材料拉伸强度与疲劳强度关系

1　建筑材料的基本性质

(1) 掌握材料的实际密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率的概念以及计算公式、检测与评定方法。

(2) 掌握材料的亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、耐水性的概念以及表示方法和改善方法。

(3) 掌握材料的导热性、热容量、热阻及温度变形性等。

(4) 掌握材料的抗拉、抗压、抗剪、抗弯强度的概念以及强度的确定方法。

(5) 掌握材料的弹性、塑性、脆性、韧性、强度和耐磨性。

(6) 掌握材料的耐久性及其影响因素。

建筑材料在使用过程中，由于所处位置的不同，需要承受复杂的环境作用，因而需要其具有相应的技术性质和使用功能。例如，结构材料应具备良好的力学性能；墙体材料应具有一定的强度，以及保温隔热、隔声吸声等性能；屋面材料应具备良好的防水、绝热等性能；装饰材料应具备一定的美观效果和实用功能。此外，建筑物还经常受到风吹、日晒、雨淋、冰冻等环境作用，因此还要求建筑材料应具备良好的耐久性。

建筑材料的基本性质包括物理性质、化学性质、热工性质、力学性质、耐久性等，本项目只讨论材料基本性质中的共性问题，材料的特性将在相关章节中讲解。

1.1　材料的基本物理性质

1.1.1　材料与质量有关的性质

自然界的材料都是由固体物质和内部孔隙(材料内部的空间)组成的。由于其内部所含孔隙的数量和孔隙特征的不同，因而性能也有明显差别。孔隙按尺寸大小可分为微孔、细孔和大孔3种；孔隙按孔隙特征又可分为闭口孔(自身封闭且常温常压下水分无法进入的孔隙)和开口孔(与外界连通且常温常压下水分能够进入的孔隙)两类，如图1.1所示。若用V、Vp、Vk和Vb分别表示材料内部固体物质的体积、孔隙体积、开口孔体积和闭口孔体积，则Vp=Vk+Vb。此外，堆积状态下的散粒状材料，颗粒之间还存在着空隙。

图1.1　有孔材料体积组成示意图

1)实际密度(简称密度)

实际密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。按下式计算：

(1-1)

式中：ρ——材料的实际密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在干燥状态下的质量(即烘干质量)，g或kg；

V——材料在绝对密实状态下的体积(即固体物质的体积)，cm3或m3。

材料在绝对密实状态下的体积是指不包括材料孔隙在内的固体物质的实际体积。在建筑材料中，除钢材、玻璃、沥青等少数材料可以认为是不含内部孔隙之外，绝大多数材料内部都存在着孔隙。在测定有孔固体材料的密度时，须将材料磨成细粉(粒径小于0.2mm)，以便除去内部孔隙，经干燥后用密度瓶(李氏瓶)通过排液法测得固体物质的体积。材料磨得越细，测得的固体物质的体积越接近真实情况，密度值也就越精确。

在工程中，一些常用的较为致密的散粒状材料，如拌制混凝土的砂、石等，一般直接采用排水法测定其体积V′(即固体物质体积V与封闭孔隙体积Vb之和)，此时测定的密度为材料的近似密度(又称为视密度)。按下式计算：

(1-2)

式中：ρ′——材料的近似密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

V′——材料的近似体积，cm3或m3。

材料的密度与4℃纯水密度之比称为相对密度，是一个无量纲的物理量。

2)表观密度

表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量。按下式计算：

(1-3)

式中：ρ0——材料的表观密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

V0——材料在自然状态下的体积，即自然体积，cm3或m3。

材料在自然状态下的体积V0是指材料固体物质的体积V与材料内部孔隙的体积Vp之和，即V0=V+Vp。对于形体规则的材料，其自然体积可以直接测量计算得出(如砖、砌块等)；对于形体不规则的材料，可在其表面薄蜡密封后，用排水法测定。

材料的表观密度与含水量有关，因此在测定时，必须注明其含水情况。通常所指的表观密度，是指干燥状态下的表观密度，其他含水情况需注明。

3)堆积密度

堆积密度是指粉末状、散粒状材料在堆积状态下单位体积的质量。按下式计算：

(1-4)

式中：材料的堆积密度，g/cm3或kg/m3；

m——散粒材料的质量，g或kg；

0——散粒材料在堆积状态下的体积，又称堆积体积，cm3或m3。

材料的堆积体积0是指包括材料内部孔隙在内的颗粒的自然体积V0与颗粒之间的空隙体积V空之和，即0=V0+V空，通常用材料所充满的容量筒的容积来表示。堆积密度受材料堆积的疏密程度的影响，在自然堆积状态下测得的是松散堆积密度；按标准方法在振实状态测得的是紧密堆积密度。此外，材料的含水程度也会影响堆积密度，通常指的堆积密度是在气干状态下测得的，称为气干堆积密度，简称堆积密度，其他含水情况需注明。

4)密实度与孔隙率

(1)密实度

密实度是指块状材料自然体积内被固体物质填充的程度，用D表示。按下式计算：

%%

(1-5)

(2)孔隙率

孔隙率是指块状材料内部孔隙体积占自然体积的百分率，用P表示。按下式计算：

%%%

(1-6)

密实度与孔隙率的关系：

P+D=1

孔隙率又分为开口孔隙率和闭口孔隙率。开口孔隙率是指材料内部开口孔隙的体积占材料自然体积的百分率，即材料吸水饱和时，水饱和孔隙的体积所占的百分率，按下式计算：

%%

(1-7)

或

%%%%

(1-8)

闭口孔隙率Pb与开口孔隙率Pk的关系：P=Pb+Pk

式中：Pk——材料的开口孔隙率，%；

Pb——材料的闭口孔隙率，%；

m1——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

m2——材料在吸水饱和状态下的质量，g或kg；

ρw——水的密度，g/cm3或kg/m3，常温下ρw=1g/cm3=1000kg/m3。

材料的密实度与孔隙率均反映了块状材料自身的致密程度，常用孔隙率来表示。孔隙率大小、孔隙特征会影响材料诸多性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等。

5)填充率与空隙率

(1)填充率

填充率是指散粒材料的堆积体积中，被颗粒填充的程度(即颗粒体积所占的百分率)，用D′表示。按下式计算：

%%

(1-9)

(2)空隙率

空隙率是指散粒材料的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的百分率，用P′表示。按下式计算：

%%%

(1-10)

填充率与空隙率的关系为：P′+D′=1

填充率与空隙率均反映了散粒材料堆积时颗粒之间相互填充的疏密程度。空隙率是配制混凝土时控制骨料级配及计算砂率的依据。

1.1.2　材料与水有关的性质

1)亲水性与憎水性

材料与水接触时，材料表面能够被水润湿的性质称为亲水性，这种材料称为亲水性材料，如图1.2(a)所示；材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性，这种材料称为憎水性材料，如图1.2(b)所示。

图1.2　材料的润湿示意图

当材料在空气中与水接触时，在材料、空气、水三相交点处，沿水滴表面作切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角，用θ表示。若材料分子与水分子之间的相互作用力大于水分子之间的作用力，材料表面就会被水湿润，显现出亲水性，此时θ≤90°，如石材、木材、混凝土、砖、砂浆等材料；反之，若材料分子与水分子之间的相互作用力小于水分子之间的作用力，则认为材料表面不易被水湿润，显现出的是憎水性，此时θ>90°时，如沥青、石蜡、塑料、玻璃等。憎水性材料具有良好的防水性，常用作防水、防潮材料，也可用作亲水性材料表面的憎水处理。显然，润湿角θ越小，材料的亲水性就越好，θ=0°时说明材料完全被水湿润。

例如砂、石这类亲水性材料，其含水状态可分为干燥、气干、饱和面干和表面湿润4种基本状态，如图1.3所示。

图1.3　材料的含水状态

2)吸水性

材料在水中吸收水分的性质称为吸水性，通常用吸水率W表示。吸水率有两种：质量吸水率和体积吸水率。

(1)质量吸水率　材料在水中吸水饱和时，所吸收水的质量占材料干质量的百分率，用Wm表示。按下式计算：

%

(1-11)

式中：Wm——材料的质量吸水率，%；

m饱——材料在吸水饱和状态下的质量，g；

m干——材料在干燥状态下的质量，g。

(2)体积吸水率　材料在吸水饱和时，所吸收水的体积占干燥材料自然体积的百分率，即材料自然体积内被水充实的程度，用Wv表示。按下式计算：

%

(1-12)

式中：Wv——材料的体积吸水率，%；

V0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3；

ρw——水的密度，g/cm3。

质量吸水率与体积吸水率的关系：

(1-13)

式中：ρ0——材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3。

材料的吸水率通常用质量吸水率表示。但是对于某些轻质材料，如加气混凝土、软木等，由于有很多微小的开口孔隙，水饱和状态下材料所吸收的水分的质量要大于其干质量，因此其质量吸水率往往超过100%，在这种情况下，一般用体积吸水率来表示。

材料的吸水率不仅取决于材料是亲水性的还是憎水性的，而且还与材料的孔隙率和孔隙特征有关。材料是通过开口孔隙吸水的，通常来讲，孔隙率越大，开口孔隙越多，材料的吸水率就越大，吸水性越好；但是如果开口孔隙比较粗大，虽然水分容易渗入，但是只能湿润孔壁表面而不易在孔内存留，即使孔隙率较大，材料的吸水率也会比较小；密实材料以及只有封闭孔隙的材料是不吸水的。

材料吸水后会影响其诸多性质，如导热性、强度、硬度等，该内容将在相关项目中讲解。

3)吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，通常用含水率Wh表示。按下式计算：

%

(1-14)

式中：Wh——材料的含水率，%；

m含——材料含水时的质量，g；

m干——材料在干燥状态下的质量，g。

材料的含水率不仅与材料自身的特性有关，还受周围环境的温度、湿度的影响。当环境湿度改变时，材料既能吸收空气中的水分，又能向环境中释放水分，当材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡时，这个含水率就称为平衡含水率。材料吸水达到饱和状态时的含水率即为吸水率。材料吸湿后对其性能有显著影响，如材料吸湿后，导热性能明显增强，绝热性能下降，强度和耐久性也会下降；木结构吸湿后，会因体积膨胀而影响其使用。

4)耐水性

材料长期在饱和水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质，称为耐水性。材料耐水性用软化系数表示，按下式计算：

K软

(1-15)

式中：K软——材料的软化系数；

f饱——材料在水饱和状态下的抗压强度，MPa；

f干——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

软化系数是用来反映材料吸水饱和后强度降低的程度的。通常来讲，材料吸水后，水分削弱了材料分子之间的作用力，导致材料强度下降，因此软化系数在0～1之间。软化系数越小，材料吸水饱和后的强度降低得就越多，耐水性越差。

一般来讲，K软≥0.8的材料属于耐水性材料。对于经常位于水中或受潮严重的重要结构，应选用K软≥0.85的耐水性材料；对于受潮较轻或次要结构，应选用K软≥0.75的材料。

5)抗渗性

材料抵抗有压液体渗透的能力称为抗渗性，即液体受压力作用在材料毛细孔内迁移的过程。材料的抗渗性用渗透系数和抗渗等级来表示。

(1)渗透系数

渗透系数是指单位面积、单位厚度的材料，在单位压力水头作用下，单位时间内的渗水量(达西定律)。按下式计算：

(1-16)

式中：K——渗透系数，cm3/(cm2·s)或cm/s；

Q——渗水量，cm3；

d——材料的厚度，cm；

A——渗水面积，cm2；

t——渗水时间，s；

H——静水压力水头，cm。

渗透系数反映了材料抵抗有压水渗透的能力。渗透系数越大，材料的透水能力越好，抗渗性越差。

(2)抗渗等级

材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，规定的试件在透水前所能承受的最大水压力，用符号P和材料所能承受的最大水压力数值(以0.1MPa为1个单位)表示，如P2、P4、P6、P8、P10、P12等，分别表示材料在标准试验条件下可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压力作用而不渗水。抗渗等级通常用来表示混凝土和砂浆这类材料的抗渗性。

材料的抗渗性不仅与材料本身的亲水性和憎水性有关，还与其孔隙率和孔隙特征有关。材料的孔隙率越小，闭口孔隙越多，抗渗性越好。封闭孔隙不透水，即使孔隙率较大，其抗渗性也会很好。对于经常受压力水作用的地下工程和水工构筑物等，要选择抗渗性能良好的材料；对于防水材料，则要求其具有更好的抗渗性。

6)抗冻性

材料在吸水饱和状态下，能够经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质，称为抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。

抗冻等级是指吸水饱和状态下的试件，经标准试验方法测得其质量损失和强度降低不超过规定值时的最大冻融循环次数，用符号F和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分别表示材料在标准试验条件下所能经受的最大冻融循环次数为25次、50次、100次、150次、200次、250次、300次。

材料发生冻融破坏的主要原因是材料内部孔隙里的水，因低温结冰时，体积膨胀(约9%)对孔隙壁产生很大的压力，使材料内部产生较大的拉应力，当拉应力超过材料的抗拉强度(抗拉极限)时，孔壁发生开裂。随着冻融循环次数的增加，裂缝逐渐开展、连接形成通缝，直至材料完全破坏。

影响材料抗冻性的因素有很多，如孔隙率、孔隙特征、强度、耐水性、吸水饱和程度等。孔隙率越小、闭口孔越多，抗冻性越好；材料的强度越高、耐水性越好，抗冻性越好；保水程度越高，冻融破坏越严重。寒冷地区的建筑物或构筑物，必须考虑材料的抗冻性。

抗冻性经常作为衡量材料耐久性的一个指标。抗冻性良好的材料，抵抗温度变化、干湿交替、风化作用的能力也较强。因此，温暖地区的建筑物，虽然没有冰冻作用，但是为抵抗大气作用，确保建筑物美观、耐久，通常对材料也有一定的抗冻性要求。

1.1.3　材料的热工性质

为确保建筑物室内温度适宜，同时又要降低建筑物的使用能耗，因此要求材料具有良好的热工性质。

1)导热性

当材料两侧存在温差时，热量从温度高的一侧传递到温度低的一侧，这种传导热量的性质称为导热性，用导热系数λ表示。按下式计算：

(1-17)

式中：λ——导热系数，W/(m·K)；

Q——传导的热量，J；

d——材料的厚度，m；

A——传热面积，m2；

t——导热时间，s；

T2-T1——材料两侧的温差，K。

导热系数的物理意义：单位厚度的材料，当两侧温差为1K时，单位时间内通过单位面积的热量即为导热系数。

材料的保温隔热性能统称为绝热。材料的导热系数越小，绝热性能就越好。通常把λ<0.23W/(m·K)的材料称为绝热材料。

材料的导热性与材料的组成结构、孔隙率、孔隙特征、含水率和温度等有关。金属材料的导热系数大于非金属材料。孔隙率越大，封闭的孔隙越多，材料的导热系数越小；粗大、开口的连通孔隙，易形成对流，反而增大其导热性。由于水和冰的导热系数都比空气大很多，故当材料受潮后，导热性能会明显提高。通常所说的导热系数是指干燥状态下的导热系数。因此，绝热材料只有在干燥环境中才能充分发挥其绝热作用。

2)热容量和比热容

材料在受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质，称为材料的热容量。用比热容C表示。比热容是指单位质量的材料，温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。按下式计算：

(1-18)

式中：C——材料的比热容，J/(g·K)；

Q——材料吸收或放出的热量，J；

m——材料的质量，g；

T2-T1——材料两侧的温差，K。

对于墙体、屋面等围护结构材料，应选用导热系数小、热容量大(或者比热容大)的材料。这是因为热容量越大(或者说比热容越大)，材料在温度变化时吸收或放出的热量就越多，能在热流变动或采暖设备供热不均时缓和室内温度波动，减少热损失，有利于环境温度的稳定，并且可以节约能源。常用材料的导热系数和比热容见表1.1。

3)温度变形性

材料温度升高或降低时体积变化的性质(即热胀冷缩)，称为材料的温度变形性。用线膨胀系数α表示。按下式计算：

(1-19)

式中：α——材料的线膨胀系数，1/K；

ΔL——材料的线膨胀或线收缩量，mm；

L——材料原来的长度，mm；

T2-T1——材料受热或冷却前后的温差，K。

线膨胀系数越大，材料在温度改变时的变形就越明显。土木工程中的建筑材料，要求其温度变形要小，如金属材料，易受温度变化的影响，导致构件连接出现问题，所以在设计和施工中都要引起足够的重视。常见材料的热工参数见表1.1。

表1.1　常见材料的热工参数

4)热阻

材料抵抗热流通过的能力称为热阻，用R表示。按下式计算：

(1-20)

式中：R——热阻，m·K/W；

λ——导热系数，W/(m·K)。

材料的热阻是导热系数的倒数。材料的导热系数越小，热阻越大，材料的导热性能越差，绝热性能越好。

5)耐火性和耐燃性

为了保证建筑物的安全，必须采取必要的防火措施，使之具有一定的耐火性，即使发生了火灾也不至于造成太大的损失。

(1)耐火性

材料在高温或者火焰的作用下，保持其结构基本完整、工作性能基本稳定的性能，称为耐火性，用耐火极限表示。建筑构件的耐火极限，是指按建筑构件的时间-温度标准曲线进行耐火试验，从受到火的作用时起，到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间，用小时(h)表示。

(2)耐燃性

材料在高温或者火焰的作用下能否燃烧的性能，称为材料的耐燃性。建筑构件按照燃烧性能可分为3类：

① 不燃烧体：即用不燃烧材料做成的建筑构件，如天然石材。

② 燃烧体：即用可燃或易燃烧的材料做成的建筑构件，如木材等。

③ 难燃烧体：即用难燃烧的材料做成的建筑构件，或用燃烧材料做成而用不燃烧材料做保护层的建筑构件，如沥青混凝土构件。

1.2　材料的力学性质

材料受到外力作用会产生变形，当变形超过一定限度时就会发生破坏。材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形能力和抵抗破坏的性质。

1.2.1　材料的强度

1)材料的强度

材料在荷载(外力)作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。

材料在外力作用下，内部会产生应力，随着外力的增加，所产生的应力也逐渐增大，直到材料内部质点间的结合力不能抵抗外力作用产生的应力时，材料随即发生破坏，此时的极限应力就是材料的强度(即极限强度)。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯(抗折)强度等。如表1.2所示。

表1.2　材料的抗压、抗拉、抗剪及抗弯强度

续表1.2

材料的强度是利用标准方法通过静力实验来测定的，属于破坏性实验。

(1)材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度

材料的抗压强度fc、抗拉强度ft、抗剪强度fv按下式计算：

(1-21)

式中：f——材料的强度，MPa；

F——材料破坏时的最大荷载，N；

A——试件的受力面积，mm2。

(2)材料的抗弯强度(抗折强度)

材料的抗弯强度与试件的受力情况、截面形状以及支承条件有关。将矩形截面的条形试件放在支座上，中间作用一集中荷载时，其抗弯强度按下式计算：

(1-22)

若在矩形截面条形试件的三分点上施加两个等值的集中荷载时，其抗弯强度按下式计算：

(1-23)

式中：fm——材料的抗弯强度，MPa；

F——试件破坏时的最大荷载，N；

l——支座之间的距离，mm；

b——试件截面的宽度，mm；

h——试件截面的高度，mm。

2)强度等级

大多数建筑材料根据其极限强度划分强度等级。脆性材料主要根据其抗压强度来划分，如混凝土、砂浆、石材、黏土砖等。普通混凝土按照立方体抗压强度标准值可以划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等强度等级。塑性材料和韧性材料主要根据其抗拉强度来划分强度等级，如钢材、木材等。碳素结构钢按屈服强度可以划分为Q195、Q215、Q235、Q275，共4个牌号。掌握材料的力学性质，对于合理选择和正确使用材料具有重要意义。

3)影响强度的因素

(1)材料的组成及构造

不同材料由于其组成及构造不同，其强度也不相同;即使是组成成分相同的材料，其构造越密实，强度越高。对于非均质材料来讲，各个方向的强度也不尽相同，如木材顺纹方向的抗拉强度远大于其横纹方向的抗拉强度；混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度等。在工程中选用材料时，要注意扬长避短。

(2)试验条件

材料的强度与试验条件有关，如试件形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度、试验时加荷速度、试验设备的精确度及操作人员的技术水平等。通常来讲，当材料相同时，试件越大，测得的强度越低；试验的加荷速度越快，测得的强度越高。

(3)材料的含水情况及温度

一般情况下，材料吸水后，强度都会下降，如木材；温度升高时，强度会有所降低，如沥青混凝土。

为使实验结果准确且具有可比性，国家对材料的试验方法有明确的规定，试验时，必须严格按照规定的标准方法进行。

4)比强度

材料的强度与其表观密度之比，称为比强度。它是衡量材料轻质高强的一项重要指标。比强度越大，材料轻质高强的性能越好。几种主要材料的比强度见表1.3所示。

表1.3　几种主要材料的比强度值

1.2.2　弹性和塑性

1)弹性

材料在外力作用下产生变形，当外力撤去后，能够恢复原来形状和尺寸的性质称为弹性，这种能够完全恢复的变形称为弹性变形(或瞬时变形)。由胡克定律可知，弹性变形大小与外力成正比(即应力与应变成正比)，比例系数为弹性模量，即

(1-24)

式中：E——材料的弹性模量，Pa或MPa；

σ——材料的应力，Pa或MPa；

ε——材料的应变，无量纲。

弹性模量反映材料抵抗弹性变形的能力。E值越大，材料在外力作用下的变形就越小。几种常见建筑材料的弹性模量值如表1.4所示。

表1.4　常见建筑材料的弹性模量值E(×105MPa)

2)塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力撤去后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形(或残余变形)。

在建筑材料中是没有完全的弹性材料的。有些材料受力不大时只产生弹性变形，当外力超过一定限度后即开始产生塑性变形，如低碳钢；有些材料在受到外力时，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力撤去后，弹性变形完全恢复，塑性变形保留了下来，通常将这种材料称为弹塑性材料，如混凝土。

1.2.3　脆性和韧性

1)脆性

材料在外力作用达到一定限度时突然发生破坏，在破坏前并没有明显的塑性变形的性质称为脆性，这种材料称为脆性材料。脆性材料的特点是变形小，抗冲击、抗振动能力差，抗压强度远大于其抗拉强度。由于脆性材料的破坏发生得很突然，因此危害性很大，多用于承受静压力作用的结构或构件中，如柱子、桩等。大多数无机非金属材料均属于脆性材料，如混凝土、砂浆、天然石材、烧结普通砖、玻璃、陶瓷等。

2)韧性

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性(或冲击韧性)，这种材料称为韧性材料。韧性材料的特点是塑性变形明显，抗拉强度、抗压强度都较高。低碳钢、木材、橡胶、玻璃钢等均属于韧性材料。对于承受冲击或振动荷载作用的结构，如吊车梁、桥梁、路面以及有抗震要求的结构，均应选用冲击韧性良好的材料。

1.2.4　硬度和耐磨性

1)硬度

硬度是指材料表面的坚硬程度，是抵抗硬物刻划、压入其表面的能力。不同材料的硬度测定方法不同，有刻划法、压入法、回弹法等。

天然矿物的硬度是按刻划法确定的，可分为10级，硬度递增顺序为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。压入法是以一定的试验荷载将一定直径的淬硬钢球或硬质合金钢球压入材料表面，保持一定的时间后，单位面积压痕上的压力即为布氏硬度(HB)。钢材、木材、混凝土的硬度，常采用钢球压入法测定。回弹法是利用测定的材料表面硬度，间接推算出其强度的方法，常用来测定混凝土、砂浆、烧结普通砖的强度。

2)耐磨性

材料受外界物质的摩擦作用而导致其质量和体积均减小的现象称为磨损。材料受到摩擦、剪切及冲击的综合作用而导致其质量和体积均减小的现象称为磨耗。

材料表面抵抗磨损和磨耗的能力称为耐磨性，用磨损率表示，按下式计算：

(1-25)

式中：N——材料的磨损率，g/cm2；

m1——材料磨损前的质量，g；

m2——材料磨损后的质量，g；

A——材料的磨损面积，cm2。

工程中的道路路面、台阶、过水路面及涵管墩台等，经常受到车轮摩擦、水流及夹带泥沙的冲击作用而遭受损失和破坏，应适当考虑材料抵抗磨损和磨耗能力。一般说来，强度和硬度越高、密实度越大的材料，抵抗磨损和磨耗的能力越强。

1.3　材料的耐久性

材料在使用过程中，受到周围环境各种介质的侵蚀作用而不破坏，能够长久地保持其原有性质的能力，称为耐久性。

材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用。这些破坏作用可以归纳为物理作用、化学作用、生物作用和机械作用，或是几种作用共同存在。

物理作用包括干湿变化、温度变化、冻融循环等。这些作用会引起材料体积的膨胀、收缩或产生内应力，长期的反复作用，使材料内部裂缝不断扩展，导致材料逐渐破坏。

化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液和气体或其他有害物质以及日光、紫外线等对材料的侵蚀作用。化学作用会改变材料的组成成分，如水泥石的腐蚀、钢筋的锈蚀等。

生物作用包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、虫蛀等破坏，如木材的腐蚀。

机械作用包括持续荷载、交变荷载等对材料作用，会使材料受到冲击、磨损等作用，也会引起材料的疲劳。

耐久性是材料的一项综合性质，它包括如抗冻性、抗渗性、抗风化性、耐酸性、耐热性、耐腐蚀性等内容。不同材料，耐久性的内容也不尽相同。一般情况下，矿物质材料如石材、混凝土、砂浆等直接暴露在大气中，受到大气中风霜雨雪的作用，耐久性主要体现为抗冻性、抗渗性、抗碳化、抗风化等性能；金属性材料如钢材在大气或潮湿环境中，易遭受电化学腐蚀；沥青、塑料等高分子材料在阳光、空气、水的作用下易老化而变得脆硬。

材料的耐久性需要对其在使用环境中的性质进行长时间的观察和测定而得出，通常采用快速检验法。在试验室模拟实际使用条件，进行有关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性作出判定。在试验室进行快速实验的项目主要有冻融循环、干湿循环、碳化等。

提高材料的耐久性，对保证建筑物能够长期正常使用、减少维修费用、延长使用寿命等，具有重要意义。

复习思考题

1.填空题

(1)材料的实际密度是指材料在　　　　状态下单位体积的质量。

(2)材料的表观密度是指材料在　　　　状态下单位体积的质量；该体积由两部分组成，分别是　　　　和　　　　。

(3)材料的孔隙按照孔隙特征可分为　　　　孔和　　　　孔两类。通常材料的孔隙率越大，其实际密度　　　　，表观密度　　　　，强度　　　　，绝热性　　　　；开口孔隙率越大，材料的吸水性和吸湿性　　　　，抗冻性和抗渗性　　　　。

(4)材料的导热性用　　　　来表示，该值越大，材料的导热性越　　　　，保温隔热性能越　　　　。

(5)材料在吸水饱和状态下不破坏，强度也不显著降低的性质称为　　　　，用　　　　来表示。

(6)材料的吸水性是指材料在　　　　吸水的性质；吸湿性是指材料在　　　　吸水的性质。

(7)脆性材料以　　　　强度划分强度等级，如混凝土；韧性和塑性材料以　　　　强度划分强度等级，如钢材。

2.简述题

(1)材料的吸水率和含水率有何不同？两者之间存在什么关系？

(2)材料的孔隙率和孔隙特征对材料的吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度及绝热性等性能有何影响？

(3)为何新建房屋的绝热性能差，尤其是在冬季？

3.计算题

(1)某块状材料的烘干质量为108g，自然状态下的体积为40cm3，绝对密实状态下的体积为35cm3，近似体积为38cm3，试求该材料的密度、表观密度、近似密度、密实度、孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率。

(2)某材料的密度为2.50g/cm3,视密度为2200kg/m3,表观密度为2000kg/m3。试求该材料的孔隙率、开口孔隙率和闭口孔隙率。

(3)石子的表观密度为2.65g/cm3，堆积密度为1680kg/m3，则该石子的空隙率是多少？

(4)某钢材的相对密度为7.85，求该钢材的实际密度。

(5)已知某烧结普通砖的标准尺寸为240mm×115mm×53mm，孔隙率为35%，烘干后称量质量为2510g，浸水待其饱和后，擦干表面水分后称量质量为2947g，试求该砖的密度、表观密度和质量吸水率。

(6)某岩石在气干状态、绝干状态、水饱和状态下测得的抗压强度分别为172MPa、178MPa、168MPa，试问该岩石可否用于水下工程？

(7)某混凝土试件尺寸为150mm×150mm×150mm，受压破坏时测得其极限荷载为630kN，试计算其抗压强度(精确至0.1MPa)。