0.2　建筑材料的基本性質

建筑材料在建筑物或構筑物中要承受各種不同因素的作用,因而要求其具有不同的性質。例如,用于建筑結構的材料要受到各種外力的作用,因此,建筑結構所選用的材料應具有相應的力學性質；防水材料應具有抗滲、防水性能；墻體材料應具有保溫隔熱、吸聲隔音的性能等。此外,長期暴露在大氣中的建筑材料,經常受到風吹、雨淋、日曬、冰凍等外界因素的影響,應具有良好的耐久性。建筑材料的基本性質就是材料抵抗不同因素作用的表現,即在不同使用條件或使用環境的建筑工程中所表現出來的最基本的、共有的性質。

0.2.1　材料與質量有關的性質

0.2.1.1　材料的體積構成與含水狀態

1.材料的體積構成

材料的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。

塊狀材料的體積是由固體物質的實體積和材料內部孔隙的體積組成的,如圖0.1所示。材料的孔隙又分為閉口孔隙和開口孔隙。在常溫、常壓下,閉口孔隙不進水,開口孔隙與材料周圍的介質相通,材料浸水時易吸水飽和。

散粒材料的體積是由固體物質體積、顆粒內部孔隙體積和顆粒之間的空隙體積組成的,如圖0.2所示。

2.材料的含水狀態

材料在大氣或水中會吸附一定的水分,根據材料吸附水分的情況不同,將材料的含水狀態分為四種：干燥狀態、氣干狀態、飽和面干狀態及濕潤狀態,如圖0.3所示。材料的含水不同會對材料的多種性質產生一定的影響。

0.2.1.2　材料的密度、表觀密度和堆積密度

1.密度

密度是指材料在絕對密實狀態下單位體積的質量。按式(0.1)計算：

式中　ρ——材料的密度,g/cm3；

m——材料在干燥狀態下的質量,g；

V——材料在絕對密實狀態下的體積,cm3。

材料在絕對密實狀態下的體積是指不包括材料孔隙在內的固體物質的實體積(圖0.1陰影部分)。常用建筑材料中,除了鋼材、玻璃等少數材料外,絕大多數材料內部都存在一定的孔隙。測定含孔材料的密度時,先將材料磨成細粉消除內部孔隙,烘干至恒重后,用李氏瓶常用排水法測出材料的實體積。

2.表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態下單位體積的質量。按式(0.2)計算：

式中　ρ0——材料的表觀密度,kg/m3；

m——材料在干燥狀態下的質量,kg；

V0——材料在自然狀態下的體積,m3。

材料在自然狀態下的體積包含材料內部孔隙在內的體積(圖0.1)。一般,對于具有規則外形的材料,表觀體積的測定可用外形尺寸直接計算；對于不具有規則外形的材料,可在其表面涂薄蠟層密封,然后采用排液法測定其表觀體積。

材料的表觀密度與材料的含水狀態有關,含水狀態不同,材料的質量及體積均會發生改變。通常,表觀密度是指材料在氣干狀態(長期在空氣中存放的干燥狀態)下的表觀密度；材料在烘干狀態下測量的表觀密度稱為干表觀密度；材料在潮濕狀態下測得的表觀密度稱為濕表觀密度。

3.堆積密度

堆積密度是指散粒材料或粉狀材料,在自然堆積狀態下單位體積的質量。按式(0.3)計算：

式中　——材料的堆積密度,kg/m3；

m——材料在干燥狀態下的質量,kg；

——散粒材料的松散體積,m3。

散粒材料的松散體積,不但包括其表觀體積,還包括顆粒間的空隙體積(見圖0.2),可用容量筒測定。

堆積密度與材料的裝填條件(即堆積密實程度)及含水狀態有關,根據散粒材料堆放的緊密程度不同,堆積密度可分為松散堆積密度及緊密堆積密度。

0.2.1.3　密實度與孔隙率

1.密實度

密實度是指塊狀材料內部,固體物質體積占材料在自然狀態下總體積的百分率。用D表示,按式(0.4)或式(0.5)計算：

2.孔隙率

孔隙率是指塊狀材料內部,孔隙體積占材料在自然狀態下總體積的百分率。用P表示,按式(0.6)或式(0.7)計算：

密實度與孔隙率的關系可用下式表示：

D＋P＝1

材料的密實度和孔隙率從兩個不同側面反映了材料內部的致密程度。

建筑材料的許多性質均與材料的孔隙有關,這些性質除了取決于孔隙率的大小外,還與孔隙的特征有關,如大小、形狀、分布、連通與否等。一般,同一種材料,孔隙率越小,連通孔隙越少,其強度越高,吸水性越小,抗滲性和抗凍性越好,但導熱性越大。

0.2.1.4　填充率與空隙率

1.填充率

填充率是指散粒材料在其堆積體積中,顆粒體積所占材料堆積體積的百分率。用D'表示,按式(0.8)或式(0.9)計算：

2.空隙率

空隙率是指散粒材料在其堆積體積中,顆粒之間的空隙體積所占材料堆積體積的百分率。用P'表示,按式(0.10)或式(0.11)計算：

填充率與空隙率的關系可用下式表示：

D'＋P'＝1

材料的填充率和空隙率從兩個不同側面反映了散粒材料之間相互填充的疏密程度。

0.2.2　材料與水有關的性質

0.2.2.1　親水性與憎水性

當材料在空氣中與水接觸時,根據其表面被水潤濕的情況,可將材料分為親水性材料與憎水性材料,其能被水潤濕的性質稱為親水性,不能被水潤濕的性質稱為憎水性。

材料的親水性與憎水性可用潤濕角θ來說明,即在材料、空氣、水三相交界處,沿水滴表面作切線,切線與材料表面(水滴的一側)所得夾角,如圖0.4所示。

θ愈小,表明材料愈易被水潤濕。

當θ≤90°時,材料表現為親水性,該材料被稱為親水性材料,如木材、磚、混凝土、石材、鋼材等。

當θ＞90°時,材料表現為憎水性,稱為憎水性材料,如瀝青、塑料、石蠟等。

憎水性材料能阻止水分滲入材料內部降低材料的吸水性,因此,憎水性材料可用做防水、防潮材料,也可用于親水性材料的表面憎水處理,以減少其吸水率,提高其抗滲能力。

0.2.2.2　吸水性與吸濕性

1.吸水性

吸水性是指材料在水中吸收水分的性質,其大小常用吸水率表示。吸水率有質量吸水率和體積吸水率之分。

質量吸水率(W質)是指材料吸水飽和時,所吸入水分的質量占材料干燥質量的百分率。按式(0.12)計算：

式中　W質——材料的質量吸水率,%；

m飽——材料在吸水飽和后的質量,g；

m干——材料在干燥狀態下的質量,g。

體積吸水率(W體)是指材料吸水飽和時,所吸入水分的體積占干燥材料自然體積的百分率。按式(0.13)計算：

式中　W體——材料的體積吸水率,%；

m飽——材料在吸水飽和后的質量,g；

m干——材料在干燥狀態下的質量,g；

ρH——水的密度,g/cm3；

V干——干燥材料在自然狀態下的體積,cm3。

一般情況下,用質量吸水率來計算材料的吸水率。但對于某些輕質多孔材料,其質量吸水率往往超過100%,則常用體積吸水率來表示材料吸水性。

材料吸水率的大小取決于材料的親水屬性、材料的孔隙率及孔隙構造特征,如孔徑大小、開口與否等。材料吸收水分后,不僅表觀密度增大、強度降低、保溫隔熱性能降低,且易受冰凍破壞,因此,材料吸水后對材料是不利的。

2.吸濕性

吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。材料的吸濕性常以含水率(W含)表示,含水率指材料所含水的質量占其干質量的百分率。按式(0.14)計算：

式中　W含——材料的含水率,%；

m含——材料含水狀態下的質量,g；

m干——材料干燥狀態下的質量,g。

含水率除了與材料的親水屬性、材料的孔隙率及孔隙構造特征有關外,還與空氣的溫度和濕度有關。空氣的濕度大,溫度低,材料的吸濕性大,反之則小。當材料中所含水分與空氣濕度相平衡時的含水率稱為平衡含水率。建筑材料在正常狀態下,均處于平衡含水率狀態。

案例分析：通過分析案例可知,該住宅所采用的是沒有燒透的紅磚,磚的開口孔隙率大,吸水率高。吸水后,紅磚強度下降,特別是當有水進入磚內時,未燒透的黏土遇水軟化,強度下降更大,不能承受房屋的重量,從而導致房屋倒塌。

0.2.2.3　耐水性

耐水性是指材料長期在水的作用下不被破壞,其強度也不顯著降低的性質。材料的耐水性用軟化系數(K軟)表示。按式(0.15)計算：

式中　K軟——材料的軟化系數；

f飽——材料在水飽和狀態的強度,MPa；

f干——材料在干燥狀態下的強度,MPa。

軟化系數的大小反映了材料浸水后強度降低的程度。一般,材料在潮濕時的強度均比在干燥時的強度低,主要是浸入的水分削弱了材料微粒間的結合力,同時材料內部往往含有一些易被水軟化或溶解的物質,使材料的強度有不同程度的降低。因此,軟化系數在0～1之間變化。軟化系數越小,說明材料吸水飽和后的強度降低越多,其耐水性越差。

軟化系數的大小可作為選擇材料的依據。工程上,通常將軟化系數K軟≥0.85的材料稱為耐水性材料,適用于長期處于水中或潮濕環境中的重要結構物；對于用于受潮較輕或次要結構的材料,其軟化系數不宜小于0.75。

0.2.2.4　抗滲性

抗滲性(又稱不透水性)是指材料抵抗壓力水滲透的性質。當材料兩側存在一定的水壓時,水會從壓力較高的一側通過材料內部的孔隙及缺陷向壓力較低的一側滲透。材料的抗滲性可用滲透系數和抗滲等級表示。

1.滲透系數

滲透系數的物理意義是：一定厚度的材料,在一定水壓力下,在單位時間內透過單位面積的水量。按式(0.16)計算：

式中　K——材料的滲透系數,cm/s；

Q——滲水量,cm3；

d——試件厚度,cm；

A——透水面積,cm2；

t——透水時間,s；

H——靜水壓力水頭,cm。

滲透系數越小,表示材料滲透的水量越少,即材料的抗滲性越好。對于防水、防潮材料,如瀝青、油氈、瀝青混凝土等材料常用滲透系數表示其抗滲性。

2.抗滲等級

抗滲等級是以規定的試件,在標準試驗方法下試件可承受的最大靜水壓力來確定,用抗滲等級Wn表示,其中n為該材料所能承受的最大水壓力的10倍數,如W4、W10分別表示試件能承受0.4MPa、1.0MPa的水壓力而不滲水。

材料的抗滲等級越高,其抗滲性越強。對于混凝土、砂漿等材料的抗滲性常用抗滲等級來表示。

材料的抗滲性與材料的孔隙率及孔隙特征有關。密實的材料及具有閉口微小孔的材料,是不滲水的；而具有較大孔隙且為細微連通的孔隙的親水性材料抗滲性較差。對于地下建筑及水工建筑物、壓力管道等經常受水壓力作用的工程應選擇具有良好抗滲性能的材料。

0.2.2.5　抗凍性

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態下,能經受多次凍融循環作用而不破壞,同時也不顯著降低強度的性質。

材料的抗凍性用抗凍等級Fn表示,n為在一定條件下能夠經受的凍融循環次數。如：F50表示此材料可承受50次凍融循環,而未超過規定的損失程度。n的數值越大,說明抗凍性能愈好。

材料經受多次凍融循環作用后,表面會出現裂紋、剝落等現象,造成材料的質量損失,強度降低。這是由于材料孔隙中的水結冰時,會產生約9%的體積膨脹,對孔壁造成較大的凍脹應力的結果。

水工建筑物經常處于干濕交替作用的環境中,選用材料時應按材料所處的工作環境和使用部位合理確定抗凍等級。

0.2.3　材料與熱有關的性質

0.2.3.1　導熱性

導熱性是指材料傳導熱量的性質。導熱性的大小用導熱系數λ來表示。

導熱系數的物理意義為單位面積、單位厚度的材料,在單位溫差下,單位時間內傳導的熱量。導熱系數可按式(0.17)計算：

式中　λ——材料的導熱系數,W/(m·K)；

Q——通過材料傳導的熱量,J；

d——試件厚度,m；

A——材料傳熱面積,m2；

t——導熱時間,s；

T1、T2——材料兩側的溫差,K。

材料的導熱能力與材料的孔隙率、孔隙特征、材料的含水狀態及溫度等有關：

(1)閉口孔隙率愈大導熱性愈小,因為孔隙中含有空氣,空氣的導熱系數很小[λ＝0.025W/(m·K)]。

(2)開口孔隙率愈大導熱性愈大,因為開口連通孔隙具有空氣對流作用,材料的導熱系數較大。

(3)由于水的導熱系數較大[λ＝0.58W/(m·K)],故材料受潮時,導熱系數會增大。

(4)材料在高溫下的導熱系數比常溫下的要大些。

導熱系數是確定材料絕熱性的重要指標。導熱系數越小,材料的絕熱性越好。有保溫隔熱要求的建筑物宜選用導熱系數小的材料做圍護結構。工程中常將把λ＜0.23W/(m·K)的材料稱為絕熱材料,在運輸、存放、施工及使用過程中,須保持干燥狀態,以充分發揮其保溫效果。

幾種常用材料的導熱系數見表0.3。

0.2.3.2　熱容量

熱容量是指材料受熱時吸收熱量,冷卻時放出熱量的性質,即當材料溫度升高(或降低)1K時所吸收(或放出)的熱量,稱為該材料的熱容量。1kg材料的熱容量,稱為該材料的比熱。按式(0.18)計算：

式中　Q——材料吸收或放出的熱量,J；

c——材料的比熱,J/(kg·K)；

m——材料的質量,kg；

T1、T2——材料受熱或受冷前后的溫差,K。

材料的熱容量值對保持建筑物內部溫度穩定有重要意義,熱容量值高的材料對室溫的調節作用大,使溫度變化不致過快,冬季或夏季施工對材料進行加熱或冷卻處理時,均需考慮材料的熱容量。用于墻體、屋面等圍護材料,應采用導熱系數小、熱容量大的材料,以維護室內溫度穩定,減少熱損失,對節約能源起著重要作用。

幾種常用材料的比熱值見表0.3。

0.2.4　材料的力學性質

材料的力學性質是指材料在外力作用下抵抗破壞及變形的性質。

0.2.4.1材料的強度

1.強度

強度是指材料在外力(荷載)作用下,抵抗破壞的能力。當材料承受外力作用時,內部就會產生應力,外力增大時應力也隨之增大,當材料不能再承受時,材料即破壞。

根據外力作用方式不同,材料強度可分抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、抗折(抗彎)強度等。各種強度的計算公式見表0.4。

材料的強度值與材料的組成、結構等內部因素有關,也與外在因素有關。材料的組成相同,結構不同,強度也不相同。材料的孔隙率越大,強度值越小。材料的強度還與試驗條件有關,如試件的尺寸、形狀和表面狀態、試件的含水率、加荷速度、試驗環境的溫度、試驗設備的精確度等。為了使試驗結果比較準確,且具有可比性,國家規定了各種材料強度的標準試驗方法。

影響材料強度的因素：材料強度與材料的組成及構造有關,構造越密實、越均勻的材料,強度越高。另外,材料的強度還與材料的含水情況、環境溫濕度、試件形狀及大小和試驗條件等因素有關。

2.強度等級

為了方便設計及對工程材料進行質量評價,大多數以力學性質為主要性能指標的材料,通常根據其極限強度的大小劃分成若干不同的等級,稱為材料的強度等級。脆性材料主要根據其抗壓強度來劃分,如水泥、混凝土等；塑性材料和韌性材料主根據其抗拉強度來劃分,如鋼材等。強度等級的劃分對掌握材料性能和正確選用材料具有重要意義。

3.比強度

比強度是按單位體積的質量計算的材料強度,其值等于材料強度與其表觀密度之比。是衡量材料是否輕質高強的指標。

當不同強度的材料進行比較時,可采用比強度這一指標進行比較。結構材料在建筑工程中主要承受結構荷載,對于多數結構物來說,相當一部分的承載能力用于抵抗其本身或其上部結構材料的自重荷載,只有剩余部分的承載能力才能用于抵抗外荷載。為此,提高材料的承載能力,不僅應提高材料的強度,還應減輕其本身的自重,即應提高材料的比強度。

比強度越大的材料其輕質高強的性能越好,選用比強度大的材料對增加建筑高度、減輕結構自重、降低工程造價等具有重大意義。幾種主要材料的比強度值見表0.5。

0.2.4.2　彈性和塑性

1.彈性

彈性是指材料在外力作用下產生變形,外力取消后變形能完全恢復的性質。這種變形稱為彈性變形。

彈性變形的大小與外力成正比,其比例系數在一定范圍內為一常數,稱為彈性模量,用符號E表示,按式(0.19)計算：

式中　ε——材料的應變；

σ——材料的應力,MPa；

E——材料的彈性模量,MPa。

彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標,E值越大,表明材料抵抗變形的能力越強,材料越不容易變形。

2.塑性

塑性是指材料在外力作用下產生變形,除去外力后仍保持變形后的形狀和尺寸,并且不產生裂縫的性質。這種變形稱為塑性變形。

單純的彈性材料是沒有的。有的材料受力不大時產生彈性變形,受力超過一定限度后即產生塑性變形,如低碳鋼。有的材料在受力時,彈性變形和塑性變形同時產生,當去掉外力后,彈性變形消失,而塑性變形不能消失,如混凝土。

0.2.4.3　脆性和韌性

1.脆性

脆性是指外力作用于材料并達到一定限度后,材料無明顯塑性變形而發生突然破壞的性質。脆性材料塑性變形很小,抗壓強度較高,抗沖擊能力、抗振動能力、抗拉及抗折能力差。多數無機非金屬材料均屬于脆性材料,如天然石材、燒結普通磚、混凝土等。

2.韌性

韌性是指在沖擊或震動荷載作用下,材料能吸收較大能量,同時產生較大變形,而不發生突然破壞的性質。韌性材料的特點是塑性變形大,抗拉、抗壓強度較高,如建筑鋼材、木材等。對于承受沖擊震動荷載的路面、橋梁、吊車梁等結構,應選用具有較高韌性的材料。

0.2.4.4　硬度和耐磨性

硬度是指材料表面的堅硬程度,是材料抵抗其他硬物體壓入或刻畫的能力。硬度大的材料耐磨性較強、強度較高,但不易加工。

耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。磨損是材料受外界物質的摩擦作用而減小質量和體積的現象。材料耐磨性用磨損率N來表示,按式(0.20)計算：

式中　N——材料的磨損率,g/cm2；

m1——試件磨損前的質量,g；

m2——試件磨損后的質量,g；

A——試件受磨損面積,cm2。

磨損率越低,表示材料的耐磨性越好。材料的耐磨性與材料的組成、結構及強度、硬度等有關。工程中用于地面、踏步、臺階、路面等處的材料,應適當考慮硬度和耐磨性。

0.2.5　材料的耐久性

材料在長期使用過程中,能抵抗周圍各種介質的侵蝕而不破壞,也不失去其原有性能的性質,稱為耐久性。材料在使用過程中,除受到各種外力作用外,還受到自身和周圍環境各種因素的破壞作用。這些破壞因素對材料的作用往往是復雜多變的,一般可將其歸納為物理作用、化學作用、力學作用和生物作用。

物理作用包括材料的干濕變化、溫度變化及凍融變化等。這些變化可引起材料的收縮和膨脹,長期而反復作用會使材料逐漸破壞。

化學作用主要指材料受到有害氣體以及酸、堿、鹽等液體的破壞作用。如水泥石的腐蝕,鋼材的銹蝕等。

力學作用是指材料受使用荷載的持續作用,交變荷載引起的疲勞、沖擊及機械磨損等。

生物作用包括菌類、昆蟲等的侵害作用,導致材料發生腐朽、蟲蛀破壞。如木材的腐朽。

在實際工程中,材料遭到破壞往往是上述多個因素同時作用引起的,所以材料的耐久性是一項綜合性能,包括有抗滲性、抗凍性、耐腐性、抗風化性、耐磨性、耐光性等各方面的內容。不同的材料其耐久性的內容有所不同。為提高材料的耐久性,可根據使用情況和材料特點采取相應的措施。如減輕環境破壞作用、提高材料本身的密實度等以增強其抵抗能力,或對材料表面設置保護層等。提高耐久性對保護建筑物的正常使用、減少使用期間的維修費用、延長建筑物的使用壽命起著非常重要的作用。