)透過單位面積的水量，具體公式如下：

式中　K——材料的滲透系數(shù)，cm/h；

W——透過材料試件的水量，cm³；

d——材料試件的厚度，cm；

A——透水面積，cm²；

t——透水時間，h；

h——靜水壓力水頭，cm。

滲透系數(shù)反映了材料抵抗壓力水滲透的能力，滲透系數(shù)越大，則材料的抗?jié)B性越差。

對于混凝土和砂漿，其抗?jié)B性常采用抗?jié)B等級表示。抗?jié)B等級是以規(guī)定的試件，采用標準的試驗方法測定試件所能承受的最大水壓力來確定的，以P_n表示，其中n為該材料所能承受的最大水壓力（MPa）的10倍值。

材料抗?jié)B性與其孔隙率和孔隙特征有關。材料中存在連通的孔隙，且孔隙率較大，水分容易滲入，所以，這種材料抗?jié)B性較差。孔隙率小的材料具有較好的抗?jié)B性。封閉孔隙水分不能滲入，所以，對于孔隙率雖然較大，但以封閉孔隙為主的材料，抗?jié)B性也較好。對于地下建筑、壓力管道、水工構筑物等工程部位，因為經(jīng)常受到壓力水的作用，所以要選擇具有良好抗?jié)B性的材料。作為防水材料，則要求其具有更高的抗?jié)B性。

12.抗凍性

材料在飽和水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，且強度也不顯著降低的性質(zhì)，稱為抗凍性。材料的抗凍性用抗凍等級表示。抗凍等級是以規(guī)定的試件，采用標準試驗方法，測得其強度降低不超過規(guī)定值，并無明顯損害和剝落時所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定的，以F_n表示，其中n為最大凍融循環(huán)次數(shù)。

材料抗凍性的好壞，取決于材料的孔隙率、孔隙的特征、吸水飽和程度和自身的抗拉強度。材料的變形能力大，強度高，軟化系數(shù)大，抗凍性就較高。一般認為，軟化系數(shù)小于0.80的材料，其抗凍性較差。在寒冷地區(qū)及寒冷環(huán)境中的建筑物或構筑物，必須要考慮所選擇材料的抗凍性。

13.導熱性

當材料兩側存在溫差時，熱量將從溫度高的一側通過材料傳遞到溫度低的一側，材料這種傳導熱量的能力稱為導熱性。材料導熱性的大小用熱導率表示。熱導率是指厚度為1m的材料，當兩側溫差為1K時，在1s內(nèi)通過1m²面積的熱量。具體公式如下：

式中　λ——材料的熱導率，W/（m·K）；

Q——傳遞的熱量，J；

d——材料的厚度，m；

A——材料的傳熱面積，m²；

T₁，T₂——材料兩側的溫度，K。

材料的導熱性與孔隙率大小、孔隙特征等因素有關。孔隙率較大的材料，內(nèi)部空氣較多，由于密閉空氣的熱導率很小［λ=0.023W/（m·K）］，其導熱性較差。若孔隙粗大，空氣會形成對流，材料的導熱性反而會增大。材料受潮以后，水分進入孔隙，水的熱導率比空氣的高很多［λ=0.58W/（m·K）］，從而使材料的導熱性大大增加；材料若受凍，水結成冰，冰的熱導率是水的4倍［λ=2.3W/（m·K）］，材料的導熱性將進一步增加。

建筑物要求具有良好的保溫隔熱性能。保溫隔熱性和導熱性都是指材料傳遞熱量的能力，在工程中常把1/λ稱為材料的熱阻，用R表示。材料的熱導率越小，其熱阻越大，則材料的導熱性能越差，其保溫隔熱性能越好。

（二）力學性質(zhì)

1.強度

材料在荷載（外力）作用下抵抗破壞的能力稱為材料的強度。

當材料受到外力作用時，其內(nèi)部就產(chǎn)生應力，荷載增加，所產(chǎn)生的應力也相應增大，直至材料內(nèi)部質(zhì)點間結合力不足以抵抗所作用的外力時，材料即發(fā)生破壞。材料破壞時，達到應力極限，這個極限應力值就是材料的強度，又稱極限強度。

強度的大小直接反映材料承受荷載能力的大小。由于荷載作用形式不同，材料的強度主要有抗壓強度、抗拉強度、抗彎（抗折）強度及抗剪強度等。

試驗測定的強度值除受材料本身的組成、結構、孔隙率大小等內(nèi)在因素的影響外，還與試驗條件有密切關系，如試件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、含水率、環(huán)境溫度及試驗時加荷速度等。為了使測定的強度值準確且具有可比性，必須按規(guī)定的標準試驗方法測定材料的強度。

材料的強度等級是按照材料的主要強度指標劃分的級別。

對不同材料要進行強度大小的比較可采用比強度。比強度是指材料的強度與其體積密度之比。它是衡量材料輕質(zhì)高強的一個主要指標。以鋼材、木材和混凝土為例，強度比較見表1-3。

2.彈性和塑性

彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，能夠完全恢復原來形狀的性質(zhì)。這種變形稱為彈性變形，其值的大小與外力成正比；不能自動恢復原來形狀的性質(zhì)稱為塑性，這種不能恢復的變形稱為塑性變形，塑性變形屬永久性變形。

完全彈性材料是不存在的。一些材料在受力不大時只產(chǎn)生彈性變形，而當外力達到一定限度后，即產(chǎn)生塑性變形。很多材料在受力時，彈性變形和塑性變形同時產(chǎn)生。

3.脆性和韌性

（1）脆性　材料受外力作用，當外力達到一定限度時，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時無明顯塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性，具有脆性的材料稱為脆性材料。脆性材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，因此，其抵抗沖擊荷載或震動作用的能力很差。建筑材料中大部分無機非金屬材料均為脆性材料，如混凝土、天然巖石、玻璃、磚瓦、陶瓷等。

（2）韌性　韌性是指材料在沖擊荷載或震動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生較大的變形而不破壞的性質(zhì)。材料的韌性用沖擊韌性指標表示。

在建筑工程中，對于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結構，如吊車梁、橋梁、路面等所用材料，均應具有較高的韌性。

4.硬度

硬度是指材料表面抵抗其他物體壓入或刻、劃的能力。

5.耐磨性

材料表面抵抗磨損的能力為耐磨性，通常用磨損率表示。

（三）耐久性

材料在使用過程中能長久保持其原有性質(zhì)的能力為耐久性。

材料在使用過程中，除受到各種外力作用外，還長期受到周圍環(huán)境因素和各種自然因素的破壞作用，主要有以下幾個方面。

1.物理作用

物理作用包括環(huán)境溫度、濕度的交替變化，即冷熱、干濕、凍融等循環(huán)作用。材料經(jīng)受這些作用后，將發(fā)生膨脹、收縮或產(chǎn)生應力，長期的反復作用，將使材料逐漸被破壞。

2.化學作用

化學作用包括大氣和環(huán)境水中的酸、堿、鹽等溶液或其他有害物質(zhì)對材料的侵蝕作用，以及紫外線等對材料的作用。

3.生物作用

生物作用包括菌類、昆蟲等的侵害作用，導致材料發(fā)生腐朽、蟲蛀等而被破壞。

4.機械作用

機械作用包括荷載的持續(xù)作用，交變荷載對材料引起的疲勞、沖擊、磨損等。

耐久性是對材料綜合性質(zhì)的一種評述，它包括抗凍性、抗?jié)B性、抗風化性、抗老化性、耐化學腐蝕性等內(nèi)容。對材料耐久性進行可靠的判斷，需要很長的時間。一般采用快速檢驗法，這種方法是模擬實際使用條件，將材料在實驗室進行有關的快速實驗，根據(jù)實驗結果對材料的耐久性作出判定。在試驗室進行快速實驗的項目主要有凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、炭化等。

提高材料的耐久性，對節(jié)約建筑材料、保證建筑物長期正常使用、減少維修費用、延長建筑物使用壽命等，意義重大。

三、園林施工材料設施的發(fā)展

在我國古代園林中，多用綴山疊石來營造景觀，園林建筑也多為木建筑，因而常用的材料多為石材、木材、磚、瓦、卵石等。

在這些材料中占最重要位置的是石材。從綴山置石到園路鋪砌以及園林建筑的建造都大量應用了石材。但同樣是選景石，南方園林中常用太湖石、黃石，而北方園林則是選用北太湖石、青石。這主要是因為受地理、交通條件的限制，選材加工多是就地取材，也因此形成了不同地域的不同園林特色。封建制度的等級性也限制了不同園林的選材、用材規(guī)格，如園林建筑的樣式規(guī)格，假山水池的規(guī)模，選用磚、瓦的顏色等，這也是北方皇家園林與南方私家園林形成兩種不同風格的原因之一。

隨著社會的進步，在沿用傳統(tǒng)園林材料的同時，越來越多的傳統(tǒng)材料有了新的應用方式，被開發(fā)、應用到園林中。例如，運用于地面鋪裝的傳統(tǒng)灰瓦，用于園林建筑飾面的石材，用于各種小品裝飾的陶罐缸缶器具等，都是根據(jù)新的設計理念與方法具有新的功能。

新的工藝與原料帶來了不斷涌現(xiàn)的園林新材料。例如，原本較少用于傳統(tǒng)園林中的玻璃、金屬等材料的廣泛應用；在園林道路、景墻、水池等不同景觀與使用需要中采用的馬賽克磚、滲水磚、劈裂磚、陶瓷磚等不同鋪裝材料；在瀑布、噴泉、壁泉、霧泉等景觀中帶來不同效果的各種水處理設備；為普通路面帶來的特殊視覺效果與良好使用性能的彩色混凝土、壓印混凝土；營造出豐富夜景的環(huán)保光纖燈、太陽能燈等。

現(xiàn)代園林的生態(tài)保護、生態(tài)修復方面的功能也要求更多地采用新技術、新工藝。如城市供水和中水利用、城市雨水的收集和使用、太陽能的利用、水環(huán)境生態(tài)凈化等都需要并將促進新科技的園林應用。