第2章 建筑材料基本物理性質試驗

2.1 材料基本物理性質

建筑材料是建筑工程的物質基礎，材料的性質與質量在很大程度上決定了工程的性能與質量。在工程實踐中，選擇、使用、分析和評價材料，通常是以其性質為基本依據(jù)的。建筑材料的性質，可分為基本性質和特殊性質兩大部分。材料的基本性質是指建筑工程中通常必須考慮的最基本的、共有的性質；材料的特殊性質則是指材料本身不同于別的材料的性質，是材料具體使用特點的體現(xiàn)。

2.1.1 材料的體積組成

大多數(shù)建筑材料的內(nèi)部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征對材料的性能均產(chǎn)生影響，掌握含孔材料的體積組成是正確理解和掌握材料物理性質的起點。孔隙特征指孔尺寸大小、孔與外界是否連通兩個內(nèi)容。孔隙與外界相連通的叫開口孔；與外界不相連通的叫閉口孔。

含孔材料的體積組成示意圖如圖2.1所示。從圖2.1可知，含孔材料的體積可用以下3種方式表示：

（1）材料絕對密實體積。用V表示，是指材料在絕對密實狀態(tài)下的體積。

（2）材料的孔體積。用VP表示，指材料所含孔隙的體積，分為開口孔體積（記為VK）和閉口孔體積（記為VB）。

（3）材料在自然狀態(tài)下的體積。用Vo表示，是指材料的實體積與材料所含全部孔隙體積之和。上述幾種體積存在以下的關系，即

散粒狀材料的體積組成示意圖如圖2.2所示。其中V′o表示材料堆積體積，是指在堆積狀態(tài)下的材料顆粒體積和顆粒之間的間隙體積之和，Vj表示顆粒與顆粒之間的間隙體積。散粒狀材料體積關系為

2.1.2 材料的密度、表觀密度和堆積密度

1．密度

密度是指多孔固體材料在絕對密實狀態(tài)下，單位體積的質量（也稱相對密度）。用式（2.4）計算，即

式中 ρ——材料的密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質量（干燥至恒重）, g或kg；

V——材料的絕對密實體積，cm3或m3。

密實的單位在SI制中為kg/m3，我國建設工程中一般用g/cm3，偶爾用kg/L，忽略不寫時，隱含的單位為g/cm3，如水的密度為1。

多孔材料的密度測定，關鍵是測出絕對密實體積。在常用的建筑材料中，除鋼、玻璃、瀝青等可近似認為不含孔隙外，絕大多數(shù)含有一定的孔隙。測定含孔材料絕對密實體積的簡單方法是將該材料磨成細粉，干燥后用排液法（李氏瓶）測得的粉末體積即為絕對密實體積。由于磨得越細，內(nèi)部孔隙消除得越完全，測得的體積也就越精確，因此，一般要求細粉的粒徑至少小于0.2mm。

對于砂石，因其孔隙率很小，V≈Vo，直接用排水法測定其密度。對于本身不絕對密實，而用排液法測得的密度叫視密度或叫視比重。用式（2.5）表示，即

式中 ρ′——視密度，g/cm3；

m——材料的絕對干燥質量，g；

V′——用排水法求得的材料體積（V′=V+VB）, cm3。

2．表觀密度

材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量，稱為材料的表觀密度（原稱容重）。其計算式為

式中 ρo——表觀密度，kg/m3；

m——材料的質量，kg；

Vo——材料表觀體積（即自然狀態(tài)下的體積）, m3。

測定材料在自然狀態(tài)下體積的方法較簡單，若材料外觀形狀規(guī)則，可直接度量外形尺寸，按幾何公式計算；若外觀形狀不規(guī)則，可用排水法測得，為了防止水分由孔隙滲入材料內(nèi)部而影響測定值，應在材料表面涂蠟。對于砂石，由于孔隙率很小，常把視密度叫作表觀密度，如果要測定砂石真正意義上的表觀密度，應蠟封開口孔后用排水法測定。

當材料含水時，重量增大，體積也會發(fā)生變化，所以測定表觀密度時須同時測定其含水率，注明含水狀態(tài)。材料的含水狀態(tài)有風干（氣干）、烘干、飽和面干和濕潤4種。通常材料的表觀密度為氣干狀態(tài)，而在烘干狀態(tài)下的表觀密度叫干表觀密度。

3．堆積密度

散粒材料在堆積狀態(tài)下單位堆積體積的質量，稱為材料的堆積密度（原稱松散容重）。其計算式式為

式中 ρ′o——堆積密度，kg/m3；

m——材料的質量，kg；

V′o——材料的堆積體積，m3。

堆積體積是指包括材料顆粒間空隙在內(nèi)的體積，對于配制混凝土用的碎石、卵石及砂等松散顆粒狀材料的堆積密度測定是在特定條件下，即定容積的容器（容積筒的容積）測得的體積，稱為堆積體積，求其密度稱為堆積密度。

材料的堆積密度定義中亦未注明材料的含水狀態(tài)。根據(jù)散粒材料的堆積狀態(tài)，堆積體積分為自然堆積體積和緊密堆積體積（人工搗實后）。由緊密堆積測得的堆積密度稱為緊密堆積密度。

常用建筑材料的密度、表觀密度和堆積密度見表2.1。

2.1.3 密實度與孔隙率、填充率與空隙率

1．密實度

密實度是指材料體積內(nèi)被固體物質所充實的程度，即材料的絕對密實體積與總體積之比。可按材料的密度與表觀密度計算，即

因為

故

所以

式中 D——材料的密實度，%。

例如，普通黏土磚ρo=1850kg/m3; ρ=2.50g/cm3，求其密實度。

即74%。

凡含孔隙的固體材料的密實度均小于1。材料的ρo與ρ越接近，即越接近1，材料就越密實，材料的很多性質，如強度、吸水性、耐水性、導熱性等均與其密實度有關。

2．孔隙率

孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙（開口的和封閉的）體積所占總體積的比例，按式（2.12）計算，即

式中 P——材料的孔隙率，%。

例如，按計算密實度的例子，求其孔隙率。

即26%。

材料的孔隙率與密實度是從兩個不同方面反映材料的同一個性質。通常采用孔隙率表示，孔隙率可分為開口孔隙率和閉口孔隙率。

開口孔隙率（PK）是指能被水所飽和的孔隙體積與材料表觀體積之比的百分數(shù)，即

式中 m1——干燥狀態(tài)材料的質量，g；

m2——水飽和狀態(tài)下材料的質量，g；

ρ水——水的密度，g/cm3。

開口孔隙能提高材料的吸水性、透水性，而降低了抗凍性。減少開口孔隙，增加閉口孔隙，可提高材料的耐久性。

閉口孔隙（PB）是指總孔隙率（P）與開口孔隙率（PK）之差，即PB=P-PK。

材料的許多性質，如表觀密度、強度、導熱性、透水性、耐蝕性等，除與材料的孔隙大小有關外，還與孔隙構造特征有關。孔隙構造特征，主要是指孔隙的形狀和大小。根據(jù)孔隙形狀分開口孔隙與閉口孔隙兩類。開口孔隙與外界相連通，閉口孔隙則與外界隔絕。根據(jù)孔隙的尺寸大小，分為微孔、細孔及大孔三類。一般均勻分布的且封閉的微孔較多、孔隙率較小的材料，其吸水性較小，強度較高、熱導率較小，抗?jié)B性和抗凍性較好。

3．填充率

填充率是指顆粒材料的堆積體積中，顆粒體積所占總體積的百分率，它反映了被顆粒所填充的程度，按式（2.14）計算，即

式中 V′——用排水法求得的材料體積（V′=V+VB）, m3；

V′o——材料的堆積體積，m3。

4．空隙率

空隙率是指顆粒材料的堆積體積內(nèi)，顆粒之間的空隙體積占總體積的百分率，即

式中 V′——用排水法求得的材料體積（V′=V+VB）, m3；

V′o——材料的堆積體積，m3。

根據(jù)上述空隙率和填充率的定義，可知兩者關系為

D′+P′=1或P′=1-D′

2.1.4 材料的熱物理性能

建筑材料除了須滿足必要的強度及其他性能要求外，為了降低建筑物的使用能耗，以及為生產(chǎn)和生活創(chuàng)造適宜的條件，常要求建筑材料具有一定的熱物理性能，以維持室內(nèi)溫度。常考慮材料的熱物理性能指標有熱導率、蓄熱系數(shù)、導溫系數(shù)、傳熱系數(shù)、比熱容、熱阻、熱惰性等。

1．熱導率

熱導率是指材料在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1K，在1h內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量，單位為瓦/（米·度）[W/（m·K）]。熱導率計算公式為

式中 λ——材料的熱導率，W/（m·K）；

Q——傳熱量，J；

a——材料厚度，m；

A——傳熱面積，m2；

t——傳熱時間，s；

T1-T2——材料兩側表面溫差，K。

不同的建筑材料具有不同的熱物理性能，衡量建筑材料保溫隔熱性能優(yōu)劣的主要指標是熱導率λ[W/（m·K）]。材料的熱導率越小，則通過材料傳遞的熱量越少，表示材料的保溫隔熱性能越好。各種材料的熱導率差別很大，一般介于0.025～3.50W/（m·K），如泡沫塑料熱導率為0.035W/（m·K），而大理石熱導率為3.5W/（m·K）。

熱導率是材料的固有特性，熱導率與材料的物質組成、結構等有關，尤其與其孔隙率、孔隙特征、濕度、溫度和熱流方向等有著密切關系。由于密閉空氣的熱導率很小，約為0.023W/（m·K），所以材料的孔隙率較大者其熱導率較小，但是如果孔隙粗大或貫通，由于對流作用，材料的熱導率反而增高。材料受潮或受凍后，其熱導率大大提高，這是由于水和冰的熱導率比空氣的熱導率大很多。因此，材料應經(jīng)常處于干燥狀態(tài)，以利于發(fā)揮材料的保溫隔熱效果。

2．比熱容

材料的比熱容表示1kg材料，溫度升高或降低1K時所吸收或放出的熱量。比熱容計算公式為

式中 c——材料的比熱容，kJ/（kg·K）；

Q——材料吸收或放出的熱量，kJ；

m——材料的質量，kg；

T1-T2——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K。

比熱容是衡量材料吸熱或放熱能力大小的物理量。比熱容也是材料的固有特性，材料的比熱容主要取決于礦物成分和有機成分含量，一般無機材料比熱容小于有機材料的比熱容。不同的材料比熱容不同，即使是同一種材料，由于所處的物態(tài)不同，比熱容也不同，例如，水的比熱容為4.19kJ/（kg·K），而水結冰后比熱容則是2.05kJ/（kg·K）。

材料的比熱容對保持建筑物內(nèi)部溫度穩(wěn)定有很大意義，比熱容大的材料，能在熱流變動或采暖設備供熱不均勻時，緩和室內(nèi)的溫度波動。

3．蓄熱系數(shù)

當某一足夠厚度的單一材料層一側受到諧波熱作用時，通過表面的熱流波幅與表面溫度波幅的比值，稱為蓄熱系數(shù)。蓄熱系數(shù)是衡量材料儲熱能力的重要性能指標。它取決于材料的熱導率、比熱容、表觀密度以及熱流波動的周期。蓄熱系數(shù)計算公式為

式中 S——材料的蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

λ——材料的熱導率，W/（m·K）；

c——材料的比熱容，J/（kg·K）；

γo——材料的表觀密度，kg/m3；

T——材料的熱流波動周期，h。

通常使用周期為24h的蓄熱系數(shù)，記為S24。材料的蓄熱系數(shù)大，蓄熱性能好，熱穩(wěn)定性也較好。

4．導溫系數(shù)

導溫系數(shù)又稱為熱擴散率，材料的導溫系數(shù)是衡量材料在穩(wěn)定（兩側面溫差恒定）的熱作用下傳遞熱量多少的熱物理性能指標。當熱作用隨時間改變時，材料內(nèi)部的傳熱特性不僅取決于熱導率，還與材料的蓄熱能力有關。在這種隨時間而變化的不穩(wěn)定傳熱過程中，材料各點達到相同溫度的速度與材料的熱導率成正比，與材料的體積熱容量成反比。體積熱容量等于比熱容與表觀密度的乘積，其物理意義是1m3的材料升溫或降溫1℃所吸收或放出的熱量。材料的導溫系數(shù)計算公式為

式中 δ——材料的導溫系數(shù)，m2/s；

λ——材料的熱導率，W/（m·K）；

c——材料的比熱容，J/（kg·K）；

γo——材料的表觀密度，kg/m3。

導溫系數(shù)越大，材料中溫度變化傳播越迅速，各點達到相同溫度越快。材料的分子結構和化學成分對材料的導溫系數(shù)影響很大。表觀密度相同的情況下，晶體材料的導溫系數(shù)比玻璃體材料的導溫系數(shù)大。導溫系數(shù)一般隨材料表觀密度減小而降低。然而，當表觀密度減小到一定程度時，導溫系數(shù)反而隨材料表觀密度減小而迅速增大。導溫系數(shù)隨著溫度的升高有所增大，但是影響幅度不大。溫度對導溫系數(shù)的影響較為復雜，這是因為當溫濕度增大時熱導率與比熱容也都增大，但是增大速率不同，而導溫系數(shù)取決于熱導率與比熱容的比值。

結合前面熱導率、比熱容、蓄熱系數(shù)的概念，對一些常見干燥狀態(tài)材料的熱物理性能指標可以進行對比分析，有利于建筑材料的合理利用，見表2.2。