建筑材料的物理性能

土木建筑材料的物理性能通常指：密度、比重、容重、 孔隙率、硬度以及热、声、光、 电等方面的性能（力学性能见建筑材料的力学性能）。

一般物理性质　密度 　材料在绝对密实状态下单位体积的质量。如材料的体积内包含有孔隙和水分时，则求得的密度称为视密度或表观密度。

测量密度时，由于一般材料的内部均含有一些孔隙，为了获得绝对密实状态的试样，须将材料磨成细粉以排除其内部孔隙，再用排液置换法求出材料的绝对密实体积。材料的密度单位可用克/厘米3、千克/升、千克/米3等表示。

比重 　材料在 4°C时和绝对密实状态下的重量与同体积水的重量之比，或材料的密度与水的密度之比。

容重 　材料在自然状态下（包含内部孔隙）单位体积的质量。当材料含有水分时，其质量和体积均能发生变化,影响材料的容重值。故对所测的材料容重,必须注明其含水状态。通常所谓的材料容重是指材料在气干状态下的容重，而在烘干状态下的容重则称为干容重。材料的容重单位一般可用克/厘米3、千克/升、千克/米3等表示。

松散容重 　散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。从一定高度将散粒状材料自由落下并装满容器，以容器的容积除其质量，即为松散容重。砂、石和水泥等材料的容重常用松散容重表示。

密度、容重和松散容重可用于计算材料的孔隙率、空隙率，以及估算材料的体积和质量。

孔隙率 　材料中孔隙体积占材料总体积的百分比，是衡量材料多孔性或致密程度的一种指标。材料内部孔隙中，有与外界相连通的开口孔隙和与外界隔绝的封闭孔隙。孔隙本身按其孔径大小又可分为极细孔隙、毛细孔隙和粗大孔隙等。孔隙率大小、孔隙结构以及各种大小孔隙的级配，对材料的容重、强度、湿胀干缩、吸水、抗渗、抗冻和声、绝热等性能都有重要影响。

孔隙率(η)可根据材料的容重 (у0)和密度（-ρ）按下式计算：　材料的孔隙结构的测量方法很多，目前应用较广的是：大孔隙结构采用显微镜法；微小孔隙结构采用气体吸附法和水银压入法。

空隙率 　散粒状材料在自然堆积状态下，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分比。可以利用上述公式,-ρ用视密度代入，у0用松散容重代入,则求得的η值即为空隙率。

吸水率 　材料由干燥状态变为饱和吸水状态所增加的质量与材料干质量的百分比。算式为式中B为材料的吸水率；G为材料在干燥状态下的质量（克）；G1为材料在吸水饱和状态下的质量（克）。

吸水率表示材料吸收水分的能力。它与材料的孔隙构造及其表面性能有关。细小而连通的孔隙较易吸水，粗大的孔隙内不易存留水分，所以封闭或粗大孔隙的材料吸水率都是较低的。材料表面是亲水性的容易吸水，是憎水性的则不能吸水。

致密岩石（如花岗岩）的吸水率为0.5～0.7%，普通混凝土为2～3%，粘土砖为8～20%,木材或某些轻质材料的吸水率常大于100%。

含水率 　材料内部所包含水分的质量占材料干质量的百分比。材料在自然环境中，其孔隙中所含有的水分与空气湿度达到平衡时，这部分水的质量占材料干质量的百分比,称为平衡含水率。材料含有水分之后,常引起质量增大、体积膨胀、强度和隔热性能降低等弊病，因此应注意采取防护措施。

硬度 　材料抵抗其他物体刻划、摩擦、压入其表面的能力。不同的材料要采用不同的硬度测试方法。天然矿物的硬度用抵抗刻划的能力表示，常用莫氏硬度计测定。莫氏硬度计规定了10种不同硬度的矿物做为硬度等级标准，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石依次排列。采用刻划的方法即可鉴定出被测矿物的硬度。

石材的硬度用抵抗磨耗的能力表示。试件用石英砂磨料经一定摩擦行程后，以单位摩擦面积上的质量损失表示其硬度。用下式计算：

A=ɡ/F

式中A为磨耗硬度(克/厘米2);ɡ为试件质量损失(克);F为试件摩擦面积（厘米2）。

金属的硬度用抵抗物体压入的能力表示。常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

① 布氏硬度。用一定直径的钢球,以规定荷载压入金属表面。布氏硬度值是以压痕球面积上所承受的平均压力表示，用下式计算：式中HB为布氏硬度值（千克力/毫米2）;P为钢球上的荷载（千克力）；D为钢球直径(毫米)；d为压痕直径（毫米）。

② 洛氏硬度。用金刚石圆锥体或钢球标准压头先后两次施加负荷。洛氏硬度值(HR)是以在初荷载继续作用下，由主荷载所引起的残余压入深度值计算。残余压入深度值越大，金属硬度越低，反之则硬度越高。

此外，尚有维氏硬度、肖氏硬度等方法，维氏硬度与布氏硬度类似，肖氏硬度用于测定橡胶、塑料等的材料硬度。

材料内部组织的硬度是用显微硬度计测定。材料的硬度与材料的强度、耐磨性、加工性能以及其他物理力学性能均有密切关系。

热学性质　比热容 　单位质量的材料温度升高 1开所吸收的热量,比热容的工程单位是焦/(千克·开)。材料的比热容主要取决于矿物成分和有机质的含量。湿度对材料比热容影响很大，它随着材料湿度的增加而提高。其比热容大多在0.42～2.51×103焦/(千克·开)之间。

热导率 　在稳定传热条件下，传热方向垂直于材料表面，在壁厚为1米的板材上，壁内外表面的温差为1开，单位面积上、单位时间所传递的热量。算式为式中λ为材料的热导率，也称导热系数[瓦/(米·开)]；Q为总传热量（焦）；t1－t1为壁内外表面的温差(开)；δ为壁厚(米)；F为表面积(米2)；z为传热时间（秒）。

热导率表示材料传递热量的能力。它与材料的分子结构、化学成分和容重(包括孔隙率，孔隙大小及构造)等因素有关。材料愈密实,热导率愈大。材料受潮后,热导率显著增大。一般情况，材料温度升高，热导率也会增大。在高温和低温条件下，就要考虑温度对热导率的影响，通常把λ值小于0.23瓦/（米·开）的材料称保温隔热材料。

热阻 　材料抵抗热流通过的能力。热阻R等于温度差除以热流量，单位为开/瓦。热阻愈大,在同样温差条件下,通过材料的热流量愈少。热阻的倒数也称热导(G)，即G=1/R,它表示材料内外表面的温差为1开时所传递的热流量，单位为瓦/开。

热扩散率　在不稳定传热条件下，材料受到冷却或加热作用时，温度变化在材料内部扩展的速度。算式为

a=λ/-ρc

式中a为热扩散率(米2/秒)；λ为热导率【瓦/(米·开)】；-ρ为密度(千克/米3)；c为比热容【焦/(千克·开)】。a值愈大，温度变化向材料内部扩展速度愈快。在设计围护结构时，一定要考虑材料的热扩散率。

蓄热系数 　在周期热作用下，材料蓄热的能力。可用下式计算：式中S为蓄热系数【瓦/(米2·开)】;λ为热导率【瓦/(米·开）】；c为比热容,【焦/（千克·开）】；у0为容重（公斤/米3）；T为周期（秒）。S值愈大，材料的热稳定性愈好，表面温度波动愈小。

声学性质　声波入射到材料表面时，声能的一部分被反射(Er)，一部分透过材料(Et),还有一部分被吸收(Ea)。若单位时间内入射总声能为E0，根据能量守恒定律则：

E0=Er Ea Et

声透射系数　透过材料的声能与总入射声能之比值，声透射系数τ=Et/E0。τ值小的材料称隔声材料。

声反射系数 　被反射的声能与总入射声能之比值，声反射系数у=Er/E0。у值小的材料称为吸声材料。

吸声系数 　被材料吸收的声能(通常指E0-Er)与总入射声能之比值。

吸声系数α=(E0－Er)/E0=1－Er/E0=1-у。对无吸收或完全反射面,α为0；对完全吸收或无反射面,α为1。吸声系数除取决于材料吸收性能外，尚与声荷入射角和频率有关。

隔声量　也称传声损失。入射声能与透射声能相差的分贝数，即R=10lg(1/τ)。式中R为隔声量；τ为透射系数。隔声量越大,则表示透过的声能越小,材料的隔声性能越佳。隔声量与声音频率有关,常用125、250、500、1000、2000和4000赫,6个倍频程的隔声量表示材料的隔声性能，也可用平均隔声量（其算术平均值）来表示。

光学性质　当光束照射到物体（如玻璃、墙等）上时,入射光的强度(I0)中一部分被反射(Ir)，一部分被吸收(Ia),一部分透过物体(It)进入另一侧的空间。根据能量守恒定律则：

I0=Ir Ia It而三部分所占的比例取决于物体本身的成分、内部结构和表面光滑程度等因素。

根据光线通过反射和透射后的分布情况，材料分为两大类：一类属于定向的,即光线经过反射和透射后,光分布的立体角没有改变（如镜子、透明玻璃）；另一类为扩散的，即光线分散在更大的立体角范围内（如粉刷墙面、乳白玻璃、油漆表面、磨砂玻璃）。

反射系数 　也称反光系数，反射光强度和入射光强度之比，即R=Ir/I0。

光泽度 　材料表面将入射光强度向一个方向反射出去的能力，也称亮度。对于装饰性涂料是一项很重要的指标，常采用与已知光泽度的标准板相比而得。光泽度越高，表示材料表面定向反射光线的能力越强。

透光系数 　透射光强度与入射光强度之比，即T=It/I0，也称透光度。

吸光系数 　吸收光强度和入射光强度之比，即K=Ia/I0，也称吸光性。

色度 　颜色的纯度或浓度，即色调主波长在与白光混合中所占的百分数。一般用目视区分物体的颜色差别时,由于受到色彩记忆能力和自然条件等因素的限制,不可避免地有人为的误差。颜色的色度可以用光电色差仪进行定量测定。国际上通用的颜色测定系统是国际照明委员会(CIE)所颁布的坐标系统,即测定红、绿、蓝三原色的刺激值X、Y、Z。

电学性质　电阻率 　长度为1米，截面积为1毫米的材料的电阻欧姆数。电阻率也称比电阻，单位为微欧·米。材料的电阻率除受其物理、化学性能影响外，还受外界温度、湿度及尘埃的影响。

介电常数 　在一定的外电场作用下，电介质被极化的程度,单位为法/米。介质的介电常数越大，在电场中其极化程度越高，用它制成的电容器的电容量也越大。为了方便,常用相对介电常数表示:εr=ε/ε0。式中εr为相对介电常数；ε为介电常数（法/米）；ε0为真空的介电常数（法/米）。

参考书目

湖南大学等编：《建筑材料》，中国建筑工业出版社，北京，1979。2100433B

简介

建筑热工学的重要研究课题之一，通常用导热系数、导温系数、比热来表示建筑材料的热物理性能。各种建筑材料的热物理性能差异很大，在建筑设计中应正确选用建筑材料的热物理指标，在施工中应注意防止因施工不当而降低材料的热物理性能。

导热系数 　用λ表示,单位为瓦/（米·开）。导热系数愈小，材料的绝热性能愈好。影响材料导热系数的主要因素是材料的分子结构、化学成分，材料的工作状态如容重、湿度和温度。现将其关系分述如下。

① 材料导热系数与容重的关系。容重是指单位体积的材料重量,用符号γ表示,单位为千克/米3。容重是影响多孔材料导热系数的重要因素之一。多孔材料的导热系数是材料的固体骨架的导热系数和材料孔隙中气体的导热系数的平均值。空气的导热系数很小，在静态、温度0℃时,为0.026瓦/（米·开），与各类材料的导热系数差别很大（见表）。因此，多孔材料的导热系数随容重的减小而下降。多孔材料中气体的传热方式不单纯是导热，还存在孔隙中气体的对流换热和孔壁之间的辐射换热，所以表征多孔材料的导热系数应是当量导热系数。材料中气孔增大，孔内气体的对流换热和孔壁之间的辐射换热会增大，材料的当量导热系数也会明显增大。因此，从生产工艺上保证多孔材料的孔隙率大、气孔直径小和气孔分布均匀，是改善材料热物理性能的重要途径。　松散状纤维材料的容重小到一定程度后，材料内部的空气对流换热会增大，导热系数反而增大（见图）。　② 材料导热系数与湿度的关系。材料湿度是反映材料中含游离水多少的指标。建筑材料（特别是多孔材料）的导热系数随着所含游离水数量的增加而增大。水的导热系数为0.58瓦/（米·开），比空气大20多倍,冰的导热系数为2.3瓦/(米·开)，如果孔隙中水分冻结成冰，材料的导热系数将更大。在设计和施工中应采取措施，控制材料的湿度，以保证围护结构材料的良好绝热性能。

③ 材料导热系数与温度的关系。材料导热系数与温度的关系比较复杂。在通常的气温条件下，材料导热系数受温度的影响较小，一般在房屋围护结构热工计算中,可忽略不计。只有处于高温或很低的负温条件下,才考虑采用相应温度下的导热系数。

导温系数 　指材料在冷却或加热过程中各点达到相同温度时的快慢。导温系数愈大，则各点达到相同温度就愈快。导温系数用ɑ表示,单位为米2/小时。材料的导温系数与材料的导热系数成正比，与材料的体积热容量(C·γ)成反比（C为比热容），即：　影响材料导温系数的因素和导热系数相似，即材料的分子结构、化学成分、容重、湿度和温度。

比热容 　单位为千焦/（千克·开）。材料比热容的大小主要取决于材料的化学成分。无机材料的比热容为0.84～1.26千焦/（千克·开）;有机材料的比热容为1.26～2.51千焦/（千克·开）;建筑用的金属材料的比热容约为0.42千焦/（千克·开）。

水的比热容为4.2千焦/（千克·开），远大于一般材料，因此材料受潮后，比热容数值会明显上升。大多数材料的比热容随着湿度的增加呈线性增大。对木材等一些有机材料，比热容随湿度的增加呈抛物线曲线关系。

测定方法 　测定建筑材料热物理性能的方法可分为两类:①稳定热状况法。测试时经过材料试件的热流,在数值上和方向上都不随时间而改变，即温度场是稳定的。此法的试验条件易于控制，计算方便，许多国家都以此法作为标准测试方法。②非稳定热状况法。此法的优点是设备简单，试验时间短，并有可能在一次试验中同时则测出材料的导热系数、导温系数和比热容。2100433B

绪论1

一、建筑材料的定义和分类1

二、建筑材料的技术标准1

三、课程性质3

四、教材说明4

第一章水泥的物理性能与检验7

引言水泥的基本知识7

一、水泥的生产过程7

二、水泥的组分材料8

三、通用硅酸盐水泥的品种、代号、组成10

四、通用硅酸盐水泥的技术要求（GB 175—2007）11

五、通用硅酸盐水泥的检验规则（GB 175—2007）12

六、包装、标志、运输与储存13

七、阅读与了解生态水泥13

第一节水泥的密度15

一、水泥密度的基本知识15

二、水泥密度的测定方法（GB/T 208—1994）16

三、水泥密度测定的训练与考核17

四、阅读与了解水泥堆积密度的测定方法19

第二节水泥的细度20

一、水泥细度的基本知识20

二、水泥细度的检验方法——筛析法（GB/T 1345—2005）21

三、筛析法的训练与考核22

四、水泥比表面积的测定方法——勃氏法（GB/T 8074—2008）25

五、勃氏法的训练与考核27

六、阅读与了解水泥试验筛的标定标准物质试料层体积的测定30

第三节水泥标准稠度用水量32

一、水泥标准稠度用水量的基本知识32

二、水泥标准稠度用水量的测定方法（GB/T 1346—2011）33

三、水泥标准稠度用水量测定的训练与考核37

四、阅读与了解硅酸盐水泥的水化39

第四节水泥的凝结时间41

一、水泥凝结时间的基本知识41

二、水泥凝结时间的测定方法（GB/T 1346—2011）42

三、水泥凝结时间测定的训练与考核43

四、阅读与了解水泥凝结硬化微观结构的发展过程46

第五节水泥体积安定性48

一、水泥体积安定性的基本知识48

二、水泥体积安定性的检验方法——沸煮法（GB/T 1346—2011）49

三、水泥安定性检验的训练与考核52

四、阅读与了解水泥及其制品的体积变化55

第六节水泥的强度56

一、水泥强度的基本知识56

二、水泥胶砂强度试件成型与养护试验方法（GB/T 17671—1999）59

三、水泥胶砂试件成型与养护试验的训练与考核62

四、水泥胶砂强度试件的破型试验方法（GB/T 17671—1999）65

五、水泥胶砂强度试件破型试验的训练与考核67

六、阅读与了解液压式压力机和电动抗折机的使用与维护70

第七节水泥胶砂流动度72

一、水泥胶砂流动度的基本知识72

二、水泥胶砂流动度的测定方法（GB/T 2419—2005）72

三、水泥胶砂流动度测定的训练与考核74

四、阅读与了解如何提高水泥物理检验的准确性？76

复习思考题78

第二章混凝土的物理性能与检验81

引言混凝土的基本知识81

第一节普通混凝土的组成材料82

一、混凝土组成材料的技术要求82

二、骨料试验取样方法的一般规则（GB/T 14684—2011，GB/T 14685—2011）93

三、砂的筛分析试验方法（GB/T 14684—2011）95

四、砂的筛分析试验的训练与考核96

五、骨料表观密度试验方法99

六、骨料表观密度试验的训练与考核101

七、水泥砂浆减水率试验方法（GB/T 8077—2000）103

八、水泥砂浆减水率试验的训练与考核104

九、阅读与了解材料的几种密度107

第二节混凝土拌合物的工作性109

一、混凝土拌合物的工作性的基本知识109

二、混凝土坍落度试验方法（GB/T 50080—2002）113

三、坍落度试验的训练与考核114

四、混凝土拌合物表观密度测定方法（GB/T 50080—2002）117

五、混凝土拌合物表观密度测定的训练与考核117

六、阅读与了解混凝土拌合物工作性的含义120

第三节硬化混凝土的技术性质121

一、混凝土的强度121

二、硬化混凝土的耐久性125

三、混凝土立方体抗压强度试验方法（GB/T 50081—2002）127

四、混凝土立方体强度试件成型与养护试验的训练与考核129

五、混凝土立方体抗压强度试件破型试验训练与考核131

六、阅读与了解混凝土的其他强度134

复习思考题138

第三章建筑钢材的物理性能与检验140

第一节建筑钢材的基本知识140

一、钢的冶炼和分类140

二、钢材的技术性能141

三、钢材的化学成分及其对性能的影响143

四、钢筋混凝土结构用钢——热轧带肋钢筋144

五、阅读与了解建筑材料的主要力学性质145

第二节钢筋试验146

一、钢筋检验的一般规则146

二、钢筋的拉伸试验方法（GB/T 2281—2010）147

三、钢筋的冷弯试验方法（GB/T 232—2010）150

四、钢筋试验的训练与考核151

五、阅读与了解统计学基本知识154

复习思考题160

附录161

附录一砂的含泥量和云母含量的测定方法（GB/T 14684—2011）（节选）161

附录二粗骨料颗粒级配测定方法（GB/T 14685—2011）（节选）162

附录三粗骨料针、片状含量及压碎指标试验方法（GB/T 14685—2011）（节选）163

附录四粉煤灰需水量比试验方法（GB/T 1596—2005）（节选）165

附录五混凝土拌合物凝结时间测定方法（GB/T 50080—2002）（节选）166

附录六混凝土拌合物泌水与压力泌水试验方法（GB/T 50080—2002）（节选）168

附录七混凝土抗折强度试验方法（GB/T 50081—2002）（节选）171

附录八水泥厂化验室物理检验原始记录表172

参考文献1732100433B

本书以水泥、混凝土、钢材这三种最常用的建筑材料的常规物理性能的试验项目为主导编写而成。在体裁上，把每一个试验项目所需要的基本知识和技能融合成一个工作任务，由以下四个部分构成：基本知识、试验方法、训练与考核、阅读与了解。

本书将此课程的专业理论基本知识和职业技能融为一体，即所谓一体化教材。本教材区别于其他教材的特点是，通过具体的工作任务即试验项目加深学生对专业理论知识的理解，而这种理解又促进他们实际操作水平的提高。本教材正是为试图实现这一目的而编写的，因而在教材的体裁上有别于通行的建筑材料教材。整个教学活动以试验项目的实操训练和考核为重点，同时又将相关的理论知识融合其中，使学生通过试验项目即工作任务的学习、训练、考核和讨论，掌握理解相关的专业知识，运用和发展职业技能。