2.1 材料的物理性質

2.1.1 密度、表觀密度和堆積密度

1．密度

密度是指材料在絕對密實的狀態下單位體積的質量。按下式計算：

式中 ρ——材料的密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質量，g或kg；

V——材料在絕對密實狀態下的體積，cm 3或m 3。

材料在絕對密實狀態下的體積是指不包括孔隙在內的體積。建筑材料中，除了鋼材、玻璃、瀝青等少數接近于真實密度的材料外，絕大多數材料內部都有一些孔隙。在測定有孔隙材料的密度時，應把材料磨成粒徑小于0.2mm的細粉，經干燥至恒重后，用密度瓶（李氏密度瓶）測定其實際體積。用李氏瓶測得的體積可視為材料在絕對密實狀態下的體積。材料磨得越細，測得的密度值越精確。

此外，工程上還經常用到相對密度，是指材料的密度與4℃純水密度之比。

2．表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態下，單位體積的質量。按下式計算：

式中 ρ0——材料的表觀密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質量，g或kg；

V0——材料在自然狀態下的體積，cm 3或m 3。

材料在自然狀態下的體積是指包含材料的實體積及材料內全部孔隙體積之和。對于外形規則的材料，可根據實際測量尺寸求得其自然體積。不規則材料的體積可采用排水法求得，但表面應預先涂上蠟，以防止水滲入材料內部而使測量值不準。

由于絕大多數材料都或多或少含有一些孔隙，所以，一般材料的表觀密度總是小于其密度。

3．堆積密度

堆積密度是指散粒或粉狀材料在自然堆積狀態下，單位體積的質量。按下式計算：

式中 ——材料的堆積密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的質量，g或kg；

——材料的堆積體積，cm 3或m 3。

散粒材料在自然堆積狀態下的體積，包括材料絕對體積、內部所有孔體積和顆粒間的空隙體積。散粒材料的體積可用已標定容積的容器測得。材料的堆積密度反映散粒結構材料堆積的緊密程度及材料可能的堆積空間。

在建筑工程中，計算材料用量、構件自重、配料計算及確定堆放空間時經常用到密度、表觀密度和堆積密度。常用建筑材料的密度、表觀密度、堆積密度見表2.1。

2.1.2 材料的孔隙率和空隙率

1．密實度與孔隙率

（1）密實度。

密實度是指材料體積內被固體物質充實的程度。用符號D表示，按下式計算：

密實度反映了材料的致密度，含有孔隙的固體材料的密實度均小于1。

（2）孔隙率。

孔隙率是指材料中，孔隙體積占材料自然狀態下總體積的百分率。用符號P表示，按下式計算：

密實度與孔隙率的關系：

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，孔隙率大，則密實度小。材料內部的孔隙可分為連通的孔隙與封閉的孔隙兩種，連通孔隙不僅彼此連通且與外界相通，而封閉孔隙彼此不連通且與外界隔絕。按孔隙的尺寸大小，又可分為粗大孔隙、細小孔隙和極細微孔隙。材料的許多性質，如強度、聲學性能、熱工性質、吸水性、吸濕性、抗滲性、抗凍性等都與孔隙有關。

2．填充率與空隙率

（1）填充率。

填充率是指散粒材料在其堆積體積中，被顆粒實體體積填充的程度。用符號D′表示，按下式計算：

（2）空隙率。

空隙率是指散粒材料在其堆積體積中，顆粒間的空隙體積占總體積的百分率。用符號P′表示，按下式計算：

填充率與空隙率的關系：

空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒之間互相填充的致密程度。在配制混凝土、砂漿時，可作為控制集料的級配與計算配合比的重要依據。

2.1.3 材料與水有關的性質

1．親水性與憎水性

材料在使用過程中，經常與水接觸，但材料與水的親和情況是不同的。當材料與水接觸時，能被水潤濕的性質稱為親水性，具備這種性質的材料稱為親水性材料，建筑工程中的多數材料屬于親水性材料，如混凝土、砌塊、砂漿、木材等；相反，不能被水潤濕的性質稱為憎水性，具備這種性質的材料稱為憎水性材料，多數高分子有機材料屬于憎水性材料，如玻璃、鋼材、塑料、瀝青等。憎水性材料的表面不易被水潤濕，適合作防水材料和防潮材料，另外還可用于涂覆在親水材料表面，以改善其耐水性性能，這樣外界水分難以滲入材料的毛細管中，從而能降低材料的吸水性和滲透性。

材料的親水性和憎水性用潤濕角區分。如圖2.1所示，材料、水和空氣三相接觸的交點處，沿水滴表面的切線與水和固體接觸面所成的夾角θ稱為潤濕角。當θ不大于90℃時，說明水分子間的內聚力小于材料與水分子間的親合作用力，材料能被水潤濕，表現為親水性。當θ大于90℃時，說明水分子間的內聚力大于材料與水分子間的親合作用力，材料不能被水潤濕，表現為憎水性。

2．吸水性與吸濕性

（1）吸水性。吸水性是指材料在水中吸收水分的性質。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率有質量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。

1）質量吸水率是指材料在吸水飽和時，所吸水分的質量占干燥材料質量的百分率。按下式計算：

式中 Wm——質量吸水率，%；

m濕——材料吸水飽和狀態下的質量，g；

m干——材料干燥狀態下的質量，g。

2）體積吸水率是指材料在吸水飽和時，所含水分的體積占干燥材料體積的百分率。按下式計算：

式中 WV——體積吸水率，%；

Vw——材料吸水飽和狀態下水的體積，cm 3；

V0——材料在自然狀態下的體積，cm 3；

ρw——水的密度，g/cm 3。

質量吸水率和體積吸水率的關系為：

式中 ρ0——材料在干燥狀態下的表觀密度，g/cm3。

材料的吸水性主要與孔隙率及孔隙特征有關。一般來說，孔隙率越大，吸水性也越強。如果材料具有封閉的孔隙，則水分不易進入；若是粗大開口的孔隙，則水分易進入，但僅能潤濕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，如花崗巖為0.5%～0.7%、普通混凝土為2%～3%、黏土磚為8%～20%，而某些輕質材料，如加氣混凝土、軟木等，由于具有很多開口而微小的孔隙，所以它的吸水率往往超過100%。

材料吸水后，會對材料的性質產生不良的影響，它使材料的表觀密度和導熱性增大，強度及耐久性降低，體積膨脹。因此，吸水率大，對材料的性能一般是不利的。

（2）吸濕性。吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質。吸濕性的大小用含水率表示。含水率是指材料所含水的質量占材料干燥狀態下質量的百分率。按下式計算：

式中 W含——材料的含水率，%；

m含——材料含水狀態下的質量，g；

m干——材料干燥狀態下的質量，g。

3．耐水性

耐水性是指材料長期在水的作用下不破壞，且強度也不顯著降低的性質。材料的耐水性用軟化系數表示，按下式計算：

式中 K軟——材料的軟化系數；

f飽——材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa；

f干——材料在絕對干燥狀態下的抗壓強度，MPa。

軟化系數的大小表明材料浸水后強度降低的程度。一般材料吸水后，會減弱其內部結合力，從而導致強度降低。如致密的花崗巖長期浸泡在水中，強度將下降3%左右，木材和普通黏土磚吸水后強度降低的更大。軟化系數一般在0～1間波動，其值越大，說明材料吸水飽和后的強度降低越少，材料耐水性就越好。通常軟化系數大于0.85的材料，可認為是耐水材料，長期處于水中或處于潮濕環境中的重要結構，則必須選用軟化系數不低于0.85的材料。次要結構或受潮較輕的材料，其軟化系數也不宜小于0.75。

4．抗滲性

抗滲性是指材料抵抗壓力水滲透的性質。用滲透系數表示，按下式計算：

式中 K——滲透系數，cm/h；

Q——透水量，cm 3；

d——試件厚度，cm；

A——滲水面積，cm 2；

t——滲水時間，h；

H——水頭高度（水壓）, cm。

材料的滲透系數越小，表示其抗滲性越好。對于混凝土和砂漿材料，抗滲性常用抗滲等級表示。

式中 P——抗滲等級；

H——試件開始滲水時的水壓力，MPa。

如混凝土的抗滲等級P6、P8、P12，分別表示試件能夠承受0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa的水壓而不滲透。材料的抗滲等級越高，表示其抗滲性能越好。

材料抗滲性的好壞，與材料的孔隙率和孔隙特征有關。孔隙率小，且是封閉孔隙的材料具有較高的抗滲性。對于地下建筑及水工構筑物，因常受到水的作用，故要求材料具有較高的抗滲性；對于防水材料，則要求具有更高的抗滲性。

5．抗凍性

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態下，能經受多次凍融循環作用而不破壞，同時強度也不顯著降低的性質。

材料吸水后，如果在負溫下受凍，水在材料毛細孔內凍結成冰，體積膨脹約9%，產生的凍脹壓力造成材料的內應力，隨著凍融循環的反復，會使材料表面出現裂紋、剝落等現象，這種破壞稱為凍融破壞。

材料抗凍性用抗凍等級表示，用符號F表示。抗凍等級表示將材料吸水飽和后，按規定方法進行凍融循環試驗，其質量損失、強度降低不超過規定值，所能經受的最大凍融循環次數來確定。如F25、F50、F100等，分別表示在經受25次、50次、100次的凍融循環后仍可滿足使用要求。抗凍等級越高，材料的抗凍性越好。

對抗凍性要求較高的混凝土，可通過快凍法來測定其抗凍性能，確定其抗凍等級。混凝土試件在吸水飽和狀態下，按規定測其橫向基頻的初始值；在規定的凍融循環條件下，每隔25次循環做一次橫向基頻測量。當凍融達到下列三種情況之一時即可停止試驗：①凍融達到規定的循環次數；②相對動彈性模量下降至初始值的60%; ③重量損失率達到5%。混凝土試件的相對動彈性模量可按下式計算：

式中 Pi——n次凍融循環后第i個混凝土試件的相對動彈性模量，%，精確至0.1；

fni——n次凍融循環后第i個混凝土試件的橫向基頻，Hz；

f0i——凍融循環試驗前第i個混凝土試件橫向基頻初始值，Hz。

平均相對動彈性模量應為一組3個混凝土試件相對動彈性模量的平均值。

混凝土試件凍融后的質量損失率可按下式計算：

式中 Δ W ni——n次凍融循環后第i個混凝土試件的質量損失率，%，精確至0.01；

W0i——凍融循環試驗前第i個混凝土試件的質量，g；

Wni——n次凍融循環后第i個混凝土試件的質量，g。

平均質量損失率應為一組3個混凝土試件質量損失率的平均值。

混凝土相對動彈性模量值下降至初始值的60%或質量損失率至5%時，即可認為試件已破壞，并以相應的凍融循環次數作為該混凝土的抗凍等級。若凍融至規定的循環次數，而相對動彈性模量值或質量損失率均未達到上述指標，可認為混凝土的抗凍性已滿足設計要求。用于橋梁和道路的混凝土材料應為F100、F150或F250，而水工混凝土則要求高達F500。

材料的抗凍性與其強度、孔隙率、孔隙特征、含水率等有關。一般情況下，密實的材料、具有閉口孔隙且強度較高的材料，有較強的抗凍能力。

抗凍性良好的材料，對于抵抗大氣溫度變化、干濕交替等破壞作用的能力較強，所以，抗凍性常作為評價材料耐久性的一項重要指標。處于溫暖地區的土建結構，雖無冰凍作用，為抵抗大氣的作用，確保土建結構物的耐久性，有時對材料也提出一定的抗凍性要求。在寒冷地區受水的作用，抗凍性往往決定了其耐久性，抗凍等級越高，材料的耐久性越好。對于室外溫度低于-15℃的地區，其主要工程材料必須進行抗凍性試驗。

2.1.4 材料的熱工性質

1．導熱性

導熱性是指當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一側通過材料傳遞至另一側的性質。材料的導熱性用導熱系數表示，按下式計算：

式中 λ——導熱系數，W/（m·K）；

Q——傳導熱量，J；

d——材料厚度，m；

A——材料傳熱面積，m2；

t——傳熱時間，s；

T2-T1——材料兩側溫度差，K。

導熱系數的物理意義是：厚度為1m的材料，當其兩側溫度差為1K時，在1s時間段內通過1m2面積的熱量。因此，材料的導熱系數越小，絕熱性能越好。通常將導熱系數不大于0.175W/（m·K）的材料稱為絕熱材料。

影響材料導熱系數的因素有材料的化學組成、結構、孔隙狀況及環境溫濕度等。一般來說，金屬材料的導熱系數大于非金屬材料，無機材料的導熱系數大于有機材料，晶體結構材料的導熱系數大于玻璃體或膠體結構的材料。因密閉空氣的導熱系數很小，所以一般孔隙率大，且為閉口微孔的材料導熱系數小。材料受潮或受凍后，其導熱系數會大大提高。這是由于水和冰的導熱系數比空氣的導熱系數大很多，因此，絕熱材料應常處于干燥狀態中，以利于發揮材料的絕熱效能。

2．熱阻

熱阻是指熱量通過材料層時所受到的阻力，即材料層的厚度δ與導熱系數λ的比值，R=δ/λ（m2·K/W）。在多層平壁導熱條件下，應用熱阻概念來計算十分方便，多層平壁的總熱阻等于各單層材料的熱阻之和。

在同樣的溫差條件下，熱阻越大，通過材料層的熱量越少。導熱系數或熱阻是評定材料絕熱性能的主要指標。

3．熱容量與比熱容

熱容量是指材料加熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的能力。熱容量的大小用比熱容表示，按下式計算：

式中 Q——材料的熱容量，J；

m——材料的質量，g；

C——材料比熱容，J/（g·K）；

T2-T1——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K。

比熱容的物理意義是：質量為1g的材料，溫度升高1K時所吸收的熱量，或降低1K時放出的熱量。比熱容大的材料，能在熱流變動或采暖設備供熱不均勻時，緩和室內的溫度波動，對保持土建結構物內部溫度穩定有很大意義。常用建筑材料的熱工性質指標見表2.2。

4．耐熱性

耐熱性是指材料在熱環境中抵抗熱破壞的能力。除有機材料外，一般材料對熱都有一定的耐熱性能。但在高溫作用下，大多數材料都會有不同程度的破壞、融化，甚至著火燃燒。

5．耐火性

耐火性是指材料在長期高溫作用下，保持其結構不被破壞、性能不明顯下降，用耐火度表示。按耐火度的不同，可將材料分為三大類：

（1）耐火材料：耐火度不低于1580℃的材料，如各類耐火磚等。

（2）難熔材料：耐火度為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，如普通黏土磚等。

6．耐燃性

耐燃性是指材料能經受火焰和高溫的作用不破壞、強度不嚴重下降的性能，是影響建筑物防火、結構耐火等級的重要因素。按耐燃性的不同，可將材料分為三大類：

（1）非燃燒材料：遇火或高溫作用時，不起火、不燃燒、不碳化的材料，如混凝土、磚、石、玻璃和金屬等。

（2）難燃材料：遇火或高溫作用時，難起火、難燃燒、難碳化，當火源移走后，已有的燃燒或微燃立即停止的材料，如紙面石膏板、水泥刨花板等。

（3）可燃材料：遇火或高溫作用時，容易引燃起火或微燃，當火源移走后，仍能繼續燃燒的材料，如木材、膠合板等。用可燃材料制作的構件，使用時應做防燃處理。

7．溫度變形性

溫度變形性是指材料在溫度升高或降低時其體積的變化。絕大多數建筑材料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。這種變化表現在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮。材料的溫度變形性，可用線膨脹系數表示，按下式計算：

式中 α——線性膨脹系數，1/K；

ΔL——材料的線膨脹或線收縮量，mm；

L——材料原來的長度，mm；

T2-T1——材料升溫或降溫前后的溫度差，K。

線膨脹系數越大，表明材料的溫度變形性越大。材料的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。如在大面積或大體積混凝土工程中，為防止材料溫度變形引起裂縫，常設置伸縮縫。