建筑材料基础

建筑材料是构成建筑工程实体的基本要素，在整个建筑项目的生命周期中发挥着至关重要的作用。从古至今，人类建筑活动的发展始终与材料科学的进步密不可分。材料不仅直接影响建筑物的安全性、耐久性、经济性和美观性，还关系到建筑的环保性能和可持续发展。在中国，从早期的夯土、木材、青砖、琉璃瓦，到近现代的钢筋混凝土、钢结构、玻璃幕墙和各类新型复合材料，材料的发展推动和见证了建筑技术的巨大飞跃与变革。每一项材料的创新应用，都极大地拓展了建筑的结构形式和风格多样性。

随着科技的进步，建筑材料不仅种类更加丰富，性能也不断提升。例如，绿色环保建材的推广应用，有效减少了能耗和环境污染；高强度、高性能混凝土和钢材的应用，使现代建筑能够突破更高更大的结构极限；智能材料的研发和应用，如自修复混凝土、光导玻璃等，为建筑赋予了更多功能与可能性。此外，建筑材料的检测与质量控制技术也日益完善，为工程质量保驾护航。

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建筑材料概论

建筑材料的定义与作用

建筑材料是指在建筑工程中使用的各种材料及其制品的总称。这些材料构成了建筑物的主体结构、围护系统以及装饰面层，直接影响着建筑物的安全性、适用性和经济性。一座建筑物从地基到屋顶，从承重墙体到装饰面层，每一个部位都需要选用合适的材料。

在建筑工程中，材料的作用主要体现在三个方面。首先是承载作用，如混凝土、钢材、砌块等结构材料承担着建筑物自重和各种荷载。其次是围护作用，墙体材料、保温材料、防水材料等形成建筑物的外壳，抵御风雨侵袭，调节室内环境。第三是装饰作用，装饰材料赋予建筑美观的外表和舒适的内部空间。

建筑材料的分类

建筑材料的分类方法多样，根据不同的分类标准可以形成不同的分类体系。按照材料的化学组成，可分为无机材料、有机材料和复合材料。无机材料包括石材、陶瓷、玻璃、水泥混凝土等，这类材料通常具有较高的强度和耐久性，但质量较大。有机材料包括木材、沥青、塑料等，这类材料重量较轻，加工方便，但耐久性相对较差。复合材料则是由两种或多种材料组合而成，如钢筋混凝土、纤维增强复合材料等，能够综合各组分材料的优点。

按照材料在建筑物中的作用，可分为结构材料、墙体材料、防水材料、保温隔热材料、装饰材料等。结构材料如混凝土、钢材主要用于承重构件；墙体材料如砖、砌块用于砌筑墙体；防水材料如防水卷材、防水涂料用于防水工程；保温隔热材料如岩棉、聚苯板用于建筑节能；装饰材料如涂料、瓷砖用于装饰装修。

下表对比了主要建筑材料类型的特点：

建筑材料的发展历程

中国建筑材料的发展历史悠久，可以追溯到数千年前。在远古时期，先民们就地取材，利用天然材料如木材、石块、泥土等搭建简易住所。新石器时代出现了夯土技术，人们将黄土分层夯实，建造了坚固的墙体。商周时期，烧结砖瓦开始应用，建筑材料进入了人工制造的阶段。

秦汉以后，砖瓦的使用更加普遍，砖石结构和木结构相结合成为中国传统建筑的主要形式。故宫、长城等古建筑至今仍然屹立，充分展示了传统建筑材料的耐久性。明清时期，琉璃瓦、青砖等材料工艺达到很高水平，建筑材料的装饰性得到重视。

近代以来，水泥、钢材等现代建筑材料引入中国。20世纪初，中国开始建设水泥厂，生产硅酸盐水泥。新中国成立后，建筑材料工业迅速发展，混凝土结构和钢结构成为主要的结构形式。改革开放以来，建筑材料向着高性能、多功能、环保节能的方向发展，高强混凝土、轻质墙体材料、新型保温材料、绿色建材等不断涌现。

当前，建筑材料的发展呈现出几个显著趋势。一是高性能化，材料的强度、耐久性不断提高。某高层建筑采用C60高强混凝土，大幅减少了柱截面尺寸，增加了使用空间。二是轻质化，轻质墙体材料、轻钢结构等减轻了建筑物自重，便于抗震。三是环保节能化，绿色建材、可再生材料、低碳材料成为研究热点。四是智能化，自清洁材料、光催化材料、调温材料等功能性材料开始应用。

材料选择的基本原则

在建筑工程中，合理选择材料是保证工程质量、控制工程造价、提高经济效益的关键。材料选择应遵循以下基本原则。

1. 满足使用功能要求。根据建筑物的使用性质和构件所处的部位，选择性能适宜的材料。承重构件应选用强度高、刚度大的材料，如混凝土、钢材；外墙材料应具有良好的保温隔热性能和耐候性；地下室防水应选用耐久性好的防水材料。某图书馆工程，地下室底板采用P8防水混凝土和SBS改性沥青防水卷材双重防水，有效防止了地下水渗漏。

2. 考虑材料的经济性。在满足使用要求的前提下，尽量选用价格合理、就地取材的材料。某住宅小区采用加气混凝土砌块代替传统的实心砖，不仅减轻了建筑物自重，降低了地基处理费用，而且保温性能优良，减少了后期运行能耗。

3. 注重材料的耐久性。建筑物的设计使用年限一般为50年或更长，所选材料应能在设计使用年限内保持良好性能。在沿海地区，混凝土结构易受氯离子侵蚀，应采用较低水灰比、掺加矿物掺合料、适当增加保护层厚度等措施，提高混凝土的抗渗性和抗腐蚀性。

4. 考虑材料的环保性和可持续性。优先选用对环境友好、可循环利用、能耗低的材料。某绿色建筑项目采用了竹木复合材料、再生骨料混凝土等绿色建材，获得了国家绿色建筑评价标识。

5. 考虑施工工艺的可行性。材料的加工、运输、施工难度会影响工期和工程质量。某大型体育场馆钢结构工程，构件在工厂预制，现场拼装，大大缩短了施工周期，提高了工程质量。

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材料的基本物理性质

材料的物理性质反映了材料在外界物理作用下的基本特性，是材料应用的重要依据。了解这些性质，有助于我们在工程中合理选用材料。

密度与表观密度

材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，用符号ρ表示，单位为kg/m³或g/cm³。密度反映了材料的致密程度，是材料的基本物理参数。不同材料的密度差异很大，金属材料密度较大，如钢材密度约为7850 kg/m³，铝合金密度约为2700 kg/m³；无机非金属材料密度适中，如普通混凝土密度约为2400 kg/m³，砖的密度约为1800 kg/m³；有机材料密度较小，如木材密度约为500-800 kg/m³，塑料密度约为900-2000 kg/m³。

表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量，用符号ρ₀表示。自然状态是指材料包含了其内部孔隙的状态。对于密实材料，如钢材、玻璃等，其密度与表观密度基本相等。但对于多孔材料，如砖、混凝土、木材等，表观密度小于密度。表观密度是材料在实际应用中更常用的参数，它直接影响结构的自重、运输费用等。

材料的密度和表观密度可以用于计算材料的孔隙率。孔隙率P表示材料中孔隙体积占总体积的百分比，计算公式为：P = (1 - ρ₀/ρ) × 100%。孔隙率反映了材料的致密程度，孔隙率越大，材料越疏松。

下表列出了常用建筑材料的密度和表观密度：

孔隙率与填充率

材料中的孔隙分为开口孔隙和闭口孔隙。开口孔隙与外界相通，水分可以进入；闭口孔隙与外界不相通，水分无法进入。孔隙的存在对材料的性质有重要影响。

孔隙率大的材料，质量轻，保温隔热性能好，吸声性能好，但强度较低，吸水性较大，抗冻性较差。加气混凝土砌块孔隙率高达70%-85%，表观密度仅为500-800 kg/m³，保温性能优良，是良好的墙体材料，但其抗压强度仅为普通混凝土的1/10左右。

孔隙率小的材料，致密坚硬，强度高，吸水性小，抗冻性好，但质量大，保温性能差。花岗岩孔隙率仅为1%-2%，表观密度约为2600 kg/m³，强度可达100-300 MPa，抗冻性好，是优质的结构材料和装饰材料。

填充率是指材料的堆积体积中被材料颗粒填充的程度。对于散粒材料如砂、石等，颗粒之间存在空隙，堆积体积大于颗粒本身的体积。填充率越高，空隙越小，同样体积中材料的质量越大。在配制混凝土时，要求骨料有适当的级配，以提高填充率，减少水泥浆用量，降低成本，提高混凝土的密实度和强度。

吸水性与抗渗性

材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的能力。吸水性常用吸水率来表示，质量吸水率Wm是指材料吸水饱和时吸入水的质量占材料干燥质量的百分比；体积吸水率Wv是指材料吸水饱和时吸入水的体积占材料自然体积的百分比。

材料的吸水性与孔隙率、孔隙特征密切相关。孔隙率大、开口孔隙多的材料，吸水率高。烧结普通砖的孔隙率约为30%-35%，吸水率可达10%-20%。花岗岩孔隙率小，吸水率仅为0.5%左右。

材料吸水后，性能会发生变化。质量和体积增大，导致结构自重增加。强度降低，如砖在饱和状态下的抗压强度比干燥状态下降低约20%-30%。导热系数增大，保温性能变差，因为水的导热系数约为空气的25倍。耐久性下降，含水材料在冻融循环作用下容易破坏。

某住宅外墙采用混凝土多孔砖砌筑，由于墙体防水措施不当，砖体吸水后保温性能大幅下降，冬季室内温度偏低，居民投诉较多。后经检测，墙体含水率达到15%以上，导热系数比干燥状态增大了约50%。经过外墙防水处理后，墙体含水率降至5%以下，保温效果明显改善。

材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的能力。抗渗性对于防水混凝土、地下结构材料、屋面防水材料等至关重要。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，以P表示，后跟数字，如P6、P8、P10等，数字越大，抗渗性越好。抗渗等级是指混凝土试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力。

提高材料抗渗性的措施包括：降低孔隙率，增加材料的密实度；减少开口孔隙，增加闭口孔隙；对材料进行防水处理，如涂刷防水涂料、粘贴防水卷材等。某地下车库工程，底板和外墙采用P8防水混凝土，并在外表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，有效防止了地下水渗漏。

从上图可以看出，材料的密度与强度总体上呈正相关关系。密度越大的材料，通常强度越高。但这并不是绝对的，材料的强度还与材料的组成、结构、制造工艺等因素有关。

抗冻性与耐热性

材料的抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而不破坏、强度不显著降低的性能。抗冻性用抗冻等级表示，以F表示，后跟数字，如F15、F25、F50等，数字表示材料在冻融循环试验中所能承受的最多冻融次数。

材料的冻融破坏机理是：材料孔隙中的水在温度降至0℃以下时结冰，体积膨胀约9%，在孔隙中产生膨胀压力。反复冻融循环，膨胀压力累积，使材料内部产生裂缝，最终导致材料破坏。抗冻性与材料的吸水率、孔隙特征、强度等因素有关。吸水率低、闭口孔隙多、强度高的材料，抗冻性好。

在寒冷地区，建筑材料的抗冻性至关重要。某寒冷地区的住宅小区，外墙采用吸水率较高的混凝土空心砖，经过几个冬季后，墙面出现大面积剥落、酥松现象，严重影响了建筑的安全和美观。经检测，所用砖的抗冻等级仅为F10，达不到该地区F25的要求。

提高材料抗冻性的措施包括：降低吸水率；提高材料的密实度和强度；在混凝土中掺加引气剂，引入大量微小、均匀分布的封闭气泡，为水结冰提供膨胀空间；对材料进行防水处理，防止水分进入。

材料的耐热性是指材料在高温作用下保持原有性能的能力。不同材料的耐热性差异很大。无机非金属材料一般耐热性较好，如混凝土在500℃以下性能基本稳定，砖石材料可耐1000℃以上高温。金属材料在常温下强度高，但高温下强度显著降低，钢材在600℃时强度仅为常温时的50%左右。有机材料耐热性差，塑料在100℃左右就开始软化，木材在200℃以上会炭化燃烧。

在高温环境或有防火要求的工程中，应选用耐热性好的材料。某高层建筑钢结构工程，钢柱、钢梁外包混凝土或涂刷防火涂料，提高了钢构件的耐火极限，满足了防火规范要求。

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材料的力学性能

材料的力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力，是材料最重要的性能之一。力学性能直接关系到结构的安全性和可靠性。

强度的基本概念

强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。根据外力作用方式的不同,强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。

抗压强度是指材料抵抗压力破坏的能力,是建筑材料最重要的强度指标。大多数建筑材料如混凝土、砖、石材等主要承受压力,抗压强度是其主要性能指标。抗压强度用符号fc表示,单位为MPa。材料的抗压强度通过标准试件的抗压试验测定,用试件破坏时的最大压力除以试件的受压面积计算得出。

不同材料的抗压强度差异很大。钢材抗压强度可达300-600 MPa,是强度最高的建筑材料。混凝土抗压强度一般为20-60 MPa,高强混凝土可达80-100 MPa。砖的抗压强度为10-30 MPa。木材顺纹抗压强度为30-60 MPa。

抗拉强度是指材料抵抗拉力破坏的能力,用符号ft表示。大多数建筑材料的抗拉强度远低于抗压强度。混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的1/10-1/20,砖的抗拉强度仅为抗压强度的1/10-1/15。钢材是少数抗拉强度与抗压强度接近的材料,抗拉强度可达300-600 MPa。

抗弯强度是指材料抵抗弯曲破坏的能力,用符号fb表示。梁、板等受弯构件,材料的抗弯强度是重要指标。混凝土的抗弯强度约为抗压强度的1/5-1/7。

抗剪强度是指材料抵抗剪切破坏的能力,用符号fv表示。在连接部位、支座等处,材料承受剪切力,需要考虑抗剪强度。

下表对比了常用建筑材料的强度特性：

从表中可以看出,除木材和钢材外,大多数建筑材料抗压强度远高于抗拉强度,在结构设计中应充分利用材料的抗压能力,避免材料承受较大拉力。这也是钢筋混凝土结构产生的原因：用混凝土承受压力,用钢筋承受拉力,充分发挥两种材料的优势。

某多层住宅楼板采用现浇钢筋混凝土结构。楼板在使用荷载作用下产生弯曲变形,板底受拉,板顶受压。混凝土承受压力,钢筋布置在板底承受拉力,形成了合理的受力体系。通过计算,板顶混凝土最大压应力为8 MPa,远小于混凝土抗压强度;板底钢筋最大拉应力为180 MPa,远小于钢筋抗拉强度,结构安全可靠。

弹性与塑性变形

材料在外力作用下会产生变形。根据变形特性,可分为弹性变形和塑性变形。

弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的变形。在弹性范围内,应力与应变成正比,符合胡克定律。弹性模量E是表征材料抗变形能力的指标,E = σ/ε,其中σ为应力,ε为应变。弹性模量越大,材料越不易变形,刚度越大。

不同材料的弹性模量差异很大。钢材的弹性模量约为2.0×10⁵ MPa,是刚度最大的建筑材料。混凝土的弹性模量约为(2.5-4.0)×10⁴ MPa,随混凝土强度等级提高而增大。木材顺纹弹性模量约为(0.8-1.2)×10⁴ MPa。铝合金的弹性模量约为0.7×10⁵ MPa,仅为钢材的1/3,变形较大。

某大跨度体育馆屋盖,设计方案一采用钢结构,方案二采用铝合金结构。经计算,在相同荷载作用下,铝合金结构的挠度约为钢结构的3倍。为了满足刚度要求,铝合金结构需要增大截面尺寸,用钢量增加,经济性不如钢结构。最终采用了钢结构方案。

塑性变形是指外力去除后不能恢复的永久变形。当应力超过材料的弹性极限后,材料进入塑性阶段,产生塑性变形。塑性好的材料,破坏前有较大变形,给人以预警,且能够重新分布内力,提高结构的安全储备。塑性差的材料,破坏突然,属于脆性破坏,危险性大。

材料的塑性用伸长率δ或断面收缩率ψ表示。钢材的伸长率一般大于10%,塑性良好。混凝土、砖、石等材料塑性很小,属于脆性材料。

从应力-应变可以清晰地看出两种材料的力学特性差异。钢材曲线有明显的屈服平台,屈服后产生很大的塑性变形,最终拉断前伸长率可达25%以上,塑性优良。混凝土曲线没有屈服平台,达到峰值应力后很快破坏,应变仅为0.3%-0.35%,属于脆性材料。

硬度与耐磨性

硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。硬度高的材料不易被划伤,耐磨性好。硬度的测试方法有多种,如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、莫氏硬度等。

对于建筑材料,常用莫氏硬度表示矿物和石材的硬度。莫氏硬度以10种矿物为标准,从1到10依次为：滑石1、石膏2、方解石3、萤石4、磷灰石5、正长石6、石英7、黄玉8、刚玉9、金刚石10。建筑石材的硬度一般在3-7之间,大理石莫氏硬度为3-4,花岗岩莫氏硬度为6-7。

耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力,与硬度密切相关。硬度高的材料,耐磨性一般较好。地面材料、路面材料需要有良好的耐磨性。某商场大厅地面,设计方案一采用大理石,方案二采用花岗岩。经过两年使用,大理石地面磨损明显,光泽度下降,出现明显的行走痕迹;花岗岩地面基本保持原样。这是因为大理石硬度较低,耐磨性差,不适合用于人流量大的场所。

混凝土路面的耐磨性可通过提高混凝土强度、控制水灰比、选用硬质骨料等措施来改善。某工业厂房地面采用C30混凝土,表面撒布金刚砂耐磨材料,大大提高了地面的耐磨性,使用多年仍保持良好状态。

脆性与韧性

脆性是指材料在破坏前几乎没有塑性变形,突然断裂的性质。脆性材料受冲击荷载时易发生脆性断裂,危险性大。混凝土、砖、石、玻璃等属于脆性材料。

韧性是指材料在破坏前能够吸收较大能量,产生较大塑性变形的性质。韧性好的材料抗冲击能力强,安全性高。钢材、木材等属于韧性材料。

材料的韧性用冲击韧性表示,通过冲击试验测定。在冲击荷载作用下,韧性材料能够通过塑性变形吸收能量,避免突然断裂。某高层建筑在地震作用下,钢结构通过塑性变形吸收地震能量,虽然个别构件产生了较大变形,但结构整体没有倒塌,保证了人员安全。

在抗震设防区,应优先选用韧性好的材料,或采取措施提高结构的延性。钢筋混凝土结构通过配置足够的箍筋,可以提高构件的延性,使构件在地震作用下先产生塑性变形,而不是突然脆性破坏。

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材料的耐久性

材料的耐久性是指材料在自然环境和使用条件下,长期保持其性能的能力。建筑物的设计使用年限通常为50年或更长,材料的耐久性直接关系到建筑物的使用寿命和安全性。

耐久性的基本概念

耐久性涉及材料在长期使用过程中抵抗各种自然因素和使用因素作用的能力。这些因素包括大气作用（日晒、雨淋、风化、冻融循环）、化学腐蚀（酸、碱、盐类侵蚀）、生物侵害（微生物、虫害）、物理作用（磨损、冲击）等。

材料的耐久性不是单一性能,而是材料多种性能的综合体现。不同材料在不同环境条件下的耐久性差异很大。钢材强度高,但在潮湿环境中易锈蚀,耐久性下降。混凝土在一般大气环境中耐久性好,但在海洋环境、工业大气环境中会受到氯离子、二氧化硫等侵蚀。木材在干燥环境中可以长期使用,但在潮湿环境中易腐朽。

评价材料耐久性的方法包括自然暴露试验和加速老化试验。自然暴露试验是将材料置于实际使用环境中,观察其性能变化,试验周期长,结果可靠。加速老化试验是在实验室模拟和强化环境因素,加速材料老化过程,试验周期短,但与实际情况可能存在差异。

影响耐久性的主要因素

影响材料耐久性的因素可分为内在因素和外在因素。

内在因素包括材料的组成、结构、性质等。材料的致密性对耐久性有重要影响,密实材料不易被水分、有害介质渗透,耐久性好。材料的化学稳定性决定了其抵抗化学腐蚀的能力。材料的孔隙特征影响其抗冻性,闭口孔隙多的材料抗冻性好。

外在因素包括环境条件和使用条件。气候条件如温度、湿度、降雨、冻融循环等对材料有重要影响。某北方寒冷地区的桥梁,混凝土遭受严重的冻融破坏,表面剥落,钢筋外露。经分析,该桥混凝土抗冻等级不足,且桥面排水不畅,积水渗入混凝土,在冻融循环作用下导致破坏。

化学环境对材料耐久性影响显著。在工业区,大气中的二氧化硫、氮氧化物等形成酸雨,对建筑材料造成腐蚀。在海洋环境,氯离子会渗入混凝土,导致钢筋锈蚀。某沿海城市的混凝土结构,距海岸线仅200米,使用10年后出现多处钢筋锈蚀、混凝土开裂现象。检测发现,混凝土中氯离子含量严重超标。后经除锈、修补、涂刷防腐涂料等措施,才控制了锈蚀的进一步发展。

使用条件如荷载作用、磨损、冲击等也会影响材料耐久性。重载交通的路面磨损严重,需要选用高强度、耐磨性好的材料,并加强养护。

材料的老化与腐蚀

材料的老化是指材料在长期使用过程中,由于物理、化学、生物等因素的作用,性能逐渐劣化的现象。

有机材料如塑料、橡胶、涂料等在光、热、氧的作用下会发生老化。紫外线照射会使有机材料的分子链断裂,材料变脆、变色、开裂。某建筑外墙涂料,使用5年后出现严重褪色、粉化现象,失去了装饰效果和保护作用。这是由于涂料中的有机成分在紫外线作用下老化所致。选用抗老化性能好的涂料,或在涂料中加入抗氧剂、紫外线吸收剂,可以延缓老化过程。

无机材料也会老化。混凝土在大气环境中会发生碳化,表面的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙,混凝土碱度降低,对钢筋的保护作用减弱,钢筋易锈蚀。混凝土的碳化速度与混凝土密实度、环境湿度、二氧化碳浓度等因素有关。

材料的腐蚀是指材料在化学或电化学作用下发生破坏的现象。金属腐蚀是最常见的腐蚀类型。钢材在潮湿环境中与氧气、水发生电化学反应,生成铁锈,截面减小,强度降低。钢筋混凝土结构中,钢筋处于高碱性环境,表面形成钝化膜,正常情况下不易锈蚀。但当混凝土碳化或氯离子侵入时,钝化膜被破坏,钢筋开始锈蚀。钢筋锈蚀后体积膨胀,对周围混凝土产生压力,使混凝土开裂、剥落。

某高速公路桥梁,服役20年后,桥面板出现大量横向裂缝,部分区域混凝土剥落,钢筋外露锈蚀严重。经检测分析,桥面铺装层破损,雨水和除冰盐渗入混凝土,氯离子含量超标,导致钢筋锈蚀。该桥不得不进行大修,更换桥面板,费用高昂。此案例说明,防水措施和养护对桥梁耐久性至关重要。

从上图可以看出,混凝土结构的耐久性问题是逐步发展的过程。首先是混凝土碳化,碳化深度逐年增加,当碳化达到钢筋表面时,钢筋失去保护,开始锈蚀。钢筋锈蚀产物体积膨胀,使保护层混凝土开裂、剥落,结构承载力下降。及时发现和处理,可以延缓这一过程,延长结构使用寿命。

提高材料耐久性的措施包括：选用耐久性好的材料；提高材料的密实性和抗渗性；采取防护措施,如涂刷防护涂料、粘贴防护层等；加强维护和保养,及时修复损伤；在易受侵蚀的部位采用特殊材料或加强防护。某地下停车场工程,地下室外墙和底板采用P8防水混凝土,外表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料,并设置柔性防水卷材,形成多道防水防护体系,确保了结构的耐久性。