2.1 材料的物理性质

2.1.1 密度、表观密度和堆积密度

1．密度

密度是指材料在绝对密实的状态下单位体积的质量。按下式计算：

式中 ρ——材料的密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

V——材料在绝对密实状态下的体积，cm 3或m 3。

材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。建筑材料中，除了钢材、玻璃、沥青等少数接近于真实密度的材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。在测定有孔隙材料的密度时，应把材料磨成粒径小于0.2mm的细粉，经干燥至恒重后，用密度瓶（李氏密度瓶）测定其实际体积。用李氏瓶测得的体积可视为材料在绝对密实状态下的体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确。

此外，工程上还经常用到相对密度，是指材料的密度与4℃纯水密度之比。

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——材料的表观密度，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，cm 3或m 3。

材料在自然状态下的体积是指包含材料的实体积及材料内全部孔隙体积之和。对于外形规则的材料，可根据实际测量尺寸求得其自然体积。不规则材料的体积可采用排水法求得，但表面应预先涂上蜡，以防止水渗入材料内部而使测量值不准。

由于绝大多数材料都或多或少含有一些孔隙，所以，一般材料的表观密度总是小于其密度。

3．堆积密度

堆积密度是指散粒或粉状材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算：

式中 ——材料的堆积密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量，g或kg；

——材料的堆积体积，cm 3或m 3。

散粒材料在自然堆积状态下的体积，包括材料绝对体积、内部所有孔体积和颗粒间的空隙体积。散粒材料的体积可用已标定容积的容器测得。材料的堆积密度反映散粒结构材料堆积的紧密程度及材料可能的堆积空间。

在建筑工程中，计算材料用量、构件自重、配料计算及确定堆放空间时经常用到密度、表观密度和堆积密度。常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度见表2.1。

2.1.2 材料的孔隙率和空隙率

1．密实度与孔隙率

（1）密实度。

密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度。用符号D表示，按下式计算：

密实度反映了材料的致密度，含有孔隙的固体材料的密实度均小于1。

（2）孔隙率。

孔隙率是指材料中，孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率。用符号P表示，按下式计算：

密实度与孔隙率的关系：

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，孔隙率大，则密实度小。材料内部的孔隙可分为连通的孔隙与封闭的孔隙两种，连通孔隙不仅彼此连通且与外界相通，而封闭孔隙彼此不连通且与外界隔绝。按孔隙的尺寸大小，又可分为粗大孔隙、细小孔隙和极细微孔隙。材料的许多性质，如强度、声学性能、热工性质、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性等都与孔隙有关。

2．填充率与空隙率

（1）填充率。

填充率是指散粒材料在其堆积体积中，被颗粒实体体积填充的程度。用符号D′表示，按下式计算：

（2）空隙率。

空隙率是指散粒材料在其堆积体积中，颗粒间的空隙体积占总体积的百分率。用符号P′表示，按下式计算：

填充率与空隙率的关系：

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。在配制混凝土、砂浆时，可作为控制集料的级配与计算配合比的重要依据。

2.1.3 材料与水有关的性质

1．亲水性与憎水性

材料在使用过程中，经常与水接触，但材料与水的亲和情况是不同的。当材料与水接触时，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，建筑工程中的多数材料属于亲水性材料，如混凝土、砌块、砂浆、木材等；相反，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，多数高分子有机材料属于憎水性材料，如玻璃、钢材、塑料、沥青等。憎水性材料的表面不易被水润湿，适合作防水材料和防潮材料，另外还可用于涂覆在亲水材料表面，以改善其耐水性性能，这样外界水分难以渗入材料的毛细管中，从而能降低材料的吸水性和渗透性。

材料的亲水性和憎水性用润湿角区分。如图2.1所示，材料、水和空气三相接触的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角θ称为润湿角。当θ不大于90℃时，说明水分子间的内聚力小于材料与水分子间的亲合作用力，材料能被水润湿，表现为亲水性。当θ大于90℃时，说明水分子间的内聚力大于材料与水分子间的亲合作用力，材料不能被水润湿，表现为憎水性。

2．吸水性与吸湿性

（1）吸水性。吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。

1）质量吸水率是指材料在吸水饱和时，所吸水分的质量占干燥材料质量的百分率。按下式计算：

式中 Wm——质量吸水率，%；

m湿——材料吸水饱和状态下的质量，g；

m干——材料干燥状态下的质量，g。

2）体积吸水率是指材料在吸水饱和时，所含水分的体积占干燥材料体积的百分率。按下式计算：

式中 WV——体积吸水率，%；

Vw——材料吸水饱和状态下水的体积，cm 3；

V0——材料在自然状态下的体积，cm 3；

ρw——水的密度，g/cm 3。

质量吸水率和体积吸水率的关系为：

式中 ρ0——材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3。

材料的吸水性主要与孔隙率及孔隙特征有关。一般来说，孔隙率越大，吸水性也越强。如果材料具有封闭的孔隙，则水分不易进入；若是粗大开口的孔隙，则水分易进入，但仅能润湿孔隙表面又不易存留，故其吸水率不高。

不同材料的吸水率相差很大，如花岗岩为0.5%～0.7%、普通混凝土为2%～3%、黏土砖为8%～20%，而某些轻质材料，如加气混凝土、软木等，由于具有很多开口而微小的孔隙，所以它的吸水率往往超过100%。

材料吸水后，会对材料的性质产生不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度及耐久性降低，体积膨胀。因此，吸水率大，对材料的性能一般是不利的。

（2）吸湿性。吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。吸湿性的大小用含水率表示。含水率是指材料所含水的质量占材料干燥状态下质量的百分率。按下式计算：

式中 W含——材料的含水率，%；

m含——材料含水状态下的质量，g；

m干——材料干燥状态下的质量，g。

3．耐水性

耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，且强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数表示，按下式计算：

式中 K软——材料的软化系数；

f饱——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；

f干——材料在绝对干燥状态下的抗压强度，MPa。

软化系数的大小表明材料浸水后强度降低的程度。一般材料吸水后，会减弱其内部结合力，从而导致强度降低。如致密的花岗岩长期浸泡在水中，强度将下降3%左右，木材和普通黏土砖吸水后强度降低的更大。软化系数一般在0～1间波动，其值越大，说明材料吸水饱和后的强度降低越少，材料耐水性就越好。通常软化系数大于0.85的材料，可认为是耐水材料，长期处于水中或处于潮湿环境中的重要结构，则必须选用软化系数不低于0.85的材料。次要结构或受潮较轻的材料，其软化系数也不宜小于0.75。

4．抗渗性

抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。用渗透系数表示，按下式计算：

式中 K——渗透系数，cm/h；

Q——透水量，cm 3；

d——试件厚度，cm；

A——渗水面积，cm 2；

t——渗水时间，h；

H——水头高度（水压）, cm。

材料的渗透系数越小，表示其抗渗性越好。对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级表示。

式中 P——抗渗等级；

H——试件开始渗水时的水压力，MPa。

如混凝土的抗渗等级P6、P8、P12，分别表示试件能够承受0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa的水压而不渗透。材料的抗渗等级越高，表示其抗渗性能越好。

材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有关。孔隙率小，且是封闭孔隙的材料具有较高的抗渗性。对于地下建筑及水工构筑物，因常受到水的作用，故要求材料具有较高的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。

5．抗冻性

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时强度也不显著降低的性质。

材料吸水后，如果在负温下受冻，水在材料毛细孔内冻结成冰，体积膨胀约9%，产生的冻胀压力造成材料的内应力，随着冻融循环的反复，会使材料表面出现裂纹、剥落等现象，这种破坏称为冻融破坏。

材料抗冻性用抗冻等级表示，用符号F表示。抗冻等级表示将材料吸水饱和后，按规定方法进行冻融循环试验，其质量损失、强度降低不超过规定值，所能经受的最大冻融循环次数来确定。如F25、F50、F100等，分别表示在经受25次、50次、100次的冻融循环后仍可满足使用要求。抗冻等级越高，材料的抗冻性越好。

对抗冻性要求较高的混凝土，可通过快冻法来测定其抗冻性能，确定其抗冻等级。混凝土试件在吸水饱和状态下，按规定测其横向基频的初始值；在规定的冻融循环条件下，每隔25次循环做一次横向基频测量。当冻融达到下列三种情况之一时即可停止试验：①冻融达到规定的循环次数；②相对动弹性模量下降至初始值的60%; ③重量损失率达到5%。混凝土试件的相对动弹性模量可按下式计算：

式中 Pi——n次冻融循环后第i个混凝土试件的相对动弹性模量，%，精确至0.1；

fni——n次冻融循环后第i个混凝土试件的横向基频，Hz；

f0i——冻融循环试验前第i个混凝土试件横向基频初始值，Hz。

平均相对动弹性模量应为一组3个混凝土试件相对动弹性模量的平均值。

混凝土试件冻融后的质量损失率可按下式计算：

式中 Δ W ni——n次冻融循环后第i个混凝土试件的质量损失率，%，精确至0.01；

W0i——冻融循环试验前第i个混凝土试件的质量，g；

Wni——n次冻融循环后第i个混凝土试件的质量，g。

平均质量损失率应为一组3个混凝土试件质量损失率的平均值。

混凝土相对动弹性模量值下降至初始值的60%或质量损失率至5%时，即可认为试件已破坏，并以相应的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻等级。若冻融至规定的循环次数，而相对动弹性模量值或质量损失率均未达到上述指标，可认为混凝土的抗冻性已满足设计要求。用于桥梁和道路的混凝土材料应为F100、F150或F250，而水工混凝土则要求高达F500。

材料的抗冻性与其强度、孔隙率、孔隙特征、含水率等有关。一般情况下，密实的材料、具有闭口孔隙且强度较高的材料，有较强的抗冻能力。

抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以，抗冻性常作为评价材料耐久性的一项重要指标。处于温暖地区的土建结构，虽无冰冻作用，为抵抗大气的作用，确保土建结构物的耐久性，有时对材料也提出一定的抗冻性要求。在寒冷地区受水的作用，抗冻性往往决定了其耐久性，抗冻等级越高，材料的耐久性越好。对于室外温度低于-15℃的地区，其主要工程材料必须进行抗冻性试验。

2.1.4 材料的热工性质

1．导热性

导热性是指当材料两面存在温度差时，热量从材料一侧通过材料传递至另一侧的性质。材料的导热性用导热系数表示，按下式计算：

式中 λ——导热系数，W/（m·K）；

Q——传导热量，J；

d——材料厚度，m；

A——材料传热面积，m2；

t——传热时间，s；

T2-T1——材料两侧温度差，K。

导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当其两侧温度差为1K时，在1s时间段内通过1m2面积的热量。因此，材料的导热系数越小，绝热性能越好。通常将导热系数不大于0.175W/（m·K）的材料称为绝热材料。

影响材料导热系数的因素有材料的化学组成、结构、孔隙状况及环境温湿度等。一般来说，金属材料的导热系数大于非金属材料，无机材料的导热系数大于有机材料，晶体结构材料的导热系数大于玻璃体或胶体结构的材料。因密闭空气的导热系数很小，所以一般孔隙率大，且为闭口微孔的材料导热系数小。材料受潮或受冻后，其导热系数会大大提高。这是由于水和冰的导热系数比空气的导热系数大很多，因此，绝热材料应常处于干燥状态中，以利于发挥材料的绝热效能。

2．热阻

热阻是指热量通过材料层时所受到的阻力，即材料层的厚度δ与导热系数λ的比值，R=δ/λ（m2·K/W）。在多层平壁导热条件下，应用热阻概念来计算十分方便，多层平壁的总热阻等于各单层材料的热阻之和。

在同样的温差条件下，热阻越大，通过材料层的热量越少。导热系数或热阻是评定材料绝热性能的主要指标。

3．热容量与比热容

热容量是指材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的能力。热容量的大小用比热容表示，按下式计算：

式中 Q——材料的热容量，J；

m——材料的质量，g；

C——材料比热容，J/（g·K）；

T2-T1——材料受热或冷却前后的温度差，K。

比热容的物理意义是：质量为1g的材料，温度升高1K时所吸收的热量，或降低1K时放出的热量。比热容大的材料，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，对保持土建结构物内部温度稳定有很大意义。常用建筑材料的热工性质指标见表2.2。

4．耐热性

耐热性是指材料在热环境中抵抗热破坏的能力。除有机材料外，一般材料对热都有一定的耐热性能。但在高温作用下，大多数材料都会有不同程度的破坏、融化，甚至着火燃烧。

5．耐火性

耐火性是指材料在长期高温作用下，保持其结构不被破坏、性能不明显下降，用耐火度表示。按耐火度的不同，可将材料分为三大类：

（1）耐火材料：耐火度不低于1580℃的材料，如各类耐火砖等。

（2）难熔材料：耐火度为1350～1580℃的材料，如耐火混凝土等。

（3）易熔材料：耐火度低于1350℃的材料，如普通黏土砖等。

6．耐燃性

耐燃性是指材料能经受火焰和高温的作用不破坏、强度不严重下降的性能，是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。按耐燃性的不同，可将材料分为三大类：

（1）非燃烧材料：遇火或高温作用时，不起火、不燃烧、不碳化的材料，如混凝土、砖、石、玻璃和金属等。

（2）难燃材料：遇火或高温作用时，难起火、难燃烧、难碳化，当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如纸面石膏板、水泥刨花板等。

（3）可燃材料：遇火或高温作用时，容易引燃起火或微燃，当火源移走后，仍能继续燃烧的材料，如木材、胶合板等。用可燃材料制作的构件，使用时应做防燃处理。

7．温度变形性

温度变形性是指材料在温度升高或降低时其体积的变化。绝大多数建筑材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩。材料的温度变形性，可用线膨胀系数表示，按下式计算：

式中 α——线性膨胀系数，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——材料升温或降温前后的温度差，K。

线膨胀系数越大，表明材料的温度变形性越大。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。如在大面积或大体积混凝土工程中，为防止材料温度变形引起裂缝，常设置伸缩缝。