1.2　材料的物理性質(zhì)

1.2.1　材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)

（1）材料的密度、表觀密度與堆積密度

①密度（True Density）

材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下、單位體積干材料的質(zhì)量稱(chēng)為材料的密度，按照式（1.1）進(jìn)行計(jì)算：

式中　ρ——材料的密度，g/cm3；

m——材料在絕對(duì)干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

V——材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，cm3。

材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，是指不包括任何孔隙在內(nèi)的體積，即構(gòu)成材料的固體物質(zhì)體積。土木工程中除了鋼材、瀝青、玻璃等少數(shù)接近于絕對(duì)密實(shí)的材料（直接測(cè)其外形尺寸）外，絕大多數(shù)材料都含有一定的孔隙。因此，在測(cè)定有孔隙材料的密度時(shí)，應(yīng)先把材料磨成細(xì)粉（粒徑小于0.2mm），消除內(nèi)部孔隙，經(jīng)干燥后，用李氏密度瓶，采用排液法（與試樣不起反應(yīng)的液體）測(cè)定其實(shí)體體積（即材料的固體物質(zhì)體積）。材料磨的越細(xì)，測(cè)定的密度值越精確。比如磚、石等塊狀材料就是用此法測(cè)定密度的。

②表觀密度（Apparent Density）

材料在自然狀態(tài)下，單位體積材料的質(zhì)量稱(chēng)為材料的表觀密度（原稱(chēng)容重，道路工程中稱(chēng)為體積密度），按式（1.2）進(jìn)行計(jì)算：

式中　ρ0——材料的表觀密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在自然狀態(tài)下的質(zhì)量，g或kg；

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積，cm3或m3。

材料在自然狀態(tài)下的體積，是指構(gòu)成材料的固體物質(zhì)體積V與內(nèi)部孔隙體積V孔之和（圖1.1），即V0=V+V孔，而孔隙體積又包括開(kāi)口孔隙體積V開(kāi)與閉口孔隙體積V閉。測(cè)量該體積時(shí)，規(guī)則形狀的體積，直接測(cè)量外形尺寸；不規(guī)則形狀的體積，采用排水法求得。

當(dāng)材料的孔隙內(nèi)含有水分時(shí)，質(zhì)量和體積均有所變化，所以測(cè)表觀密度時(shí)，必須注明材料的含水情況。常說(shuō)的材料的表觀密度，一般是指材料在氣干狀態(tài)下的測(cè)定值。而干表觀密度是指材料在烘干狀態(tài)下的測(cè)定值。

③堆積密度（Bulk Density）

散粒材料（粉狀或粒狀材料）在堆積狀態(tài)下，單位體積材料的質(zhì)量稱(chēng)為材料的堆積密度，按照式（1.3）進(jìn)行計(jì)算：

式中　 ——散粒材料的堆積密度，kg/m3；

m——散粒材料在堆積狀態(tài)下的質(zhì)量，kg；

——散粒材料在堆積狀態(tài)下的體積，m3。

散粒材料在堆積狀態(tài)下的體積（即堆積體積）包括構(gòu)成材料的固體物質(zhì)體積V、顆粒內(nèi)部全部孔隙體積V孔以及顆粒之間全部空隙體積V空（圖1.2），即=V+V孔+V空=V0+V空。堆積密度，又分為兩種情況：材料在自然堆積（即松散堆積）時(shí)的堆積密度稱(chēng)松堆密度，材料在緊密堆積（如加以振實(shí)）時(shí)的堆積密度稱(chēng)緊堆密度。工程上所說(shuō)的堆積密度是指松堆密度而言。測(cè)定散粒材料的堆積密度時(shí)，采用一定容積的容器來(lái)測(cè)量，材料的質(zhì)量是指填充在該容器內(nèi)的材料質(zhì)量，堆積體積是指所用容器的容積。

在土木工程中，材料的密度、表觀密度和堆積密度一般用來(lái)計(jì)算構(gòu)件的自重、材料的用量、配料以及確定材料運(yùn)輸和堆放的空間，堆積密度顯然要比同材料的密度和表觀密度小得多。常用土木工程材料的密度、表觀密度和堆積密度如表1.1所示。

續(xù)上表

（2）材料的孔隙率與密實(shí)度

①孔隙率

材料內(nèi)部孔隙體積占材料自然狀態(tài)下體積的百分率稱(chēng)為材料的孔隙率，按照式（1.4）進(jìn)行計(jì)算：

材料孔隙率的大小直接反映材料的密實(shí)程度，孔隙率小，則密實(shí)程度高。但是，孔隙率相同的材料，他們的孔隙特征（即孔隙構(gòu)造）可能不同。

②密實(shí)度

材料的固體物質(zhì)體積占自然狀態(tài)下體積的百分率稱(chēng)為材料的密實(shí)度，密實(shí)度反映了材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所填充的程度，按照式（1.5）進(jìn)行計(jì)算：

密實(shí)度與孔隙率之間的關(guān)系為

P+D=1

（3）材料的空隙率與填充率

①空隙率

散粒材料顆粒之間的空隙體積占材料堆積體積的百分率稱(chēng)為材料的空隙率，按照式（1.6）進(jìn)行計(jì)算：

空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒相互填充的程度，在配制混凝土?xí)r，砂石的空隙率作為控制混凝土中集料級(jí)配與砂率計(jì)算的重要依據(jù)。

②填充率

材料在自然狀態(tài)下的體積占堆積體積的百分率稱(chēng)為材料的填充率，填充率反映了材料被顆粒填充的程度，按照式（1.7）進(jìn)行計(jì)算：

密實(shí)度與空隙率之間的關(guān)系為

P′+D′=1

1.2.2　材料與水有關(guān)的性質(zhì)

（1）材料的親水性與憎水性

土木工程材料與水接觸時(shí)，會(huì)有兩種不同的反應(yīng)。有的材料能迅速被水濕潤(rùn)或者使水鋪散于材料表面，這種材料稱(chēng)為親水性材料；而另外一種材料不能被水濕潤(rùn)或者使水以球狀存在于材料表面，這種材料稱(chēng)為憎水性材料。

材料與水接觸時(shí)能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱(chēng)為親水性；而材料與水接觸時(shí)不能被水潤(rùn)濕的性質(zhì)稱(chēng)為憎水性。

材料被水濕潤(rùn)的程度可以用潤(rùn)濕角θ來(lái)表示，當(dāng)材料與水接觸時(shí)，在材料、水和空氣這三相體的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與材料和水接觸面的夾角（逆時(shí)針），稱(chēng)為潤(rùn)濕角，如圖1.3所示。潤(rùn)濕角越小，說(shuō)明材料越容易被水濕潤(rùn)。實(shí)驗(yàn)證明，潤(rùn)濕角θ≤90°的材料為親水性材料，反之，θ>90°的材料不能被水濕潤(rùn)，為憎水性材料。當(dāng)θ=0°時(shí)，表明材料完全被水潤(rùn)濕。上述概念也適用于其他液體對(duì)固體的潤(rùn)濕情況，相應(yīng)稱(chēng)為親液材料和憎液材料。

大多數(shù)土木工程材料，如石子、砂子、磚、混凝土、木材等都屬于親水性材料，表面都能被水濕潤(rùn)，并且能通過(guò)毛細(xì)管作用將水吸入材料的毛細(xì)管內(nèi)部。而瀝青、石蠟、油漆等屬于憎水性材料，表面不能被水潤(rùn)濕。這種材料一般能阻止水分滲入毛細(xì)管內(nèi)部，能降低材料的吸水性。因此，憎水性材料能用作防水材料。另外，還可以對(duì)親水性材料表面進(jìn)行處理，來(lái)降低親水性材料的吸水性。

（2）材料的吸濕性和吸水性

①吸濕性

材料在潮濕空氣中吸附水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸濕性。材料的吸濕性大小，用含水率來(lái)表示。含水率是指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占干材料質(zhì)量的百分率，可按照式（1.8）進(jìn)行計(jì)算：

式中　wh——材料的含水率，％；

mh——材料在吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

材料含水率的大小，除了與材料本身的特性（比如具有微小開(kāi)口的材料吸濕性強(qiáng)）有關(guān)外，還與周?chē)h(huán)境的溫、濕度有關(guān)，氣溫越低、相對(duì)濕度越大，材料的含水率也就越大。

干材料在空氣中會(huì)吸水變濕，而濕材料會(huì)放水變干；不管是吸水，還是放水，最終材料中的水分總會(huì)與外界環(huán)境的濕度達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這時(shí)材料處于氣干狀態(tài)，此時(shí)的含水率稱(chēng)為平衡含水率。即在一定的溫度和濕度條件下，材料中所含水分與周?chē)諝鉂穸冗_(dá)到平衡時(shí)的含水率稱(chēng)為平衡含水率。

②吸水性

材料在水中（通過(guò)毛細(xì)孔隙）吸收水分的性質(zhì)稱(chēng)為吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用質(zhì)量吸水率表示。質(zhì)量吸水率是指材料吸水飽和時(shí)，其內(nèi)部吸收水分的質(zhì)量占干材料質(zhì)量的百分率，可按照式（1.9）進(jìn)行計(jì)算：

式中　wm——材料的質(zhì)量吸水率，％；

mb——材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g；

m——材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

材料的含水率，是表明材料目前含水狀態(tài)的量，環(huán)境溫度越低、濕度越大，含水率越大，含水率的最大值就是質(zhì)量吸水率。而質(zhì)量吸水率是表明材料能吸水的最大能力。因此，含水率有多個(gè)值，而質(zhì)量吸水率只有一個(gè)值，總有wm≥wh。

影響材料吸水性（即吸水率大小）的因素有：

a.材料的親水性和憎水性。水在憎水性材料表明會(huì)形成水滴流掉，吸水率幾乎為零；而親水性材料能吸水，但吸水率到底有多大，還與孔隙率及孔隙特征有關(guān)。

b.材料的孔隙率和孔隙特征。具有細(xì)微連通孔隙的材料，孔隙率越大，則吸水率就越大；而對(duì)于封閉孔隙，水分不易進(jìn)入，開(kāi)口粗大孔隙，水分又只能潤(rùn)濕孔壁表面不能存留在孔內(nèi)。因此，具有封閉、粗大孔隙的材料，吸水率低。

各種材料的吸水率差別很大，如花崗巖的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率為2％～3％，燒結(jié)普通磚的吸水率為8％～20％，木材的吸水率可超過(guò)100％。

（3）材料的耐水性

材料長(zhǎng)期在飽和水作用下不破壞，同時(shí)強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱(chēng)為耐水性。材料的耐水性好壞用軟化系數(shù)表示，材料在飽和水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度的比值，就是軟化系數(shù)，按照式（1.10）計(jì)算：

式中　KR——材料的軟化系數(shù)；

fb——材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa；

f——材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。

軟化系數(shù)的大小表明了材料在吸水飽和后強(qiáng)度降低的程度，KR值越小，說(shuō)明材料吸水飽和后強(qiáng)度降低越多，耐水性越差。一般來(lái)說(shuō)，材料吸水后，強(qiáng)度均有所降低。這是因?yàn)樗直徊牧系奈⒘１砻嫖剑纬伤ざ魅趿宋⒘ｉg的結(jié)合力。

材料的軟化系數(shù)在0～1之間。經(jīng)常位于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物的材料，軟化系數(shù)不宜小于0.85；受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物的材料，軟化系數(shù)不宜小于0.70。軟化系數(shù)大于0.85的材料，通常認(rèn)為是耐水的材料，稱(chēng)為耐水性材料。

（4）材料的抗凍性

材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時(shí)強(qiáng)度也不嚴(yán)重降低的性質(zhì)稱(chēng)為抗凍性。

材料的抗凍性用抗凍等級(jí)表示。材料的抗凍等級(jí)一般是以規(guī)定的試件，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，測(cè)得其強(qiáng)度降低和質(zhì)量損失或動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失（混凝土快凍法）不超過(guò)規(guī)定值，此時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)。

材料受凍融破壞主要是因其孔隙中的水分結(jié)冰造成的。水結(jié)冰時(shí)體積膨脹約9％，若材料孔隙中充滿水，則水結(jié)冰膨脹對(duì)孔壁產(chǎn)生很大的凍脹應(yīng)力及滲透壓力，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，孔壁產(chǎn)生局部開(kāi)裂。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，材料的受凍破壞加重。

影響材料抗凍性的因素有：

①材料的孔隙率和孔隙特征。孔隙率小而且是封閉孔的材料，抗凍性好，因?yàn)榉忾]孔對(duì)冰脹力具有一定的緩沖作用；極細(xì)的孔隙雖然能充水飽和，但孔壁對(duì)水的吸附力極大，水的冰點(diǎn)很低，在一般負(fù)溫下不會(huì)結(jié)冰；粗大孔隙一般水分不易充滿其中，對(duì)凍脹破壞可起緩沖作用；毛細(xì)孔既易充滿水分，又能結(jié)冰，所以最易產(chǎn)生凍脹破壞。

②材料的吸水飽和程度。吸水飽和程度越高，水結(jié)冰產(chǎn)生的冰脹力越大，材料越容易被凍壞。如果孔隙充水不多，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和，有足夠的自由空間，即使凍脹也不致產(chǎn)生破壞應(yīng)力。

③材料抵抗凍脹應(yīng)力的能力，即材料的強(qiáng)度。若材料的變形能力大，強(qiáng)度高，軟化系數(shù)大，則材料的抗凍性能好。一般認(rèn)為，軟化系數(shù)小于0.80的材料，其抗凍性較差。

就外界條件來(lái)說(shuō)，材料受凍破壞的程度與凍融溫度、結(jié)冰速度及凍融頻繁程度等因素有關(guān)，溫度越低、降溫越快、凍融越頻繁，則受凍破壞越嚴(yán)重。

冬季室外溫度低于-15℃的地區(qū)，其重要工程材料必須進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。

（5）材料的抗?jié)B性

材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱(chēng)為抗?jié)B性，另外，材料抵抗其他液體滲透的性質(zhì)，也屬于抗?jié)B性。

對(duì)于混凝土和砂漿材料，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(jí)表示。抗?jié)B等級(jí)是以規(guī)定的試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下所能承受的最大水壓力來(lái)確定。抗?jié)B等級(jí)越高，表明材料的抗?jié)B性越好。

材料抗?jié)B性的好壞，與材料的孔隙率和孔隙特征有密切關(guān)系。孔隙率低而且是封閉孔隙的材料，抗?jié)B性好；孔隙率大而且是連通孔隙的材料，抗?jié)B性差。

對(duì)水工及地下建筑物，要求材料具有一定的抗?jié)B性；對(duì)于防水材料，要求具有更高的抗?jié)B性。

1.2.3　材料的熱工性質(zhì)

為了節(jié)約結(jié)構(gòu)物的能耗以及提供適宜的生活、工作條件，常要求土木工程材料具有一定的熱工性質(zhì)，以維持和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

（1）材料的導(dǎo)熱性

材料傳導(dǎo)熱量的性質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)熱性。材料導(dǎo)熱能力的大小，用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。

導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義為：厚度為1m，面積為1m2的材料，當(dāng)兩側(cè)溫度差為1K時(shí)，在1s內(nèi)所傳遞的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)越小，說(shuō)明材料的導(dǎo)熱性能越差，即絕熱性能越好。各種土木工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，大致在0.023～3.44W/（m·K）之間變化，如泡沫塑料λ=0.035W/（m·K），而大理石λ=3.5W/（m·K）。工程中通常把λ<0.23W/（m·K）的材料稱(chēng)為絕熱材料。

影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有以下幾個(gè)方面：

①材料的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料、無(wú)機(jī)材料、晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別大于非金屬材料、有機(jī)材料、非晶體材料；固體、液體、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)依此減小。而宏觀結(jié)構(gòu)呈纖維狀或?qū)訝畹牟牧希鋵?dǎo)熱系數(shù)與纖維或?qū)拥姆较蛴嘘P(guān)，如木材順紋導(dǎo)熱系數(shù)為橫紋導(dǎo)熱系數(shù)的3倍。

②材料的孔隙率及孔隙特征。在含孔材料中，熱是通過(guò)固體骨架和孔隙中的空氣傳遞的，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，為0.023W/（m·K），而構(gòu)成固體骨架的物質(zhì)均具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，材料的孔隙率愈大，即空氣愈多，導(dǎo)熱系數(shù)愈小，保溫隔熱性能愈好；粗大、連通孔隙的材料，導(dǎo)熱性強(qiáng)，而細(xì)小、封閉孔隙由于減少或降低了對(duì)流傳熱，導(dǎo)熱性能差，保溫隔熱性能好。因此，保溫隔熱材料要求：孔隙率大，且細(xì)小孔、封閉孔多。

對(duì)于纖維狀材料，導(dǎo)熱系數(shù)還與壓實(shí)程度有關(guān)。當(dāng)壓實(shí)達(dá)到某一表觀密度時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)最小，該表觀密度稱(chēng)為最佳表觀密度；當(dāng)小于最佳表觀密度時(shí)，材料內(nèi)空隙過(guò)大，由于空氣對(duì)流作用，將會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)提高。

③含水率（濕度）。材料受潮后，導(dǎo)熱性能提高，保溫隔熱性能變差，這是因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)要比空氣大得多。特別是材料受凍后，保溫隔熱性能急劇下降，主要是由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的近100倍。因此，保溫隔熱材料要防潮、防凍。

④導(dǎo)熱時(shí)的溫度。多數(shù)材料（金屬除外）的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。所以，絕熱材料在低溫下的使用效果更佳。

材料的導(dǎo)熱系數(shù)是采暖房屋的墻體和屋面熱工計(jì)算，以及確定熱表面或冷藏庫(kù)絕熱厚度時(shí)的重要參數(shù)。

（2）材料的熱容量

熱容量是指材料受熱時(shí)吸收熱量，冷卻時(shí)放出熱量的性質(zhì)，可按式（1.11）表示：

Q=cm（t1-t2）　　　　（1.11）

式中　Q——材料吸收或放出的熱量，kJ；

c——材料的比熱，J/（g·K）；

m——材料的質(zhì)量，g；

t1-t2——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K。

比熱的物理意義是指單位質(zhì)量的材料升高或降低單位溫度時(shí)吸收或放出的熱量。不同材料的比熱不同。即使是同一種材料，由于所處物態(tài)不同，比熱也不同。例如，水的比熱為4.19J/（g·K），而冰的比熱為2.05J/（g·K）。比熱大的材料，能在熱流變動(dòng)或采暖設(shè)備供熱不均勻時(shí)，緩和室內(nèi)的溫度波動(dòng)，即調(diào)解室內(nèi)小氣候，因此，材料的比熱對(duì)保持建筑物內(nèi)部的溫度穩(wěn)定有著很大意義。

材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量是設(shè)計(jì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、屋蓋）進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小而熱容量大的土木工程材料，有利于保持建筑物室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)也是工業(yè)窯爐熱工計(jì)算和確定冷藏絕熱層厚度的重要依據(jù)。幾種典型材料的熱工性能指標(biāo)如表1.2所示。

（3）耐燃性

建筑物失火時(shí)，材料能經(jīng)受高溫與火的作用不破壞，強(qiáng)度不嚴(yán)重降低的性能稱(chēng)為耐燃性。根據(jù)耐燃性可將材料分為三大類(lèi)：

①不燃燒類(lèi)。如普通石材、混凝土、磚、石棉等。

②難燃燒類(lèi)。如瀝青混凝土、經(jīng)防火處理的木材等。

③燃燒類(lèi)。如木材、瀝青等。

（4）耐火性

材料在長(zhǎng)期高溫作用下，保持不熔性并能工作的性能稱(chēng)為耐火性。按耐火性高低可將材料分為3類(lèi)：

①耐火材料。如耐火磚中的硅磚、鎂磚、鋁磚、鉻磚等。

②難熔材料。如難熔黏土磚、耐火混凝土等。

③易熔材料。如普通黏土磚等。

（5）材料的熱變形性

材料在溫度變化時(shí)的尺寸變化稱(chēng)為熱變形性。熱變形性的大小用線膨脹系數(shù)表示。材料變形的比率如果是以兩點(diǎn)之間的距離進(jìn)行計(jì)算的，稱(chēng)線膨脹系數(shù)；如果是以物體的體積進(jìn)行計(jì)算的則稱(chēng)體積膨脹系數(shù)。體積膨脹系數(shù)可看作是線膨脹系數(shù)的3倍。

線膨脹系數(shù)是計(jì)算材料在溫度變化時(shí)引起的變形以及計(jì)算溫度應(yīng)力等的常用參數(shù)。幾種材料的線膨脹系數(shù)如下：鋼筋為（10.0～12.0）×10-6/℃；混凝土為（5.8～12.6）×10-6/℃；花崗巖為（6.3～12.4）×10-6/℃。