第二节 材料的物理性质
一、材料的密度、表观密度与堆积密度
1.密度
密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，单位为g/cm3或kg/m3，按下式计算：
式中 ρ——密度，g/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，g；
V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积，即固体材料体积。除了钢材、玻璃等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料都有孔隙，如砖、石材等块状材料。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥至恒重后，用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为材料绝对密实状态下的体积。材料磨得愈细，测定的密度值愈精确。
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：
式中 ρ0——表观密度，g/cm3或kg/m3；
m——材料的质量，g或kg；
V0——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3。
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。当材料含有水分时，其自然状态下质量、体积的变化会导致表观密度的变化，故对所测定的材料而言，其表观密度必须注明含水状态。通常材料的表观密度是在气干状态下的表观密度，而在烘干状态下的表观密度，称为干表观密度。
对于外形规则的材料，其体积测定很简便。形状不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗入材料内部而影响测定值。
3.堆积密度
散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度。可用式（1-3）计算：
式中
——堆积密度，kg/m3；
m——材料的质量，kg；
——材料的堆积体积，m3。
散粒材料在自然状态下的体积，包含颗粒内部的孔隙和颗粒之间空隙的体积。在自然状态下称松散堆积密度，若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。工程上通常所说的堆积密度是指松散堆积密度。
土木工程中在计算材料用量、构件自重、配料计算以及确定堆放空间时，经常要用到材料的上述状态参数。常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度如表1-1所示。
表1-1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度及孔隙率
二、材料的孔隙率和空隙率
1.孔隙率
孔隙率是指材料的孔隙体积占材料总体积的百分率。可用下式计算：
材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造）可以不同。按孔隙的特征，材料的孔隙可分为连通孔和封闭孔两种，连通孔不仅彼此贯通且与外界相通，而封闭孔彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为极微细孔隙、细小孔隙及粗大孔隙三种。孔隙率的大小及其孔隙特征影响材料的强度、吸水性、抗渗性、抗冻性和导热性等性质。一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好。而保温隔热材料的孔隙率要较大。
2.空隙率
空隙率是指散粒材料在堆积状态下，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率，以P′表示，按下式计算：
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的密实程度。在配制混凝土时，砂、石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的重要依据。
三、材料与水有关的性质
1.亲水性与憎水性
固体材料在空气中与水接触时，按其是否被水润湿分为亲水性材料与憎水性材料两类。大多数建筑材料都属于亲水性材料，如砖、混凝土、石材、木材等。沥青、石蜡、橡胶等为憎水性材料。
材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水分子之间的亲和力大于水分子之间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲和力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性。
材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气这三相体的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1-1所示。θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当θ≤90°时［图1-1（a）］，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称为亲水性材料；θ＞90°时［图1-1（b）］，材料表面不吸附水，此种材料称为憎水性材料。当θ=0°时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。
图1-1 材料的润湿示意图
（a）亲水性材料；（b）憎水性材料
憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。
2.吸水性与吸湿性
（1）吸水性。材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。吸水性用吸水率表示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。
1）质量吸水率。质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用下式计算：
式中 W质——材料的重量吸水率，%；
mb——材料在吸水饱和状态下的重量，g；
mg——材料在干燥状态下的重量，g。
2）体积吸水率。体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸收的水分体积占干燥材料自然体积的百分率。用下式表示：
式中 W体——材料的体积吸水率，%；
V0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3；
ρ w——水的密度，g/cm3，在常温下可取1.0。
土木工程用材料一般采用重量吸水率。
材料的吸水性与材料的孔隙率及孔隙特征有关。对于细微连通的孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。封闭的孔隙内水分不易进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不易存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.1%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，烧结普通黏土砖的吸水率为8%～20%，木材的吸水率可超过100%。
水对材料有许多不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度降低，体积膨胀，易受冰冻破坏，因此材料吸水率大，对于材料性能而言是不利的。特别是湿胀干缩及冻融循环，对材料的耐久性有较严重影响。
（2）吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率是指材料内部所含水分的质量占材料干燥质量的百分率。用式（1-8）表示为
式中 W含——材料的含水率，%；
mh——材料含水时的质量，g；
mg——材料干燥至恒重时的质量，g。
材料的吸湿性随着空气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，材料的含水率较大，反之则小。材料中所含水分与周围空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。当材料吸湿达到饱和状态时的含水率即为吸水率。具有微小开口孔隙的材料，内表面积大，吸湿性强。
材料的吸湿性和吸水性一样均会对材料的性能产生不利影响。材料干湿交替还会引起其形状尺寸的改变而影响使用。
3.材料的耐水性
材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：
式中 K软——材料的软化系数；
fb——材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；
fg——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
软化系数的大小表示材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力。软化系数愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈多，即耐水性愈差。材料的软化系数在0～1之间。不同材料的软化系数值相差颇大，如黏土为0，而金属为1。土木工程中将软化系数不低于0.85的材料，称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，必须选用软化系数为0.85～0.90的材料。用于受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.75。
4.抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的意义是：一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为
式中 K——材料的渗透系数，cm/h；
Q——渗透水量，cm3；
d——材料的厚度，cm；
A——渗水面积，cm2；
t——渗水时间，h；
H——静水压力水头，cm。
抗渗系数值愈大，表示渗透材料的水量愈多，即抗渗性愈差。
材料（如混凝土、砂浆）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能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”（水利水电工程用Wn）表示，其中n为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数，如P4、P6、P8、P10、P12等分别表示材料能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压而不渗水。
材料的抗渗性与其孔隙率及孔隙特征有关。绝对密实的材料，具有封闭孔隙或极微细孔隙的材料，不透水或很难渗入，其抗渗性良好。而开口孔隙、粗大孔隙的材料，水最易渗入，故其抗渗性最差。抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。在设计地下结构、水工建筑物、压力管道、压力容器等结构时，均要求其所用材料具有一定的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料质量的重要指标。
5.抗冻性
材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而不破坏，同时强度也不严重降低的性质称为材料的抗冻性。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和重量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”（或Dn）表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F50、F200等。
材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用要求、气候条件等来决定。例如陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻等级为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。
材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9%，产生冻胀应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，将产生局部开裂。随着冻融循环次数的增多，材料破坏加重。材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对冻胀应力的抵抗能力。如果孔隙未充满水，冻胀应力较小。极细的孔隙因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水冰点很低，一般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用。毛细孔隙易充满水分，又能结冰，对材料的冰冻破坏影响最大。若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。
另外，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。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻融破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。
四、材料与热有关的性质
土木工程中的围护结构材料，除了须满足必要的强度及其他性能要求外，为了降低建筑物的使用能耗，创造适宜的室内环境条件，常要求材料具有保温隔热等热工性质。常考虑的热工性质有材料的导热性、热容量和比热等。
1.导热性
材料传导热量的能力称为导热性。材料的导热性可用导热系数表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1K时，在1s时间内通过1m2面积的热量。用公式表示为
式中 λ——材料的导热系数，W/（m·K）；
Q——传导的热量，J；
δ——材料厚度，m；
A——热传导面积，m2；
t——热传导时间，s；
T2-T1——材料两侧温度差，K。
材料的导热系数愈小，表示其导热性越差，绝热性能愈好。通常把导热系数小于0.23的材料称为绝热材料。各种材料的导热系数差别很大，大致在0.029～3.5范围，如泡沫塑料为0.03～0.04，而普通混凝土为1.50～1.86。
导热性与材料的含水率、孔隙率与孔隙特征等有关。由于密闭空气的导热系数很小（为0.023），所以，材料的孔隙率较大者，其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的导热系数反而增高。材料受潮或受冻后，其热导率大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多（分别为0.58和2.20）。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的绝热效能。
2.热容量
热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力，用比热“C”做参数。
式中 Q——材料的热容量，J；
m——材料的重量，g；
T2-T1——材料受热或冷却前后的温度差，K。
比热的物理意义是指质量为1kg的材料，在温度改变1K时所吸收或放出热量的大小。比热是反映材料的吸热或放热能力大小的物理量。不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如水的比热为4.19，而结冰后比热则是2.05。
材料的比热，对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。
材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的建筑材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要数据。几种典型材料的热工性质指标如表1-2所示，由表可见，水的比热最大。
表1-2 几种典型材料的热工性质指标
3.温度变形性
温度变形性是指温度升高或降低时材料体积变化的特性。体积变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的表征参数为线膨胀系数α。
材料温度变化时的单向线膨胀或线收缩量可用下式计算：
式中 ΔL——线膨胀或线收缩量，mm或cm；
T2-T1——材料升（降）温前后的温度差，K；
α——材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K；
L——材料原来的长度，mm或cm。
土木工程中，对材料的温度变形大多关心其某一单向尺寸的变化，因此，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。例如分析混凝土路面、混凝土连续墙，以及大型建筑物纵向温度变形，以确定温度伸缩缝的位置和宽度。
材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常通过选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。
4.耐燃性
耐燃性是指材料能经受高温或火的作用而不破坏，强度也不严重降低的性能。
根据耐燃性可分为不燃烧类、难燃烧类、燃烧类三大类材料。
（1）不燃烧类：遇火或遇高温不易起火、不燃烧，且不碳化的材料。例如石材、混凝土、金属等无机类材料。
（2）难燃烧类：遇火或遇高温不易燃烧、不碳化，只有火源持续存在时才能继续燃烧，火焰熄灭燃烧即停止的材料。例如沥青混凝土、经防火处理后的木材、某些合成塑料制品等。
（3）燃烧类：遇火或遇高温容易引燃而着火，火源移去后，仍能继续燃烧的材料。例如木材、沥青、油漆、合成高分子黏结剂等有机类材料。
5.耐火性
耐火性是指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性质。某些工程部位的材料通常要求其耐火性，如砌筑炉窑、锅炉炉衬、烟道等所有的材料。
根据不同材料的耐火度，可将其划分为三大类：
（1）耐火材料：耐火度不低于1580℃，如各类耐火砖。
（2）难熔材料：耐火度为1350～1580℃，如耐火混凝土。
（3）易熔材料：耐火度低于1350℃，如普通黏土砖。