引言：建筑材料在建筑学中的核心地位

建筑材料是建筑学的物质基础，是构成建筑物的实体要素。无论是宏伟的摩天大楼，还是温馨的住宅，其安全性、耐久性、美观性以及经济性都直接取决于所选用的材料及其应用方式。对于建筑学专业的学生和从业者而言，系统地掌握建筑材料的性能、特点及应用，是进行建筑设计、施工和维护的前提。本复习指南旨在从基础概念入手，逐步深入到实际应用层面，为您提供一个全面、系统的建筑材料知识框架。

第一章：建筑材料的基础概念

1.1 材料的基本物理性质

理解材料的物理性质是掌握其工程应用的第一步。这些性质决定了材料在特定环境下的表现。

  • 密度（Density）与表观密度（Apparent Density）：
    • 密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（kg/m³）。它是一个恒定值，是计算密实度的基础。
    • 表观密度（或称体积密度）是指材料在自然状态下，单位体积的质量。对于多孔材料（如加气混凝土砌块），表观密度小于密度，因为它包含了材料内部孔隙的体积。在结构设计中，表观密度是计算建筑物自重的关键参数。
  • 孔隙率（Porosity）与空隙率（Void Ratio）：
    • 孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分比。孔隙率直接影响材料的强度、吸水性、导热性和吸声性。例如，高孔隙率的烧结粘土砖（多孔砖）具有较好的保温隔热性能，但强度相对较低。
    • 空隙率则是指散粒状材料（如砂、石）颗粒之间的空隙体积占其堆积体积的百分比，它影响混凝土或砂浆的和易性。
  • 吸水性（Water Absorption）与吸湿性（Hygroscopicity）：
    • 吸水性指材料在水中能吸收水分的性质，通常用质量吸水率或体积吸水率表示。木材、石膏等材料吸水后尺寸和强度会发生变化。
    • 吸湿性指材料在潮湿空气中吸收空气中水蒸气的性质。这对室内环境的湿度调节有重要意义，但过度吸湿可能导致材料霉变或腐蚀。
  • 导热性（Thermal Conductivity）：
    • 指材料传导热量的能力，用导热系数（λ）表示。λ值越小，材料的保温隔热性能越好。例如，聚苯乙烯泡沫板（EPS）的λ值远低于普通混凝土，因此是优良的保温材料。

1.2 材料的力学性质

力学性质反映了材料在各种外力作用下的响应，是结构材料选型的核心依据。

  • 强度（Strength）：材料抵抗外力破坏的能力。根据外力作用方式不同，分为：
    • 抗压强度：抵抗压力破坏的能力，如混凝土、砖石。
    • 抗拉强度：抵抗拉力破坏的能力，如钢筋、钢绞线。
    • 抗弯强度（或称抗折强度）：抵抗弯矩破坏的能力，如梁、板。
    • 抗剪强度：抵抗剪切力破坏的能力，如连接件。
    • 屈服强度（Yield Strength）：对于钢材等塑性材料，当应力超过某一点时，材料产生显著的塑性变形，该点的应力称为屈服强度。它是钢结构设计的强度取值依据。
  • 弹性与塑性（Elasticity and Plasticity）：
    • 弹性：材料在外力作用下产生变形，外力去除后能完全恢复原状的性质。这个可恢复变形的阶段称为弹性阶段。
    • 塑性：材料在外力作用下产生变形，外力去除后仍不能恢复原状，且不产生裂缝的性质。这种不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。低碳钢具有良好的塑性，有利于结构的安全。
  • 脆性（Brittleness）：材料在破坏前无明显塑性变形的性质。如生铁、玻璃、陶瓷、普通混凝土（在受拉时）都属于脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度。
  • 硬度（Hardness）：材料表面抵抗其他更硬物体压入或刻划的能力。硬度高的材料耐磨性好，常用于地面、路面等，如花岗岩、金刚石。
  • 韧性（Toughness）：材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量并产生较大变形而不破坏的性质。建筑钢材（特别是低碳钢）具有良好的韧性，适用于承受动荷载的结构，如吊车梁、桥梁。

1.3 材料的耐久性（Durability）

耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗各种内外因素（如物理、化学、生物等）的破坏作用，保持其原有性能而不变质、不破坏的能力。它是衡量材料使用寿命的重要指标。影响耐久性的因素包括：

  • 物理作用：干湿循环、冻融循环、磨损、高温等。
  • 化学作用：酸、碱、盐等的侵蚀，碳化（如混凝土的碳化），钢筋的锈蚀。
  • 生物作用：木材的腐朽、虫蛀等。

提高材料的耐久性，不仅能延长建筑物的使用寿命，减少维修费用，也是节约资源、实现可持续发展的重要途径。

第二章：主要建筑材料分类与详解

2.1 气硬性胶凝材料 vs. 水硬性胶凝材料

胶凝材料是指在物理、化学作用下，能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料。

  • 气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并只能在空气中保持或发展其强度。主要用于地上或干燥环境。
    • 石灰（Lime）：主要成分为CaO。生石灰加水熟化成熟石灰（Ca(OH)₂），体积膨胀1-2.5倍。石灰保水性、可塑性好，但硬化慢、强度低、耐水性差。常用于拌制砂浆、粉刷、制作灰土和三合土。
    • 石膏（Gypsum）：主要成分为CaSO₄·2H₂O。建筑石膏（β型半水石膏）加水后迅速凝结硬化，体积微膨胀（充满模型），防火性好，但耐水性差。常用于制作室内抹灰、石膏板、装饰构件。
  • 水硬性胶凝材料：不仅能在空气中硬化，还能在水中硬化，并保持和发展其强度。即水泥。
    • 水泥（Cement）：以硅酸盐水泥熟料为主要原料，加入适量石膏磨细制成。其主要水化产物是水化硅酸钙和氢氧化钙。水泥是现代建筑中用量最大、最重要的胶凝材料。

2.2 水泥（Cement）

水泥的性能和应用是复习的重点。

  • 硅酸盐水泥（Portland Cement）：
    • 凝结硬化：加水后，水泥颗粒与水发生水化反应，生成的水化产物互相搭接、交织，形成坚硬的水泥石。这个过程分为初凝和终凝。初凝时间不宜过早，以便有足够时间进行搅拌、运输和浇筑；终凝时间不宜过迟，以便尽快进入养护阶段。
    • 强度等级：分为42.5, 52.5, 62.5等（普通型）和32.5（复合硅酸盐水泥等）。数字代表其28天抗压强度（MPa）。
    • 技术性质：
      1. 细度：颗粒越细，水化反应越快，早期强度越高。
      2. 凝结时间：初凝不得早于45分钟，终凝不得迟于6.5小时（硅酸盐水泥）。
      3. 体积安定性：水泥在硬化过程中体积变化的均匀性。若不安定（如因f-CaO过多），会导致混凝土开裂、崩塌。必须合格。
      4. 水化热：水泥水化时放出的热量。大体积混凝土工程（如大坝）应选用水化热低的水泥，以防内外温差过大引起开裂。
  • 其他通用水泥：
    • 普通硅酸盐水泥（P.O）：应用最广，性能与硅酸盐水泥相近。
    • 矿渣/火山灰/粉煤灰硅酸盐水泥（P.S/P.P/P.F）：掺入了大量活性混合材料。其特点是早期强度低，后期强度增长快，水化热低，耐腐蚀性好，耐热性好。适用于大体积混凝土、地下及水中工程。
    • 白色/彩色硅酸盐水泥：用于装饰工程。

2.3 混凝土（Concrete）

混凝土是由胶凝材料（水泥）、水、粗细骨料（砂、石）按适当比例配制，经凝结硬化而成的人造石材。它是当今世界上用量最大的建筑材料。

  • 混凝土的组成材料：
    • 水泥：根据工程要求和环境条件选择合适的品种和强度等级。
    • 骨料（Aggregate）：
      • 细骨料（砂）：粒径在0.15-4.75mm之间。要求洁净、坚硬、不含杂质。
      • 粗骨料（石）：粒径大于4.75mm。常用碎石或卵石。其最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1/4和钢筋最小净距的3/4。
    • 水：要求洁净，一般饮用水即可。水灰比（水/水泥质量比）是影响混凝土强度和耐久性的最关键因素。
    • 外加剂（Admixtures）：在混凝土拌合物中加入少量能显著改善其性能的物质。
      • 减水剂：在保持流动性不变的情况下，减少拌合用水量，从而提高强度和耐久性。是应用最广的外加剂。
      • 早强剂：加速早期强度发展，用于抢修工程。
      • 缓凝剂：延长凝结时间，用于大体积混凝土或夏季施工。
      • 引气剂：引入微小气泡，改善和易性，显著提高抗冻融能力。
  • 混凝土的技术性质：
    • 和易性（Workability）：指混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、振捣）并能获得质量均匀、成型密实的性能。包括流动性、粘聚性和保水性。通常用坍落度试验来测定。
    • 强度：混凝土的强度等级是按其立方体抗压强度标准值（MPa）划分的，如C20, C30, C40等。其强度发展受水灰比、养护条件（温度、湿度）和龄期影响。
    • 耐久性：主要包括抗渗性、抗冻性、抗碳化性、抗碱-骨料反应等。
  • 混凝土的配合比设计：
    • 目标是确定各组成材料（水泥、水、砂、石）的质量比例。基本原则是：满足强度、耐久性和和易性要求，并达到经济节约。
    • 示例（概念性）：设计C30混凝土，用于梁板。
      1. 确定配制强度：f{cu,o} = f{cu,k} + 1.645σ (σ为施工单位历史标准差)。
      2. 确定水灰比（W/C）：根据强度公式（如鲍罗米公式）计算得出。
      3. 确定用水量：根据坍落度要求和骨料最大粒径查表确定。
      4. 计算水泥用量：由用水量和W/C计算。
      5. 确定砂率：根据坍落度和骨料情况查表或经验选取。
      6. 计算砂、石用量：采用质量法或体积法计算。
      7. 试配与调整：通过试验验证，调整至满足所有要求。

2.4 建筑钢材（Steel）

钢材是重要的结构材料，尤其在高层、大跨度建筑中。

  • 分类：
    • 按化学成分：碳素钢（低碳钢C<0.25%）、合金钢。
    • 按冶炼方法：平炉钢、转炉钢、电炉钢。
    • 按脱氧程度：沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。
    • 按用途：结构钢（如Q235）、工具钢、特殊性能钢。
  • 力学性能（以Q235低碳钢拉伸为例）：
    1. 弹性阶段：应力与应变成正比，卸载后变形恢复。此阶段的最高应力称为比例极限σp。
    2. 屈服阶段：应力超过σp后，应变迅速增加，而应力在很小范围内波动，形成一个平台，此平台的应力称为屈服强度σs。这是钢材强度设计的取值依据。
    3. 强化阶段：屈服后，钢材抵抗变形的能力重新增强，应力-应变曲线继续上升，达到最高点，即抗拉强度σb。
    4. 颈缩阶段：达到σb后，试件在某一局部截面显著变细，发生颈缩，应力迅速下降，最终断裂。
  • 钢材的冷加工和时效处理：
    • 冷加工强化：将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形，从而提高屈服强度。但塑性和韧性降低。
    • 时效处理：经过冷加工的钢材，在常温下放置15-20天（自然时效）或加热至100-200℃保持2小时（人工时效），其屈服强度和硬度进一步提高，塑性和韧性继续降低。
  • 钢材的腐蚀与防护：
    • 腐蚀：主要是电化学腐蚀（潮湿环境中形成原电池）。
    • 防护方法：
      1. 刷涂料：如防锈漆。
      2. 镀层：镀锌、镀铬。
      3. 合金化：制成不锈钢（如加入铬、镍）。
      4. 阴极保护：用于地下管道等。

2.5 砌体材料（Masonry Materials）

  • 砖：
    • 烧结普通砖（实心砖）：标准尺寸240mm×115mm×53mm。强度等级有MU30, MU25, MU20, MU15, MU10。缺点是毁田、能耗高，正逐步被淘汰。
    • 烧结多孔砖和空心砖：孔洞率高，自重轻，保温隔热性能好。是国家推广的新型墙体材料。
    • 蒸压砖：如灰砂砖、粉煤灰砖，利用工业废料，属于非烧结砖。
  • 砌块：
    • 混凝土小型空心砌块：规格尺寸较大，施工效率高。
    • 加气混凝土砌块（AAC）：以粉煤灰、水泥、石灰等为原料，经发气、切割、蒸压养护而成。质轻、保温、防火、可加工性好。应用非常广泛。

2.6 木材（Wood）

  • 分类：针叶树（如松、杉）和阔叶树（如桦、橡）。针叶树材质轻软，易于加工，是主要的建筑用材。
  • 物理力学性质：
    • 含水率：是影响木材性质的最重要因素。分为纤维饱和点（自由水蒸发完毕，吸附水尚未饱和）和平衡含水率（与环境湿度平衡）。
    • 湿胀干缩：木材在纤维饱和点以下，含水率增加，体积膨胀；反之则收缩。会导致开裂、翘曲。
    • 强度：与木材纹理方向密切相关。顺纹抗压和抗拉强度远高于横纹。
  • 木材的腐朽与防护：
    • 腐朽原因：真菌寄生。
    • 防护措施：保持干燥、通风，涂刷防腐剂，进行化学改性（如浸渍处理）。

2.7 防水材料（Waterproofing Materials）

  • 沥青（Bitumen）：一种有机胶凝材料，具有良好的防水性、粘结性和塑性。分为石油沥青和煤沥青。
  • 防水卷材：
    • SBS改性沥青防水卷材：具有良好的弹性和低温柔性，适用于寒冷地区和结构变形大的部位。
    • APP改性沥青防水卷材：耐高温性能好，适用于炎热地区。
    • 高分子防水卷材：如三元乙丙橡胶（EPDM）、聚氯乙烯（PVC）等，具有优异的耐老化、耐腐蚀性能。
  • 防水涂料：如聚氨酯防水涂料、聚合物水泥基防水涂料（JS涂料），用于复杂表面和室内防水。
  • 密封材料：用于接缝防水，如硅酮密封胶、聚硫密封膏。

2.8 装饰材料（Decorative Materials）

  • 石材：
    • 天然石材：花岗岩（硬度高、耐磨、耐酸、装饰性好）、大理石（质地细腻、花纹美观，但不耐酸）。
    • 人造石材：人造大理石、水磨石，色彩丰富，价格较低。
  • 陶瓷：
    • 内墙砖：吸水率较高。
    • 外墙砖：吸水率低，抗冻性好。
    • 地砖：耐磨性好，强度高。
  • 玻璃：
    • 普通平板玻璃：透光、透视。
    • 安全玻璃：钢化玻璃（强度高，破碎后呈钝角小颗粒）、夹层玻璃（破碎后碎片粘在PVB膜上）。
    • 节能玻璃：中空玻璃（隔热、隔音）、吸热玻璃、Low-E玻璃。
  • 涂料：
    • 内墙涂料：乳胶漆（环保、透气、易施工）。
    • 外墙涂料：要求耐候性、耐污性好，如丙烯酸酯外墙涂料。
  • 木材制品：胶合板、纤维板、刨花板、细木工板等，用于家具、隔断、吊顶。

第三章：建筑材料的实际应用与选型策略

3.1 结构体系中的材料选择

  • 框架结构：
    • 梁、柱：主要采用钢筋混凝土（现浇或预制）。混凝土提供抗压能力，钢筋提供抗拉能力。强度等级通常在C30-C60。
    • 楼板：现浇钢筋混凝土板，厚度根据跨度和荷载计算，通常为100-180mm。
  • 钢结构：
    • 梁、柱、支撑：采用H型钢、工字钢、钢管等。材料多为Q235或Q345（强度更高）。连接采用高强度螺栓或焊接。
    • 围护结构：通常采用轻质的压型钢板-混凝土组合楼板或ALC板（蒸压轻质加气混凝土板）。
  • 砌体结构：
    • 承重墙：采用烧结多孔砖或混凝土砌块，强度等级MU10以上。
    • 构造柱、圈梁：采用钢筋混凝土，加强结构的整体性和抗震能力。

3.2 围护与隔断系统

  • 外墙：
    • 传统做法：240mm或370mm厚的砖墙，外侧抹灰刷涂料或贴面砖。
    • 现代做法（节能）：采用复合墙体，如“外保温”系统。结构层（混凝土墙或砌块墙）+ 保温层（EPS/XPS板）+ 饰面层（抗裂砂浆+耐碱玻纤网格布+涂料/面砖）。这种做法能有效避免热桥，提高保温效率。
  • 内墙：
    • 承重内墙：同外墙，需满足强度和隔声要求。
    • 非承重隔墙：追求轻质、高强、防火、隔声。常用材料有：
      • 轻钢龙骨石膏板墙：施工快，自重轻，防火隔声性能好，是目前主流做法。
      • 加气混凝土砌块墙：保温隔热性能好，但需做好抹灰防裂处理。
      • 预制混凝土墙板：用于装配式建筑。

3.3 屋面系统

  • 结构层：钢筋混凝土屋面板。
  • 找平层：水泥砂浆，为防水层提供平整基面。
  • 隔汽层：在保温层下方，防止室内水蒸气进入保温层。
  • 保温层：常用XPS挤塑板、EPS板或岩棉板。
  • 防水层：铺设SBS或APP改性沥青卷材，或涂刷聚氨酯防水涂料。
  • 保护层：水泥砂浆或铺设地砖，保护防水层免受破坏。

3.4 地面与楼面系统

  • 底层地面：
    • 素土夯实：作为地基。
    • 垫层：混凝土或碎石，扩散荷载。
    • 面层：根据功能选择，如办公室用木地板或地毯，车库用耐磨混凝土，卫生间用瓷砖。
  • 楼面：
    • 结构层：钢筋混凝土楼板。
    • 找平层：水泥砂浆。
    • 填充层：如有管线或需要找坡时。
    • 面层：同底层地面，但需特别注意隔声和防火要求。

第四章：建筑材料的未来发展趋势

4.1 绿色与可持续发展

  • 节能与环保：大力发展低能耗、低污染、高性能的绿色建材。如利用工业废料（粉煤灰、矿渣）生产的水泥和砌块。
  • 可再生资源：推广使用竹材、速生木材等可再生材料。
  • 全生命周期评价（LCA）：从材料的开采、生产、运输、使用到废弃的全过程，评估其对环境的影响。

4.2 高性能与智能化

  • 高性能混凝土（HPC）：具有高强度、高耐久性、高工作性。如C80以上的高强混凝土、自密实混凝土（免振捣）。
  • 超高性能混凝土（UHPC）：抗压强度可达150MPa以上，具有极高的韧性和耐久性，用于建造轻薄的结构构件。
  • 智能材料：能感知环境变化（如温度、湿度、应力）并做出响应的材料。如自修复混凝土（内含可愈合裂缝的微生物或胶囊）、形状记忆合金、光致变色玻璃等。

4.3 新型材料与技术

  • 3D打印建筑材料：利用特种混凝土或聚合物进行逐层打印，建造房屋或构件，实现设计的自由化和施工的自动化。
  • 气凝胶：一种超轻固体材料，孔隙率极高，是目前已知最好的绝热材料，正在逐步应用于建筑保温。
  • 相变储能材料（PCM）：利用材料相变（如固-液）时吸收或释放大量热量的特性，调节室内温度，实现建筑节能。

结语

建筑材料学是一门实践性与理论性并重的学科。从石灰、水泥到高性能混凝土，从普通钢材到智能合金，材料的每一次革新都推动着建筑技术的飞跃。作为建筑学的学习者，不仅要熟记各种材料的性能指标，更要理解其背后的科学原理，并学会在纷繁复杂的建筑实践中，根据功能、美学、经济和环境等多重目标，做出最恰当的材料选择。希望这份全面的复习指南能为您构建坚实的知识体系，并激发您对未来建筑材料发展的思考。