浅谈建筑材料

文波

摘要：建筑材料是建筑工程实体，是保证工程质量重要组成部分，是建筑工程管理的重要环节。材料管理的主要目的是较好的性价比，是材料满足施工和生产的需要，保证材料并在过程中控制材料的质量和数量，并把工程和产品的材料成本控制在最低的区域范围。

关键词：建筑、建筑材料、性质

近年来，随着人们生活水平和生活质量的提高，人们对建筑物的构造与建筑质量都有了相当要求的提高，本篇论文简要从建筑材料方面入手，介绍了一些建筑材料的基本特性 。我们将建筑材料定义为土木、建筑工程的主体材料，这些材料显著影响土木、建筑工程造价与质量。

1 . 建筑材料

建筑材料是按生产行业和应用领域或范围进行划分的。本篇论文主要研究建筑材料中的土木、建筑工程的主体材料。与其他应用领域或范围划分的材料相比，建筑材料有如下几个主要特点：

1） 建筑材料用量大

建筑材料用量很大，它直接影响到工程的造价。由于建筑材料对原材料要求比较低，实际上很多固体废料都能用来生产建筑材料。因此建筑材料还直接与资源、能源和环境联系比较紧密。

2） 建筑材料种类多

如果不考虑技术指标，所有类型的材料都可以用作建筑材料。根据有关资料粗略统计，目前世界上建筑材料有100多类，2000多种。

3） 建筑材料使用年限长

绝大部分建筑材料的使用年限长达几十年，甚至上百年，而且在使用过程中要长期承受各种外力和环境因素的作用，因此建筑材料的选用和开发还必须考虑其耐久性。

在使用材料之前，先要了解材料的性质。建筑材料在各种建筑物中，以及在同一建筑物中的不同部位，都会受到各种不同的作用，包括力学、化学、物理作用。因此不同环境下，对建筑材料性质的要求又有很大差异。

1.材料组成与结构

1.1.材料的组成

材料的组成通常指材料的化学组成、矿物组成和相组成。材料的组成不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。

1）化学组成

化学组成指构成材料的基本化合物或化学元素的种类和数量。当材料与外界自然环境及各类物质相接触时，它们之间必然要按照化学变化规律发生作用。

2）矿物组成

矿物组成指构成材料的矿物种类和数量。是决定材料性质的重要因素。

3） 相组成

材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。

1.2 材料的结构

材料结构指材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。材料结构从尺寸上来讲，有分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观机构四个不同的层次。

1）微观结构

微观结构是指高分辨电子显微镜所能分辨的结构范围，结构组成单元主要是原子、分子、离子或原子团等质点。所谓微观结构就是这些质点在相互作用力的聚集状态、排列形式。材料的许多物理性质都由微观结构所决定的。材料在微观结构层次上可分为晶体、玻璃体、胶体。

（1）晶体

晶体是质点在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的。晶体具有特定的几何外形、各向异性、固定的熔点和化学稳定性等特点。

根据组成晶体的质点及核心键的不同可分为：原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体等。

（2）玻璃体

具有一定的核心成分的熔融物质，经急冷，使质点来不及按照一定的规则排列，便凝固成固体，既得玻璃体。它具有无一定的几何外形，无熔点而只有软化现象，各向同性，化学性质不稳定等特点。

（3）胶体

物质一极微小的质点分散在连续相介质中形成的分散体系称为胶体。

2） 亚微观结构

亚微观结构是指普通电子显微镜所能分辨的结构范围，结构组成单元是微晶粒、胶粒等粒子。

3） 显微结构

显微结构是指在光学显微镜下能分辨出的结构范围，结构组成单元是该尺度范围的各个相，结构包括这个尺度范围内物相的种类、数量、颗粒的形貌及其相互之间的关系。

4） 宏观结构

宏观结构是指用人眼可分辨的结构范围，结构组成单元是相、颗粒，甚至是复合材料的组成材料。材料的宏观结构是影响材料性质的重要因素。宏观结构可分为以下几类：

致密结构

具有致密结构的材料可以看做为无孔隙的材料，这类材料强度和硬度高，吸水性小，抗冻性和抗渗性好。

多孔材料

多孔材料是指材料内部有分布均匀的孔隙，空隙率高。这类材料质量轻，保温隔热，吸声、隔声性能好。

纤维结构

材料内部质点排列具有方向性，其平行纤维方向、垂直纤维方向的强度和导热性等性质均具有明显的方向性。

层状结构

天然形成或通过人工粘结等方法将材料叠合而成层状的材料结构，这类结构能提高材料的强度、硬度、保温及装饰等性能，扩大材料使用范围。

2. 材料基本物理性质

密度、体积密度、孔隙特征、粉状和粒状建筑材料的粒径、表面积是很多建筑材料最基本特征。

2.1密度、表观密度、堆积密度

1）密度

在一定温度下，材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度。材料的目的取决于物质的原子量与分子结构。

2） 表观密度

单位体积材料的质量可称为表观密度。材料体积应为表观体积。表观体积可以认为材料在自然状态下外形体积。

3） 堆积密度

颗粒状或粉状材料在堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度。

2.2孔隙特征

除金属和绝大多数塑料外，目前建筑材料很多都含有孔隙。材料的孔隙特征对材料的许多性质有重要影响，如强度、变形行为、质量、导热性、吸水性、渗透性以及耐久性等。材料的孔隙特征通常包括孔隙率、孔隙大小与孔径分布、孔隙的几何特征等。

2.3材料颗粒特征

颗粒状材料是建筑材料比较常见的类型，材料的颗粒特征对于其使用性能有很大影响。材料的颗粒特征包括颗粒的大小、颗粒的表面状态、颗粒的级配等。

1）颗粒的粗细

颗粒材料用途不同，对粗细程度的要求也不同。一般情况下将粒径大于150µｍ的颗粒状材料称为粒状材料，而将粒径小于150µｍ的颗粒材料称为粉体材料。从材料的结构角度考虑，无论何种大小的颗粒，都可认为是由内部结构和表层结构组成。颗粒内部性质与表层性质是不同的，当颗粒较大时，表层原子所占的比例小，因而可以考虑由此而产生的影响。但是随着颗粒不断细化，大量的内部原子移至表面，表层结构对材料性质的影响成为主要因素。对于纳米颗粒，这一现象更加明显。

2）颗粒的级配

粉状材料作为填充材料时，粒径除满足均质性条件外还应有一定的变化范围，即大小颗粒的相互搭配情况。颗粒大小搭配合理，则自然堆积状态下颗粒之间的空隙降低。当小粒径颗粒的数量正好等于大颗粒的空隙时，空隙率降低最快：当填充大颗粒空隙的小颗粒其粒径正好等于的大颗粒空隙时，空隙率降低也最为明显。满足上述颗粒之间大小和数量的搭配，其级配情况最佳。

3） 颗粒的粒形

颗粒的形状通常有球形、卵圆形、不规则棱角形、扁平型和细长型等。从建筑材料的使用与性能要求角度看，颗粒状材料的粒形越接近球形越是我们希望的。

颗粒堆积状态下的空隙率在一定程度上可以反映颗粒的形状，如果在级配情况比较接近时，颗粒形状愈不规则，棱角愈多，则颗粒的空隙率愈大。

3. 力学性质

3.1强度

材料的强度通常采用破坏性试验来进行测量，材料破坏时的极限应力值就是强度。根据受力情况不同，材料的强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。

1） 抗拉强度

材料的抗拉强度表示试件单位受拉面积所承受的最大破坏拉力。

2） 抗压强度

很多建筑材料属于脆性材料，其抗压强度明显高于抗拉强度，实际应用时往往利用其受压能力高的特点用于承受压力，因此抗压强度是非常重要的指标。

由于脆性材料的抗压强度与抗拉强度之间的差异，因此可以用抗拉强度与抗压强度的比值来反映材料的脆性，比值越小，材料的脆性越大。

3） 抗弯强度

材料抗弯强度可采用三点弯曲或四点弯曲方法来进行测量。

对于理想的弹性材料，抗弯强度与抗拉强度测试值相等，但通常材料都有一定的塑性变形，因此抗弯强度比抗拉强度的测试结果要高，也可以用材料的抗拉强度与抗弯强度的比值来反映材料的脆性，即比值越大材料的脆性越大。

4） 抗剪强度

试件破坏时的最大的剪力。

5） 理论强度与实际强度

材料强度与组成、结构以及构造有很大关系。每种材料有其理论强度值，其值可以经过理论推导得出。材料的理论强度非常高，而实际强度远比理论强度低。这是因为实际材料内部不同程度存在有杂质和各种缺陷，这些缺陷使材料受到外力作用时会产生应力集中现象。

6） 强度的测试

材料的强度必须通过一定方法进行测试，强度的测试值与测试方法有很大关系，对于绝大部分建筑材料，通常根据标准方法所测试的强度值将材料分为不同的强度等级，以供设计选用和施工控制以及工程验收。

3.2材料的弹性、塑性、脆性与韧性

1） 弹性

材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形能完全消失的性质称为弹性。材料的弹性反映在应力-应变关系上为：随应力增大或降低，变形线性增大或降低。弹性模量表示材料在外力作用下产生弹性变形的能力，弹性模量越大，同样外力作用下产生的变形与越小。通常情况下我们希望材料具有比较高的弹性模量。

2） 塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力除去后不能恢复原状的性质称为塑性。这种不可恢复的变形称为塑性变形。

3） 脆性

材料在破坏前没有显著变形而突然破坏的性质习惯上称为脆性。根据变形情况，把破坏前无显著变形而突然破坏的材料称为脆性材料，而将破坏前有显著塑性变形的材料称为塑性材料。脆性是很多材料都必须面对的问题，许多情况下，不仅要求材料弹性模量高、强度高，还要求破坏时不是立即失效而是保持有一定的承载能力，这对于比较重要的结构体系是非常有意义的。

4） 韧性

我们通常所说的韧性是与脆性相对应的一种性质，即破坏时有非常明显的塑性变形。韧性材料应该为强度很高且破坏时还能产生明显塑性变形的材料，只有这样才能保证断裂前吸收比较多的能量。

3.3硬度

硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能力。它是衡量材料软硬程度的一种力学性能。硬度的大小在一定程度上与材料强度等其他性能有关，通常硬度越高，材料强度越高，弹性模量越高。

3.4材料的粘性、粘弹性

1） 粘性

粘性通常指的是流体特有的性质，实质上反映了流体流动时其内摩擦力的大小。流体在外力作用下产生变形，粘性反映这种变形能力的大小，粘性越大，变形能力越小。粘性的大小可以用粘性系数来表示，称为粘度。

2）粘弹性

粘弹性体就是具有弹性和粘性的材料，可将它理想化为弹性和粘性元件组成，这两个基本元件的不同组合可构成各种粘弹性模型，以用于描述不同材料的粘弹性。

4. 热、声、光、电学性质

4.1材料在热作用下的性质

1） 导热性

材料能够把热量由一面传到另一面，或由某一部位传至另一部位的性质，称为导热性。

材料的化学成分和分子结构不同，材料的导热系数也不同。多孔材料无论是固体成分的性质或者是玻璃体、结晶体，对导热系数的影响均较小，这是因为材料的孔隙率大，颗粒或纤维之间充满空气，此时气体的导热系数在起作用，而固体成分的影响就减少了。

材料的自然密度和孔隙率对材料的导热系数影响也较大，因为大多数材料是由固体物质和充满期间的气孔组成，一般情况下材料的导热系数随着自然密度的增大而增大，这是由于材料的导热系数由材料气孔中空气的导热系数所决定，因为空气的导热系数很低，当其在静态下与材料的固体物质的导热系数相差很大。

材料的导热系数与温度、湿度也有很大的关系，材料受潮后，孔隙中含有水分，则比静态空气的导热系数大20多倍。

2） 比热容

材料在加热时吸收热量、冷却时放出热量的性质，称为材料的热容量。热容量的大小用比热容表示。它是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。

3） 热膨胀系数

材料由于温度升高或降低，体积或长度会有所膨胀或收缩，其比率若以两点之间的距离计算，称为线膨胀系数；若以材料体积变化计算，则称为体积膨胀系数。

4） 耐热性

建筑材料在火灾发生时，能抵制燃烧的性质称耐热性。根据耐燃性，可将材料分为不燃、难燃和易燃三类。

5） 耐火性

材料抵抗长期高温的性质称为耐火性，按耐火度可分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。

6） 热分析方法

热分析方法是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数的变化与材料组织结构之间的关系，对材料进行分析研究的分析方法。根据物质发生变化的物理参数不同，相应的分析方法有差热分析及差动分析、热重分析、热膨胀分析。

4. 2材料的声学性质

吸声材料因多孔、疏松、质轻，其隔声性能不好，根据声学质量定律，材料单位面积的质量越大，越不易振动，则隔声效果就好，但吸声效果不佳。

4. 3材料的电学性能

1） 导电性能

根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。

2） 半导体导电性的敏感效应

通常情况下，半导体在外电场作用下不能导电，当外界条件发生变化时，在外电场作用下，这些电子将参与导电。半导体普遍存在的敏感效应有：热敏效应、光敏效应、压敏效应、磁阻效应。

3） 介电性质

大部分建筑材料为绝缘体，可将其视为电介质。材料的介电性质可用介电常数来表示，它反映电介质材料极化行为的一个主要宏观物理量，表示电容器在有电介质时的电容与在真空状态时的电容相比较时的增长倍数。

4） 绝缘材料的抗电强度

在强电场中工作的绝缘材料，当所承受的电压超过一临界值时便丧失绝缘性能而被击穿，这种现象称为电介质的击穿，此时电压称为击穿电压。通常采用相应的击穿场强来比较各种测量的耐击穿能力。材料所承受的最大电场强度称为材料的抗电强度或介电强度。

5） 电化学现象

电化学是研究电介质的电能和化学能的转化。成功地应用于钢筋混凝土的腐蚀和保护。还可测定水泥水化系统的结构及其水化产物与集料界面特性。