2012建筑材料与检测教案方案.docx
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湖南城建职业技术学院
《建筑材料与检测》主讲：
赵偶
绪 论
一、建筑材料的定义和分类
建筑材料是指用于地基、地间、墙体、屋顶等各个部位的各种构件及结构
体并最终构成建筑物的材料及其制品的总称。
（一）建筑材料按化学成分分类：
分 类
实 例
无机材料
金属材料
黑色金属
钢、铁及其合金、合金钢、不锈钢等
有色金属
铜、铝及其合金等
非金属材料
天然石材
砂、石及石材制品
烧土制品
粘土砖、瓦、陶瓷制品等
胶凝材料及制品
石灰、石膏及制品、水泥及混凝土制品、硅酸盐制品
玻璃
普通平板玻璃、特种玻璃等
无机纤维材料
玻璃纤维、矿物棉等
有机材料
植物材料
木材、材、植物纤维及制品等
沥青材料
石油沥青、煤沥青、石油沥青制品待
合成高分子材料
塑料、涂材、胶粘剂、合成橡胶等
复合材料
有机与无机非金属材料复合金属与无机非金属材料复合金属与有机材料复合
聚合物混凝土、玻璃纤维增强塑料等钢筋混凝土、钢纤维混凝土等
PVC钢板、有机涂层铝合金板等
（二）按材料的使用功能分类：
1、结构材料：
构成建筑物受力构件和结构的材料。
如梁、板、柱、基础、框架及其它。
主要要求强度、耐久性。
2、围护材料（墙体材料）：
指墙体、门窗、屋面等部位的材料。
3、功能材料：
担负某些建筑功能的非承重材料。
如防水、防火、绝热保温、吸声、隔音、采光、装饰等。
一般建筑物的可靠度、安全度主要取决于结构材料，而使用功能与建筑质量水平取决于功能材料。
二、建筑材料与建筑、结构、施工、预算的关系
建筑材料是建筑工程的物质基础，。
只有了解掌握材料的性能、特点，按照
建筑物及使用环境条件，合理选用材料，才能更好的发挥每一种材料的长处，做到物尽其才，更好的表达设计意图。
建筑材料的价格一般占建筑总造价的70%以上，因此选用材料时应注意经
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济性、实用性、美化性的统一。
三、建筑材料的发展状况与趋向
Ø距今约4000-10000年，新石器时代：
Ø粘土加植物纤维；
Ø公元前2000-3000年，石灰—石膏时期：
Ø古埃及金字塔、中国万里长城；
Ø公元初，石灰—火山灰时期：
Ø罗马庞贝城、圣庙—三合土；
Ø18世纪后半期，水硬性石灰、罗马水泥——天然水泥；
Ø19世纪初期（1810-1825年），人工配料烧制水泥—硅酸盐水泥（波特兰水泥）。
解放前期，我国水泥产量366万吨，2011年，总产量达20.98亿吨，混凝土产量达33亿立方米。
1、从天然材料向人造材料发展
2、从单一功能向多功能（轻质高强、多功能）发展
3、从现场制作向工厂化生产方向发展
4、从一般要求向高档发展。
5、从普通建材向绿色建筑材料发展。
四、建筑材料的技术标准
目前，主要建筑材料标准内容大致包括材料质量要求和检验两大方面。
有
的二者合在一起，有的则分开订立。
在现场配制的一些材料（如钢筋混凝土等），其原材料（钢筋、水泥、石子、砂等）应符合相应的材料标准要求，而其制品
的检验及使用方法，常包含于施工验收规范及相关的规程中。
由于有的标准分工细，且相互渗透、关联有时一种材料的检验要涉及多个标准、规范等。
目前，我国常用的标准主要有国家级、行业（或部）级、地方级和企业级四类。
1、国家标准
国家标准有强制性标准（代号GB）和推荐性标准（代号GB/T）。
强制性标准是全国必须执行的技术指导文件，产品的技术指标都不得低于标准中规定的要求。
推荐性标准在执行时也可采用其他相关标准的规定。
2、行业（或部）级标准
指各行业（或主管部）为了规范本行业的产品质量而制定的技术标准。
它也是全国性的指导文件，但它是由主管部门发布的，如建材行业标准（代号
JC）、建工行业标准（代号JG）等。
3、地方标准（代号DB）
指地方主管部门发布的地方性技术指导文件，适用于在该地区使用。
4、企业标准（代号QB）
由企业制订发布的指导本企业生产的技术文件，仅适用于本企业。
标准的一般表示方法是由标准名称、部门代号、标准编号和颁布年份等组成。
国际标准：
ISO
美国标准：
ASTM
德国标准：
DIN
英国标准：
BS
法国标准：
NF
日本标准：
JIS
六、建筑材料课程的内容与任务
本课程主要学习建筑工程中常用建筑材料的原料、成分、生产过程、技术性能、质量检验、合理使用及运输储存。
它为后继的建筑结构、建筑施工等专业课提供必要的基础知识，也为在工程实际中解决常用建筑材料问题提供一定的基本理论知识和基本实验技能。
建筑材料试验是建筑材料学科的一个重要组成部分。
通过试验除能验证学过的理论知识，丰富感性知识外，还能学习基本的试验技能，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
因此必须十分重视试验课，要切实做到人人动手，按章操作，仔细记录，准确计算，认真分析，并及时完成试验报告。
另外在今后的学习与实践中，在接触材料问题时要善于运用已学的知识来分析、解决问题，进一步巩固和深化对建筑材料的认识。
学习方法：
1、理解材料共性，掌握个性
2、理解材料性能的影响因素
3、掌握建筑材料在工程中的应用
4、加强实验实践
5、拓展课外知识
1 建筑材料的基本物理性质
1.1与质量有关的性质
材料的密度、表观密度与堆积密度
1.密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：
r=m
V
式中 r——实际密度（g/cm3）；
m——材料在干燥状态下的质量（g）；
V——材料在绝对密实状态下的体积（cm3）。
绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。
除了钢材、玻璃等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙。
在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉以排除其内部孔隙，用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为材料绝对密实状态下的体积。
在测量某些较致密的不规则的散粒材料（如卵石、砂等）的实际密度时，常直接用排水法测其绝对体积的近似值（颗粒内部的封闭孔隙体积无法排除），这时所求得的实际密度为近似密度。
2.表现密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：
r=m0
0 V
0
式中 r0——表观密度（g/cm3或Kg/m3）；
m0——材料的质量（g）；
V0——材料在自然状态下的体积，或称表观观体积（cm3或m3）。
其体积包含材料固体体积与孔隙体积。
3.堆积积密度
堆积密度是指散粒材料在自然堆积状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：
r`=m
V
0 `
0
0
式中r`——堆积密度（g/cm3）；
m——材料的质量（g）；
0
V`——材料的堆积体积（m3）。
其体积包含材料固体体积、孔隙体积和材料与材料之间的空隙体积。
4.密实度、孔隙率、填充率、空隙率
密实度是指材料体积内被固体物质填充的程度，既固体物质的体积占总体积的比例。
D=V
V0
=r0´100%
r
孔隙率是指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。
V0-V
æ Vö
æ r0ö
P= ´100%=ç1-
V V
÷´100%=ç1-
r÷´100%
0 è 0ø è ø
孔隙率与密实度的关系为：
P+D=1上式表明，材料的总体积是由该材料的固体体积与其所包含的孔隙体积组成。
孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。
材料内部的孔隙又可分为连通的孔和封闭
的
孔，连通孔隙不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔隙彼此不连通且与外界隔绝。
孔隙按其尺寸大小又可分为粗孔和细孔。
孔隙率的大小及孔隙本身的特征与材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等都有密切关系。
一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。
填充率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，被其颗粒填充的程度。
V r`
r
D`=0´100%=0´100%
V
`
0 0
空隙率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。
V`-V
æ Vö
æ r`ö
P`=0 0´100%=ç1-0÷´100%=ç1-0÷´100%=1-D`
（2-7）
V
V`
r
` ç ÷
0 è 0ø
ç ÷
è 0ø
即D`+P`=1
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的致密程度。
空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。
1.2材料与水有关的性质
1.亲水性与憎水性
材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，可将材料分为亲水性和憎水性（或称疏水性）两大类。
大多数土木工程材料，如石料、砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面均能被水润湿，且能通过毛细管作用将水吸人材料的毛细管内部。
沥青、石蜡等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。
该类材料一般能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材
料的吸水性。
憎水性材料不仅可用作防水材料，而且还可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。
2.吸水性
材料在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。
吸水性的大小，以吸水率表示。
材料所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分数。
W =m湿-m干´100%
质 m
干
式中m质——材料的体积吸水率（%）；
m湿——材料吸水饱和后的质量（g）；
m干——材料烘干到恒重的质量（g）。
材料的吸水性，不仅取决于材料本身是亲水的还是憎水的，也与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。
一般孔隙率愈大，则吸水性也愈强。
封闭的孔隙，水分不易进入；粗大开口的孔隙，水分又不易存留，故材料的体积吸水率，常小于孔隙率。
这类材料常用质量吸水率表示它的吸水性。
水在材料中对材料性质将产生不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度降低，体积膨胀。
因此，吸水率大对材料性能是不利的。
3.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。
吸湿性的大小用含水率表示。
材料所含水质量占材料干燥质量的百分数。
W =m含-m干´100%
m
含
干
式中 W含——材料的含水率（%）；
m含——材料含水时的质量（g）；
m干——材料干燥至恒重时的质量。
材料的含水率大小，除与材料本身的特性有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。
气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。
材料随着空气湿度的变化，既能在空气中吸收水分，又可向外界扩散水分．最终将使材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡，这时材料的含水率，称为平衡含水率。
平衡含水率并不是固定不变的，它随环境中的温度和湿度的变化而改变。
当材料吸水达到饱和状态时的含水率即为吸水率。
4.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。
K =f饱
f
软
干
式中 K软——材料的软化系数；
f饱——材料在饱和状态下的抗压强度（MP）；
f干——材料在干燥状态下的抗压强度（MP）。
软化系数的大小表明材料浸水后强度降低的程度，一般在0～1之间波动。
软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，所以其耐水性越差。
对于经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.85；受潮较轻的或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.70。
软化系数大于0.80的材料，通常可以认为是耐水的材料。
5.抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（或不透水性），可用渗透系数K表示。
渗透系数反映了材料抵抗压力水渗透的性质，渗透系数越大，材料的抗渗性越差。
对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级（P）表示。
材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。
孔隙率很小而且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。
对于地下建筑及水工构筑物，因常受到压力水的作用．故要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。
6。
抗冻性
材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。
通常采用-15℃的温度冻结后，再在20℃的水中融化，这样的一个过程为一次冻融循环。
材料经多次冻融交替作用后，表面将出现剥落、裂纹，产生质量损失，强度也会降低。
因为，冰冻对材料的破坏作用是由于材料孔隙内的水结冰时体积膨胀所至。
所以，材料抗冻性的高低，决定于材料的吸水饱和程度和材料对结冰时体积膨胀所产生的压力的抵抗能力。
抗冻性常作为考查材料耐久性的一个指标。
1.3材料的热工性质
在建筑中，土木工程材料除了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，保障为生产和生活创造适宜的条件，常要求土木工程材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。
常考虑的热工性质有材料的导热性、热容量等。
1.导热性
材料传导热量的能力称为导热性。
材料导热能力的大小可用热导系数（λ）表示。
l= qd
At（T2-T1）
式中 l——导热系数[W/（m·K）；
Q——传导的热量（J）；
A——热传导面积（m2）；
d——材料厚度（m）；t——热传导时间（s）；
T2-T1——材料两侧温差（K）。
材料的热导系数越小，绝热性能越好。
各种土木工程材料的热导系数差别很大，大致在0．035～3.5W／（m·K）之间，如泡沫塑料为0.035W／（m·K），而大理石为
＝3.5W／（m·K）。
热导系数与材料内部孔隙构造有密切关系。
由于密闭空气的热导系数很小，为0.023W／（m·K），所以，材料的孔隙率较大者其热导系数较小，但如孔隙粗大或贯通，由于对流作用的影响，材料的热导系数反而增高。
材料受潮或受冻后，其热导系数会大大提高。
这是由于水和冰的热导系数比空气的热导系数高很多[分别为0.58W／（m·K）和
2.20W／（m·K）]。
因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效果。
2.热容量
材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。
热容量大小用比热（也称热容量系数）表示。
比热表示1kg材料温度升高1K时所吸收的热量，或降低lK时放出的热量。
Q=cm（T2-T1）
Q
c= （ ）
mT2-T1
式中 Q——材料吸收或放出的热量（J）；
c——材料的比热[J/（g·K）]；
m——材料的质量（g）；
T2-T1——材料受热或冷却前后的温差（K）。
比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。
材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。
3.材料的保温隔热性能
在建筑热工中常把1／λ称为材料的热阻，用R表示，单位为（m.K）／W。
热导系数（λ）和热阻（R）都是评定土木工程材料保温隔热性能的重要指标。
人们常习惯把防止室内热量的散
失称为保温，把防止外部热量的进人称为隔热，将保温隔热统称为绝热。
材料的导热系数愈小，其热阻值愈大，则材料的导热性能愈差，其保温隔热的性能愈好，所以常将λ≤0.175W／（m·K）的材料称为绝热材料。
1.4材料的基本力学性质
材料的力学性质主要是指材料在外力（荷载）作用下，抵抗破坏和变形的能力。
1.材料的强度、比强度
材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力称为强度。
其值是以材料受外力破坏时，单位面积上所承受的力表示。
f=FA
式中 f——材料的强度（MP）；
F——破坏荷载（N）；
A——受荷面积（mm2）。
材料在建筑物上所受的外力，主要有拉力、压力、弯曲及剪力等。
材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。
这些强度一般是通过静力试验来测定的。
材料的强度，实际上只是在特定条件下测定的强度值。
为了使试验结果比较准确而且具有互相比较的意义，每个国家都规定有统一的标准试验方法。
测定材料强度时，必须严格按照标准试验方法进行。
大部分土木工程材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级。
如混凝土按抗压强度有C10，C15,C20,C25,C30,C35,C40,…，C100等多个强度等级，普通水泥按抗压强度及抗折强度分为32.5，42.5,52.5，62.5等强度等级。
将土木工程材料划分为若干强度等级，对掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是十分重要的。
为了对不同的材料强度进行比较，可以采用比强度。
比强度是按单位质量计算的材料
强
度，其值等于材料的强度与其表观密度之比，它是衡量材料轻质高强的一个主要指标。
以钢材、木材和混凝土的抗压强度来作比较，三者的比强度分别为0.053、0.069、0.012。
可见，从比强度来看，钢材比混凝土强，而松木又比钢材强。
就三者比较而言，混凝土是质量大而强度低的材料。
2.材料的弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。
这种当外力取消后瞬间内即可完全消失的变形称为弹性变形。
这种变形属于可逆变形，其数值的大小与外力成正比。
其比例系数E称为弹性模量。
在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力与应变的比值，即
E=s
e
式中 E——材料的弹性模量（MP）；
s——材料的应力（MP）；
e——材料的应变。
在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并且不产生裂缝性质称为塑性。
这种不能消失的变形称为塑性变形。
许多材料受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定限度后，即产生塑性变形。
如
建筑钢材，当外力值小于弹性极限时，仅产生弹性变形；若外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形。
有的材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生，如果取消外力，则弹性变形可以消失，而其塑性变形则不能消失（如混凝土）。
3。
材料的脆性和韧性
在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质称为脆性。
脆性材料抵抗冲击荷载或震动作用的能力很差。
其抗压强度比抗拉强度高得多，如玻璃、砖、石、陶瓷等。
在冲击、震动荷载作用下，材料能承受很大的变形也不致被破坏的性能称为韧性。
如建筑钢材、木材等属于韧性材料。
建筑工程中，对于要承受冲击荷载和有抗震要求的结构，其所用的材料都要考虑材料的冲击韧性。
4.材料的硬度、耐磨性
硬度是材料表面能抵抗其它较硬物体压人或刻划的能力。
不同材料的硬度测定方法不同。
按刻划法，矿物硬度分为10级（莫氏硬度），其硬度递增的顺序为：
滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7；黄玉8；刚玉9；金刚石10。
木材、混凝土、钢材等的硬度常用钢球压入法测定（布氏硬度HB）。
一般，硬度大的材料耐磨性较强，但不易加工。
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，常用磨损率（B）表示：
建筑工程中，用于道路、地面、踏步等部位的材料均应考虑其硬度和耐磨性。
一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。
1.5材料的耐久性
材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不破坏，也不易失去其原有性能的性质，称为耐久性。
耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐
蚀性等均属耐久性的范围。
此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料耐久性有密切关系。
材料在使用过程中，除受到各种外力的作用外，还长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用。
这些破坏作用一般可分为物理作用、化学作用、生物作用等。
物理作用包括材料的干湿变化、温度变化、冻融变化等。
这些变化可引起材料的收缩和膨胀，长时期或反复作用会使材料逐渐破坏。
化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液及气体对材料产生的侵蚀作用，使材料产生质的变化而破坏。
例如钢筋的锈蚀。
生物作用是昆虫、菌类等对材料所产生的蛀蚀、腐朽等破坏作用。
如木材、植物纤维材料的腐烂等。
一般矿物质材料，如石材、砖瓦、陶瓷、混凝土等，暴露在大气中时，主要受到大气的物理作用，当材料处于水位变化区或的水中时，还受到环境水的化学侵蚀作用。
金属材料在大气中易被锈蚀。
沥青及高分子材料，在阳光、空气及辐射的作用下，会逐渐老化、变质而破坏。
为了提高材料的耐久性，应根据结构特点、使用环境和材料特点，综合分析影响材料
耐久性的原因，以利于采取相应的措施，延长建筑的使用寿命和减少维修费用。
如设法减轻大气或周围介质对材料的破坏作用（降低湿度，排除侵蚀性物质等）；提高材料本身对外界作用的抵抗性（提高材料的密实度，采取防腐措施等），也可用其它材料保护主体材料免受破坏（覆面、抹灰、刷涂料等）。
7 建筑钢材
7.1 建筑钢材的认识
一、钢材的冶炼方法
目前，我国常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。
建筑钢材——般以前三种方法冶炼而得。
根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢三种。
沸腾钢是脱氧不完全的钢，钢液中保留相当数量的FeO,钢水浇注后，产生
大量一氧化碳气体逸出，引起钢水沸腾，故称沸腾钢。
沸腾钢的塑性好，有利于冲压。
其缺点是组织不够致密，气泡含量较多，化学偏析较大，成分不均匀，强度及抗腐蚀性差，特别是低温冲击韧性显著降低。
但由于成本较低，因此被广泛用于一般建筑结构中。
镇静钢是用锰、硅和铝进行充分完全脱氧的钢。
在浇注和凝固过程，钢水呈静止状态，故称镇静钢。
此钢结构致密、质量均匀，焊接性能好，抗腐蚀性能强，但成本高，一般用于承受冲击荷载或其它重要结构。
半镇静钢的脱氧程度及钢的质量均介于上述二者之间。
钢材在浇铸后，大多都要再经过压力加工才能使用。
压力加工可分为热加工和冷加工。
热加工是将钢锭加热至呈塑性状态，再施加压力改变其形状，井使钢锭内部气泡焊合，疏松组织密实。
通过热加工，不仅使钢锭轧成各种型钢及钢筋，也提高了钢的强度和质量，一般辗轧的次数越多，钢的强度提高也越大。
冷加工是指钢材在常温下进行的压力加工。
冷加工的方式很多，如冷拉、冷拔、冷轧等。
冷轧可轧制厚度很薄、表面光洁度较高的钢板。
建筑上常采用冷拉、冷拔来提高钢材的强度。
二、钢材的分类
钢的品种繁多，为了便于掌握和选用，常将钢按不同角度进行分类。
1.按化学成分分
低碳钢（含碳量＜0.25％）
碳素钢 中碳钢（含碳量0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量＞0.60％）
低合金钢（合金元素含量＜5%）
合金钢 中合金钢（合金元素含量5%～10%）高合金钢（合金元素含量＞10%）
2.按质量分
普通碳素钢（含硫量≤0.055％～0.065％，含磷量≤0.045％～0.085％）优质碳素钢（含硫量≤0.03％～0.045％，含磷量≤0.035％～0.04％）
高级优质钢（含硫量≤O.02～O.03％，含磷量≤0.027％～0.035％）
3.按用途分
结构钢
建筑工程用结构钢
机械制造用结构钢
工
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