绪论 0.1研究建筑材料的意义 建筑材料是建筑工程的物质基础，它直接关系到建筑物的结构形式、建筑产品的质量和建筑工程的造价，影响着城乡建设面貌的变化和人们居住条件的改善。建筑材料的发展和创新与建筑技术的进步有着不可分割的联系，它们相互制约、相互依赖和相互推动。 在现代化建筑中要求的建筑材料品种多、数量大，从建筑物的主体结构到每一个细部构件， 无一不是由各种建筑材料经一定的设计和施工而成的。因此，建筑材料的品种、数量、规格 、质量以及外观、色彩等，都在很大程度上决定着建筑物的质量和功能，影响着建筑物的适 用性、耐久性和艺术性。高层和大跨度建筑物的结构材料要求轻质、高强； 屋面或地下防水 要求防水材料密实度高、不透水性好； 冷库建筑所用的墙体材料应具有较高的绝热效能； 礼 堂、影剧院、音乐厅堂的建筑，为使其有较好的音响效果就要选用质量好的吸声材料； 大型 的公共建筑、纪念性建筑要求较高的外墙饰面材料； 等等。由此可见，建筑材料的合理选用 并最大限度地发挥材料本身的效能是满足各种建筑物功能要求的重要保证。 新型建筑材料的问世，推动了建筑结构设计方法和施工工艺的变化，而新的建筑结构设计和施工工艺又对材料的品种和质量提出多样化和更高的要求。随着人类社会的进步和发展，全面改善与美化人们生活与工作的空间势在必行。在已经到来的“十二五”发展时期，建筑业要持续强劲，建设规模仍将保持较大幅度的增长，环保、节能、减排、低碳以及更加严格的工艺标准，对建筑材料的原材料开发、产品形式、生产工艺和技术性能等方面的科学化、专业化和现代化程度要求越来越高，必须尽快适应这种形势的发展与需要。 0.2建筑材料分类 根据材料来源不同，建筑材料可分为天然材料和人造材料； 根据使用部位不同，可分为墙体 材料、楼地面材料和屋面材料； 根据材料功能不同，可分为结构材料、装饰装修材料、绝热材料 、吸声材料和防水材料等。平时常根据组成物质的种类及化学成分将建筑材料简单分为无 机材料、有机材料和复合材料三大类，各大类材料再细分可见下表。 建筑材料分类 无机材料金属材料黑色金属： 钢、铁 有色金属： 铝、铜等及其合金 非金属材料天然石材： 砂、石、各种岩石制成的材料 烧土制品： 粘土砖、瓦、陶瓷、玻璃等 胶凝材料： 石灰、石膏、水玻璃、水泥混凝土、砂浆、硅酸盐制品 有机材料植物质材料 沥青材料 高分子材料木材、竹材 石油沥青、煤沥青、沥青制品 塑料、涂料、胶粘剂 复合材料无机非金属材料 与有机材料复合钢纤维混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土 0.3建筑材料的发展趋向 为了适应建筑工业化、建筑工程现代化，提高建筑物的工程质量，并满足使用功能的要求，建 筑材料应朝着以下几个方面发展。 （1） 大力研制轻质高强的材料，提高建筑材料的比强度(材料的抗压强度与表观密度之比)， 以减小承重结构的截面尺寸，降低结构件的自重，减轻建筑物自重，提高建筑物的抗震性能，同时还可以降低运输费用，减轻施工人员的劳动强度。 （2） 发展高效能的保温、隔热材料，提高建筑物节能的效果。能源的节约，已经成为国民经济发展中日益急迫的问题。建筑业是一个耗能大的行业，占国家总能耗的25%~40%。其中，包括建筑材料生产用能、建筑施工用能和建筑产品用能三个方面，这些无不与建筑材料的生产、改造和创新以及合理选用有着密切关系。 （3） 生产建筑材料所用原材料，应充分利用天然材料、工业废料和再生资源，大搞综合利用，化害为利、变废为宝。同时要注重生产和使用过程中可能造成的污染，大力倡导和发展“环境标志”产品，以保护人体健康和大气环境。 在生产工艺方面，应大力引进先进技术，下大决心淘汰或改造陈旧的、高能耗的机械设备，减少环境污染，降低原材料及能源消耗，促进建筑材料生产科学、持续强劲的发展。 （4） 积极创造条件，大力发展产品型式的预制技术，特别要注重适合机械化施工的材料和制品的发展，逐步提高建筑行业生产构件化和单元化的水平。 0.4建筑材料技术标准 建筑材料走向现代化生产，管理也应科学化，对建材产品的各项技术需制定统一的标准。标准的内容一般包括产品的分类、规格、技术性能、验收规则、试验与检测方法以及产品的包装、运输和储存等。 建筑材料的技术标准是企业产品质量是否合格的技术依据，也是供需双方对产品质量进行验收的依据。 当前，我国建筑材料的技术标准分为四级。 （1） 国家标准国家标准中又分为强制性标准（代号为“GB”）和推荐性标准（代号为“GB/T”），它是由国家标准局发布的全国性指导技术文件。表示方法为标准代号、发布顺序号和发布年号，例如，GB 11614—2009、GB/T 14684—2011。 （2） 部颁标准（行业标准）由生产主管部（局）发布，其代号按部（局）的名称定，如建筑材料行业标准代号为“JC”、建筑工程行业标准代号为“JGJ”、冶金工业行业标准代号为“YB”、交通行业标准代号为“JT”等。表示方法为标准代号、行业标准序号和发布年号，例如，JC 473—2001： 建材行业强制性标准； JC/T 4100—2006： 建材行业推荐性标准； JGJ 55—2011： 建筑工业行业强制性标准； JGJ/T 98—2010： 建筑工业行业推荐性标准。 （3） 地方标准由地方主管部门发布的地方性指导文件。地方标准的代号为“DB”。表示方法为地方标准代号、地方名称代号、地方标准序号和发布年号，例如，DBJ 01—97—2005： 地方（北京）2005年第97号强制性标准； DB 31/T35—1999： 地方（上海）1999年第35号推荐性标准。 （4） 企业标准标准仅仅适用本企业，代号为“Q”。表示方法为企业标准代号、企业名称、企业标准序号和发布年号，例如，Q/BX001—2006为北京新时基业绝热纤维喷涂技术有限公司发布的2006年第1号标准。 执行强制性国家标准时，任何技术或产品均不得低于其中规定的要求； 推荐性国家标准则表示也可以执行其他标准的要求，但如果推荐性标准被强制性标准采纳后，就认为是强制性标准了； 地方性标准和企业标准中所制定的各项技术要求应高于国家标准。 随着我国经济体制的改革和对外开放，建筑材料常与相关的国际标准或外国标准发生关系， 其中主要有： 国际标准，代号为ISO； 日本工业标准，代号为JIS； 德国工业标准，代号为DI N； 美国标准，代号为ASTM； 法国标准，代号为NF； 英国标准，代号为BS等。 0.5学习建筑材料的目的 学习建筑材料重在掌握材料的品种、技术性能，以及形成这些性能的内在原因和这些性能相互之间的关系。对同一类别不同品种的材料，不但要研究它们的共性，更重要的是要了解它们各自的特性和表现出这些特性的原因。例如，学习各种水泥时，不但要知道它们都能在水中产生水化反应，生成水硬性物质而变硬，具有一定的强度等共同的性质，更重要的是要研究它们各自质的区别及因此反映在性能上的差异。一切材料的性能都不是固定不变的，在运输、储存和使用过程中，它们的性质都在或快或慢、或隐或现、或多或少地不断地发生着变化。为了保证建筑工程的耐久性，必须搞清材料发生性能上变化的外界条件和材料本身的内在原因，并掌握其变化规律，才能做到科学、合理地选用材料。 建筑材料试验是本课程重要的教学环节，其任务是验证基本理论、技术性能标准和检测方法，培养科学研究的能力和严谨的、实事求是的科学态度，了解试验条件对试验结果的影响，并对试验结果作出正确的分析和判断。 总之，学习建筑材料重在掌握材料的品种、性能、标准、检测方法及检测要求，在此基础上更深一步地了解各种材料成分、构造、性能及其之间的关系，以便能结合工程的需要合理地选用各种材料。 思考题与习题 1. 建筑材料与建筑工程之间是什么关系？ 2. 建筑材料如何分类？各类中都包括哪些具体材料？ 3. 试解释环保、节能、减排和低碳的含义。 4. 为什么要制定建筑材料产品标准？标准分几级？怎样表示？试各举一例说明。 5. 学习建筑材料课主要目的是什么？ 第1章建筑材料的基本性质 建筑材料在建筑物中起各种不同的作用，因此，要求建筑材料应具有相应的不同性质。作 为结构物的材料要承受各种外力的作用，如建筑中的梁、板、柱、承重墙体和底板等，因此，结构物的材料应具有所需的力学性能； 屋面防水材料、地下防潮材料则应具有良好的耐水性和抗渗性； 建筑物的内墙应具有保温、隔热和吸声、隔声的性能； 长期暴露在大气环境中的各种建筑物或构筑物，要受到风吹日晒、雨水冲刷、干湿交换和冰冻的破坏作用； 在具有酸、碱、盐类物质化学侵蚀的部位，还应有较高的化学稳定性等。为了保证建筑物或构筑物经久耐用，要求建筑设计与施工过程熟悉和掌握建筑材料的基本性质，并做到合理地选用材料。 材料品种不同，性能也不一样，归纳起来大体有物理性质、化学性质和力学性质。这里着重介绍物理性质和力学性质，化学性质分解到每章具体材料中去介绍。 1.1材料的主要物理性质 1.1.1材料与质量有关的性质 1. 密度（实际密度） 密度指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，用下式进行计算： ρ=mV 式中： ρ —材料的密度，kg/m3； m—材料的质量，kg； V—材料在绝对密实状态下的体积，m3。 所谓绝对密实状态下的体积，若为固体块状材料则指不包括孔隙在内的体积； 若为固体散粒 材料则指不包括其空隙在内的体积。这种材料实际上是不存在的。为了研究问题方便起见， 常将密实度较高的材料，如钢材、玻璃和4℃的水看成是绝对密实的。绝对密实状态的 近似值称为视密度。 2. 表观密度 表观密度指材料在自然状态下单位体积的质量，按下式计算： ρ0=mV0 式中： ρ0—材料的表观密度，kg/m3； m—材料的质量，kg； V0—材料在自然状态下的体积，m3。 材料在自然状态下的体积，若只包括孔隙在内而不含有水分，此时计算出来的表观密度称为 干表观密度； 若既包括材料内的孔隙，又包括孔隙内所含的水分，则计算出来的表观密度称 为湿表观密度。 3. 堆积密度 堆积密度是指粉状、颗粒状及纤维状等材料在自然堆积状态下的单位体积质量，可按下式进行计算： ρL=mV0 式中： ρL—材料堆积密度，kg/m3； m—材料的质量，kg； V0—材料的堆积体积，m3。 材料在自然状态下的堆积体积包括材料的表观体积和颗粒（纤维）间的空隙体积，数值的大小与材料颗粒（纤维）的表观密度和堆积的密实程度有直接关系，同时受材料的含水状态影响。 在建筑工程中，密度、表观密度和堆积密度常用来计算材料的配料、用量、构件的自重、堆放空间和材料的运输量，工程中常用的几种材料密度、表观密度和堆积密度值见表1-1。 表1-1常用材料密度、表观密度或堆积密度kg/m3 材料密度表观密度或 堆积密度材料密度表观密度或 堆积密度 烧结普通砖25001800～1900花岗岩27002500～2700 粘土空心砖2500900～1450砂子26001400～1700 普通混凝土27002200～2450膨胀蛭石—80～200 泡沫混凝土3000600～800膨胀珍珠岩—40～130 水泥31001250～1450松木1550400～700 生石灰块—1100钢材78507850 生石灰粉—1200水(4℃)10001000 4. 密实度 密实度是指固体材料中固体物质的充实程度，即材料的绝对密实体积与其总体积之比。计算式为 D=VV0×100% 因为 ρ=mV，ρ0=mV0 所以 V=mρ，V0=mρ0 D=m/ρm/ρ0=ρ0ρ×100% 式中： D—材料的密实度，常以百分数表示。 【例1-1】烧结普通砖ρ0=1900 kg/m3,ρ=2500 kg/m3，试求砖的密实度。 【解】D=ρ0ρ=19002500×100%=76% 凡具有孔隙的固体材料，其密实度都小于1。材料的密度与表观密度越接近，材料就越密实 。材料的密实度大小与其强度、耐水性和导热性等很多性质有关。 5. 孔隙率 孔隙率是指固体材料的体积内孔隙体积所占的比例，可根据下式计算： P=V0-VV0=1-VV0=1-ρ 0ρ=1-D 式中： P—材料的孔隙率，以百分数表示。 【例1-2】仍为上题的烧结普通砖，求其孔隙率P为多少 ? 【解】P=1-D=1-0.76=0.24=24% 材料的孔隙率大，表明材料的密实程度小。材料的许多性质，如表观密度、强度、透水性、抗渗性、抗冻性、导热性和耐蚀性等，除与孔隙率的大小有关，还与孔隙的构造特征有关。所谓孔隙的构造特征，主要是指孔的大小和形状。依孔隙的大小可分为粗孔和微孔两类； 依孔的形状可分为开口孔隙和封闭孔隙两类。一般均匀分布的微小孔隙比开口或相互连通的孔隙对材料性质的影响小。 6. 填充率 填充率是指颗粒材料或粉状材料的堆积体积内，被颗粒所填充的程度，用D′表示，可按下式进行计算： D′=VV′0×100%=ρ′0ρ0×100% 7. 空隙率 空隙率是指颗粒材料或粉状材料的堆积体积内，颗粒之间的空隙体积所占的百分率，用P′表示，可按下式进行计算： P′=V′0-V0V′0×100%=1-ρ′0ρ0×100% 材料空隙率大小，表明颗粒材料中颗粒之间相互填充的密实程度，计算混凝土骨料的级配和砂率时常以空隙率为计算依据。 1.1.2材料与水有关的性质 1. 吸水性 材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。 材料吸水性的大小可用吸水率表示。吸水率又有质量吸水率和体积吸水率之分，其计算公式分别为 W质=m饱-m干m干×100% W体=m饱-m干V0ρW×100% 式中： W质—材料的质量吸水率，%； W体—材料的体积吸水率，%； m饱—材料吸水饱和后的质量，kg； m干—材料烘干到恒重时的质量，kg； V0—材料在自然状态下的体积，m3； ρW—水的密度，kg/m3。 材料的吸水率与孔隙率成正比。封闭孔隙较多的材料，吸水率不很大时可用质量吸 水率公式进行计算； 一些轻质材料，如加气混凝土、木材等，由于其开口孔多，质量吸水率 往往超过100%，在这种情况下，可用体积吸水率公式进行计算。 2. 吸湿性 材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性，该性质可用材料的含水率表示，按下式进行计算： W含=m含-m干m干×100% 式中： W含—材料的含水率，%； m含—材料含水时的质量，kg； m干—材料烘干到恒重时的质量，kg。 材料吸湿性的大小取决于材料本身的化学成分和构造，并与环境空气的相对湿度和温度有关。一般来说，总表面积较大的颗粒材料，以及开口相互连通的孔隙率较大的材料吸湿性较强，环境的空气相对湿度越高，温度越低时其含水率越大。 材料吸湿含水后，会使材料的质量增加，体积膨胀，抗冻性变差，同时使其强度、保温隔热性能下降。 材料可以从湿润空气中吸收水分，也可以向干燥的空气中扩散水分，最终使自身的含水率与 周围空气湿度持平，此时材料的含水率称为平衡含水率。 3. 耐水性 材料在饱和水作用下强度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软=f饱f干 式中： K软—材料的软化系数； f饱—材料在饱和水作用下的抗压强度，MPa； f干—材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。 材料软化系数范围在0～1之间，数值越大，说明材料的耐水性能越好。当软化系数大于0.85时，则认为该材料是耐水的。一般材料随含水量的增加，其强度都会有不同程度的下降。所以，用于潮湿环境及浸泡在水中的构件，应选用软化系数大的材料，一般要大于0.85。用于受潮较轻或次要的结构物材料，其软化系数应在0.70～0.85之间，因为材料的软化系数越大，意味着材料的耐水性能越好。 4. 抗渗性 材料抵抗压力水渗透的性质或材料的不透水性称为抗渗性。 材料的抗渗性可用抗渗等级来表示，即用材料抵抗压力水渗透的最大水压力值来确定，其抗 渗 等级越高，表明材料的抗渗性能越好。 材料的抗渗性还可用渗透系数K表示，渗透系数的计算公式如下： K=QdAtH 式中： K—渗透系数，m/h； Q—透水量，m3； d—试件厚度，m； A—透水面积，m2； t—时间，h； H—静水压力水头，m。 材料的渗透系数越大，表明材料的透水性越好，抗渗性越差。 材料抗渗性能的好坏，主要决定于材料本身孔隙率的大小及孔隙的特征。密实材料、具有封 闭口孔或极微细孔的材料，一般是不会透水的； 具有较大孔隙率，且孔径大和开口连通孔 的材料，其抗渗性往往较差。 建筑物的地下结构和所有水工构筑物使用的抗渗混凝土的抗渗性能，常用抗渗等级来表示。抗渗混凝土等级由大写英文字母“P”和混凝土本身所能承受的最小水压力数值（阿拉伯数字）表示。由于P6级以下的抗渗要求对普通混凝土来说比较容易满足，所以《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）将抗渗等级等于或大于P6级的混凝土定义为抗渗混凝土。抗渗混凝土的等级有P6、P8、P10、P12，分别表示混凝土可抵抗0.6、0.8、1.0和1.2 MPa水压力而不渗透，说明混凝土抗渗等级越大，其抗渗性能越好。 5. 抗冻性 材料在多次冻融循环作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为抗冻性。 材料在吸水饱和后，从-15℃冷冻到20℃融化称作经受一个冻融循环作用。材料在多次 冻融循环作用后表面将出现开裂、剥落等现象，材料将有质量损失，与此同时其强度也将会 有所下降。所以严寒地区选用材料，尤其是在冬季气温低于-15℃的地区，一定要对所 用材料进行抗冻试验。 材料抗冻性能的好坏与材料的构造特征、含水多少和强度等因素有关。一般来说，密实的并具有 封闭孔的材料，其抗冻性较好； 强度高的材料，抗冻性能较好； 材料的含水率越高，冰冻破 坏作用越显著。此外，材料受到冻融循环作用次数越多，所遭受的损害也越严重。 材料的抗冻性用抗冻等级表示，由大写的英文字母“F”和材料本身所能承受的最少冻融循环次数（阿拉伯数字）表示，如混凝土的抗冻等级有F50、F100、F150、F200、F250和F300。由于F50级以下的抗冻要求普通混凝土容易满足，所以《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）将抗冻等级等于或大于F50级的混凝土定义为抗冻混凝土。 1.1.3材料与温度有关的性质 1. 导热性 热量由材料的一面传至另一面的性质称为导热性，用导热系数“λ”表示。 材料传热能力主要与传热面积、传热时间、传热材料两面温度差及材料的厚度、自身的导热 系数大小等因素有关，可用下面公式计算： λ=QdAt(T2-T1) 式中： λ—材料的导热系数，W/(m·K)； Q—材料传导的热量，J； d—材料的厚度，m； A—材料导热面积，m2； t—材料传热时间，s； T2-T1—传热材料两面的温度差，K。 导热系数是评定材料绝热性能的重要指标。材料的导热系数越小，则材料的绝热性能越好。导热系数的大小受材料本身的结构、表观密度、构造特征、环境的温度、湿度及热流方向的影响。一般金属材料的导热系数最大，无机非金属材料次之，有机材料最小。成分相同时，密实性大的材料，导热系数大； 孔隙率相同时，具有微孔或封闭孔构造的材料，导热系数偏小。另外，材料处于高温状态要比常温状态时的导热系数大； 若材料含水后，其导热系数会明显增大。 2. 热容 材料具有加热时吸收热量，冷却时释放热量的性质，材料温度变化1 K所吸收或释放的热量称为热容。材料单位质量的热容称为比热容c，可用下式进行计算： c=Qm(T2-T1) 式中： Q—材料吸收或放出的热量，J； m—材料的质量，kg； c—比热容，J/(kg·K)； T2-T1—材料受热或冷却前后的温度差，K。 导热系数、热容综合表示材料的热工性能，对于建筑物的保温、隔热，实现建筑节能 具有重要意义。 几种工程上常用材料的热工性质指标详见表1-2。 表1-2工程常用材料热工性质指标 材料λ/（W/(m·K)）c/（J/(kg·K)）材料λ/（W/(m·K)）c/（J/(kg·K)） 钢材58480泡沫塑料0.0351300 花岗岩3.49920水0.584190 普通混凝土1.51840冰2.332050 烧结普通砖0.80880密闭空气0.0231000 松木横纹0.17 顺纹0.352500