作者：杨杰
出版社：中国计划出版社
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【建筑施工现场专业人员技能与实操丛书】试验员试读：
前言
随着社会的发展，建筑工程得到很大的发展，对于工程质量的要求也是越来越高，因此必须要加大对工程质量的监管力度和工程的质量检测工作。随着检测技术的发展，对于检测技术更加的标准和规范，规范了检测工作，从而为建筑工程的质量提供一定的保障。但是，进行工程的实际检测的时候，会出现很多的问题，使得工程检测产生误差，因此必须要分析产生误差的原因并对其进行控制，从而大大提高检测结果的准确度。在建筑工程建设过程中试验检测是一个非常重要的环节，借助于试验检测可将建筑工程建设质量状态量化过程真实地反映出来，及时发现在工程建设中所存在的各种问题，继而减少经济损失。为了提高试验员专业技术水平，加强科学施工与工程管理，确保工程质量和安全生产，我们组织编写了这本书。
本书根据《建筑与市政工程施工现场专业人员职业标准》JGJ/T 250—2011、《水泥密度测定方法》GB/T 208—2014、《沥青软化点测定法 环球法》GB/T 4507—2014、《钢筋焊接接头试验方法标准》JGJ/T 27—2014、《混凝土砌块和砖试验方法》GB/T 4111—2013、《砌墙砖试验方法》GB/T 2542—2012、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346—2011等标准编写，主要包括试验员基本理论知识、建筑材料的基本性质及试验类型、土工试验、水泥试验、砌体材料试验、砌筑砂浆试验、混凝土试验、混凝土外加剂试验、建筑用钢材试验、防水材料试验。本书内容丰富、通俗易懂，针对性、实用性强，既可供试验人员及相关工程技术和管理人员参考使用，也可作为建筑施工企业试验员岗位培训教材。
由于作者的学识和经验所限，虽经编者尽心尽力但书中仍难免存在疏漏或未尽之处，敬请有关专家和读者予以批评指正。编 者2015年10月1 试验员基本理论知识1.1 施工现场试验员的职责1.1.1 施工现场试验员工作守则（1）热爱试验工作，不断进行业务学习，提高业务水平。必须严格按照规范、规定、标准认真执行。（2）工作认真，不辞辛苦，认真做好施工试验记录，定期做整理总结。（3）试验、取样工作中不弄虚作假，不敷衍应付，遵守职业道德，对工程的全部试验数据敢于做出保证。（4）搞好和材料供应、施工班组的协作关系，当好技术主管的得力助手，把好工程质量这一关。1.1.2 施工现场试验员职责范围（1）结合工程实际情况，及时委托各种原材料试验，提出各种配合比申请，根据现场实际情况调整配合比。各种原材料的取样方法、数量必须按现行标准规范及有关规定执行。委托各种原材料试验，必须填写委托试验单。委托试验单的填写必须项目齐全，字迹清楚，不得涂改。项目内容包括：材料名称、产品牌号、产地、品种、规格、到达数量、使用单位、出厂日期、进场日期、试件编号、要求试验项目。
钢材试验，除按上述要求填写外，凡送焊接试件者，必须注明钢的原材试验编号。原材与焊接试件不在同一试验室试验，尚需将原材试验结果抄在附件上。（2）随机抽取施工过程中的混凝土、砂浆拌合物，制作施工强度检验试块。试块制作时必须有试块制作记录。试块必须按单位工程连续统一编号。试块应在成型24h后用墨笔注明委托单位、制模日期、工程名称及部位、强度等级及试件编号，然后拆模。凡需在标养室养护的试块，拆模后立即进行标准养护。（3）及时索取试验报告单，转交给工地有关技术人员。（4）统计分析现场施工的混凝土、砂浆强度及原材料的情况。（5）在砂浆和混凝土施工时，要预先试验测定砂石含水率，在技术主管指导下，计算和发布分盘配合比并填写混凝土开盘鉴定，记录施工现场环境温度和试块养护温湿度。（6）委托试验结果不合格，应按规定送样进行复试。复试仍不合格，应将试验结论报告技术主管，及时研究处理办法。1.2 施工现场试验管理1.2.1 常用原材料试验管理（1）凡进场原材料必须附有质量证明书和进料单。（2）原材料试验应按同一产地、同一品种、同一规格分批验收。（3）原材料试验取样应执行相关规范和规程的规定。（4）有合格证又必须复验的原材料，复验合格后方可使用。（5）钢筋原材料和钢筋焊接试验由工号技术负责人填写试验通知单，其他试验（如水泥、砂浆、沥青、油毡、黏土砖、轻骨料、掺和料、外加剂等）由项目部材料或技术有关负责人填写试验通知单，并应办理交接手续。（6）试验通知单上填写工程部位、材料名称、代表批量、试验项目，并按材料不同种类分别编号。工地试验工接到通知单后，以通知单为依据填写试验委托单，各项试验按工号统一编号。（7）工地试验工负责将试验样品送交中心试验室并及时取回试验报告单，将取回的试验报告单交技术负责人，并办理资料交接手续。技术负责人接到试验报告单后，按工程技术要求提出使用意见。1.2.2 配合比申请与检验1.配合比申请（1）工地所用的各种试配单、配合比申请单和混凝土砂浆开盘申请单，由技术负责人填写。工地试验工负责索取配合比通知单，根据开盘申请单的要求，以中心试验室签发的配合比通知单为依据签发施工配合比。（2）新工号、新材料、重要结构及有特殊要求的应提供试配试验用的原材料。在施工过程中发现原材料变化较大时，应重新申请试配。2.配合比检验（1）工地试验员要随时检查计量准确程度、拌和时间和原材料质量情况，发现问题及时解决，并向技术负责人及时汇报。（2）工地试验员在每个工作班内至少测定3次砂、石的含水率，干风热天和雨后应随时测定，并及时调整施工配合比。（3）工地试验员在每个工作班内至少测定3次混凝土拌合物的坍落度，根据运输时间的长短及拌合物的水分蒸发量，适当增加水用量，保证施工坍落度不受损失，并记录测定结果。1.2.3 试样制作与养护（1）工地应建立标准养护室，保证试块的养护温度和湿度，暂时不能建立标准养护室的工地，应详细记录试块的养护温度，严防试块受冻或干热失水。（2）冬期施工的混凝土同条件试块，一般情况下到春天再标准养护28d后试压。如需了解混凝土结构的自然养护强度，可不再进行标准养护。（3）试块成型后，工地试验工通知中心试验室，试验室将试块运回标准养护室继续养护，运送过程中要防止试块被冻坏或碰坏，拉运时应办理交接手续。（4）采用商品混凝土浇筑结构时，工地试验工必须制作试件，按申请要求检验拌合物的各种性能。1.2.4 基础回填土试验管理（1）基础回填土试验由技术员填写试验通知单，提前3d通知工地试验工。通知单上应填写工程部位、土的类别、技术要求、层次标高，并附取样布点平面图。（2）现场试验工接到试验通知后应做好一切试验准备，严格遵守操作规程，按要求填写试验记录和试验报告。对于不合格的点位应及时报告技术负责人处理，记录处理结果，直至合格为止。1.2.5 新材料的检验与应用（1）新的原材料、掺和剂、外加剂在进场前，应由材料管理部门协助中心试验室取样试验，试验合格后，方可进料。允许进场的新材料，在进场后重新取样复验，送样单位应持产品证明书，并按要求填写试验委托单。（2）证明资料不全，工地又急需使用的原材料，须经中心试验室检验认可，方可使用。（3）根据中心试验室试验研究成果和工程试点经验，在全公司范围内优先应用粉煤灰、沸石粉、减水剂及各种外加剂技术。推广应用粉煤灰、沸石粉、减水剂及各种外加剂技术由工地试验站站长负责，中心试验室指定专人进行技术指导和督促检查。（4）试验站必须制定应用新材料的技术措施，做好年度工作计划，将执行结果按月报中心试验室。1.3 见证取样送样制度
根据住房城乡建设部文件规定，见证取样和送样是指在建设单位或工程监理单位人员的见证下，由施工单位的现场试验人员对工程中的材料及构件进行现场取样，并送至经过省级以上建设行政主管部门对其资质认可和质量技术监督部门对其计量认证的质量检测单位进行检测。1.3.1 见证取样送样范围
涉及结构安全的试块、试件和材料见证取样和送检的比例不得低于有关技术标准中规定应取样数量的30%。实施见证取样和送检的范围如下：（1）用于承重结构的混凝土试块。（2）用于承重墙体的砌筑砂浆试块。（3）用于承重结构的钢筋及连接接头试件。（4）用于承重墙的砖和混凝土小型砌块。（5）用于拌制混凝土和砌筑砂浆的水泥。（6）用于承重结构的混凝土中使用的掺加剂。（7）地下、屋面、厕浴间使用的防水材料。（8）国家规定必须实行见证取样和送检的其他试块、试件和材料。1.3.2 见证取样管理规定（1）建设单位应向工程质量安全监督机构和第三方建设工程质量检测单位递交“见证单位和见证人员授权书”，授权书上应写明本工程现场委托的见证人员姓名。（2）施工单位取样人员在现场取样和制作试块时，见证人员须在旁见证。（3）见证人员应对所取试样进行监护，并和施工单位取样人员一起将试样送至检测单位。（4）检测单位在接受委托检测任务时，须由送检单位填写委托试验单，见证人员应在委托单上签名。各检测单位对无见证人签名的委托单以及无见证人伴送的试样，一律拒收。（5）凡未注明见证单位和见证人的试验报告，不得作为质量保证资料和竣工验收资料。并由质量安全监督站重新指定法定检测单位重新检测。1.3.3 见证人员的主要职责（1）取样时，见证人员必须旁站见证。（2）见证人员必须对试样进行监护。（3）见证人员必须和施工单位人员一起将试样送至检测单位，并在委托试验单上签名，出示“见证人员证书”。（4）见证人员必须对试样的代表性和真实性负责。1.3.4 见证取样和送检的程序1.见证工作管理流程图（如图1-1所示）图1-1 见证工作管理流程图2.见证工作管理流程（1）制定有见证取样和送检计划、确定见证试验检测机构。单位工程施工前，项目技术负责人应按照有关规定，与建设（监理）单位共同制定《见证取样和送检计划》，考察后确定承担见证试验的检测机构。（2）设定见证人及备案。项目技术负责人应与建设（监理）单位共同设定见证试验取样人和见证人，并向承监该工程的质量监督机构递交《有见证取样和送检见证人备案书》进行备案，备案后，将其中一份交与承担见证试验的检测机构。（3）有见证取样。试验员接到取样通知后，依据既定的见证取样和送检计划，安排现场取样工在见证人的旁站见证下，按相关标准规定进行原材料或施工试验项目的取样和制样。
见证人对见证试验项目的取样和送检的过程进行见证，并在试样或其包装上作出标识和封志。标识和封志应标明样品名称、样品数量、工程名称、取样部位、取样日期，并有取样人和见证人签字。（4）填写《见证记录》。见证人依据见证取样和送检计划表及对应的取样通知单填写《见证记录》。（5）委托。试验员登记试验委托台账并填写试验委托合同单后，持《见证记录》、试验委托合同单及有见证标识和封志的试样，与见证人一起去承担见证试验的检测机构办理委托手续。（6）领取试验报告。在达到试验周期后，现场取样工去检测机构领取见证试验报告，试验报告的右上角加盖“有见证试验”的红色专用章；右下角加压承担见证试验检测机构的特有钢印；左上角加盖检测机构的计量认证或国家级实验室认可的红色专用章。（7）试验报告移交。试验员接到试验报告后，应进行核验及解读，并及时将见证试验报告移交项目技术负责人和资料员。见证取样和送检的试验结果达不到标准要求时，应及时通报见证人。（8）填写《有见证试验汇总表》。试验员将有见证试验结果进行汇总，填写《有见证试验汇总表》，与其他施工资料一起纳入建筑工程资料管理，作为评定工程质量的依据。2 建筑材料的基本性质及试验类型2.1 建筑材料的分类2.1.1 建筑材料的种类
建筑材料的种类有很多，通常按材料的成分、来源和使用功能进行分类，如表2-1所示。表2-1 建筑材料的分类2.1.2 材料的元素及矿物组成
材料是由原子、分子或分子团以不同结合形式构成的物质。材料的组成或构成方式不同，其性质可能有很大的差别。组成或构成方式相近的材料，其性质多具有相近之处。有机材料、金属材料、无机非金属材料等，由于其组成的不同，使其具有不同的特性。此外，即使属于相同类别的材料，由于其中原子或分子之间的结合方式及缺陷状态不同，其性质也可能有显著的差别。
化学组成的不同是造成材料性能各异的主要原因。化学组成通常从材料的元素组成和矿物组成两方面分析研究。1.材料的元素组成
材料的元素组成主要是指其化学元素的组成特点，例如不同种类合金钢的性质不同，主要是其所含合金元素如C、Si、Mn、V、Ti的不同所致。硅酸盐水泥之所以不能用于海洋工程，主要是因为硅酸盐水泥石中所含的Ca（OH），与海水中的盐类（NaSO、MgSO等）2244会发生反应，生成体积膨胀或疏松无强度的产物。2.材料的矿物组成
材料的矿物组成主要是指元素组成相同，但分子团组成形式各异的现象。如黏土和由其烧结而成的陶瓷中都含SiO和AlO两种矿223物，其所含化学元素相同，但黏土在烧结中SiO和AlO分子团结合223生成3SiO·AlO矿物，即莫来石晶体，使陶瓷具有高强度、高硬度等223特性。2.1.3 材料的结构1.材料的宏观结构
宏观结构是指用放大镜或直接用肉眼即可分辨的结构层次，其分类层次如下：（1）按构成形态进行分类。
1）颗粒状构造。颗粒状构造为固体颗粒的聚集体，如石子、砂和蛭石等。该种构造的材料性质除了与颗粒本身的性质有关外，还与颗粒间的接触程度、黏结性质等有关。建筑工程中常用的颗粒状构造材料有水泥混凝土、沥青混凝土、膨胀珍珠岩制品、炉渣砌块、陶粒砌块及其他颗粒黏结材料等。
2）纤维状构造。纤维状构造材料某一断面方向上表现为平行纤维间的相互黏结所构成的结构，木材、矿棉、玻璃纤维都是纤维状构造材料的代表。该种构造通常呈力学各向异性，其性质与纤维走向有关，一般具有较好的保温和吸声性能。
3）层状构造。层状构造材料是以不同薄层间的相互黏结而构成的结构：在层状结构材料中，同一层中的质点之间连接紧密，其连接强度及传导性较强；而相邻层间的连接疏松，其连接强度及传导性较弱，性能往往呈各向异性。该种构造形式最适合于制造复合材料，因为此构造可以综合各层材料的性能优势。如胶合板、复合木地板、铝塑复合板、纸面石膏板、夹层玻璃都是层状构造。
4）聚积结构。如水泥混凝土、沥青混凝土、砂浆、塑料等这类材料是由填充性的集料被胶结材料胶结聚集在一起而形成。其性质主要取决于集料及胶结材料的性质以及结合程度。（2）按其孔隙尺寸进行分类。
1）致密状构造。致密状构造没有或基本没有孔隙。具有该种构造的材料一般密度较大，导热性较高。工程中常用的致密状构造材料主要有钢材、铝合金、沥青、玻璃、密实塑料、花岗岩和瓷器等。
2）微孔状构造。微孔状构造具有众多直径微小的孔隙，通常密度和热导率较小，隔声吸声性能和吸水性良好，抗渗性差。如烧结砖、石膏制品等。
3）多孔状构造。多孔状构造具有较多的孔隙，孔隙直径较大。这种材料内孔隙的多少、孔尺寸大小及分布均匀程度等结构状态，对其性质具有重要的影响。具有该种构造的材料一般都为轻质材料，保温隔热性和隔声吸声性能较好，吸水性较高。如加气混凝土、刨花板、泡沫塑料、天然浮石、各种烧结膨胀材料等。2.材料的微观结构
微观结构是指从原子、离子、分子层次上的结构，常用电子显微镜及X射线衍射分析手段来研究。根据质点在空间中分布状态不同，分为晶体和非晶体。（1）晶体。晶体是指质点在空间中作周期性排列的固体。如纯铝为面心立方体晶格结构，而液态纯铁在温度降至1535℃时，可形成体心立方体晶格。晶体具有固定的几何外形、各向异性及最小内能。然而，晶体材料是由众多晶粒不规则排列而成，因此晶体材料失去了一定几何外形和各向异性的特点，表现出各向同性。又由于晶体具有最小内能，使晶体材料表现出良好的化学稳定性。一般来说，晶体结构的物质具有强度高、硬度较大、有确定熔点的特征。有的材料因晶体结构形式不同，而形成了性质上的巨大反差。如强度极高的金刚石和强度极低的石墨。（2）非晶体。非晶体是一种不具有明显晶体结构的结构状态。又称为玻璃体。熔融状态的物质经急冷后即可得到质点无序排列的玻璃体。具有玻璃体结构的材料具有各向同性、无一定的熔点，加热时只能逐渐软化等特点。由于玻璃体物质的质点未能处于最小内能状态，因此它有向晶体转变的趋势，是一种化学不稳定结构，具有良好的化学活性。粉煤灰、普通玻璃都是典型的玻璃体结构。
亚微观结构是指用光学显微镜观察研究的结构层次，它包括晶体粒子的粗细、形态、分布状态；金属的晶体组织；玻璃体、胶体及材料内孔隙的形态、大小、分布等结构状态。由于所有晶体都是由众多不规则排列的晶粒组成，因此晶体材料的性质往往取决于晶粒的组成、形状、大小以及各种晶粒间的比例关系。3.材料的孔隙
材料的孔隙一般由自然形成或生产过程中各种内、外界因素所致。其中形成原因有水的占据作用（如混凝土、石膏制品等）、火山作用（如浮石、火山渣等）、外加剂作用（如泡沫塑料、加气混凝土等）和焙烧作用（如陶粒、烧结砖等）等。
孔隙状况对建筑材料的各种基本性质具有重要的影响。材料的孔隙状况可由孔隙率、孔隙连通性和孔隙直径三个指标来表达。（1）孔隙率是指孔隙在材料体积中所占的比例。一般孔隙率越大，密度越小，强度越低，保温隔热性越好、吸声隔声能力越高。（2）孔隙按其连通性可分为连通孔和封闭孔。连通孔是指孔隙之间、孔隙和外界之间都连通的孔隙（如木材、矿渣）；封闭孔是指孔隙之间、孔隙和外界之间都不连通的孔隙（如陶粒、发泡聚苯乙烯）；介于两者之间的称为半连通孔或半封闭孔。一般情况下，连通孔对材料的吸水性、吸声性影响较大，封闭孔对材料的保温隔热性能影响较大。（3）孔隙按其直径的大小可分为粗大孔、毛细孔、极细微孔三类。粗大孔指直径大于mm级的孔隙，这类孔隙对材料的密度、强度等性能影响较大。毛细孔指直径在μm～mm级的孔隙，对水具有强烈的毛细作用，主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能。极细微孔的直径在μm以下，其直径微小，对材料的性能反而影响不大。矿渣、石膏制品、陶瓷锦砖分别以粗大孔、毛细孔、极细微孔为主。2.2 建筑材料的基本性质
各种建筑工程对材料的要求，实际上就是对其性质的要求。例如结构材料必须具有良好的力学性能；墙体材料应具有绝热、隔声性能；屋面材料应具有抗渗、防水性能；地面材料应具有耐磨损性能等。另外，由于建筑物长期暴露在大气中，经常要受到风吹、雨淋、日晒、冰冻等自然条件的影响，还要求建筑材料应具有良好的耐久性能。因此，在工程建设中选择、应用、分析和评价材料，通常以其性质为依据。
建筑材料的基本性质可归纳为以下几类：（1）物理性质。包括材料的密度、孔隙状态、与水有关的性质、热工性能等。（2）化学性质。包括材料的抗腐蚀性、化学稳定性等，因材料的化学性质差异较大该部分内容在以后各章中分别叙述。（3）力学性质。材料的力学性质应包括在物理性质中，但因其对建筑物的安全使用有重要意义，故对其单独研究，包括材料的强度、变形、韧性、脆性、硬度和耐磨性等。（4）耐久性。材料的耐久性是一项综合性质，虽很难对其量化描述。但对建筑物的使用至关重要。2.2.1 密度
广义密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量，用下式表达：33
式中：ρ——材料的密度（g/cm或kg/m）；
m——材料的质量（g或kg）；33
V——材料在绝对密实状态下的体积（cm或m）。
材料在绝对密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积，也称实体积。建筑材料中除钢材、沥青、玻璃等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定含孔材料的密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.2mm），经干燥后用密度瓶测得其实际体积，材料磨得越细，测得的密度值越准确。
在研究建筑材料的密度时，由于对体积的测试方法不同和实际应用的需要，根据不同的体积的内涵，密度有不同的概念。1.材料的表观密度
表观密度（原称容重）是指材料在自然状态下，单位体积的质量，用下式表达：33
式中：ρ′——材料的表观密度（g/cm或kg/m）；
m——材料的质量（g或kg）；33
V′——材料的表观体积（cm或m）。（1）材料在自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的质量和体积（用尺量测），即可算得。不规则材料的体积可采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以免水分渗入材料内部而使测值不准。（2）工程上常用的砂、石材料，其颗粒内部孔隙极少，用排水法测出颗粒体积与其实体积基本相同，因此，砂、石的表观密度可近似地视作其密度，常称视密度。（3）材料表观密度的大小与其含水情况有关。当材料含水时，其质量增大，体积也会发生不同程度的变化。因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。材料有烘干状态下的表观密度称干表观密度。（4）表观密度是反映整体材料在自然状态下的物理参数，由于表观体积中包含了材料内部孔隙的体积，故一般材料的表观密度总是小于其密度。2.材料的体积密度
材料的体积密度是材料在自然状态下，单位体积的质量，用下式表达：33
式中：ρ——体积密度（g/cm或kg/m）；0
m——材料的质量（g或kg）；33
V——材料的自然体积（cm或m）。0
材料自然体积的测量，对于外形规则的材料，如砌块、烧结砖，可采用测量计算方法求得。对于外形不规则的散粒材料，也可采用排水法，但材料需经涂蜡处理。根据材料在自然状态下含水情况的不同，体积密度又可分为干燥体积密度、气干体积密度（在空气中自然干燥）等几种。3.材料的堆积密度
材料的堆积密度（或称容装密度）是指粉状、颗粒状或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量，用下式表达：33
式中：——堆积密度（g/cm或kg/m）；
m——材料的质量（g或kg）；3——材料的堆积体积（m）。
散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指其既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。材料的堆积体积可采用容积筒来量测，如果以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。4.材料密度相关概念及计算（1）密实度。
1）材料体积内固体物质所占的比例（即材料的密实体积与总体积之比）称为密实度，用D表示，即
2）含孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的ρ与ρ愈接近，0即ρ/ρ愈接近于1，材料就愈密实。材料的很多性质，如强度、吸水0性、导热性、耐久性等均与其密实度有关。（2）孔隙率。
1）材料体积内孔隙体积在总体积中所占的比例称为孔隙率，用P表示，即
2）材料的密实度与孔隙率是从两个不同方面反映材料的同一性质。通常采用孔隙率表示材料内部孔隙的多少或材料疏松程度，同时也从另一方面说明了材料的密实程度。
3）材料的许多性质，如强度、透水性、抗冻性、抗渗性、耐蚀性、导热性等，除与孔隙率大小有关外，还与孔隙构造特征有关。孔隙构造特征主要是指孔隙的形状和大小。根据孔隙形状分连通孔隙与封闭孔隙两类。连通孔隙与外界相连通，封闭孔隙与外界相隔绝。根据孔隙的大小，分为粗孔和微孔两类。从对材料性质的影响来说，一般均匀分布的封闭小孔，要比开口或互相连通的孔隙好。不均匀分布的孔隙，对材料性质的影响较大。5.常用建筑材料的密度指标
常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度和孔隙率见表2-2。表2-2 常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度和孔隙率33注：习惯上ρ的单位采用g/cm，ρ和ρ′的单位采用kg/m。002.2.2 材料的填充率及空隙率1.填充率
填充率是指散粒状材料在其堆积体积中，被颗粒实体体积填充的程度，用D′表示：2.空隙率
空隙率是指散粒材料（如砂、石子）堆积体积内，颗粒间空隙体积所占的百分率，用P′表示：
由填充率及空隙率的计算公式可直接导出：
空隙率反映了散粒材料的颗粒之间的相互填充的致密程度，对于混凝土的粗、细骨料，空隙率越小，说明其颗粒大小搭配得越合理，用其配制的混凝土越密实，水泥也越节约。在配制混凝土时，砂、石子的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。2.2.3 材料的亲水性和憎水性1.亲水性
材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性，具备这种性质的材料称为亲水性材料，如砖、木材、混凝土等。2.憎水性（1）材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性，具备这种性质的材料称为憎水性材料，如沥青、石蜡等。（2）材料的亲水性和憎水性可用润湿角θ来说明。润湿角是在材料、水和空气三相的交点处，沿水滴表面切线与水和固体接触面之间的夹角。θ愈小，表明材料愈易被水润湿。润湿角θ≤90°的材料为亲水性材料，如图2-1（a）所示；润湿角θ≥90°的材料为憎水性材料，如图2-1（b）所示。图2-1 材料的润湿角（3）其他液体对固体材料的浸润情况，相应地称为亲液性材料。（4）大多数建筑工程材料，如砂、石、砖、瓦、木材、钢材、玻璃等都属亲水性材料。沥青、石蜡、某些油漆等都属憎水性材料。3.吸水性
材料的吸水性是指材料在水中吸收水分达饱和的能力，吸水性有质量吸水率和体积吸水率两种表达方式，分别以W和W表示：wv
式中：W——质量吸水率（%）；w
W——体积吸水率（%）；v
m——材料在吸水饱和状态下的质量（g）；2
m——材料在绝对干燥状态下的质量（g）；13
V——材料所吸收水分的体积（cm）；w3
ρ——水的密度，常温下可取1g/cm。w（1）质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干质量的百分率；体积吸水率是指材料在吸水饱和时，内都所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。对于质量吸水率大于100%的材料，如木材等通常采用体积吸水率，而对大多数材料，经常采用质量吸水率。两种吸水率存在着以下关系：3（2）上式中的ρ应是材料的干燥体积密度，单位采用g/cm。影0响材料的吸水性的主要因素有材料本身的化学组成、结构和构造状况，尤其是孔隙状况。一般来说，材料的亲水性越强，孔隙率越大，连通的毛细孔隙越多，其吸水率越大。不同的材料吸水率变化范围很大，花岗岩为0.5%～0.7%，普通混凝土为2%～4%，外墙面砖为6%～10%，内墙釉面砖为12%～20%。材料的吸水率越大，其吸水后强度下降越大，导热性增大，抗冻性随之下降。2.2.4 材料的耐水性
耐水性是指材料在水作用下不破坏、强度也不显著降低的性质。耐水性用软化系数K表示：p
式中：K——软化系数，其取值在0～1之间；p
f——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；w
f——材料在绝对干燥状态下的抗压强度（MPa）。
K的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材p料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是由于材料浸水后，水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，降低了微粒间的结合力，引起强度的下降。K值越小，表示材料吸水饱和后强度下降越大，即耐水性p越差。
材料的软化系数K在0～1之间。不同材料的K值相差颇大，如黏pp土K=0，而金属K=1。通常K大于0.85的材料可认为是耐水材料。长ppp期受水浸泡或处于潮湿环境的重要结构物K应大于0.85，次要建筑物p或受潮较轻的情况下，K也不宜小于0.75。p2.2.5 材料的吸湿性
材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的能力。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，称为还湿性。材料的吸湿性用含水率表示，含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率，用W表示：
式中：W——材料的含水率（%）；
m——材料吸湿后的质量（g）；k
m——材料在绝对干燥状态下的质量（g）。1
影响材料吸湿性的因素，除材料本身的性质（化学组成、结构、构造、孔隙）外，还有环境的温度、湿度。材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强。如木材及某些绝热材料，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积大，吸附水的能力强所致。
材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、绝热性降低、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变化，影响使用。在混凝土的施工配合比设计中要考虑砂、石料含水率的影响。2.2.6 材料的抗渗性
抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性质。地下建筑物、水工建筑物、屋面材料都需要具有足够的抗渗性，以防止渗水、漏水现象。
抗渗性可用渗透系数表示。根据水力学的渗透定律，在一定的时间t内，通过材料的水量Q与试件截面面积A及材料两侧的水头差H成正比。与试件厚度d成反比，其比例数k即定义为渗透系数，可表示为下式：3
式中：Q——透过材料试件的水量（cm）；
H——水头差（cm）；2
A——渗水面积（cm）；
D——试件厚度（cm）；
t——渗水时间（h）；
k——渗透系数（cm/h）。
材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件在标准试验条件下所承受的最大渗水压力（MPa）来确定，以符号“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力数的10倍值，如P4、P6、P8等分别表示材料最大能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa的水压而不渗水。
材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。材料的孔隙率越大，连通孔隙越多，其抗渗性越差。细微连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙越多，材料的抗渗性越差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔水最易渗入，故其抗渗性最差。2.2.7 材料的抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质。
建筑物或构筑物在自然环境中，温暖季节被水浸湿，寒冷季节又受冰冻，如此多次反复交替作用，会在材料孔隙内壁由于水的结冰体积膨胀（约9%）产生高达100MPa的应力，而使材料产生严重破坏。同时冰冻也会使墙体材料由于内外温度不均匀而产生温度应力，进一步加剧破坏作用。
抗冻性用抗冻等级F表示。抗冻等级是以规定的试件、在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数来确定，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。例如，抗冻等级F10表示在标准试验条件下，材料强度下降不大于25%，质量损失不大于5%，所能经受的冻融循环的次数最多为10次。
材料抗冻等级的选择，是根据建筑物的种类、材料的使用条件和部位、当地的气候条件等因素决定的。例如轻混凝土、烧结普通砖、陶瓷面砖等墙体材料，一般要求抗冻等级为F15或F25，用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土的抗冻等级要求可高达F500。
从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度越低、降温越快、冻融越频繁，则材料受冻融破坏越严重。材料受冻融破坏作用后，将由表及里产生剥落现象。
抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为评定材料耐久性的一项重要指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的建筑物，虽无冻融作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。2.2.8 材料的软火点、闪光点及着火点1.软火点
沥青等类材料加热时，会由固态逐渐软化而趋于液态，这一变态过程中从塑性态转到溯流态的起点温度称为软化点，它是反映材料温度敏感性的重要指标。2.闪火点
沥青等类材料到达软化点后再继续加热则会由于热分解而产生挥发性的气体与空气混合，在一定条件下与火焰接触，初次发出蓝色闪光时的温度称为闪火点，也称闪点、闪燃点。3.着火点
在材料达到闪火点后温度如果再上升与火接触而产生的火焰能持续燃烧5s以上时的这个开始燃烧的温度称为着火点，又称燃点。
闪火点、着火点是安全运输、贮存和使用沥青等材料的温度控制指标。材料的温度达到或超过闪火点和着火点，表明有发生爆炸和火灾的可能性。2.2.9 材料的耐燃性与耐火性1.耐燃性
耐燃性是指材料在火焰或高温作用下可否燃烧的性质。我国相关规范将材料按耐燃性分为非燃烧材料（如砖、石、钢铁等）、难燃材料（如水泥刨花板、纸面石膏板等）和可燃材料（如木材、竹材等）。在建筑物的不同部位，根据其使用特点和重要性可选择不同耐燃性的材料。2.耐火性
耐火性是材料在火焰或高温作用下，保持其不被破坏、性能不明显下降的能力。用其耐受时间（h）来表示，称为耐火极限。要注意耐燃性和耐火性概念的区别，耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如钢材是非燃烧材料，但其耐火极限只有0.25h，因此钢材虽为重要的建筑结构材料，但其耐火性却较差，使用时须进行特殊的耐火处理。2.2.10 材料的强度1.材料强度的种类
材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度：当材料受外力作用时，其内部就产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时应力达到极限值，这个极限应力值就是材料的强度，也称极限强度，常用“f”表示。材料强度的单位为兆帕（MPa）。
根据材料所受外力的不同，材料的常用强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯（或抗折）强度等，如图2-2所示。图2-2 材料受外力作用示意图
材料的强度是通过静力试验来测定的，因此称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪强度均按下式计算：
式中：f——材料抗压、抗拉、抗剪强度（MPa）；
P——材料受压、受拉、受剪破坏时的极限荷载值（N）；max2
A——材料受力的截面面积（mm）。
材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加情况有关，对于矩形截面的条形试件，当其两支点间的跨中作用一集中荷载时，其抗弯（抗折）强度可按下式计算：
式中：f——材料的抗弯（抗折）强度（MPa）；t
P——试件破坏时的极限荷载值（N）；max
L——试件两支点的间距（mm）；
b、h——试件矩形截面的宽和高（mm）。
常见建筑材料的各种强度见表2-3。由表可见，不同材料的各种强度间相差是不同的。花岗岩、普通混凝土等的抗拉强度比抗压强度小几十至几百倍，因此，这类材料只适于做受压构件（基础、墙体、桩等）。钢材的抗压强度和抗拉强度相等，因此作为结构材料性能最为优良。表2-3 常用建筑材料的强度值（MPa）2.材料的比强度
比强度是按单位体积质量计算的材料强度指标，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质结构材料的比强度应高。几种主要材料的比强度见表2-4。表2-4 几种主要材料的比强度
由表2-4可知，玻璃钢和木材是轻质高强的高效能材料，而普通混凝土为质量大而强度较低的材料。所以努力促进结构材料向轻质、高强方向发展，是一项十分重要的工作。
强度等级是材料按强度的分级，建筑材料常按其强度值的大小划分为若干个等级或牌号，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个强度等级；普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级；碳素结构钢按其抗拉强度分为5个牌号等。根据强度划分强度等级时，规定的各项指标都合格才能定为某强度等级，否则就要降低级别。
建筑材料按强度划分等级或牌号，对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者在生产中控制质量时有据可依，从而达到保证产品质量的目的。对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料、正确进行设计和控制工程施工质量。
材料在外力作用下会产生变形，但当外力除去后，仍能完全恢复原来的形状，这种性质称为材料的弹性，这种可以完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形成）。
当外力除去后，不能完全恢复原来的形状而仍保持变形后的形状和尺寸，但并不产生裂缝的性质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。
实际上，单纯的弹性变形是没有的。有的材料在受力不大的情况下表现为弹性变形，但受力超过一定限度后则表现为塑性变形，如建筑钢材。有的材料在受力后，弹性变形及塑性变形同时产生，如图2-3所示如果取消外力，则弹性变形ba段可以恢复，而其他塑性变形ob段则不能恢复，如混凝土受力后的变形就属于这种性质。图2-3 弹-塑性材料变形曲线2.2.11 材料的韧性与脆性
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性。建筑钢材、木材、塑料等是较典型的韧性材料。
脆性是指当外力达到一定限度时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时无明显塑性变形的性质。具有这种性质的变形曲线的材料称为脆性材料。脆性材料的力学性能特点是抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，破坏时的极限应变值极小。与韧性材料相比，脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉构件，只适用于作承压构件材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如砖、石材、铸铁、玻璃、陶瓷、混凝土等都是脆性材料。
材料的韧性用冲击韧性指标α表示。冲击韧性指标指用带缺口的k试件作冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功，可按下式计算：2
式中：α——材料的冲击韧性指标（J/mm）；k
A——试件破坏时所消耗的功（J）；k2
A——试件受力净截面积（mm）。
在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。
硬度是指材料表面抵抗硬物体刻划或压入而产生塑性变形的能力。材料的硬度越大，则其强度越高，耐磨性越好。测定材料硬度的方法有多种，通常采用的有刻划法、压入法和回弹法，不同材料其硬度的测定方法不同。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按硬度递增顺序分为10级，即滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。钢材、木材及混凝土等韧性材料的硬度常用压入法测定，压入法硬度的指标有布氏硬度和洛氏硬度，它等于压入荷载值除以压痕的面积或密度。回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，并以此估算混凝土的抗压强度。
耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力，用磨损率表示，它等于试件在标准试验条件下磨损前后的质量差与试件受磨表面积之商。磨损率越大，材料的耐磨性越差。
建筑工程中采用的无机非金属材料及其制品的耐磨性可用滚珠轴承法进行测定。滚珠轴承式耐磨试验机示意图如图2-4所示。其原理是：以滚珠轴承为磨头，通过滚珠在预定负荷下回转滚动时，摩擦湿试件表面，在受磨面上磨成环形磨槽。通过测量磨槽的深度和磨头的研磨转数，计算耐磨度。此法操作简便，数据可靠，适用面广。材料耐磨性用磨损率表示，即：图2-4 滚珠轴承式耐磨试验机示意图2
式中：N——材料的磨损率（g/cm）；
G——试件磨损前的质量（g）；1
G——试件磨损后的质量（g）；22
F——试件磨损面积（cm）。
材料的耐磨性与硬度、强度及内部构造等均有关系。建筑工程中用于地面、楼梯踏步、人行道路等处的材料，必须考虑其硬度与耐磨性。
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