2.2 材料的物理性質

2.2.1 材料與質量有關的性質

1.密度

密度是指材料在絕對密實狀態下，單位體積的干質量。按式（2.1）計算，即

式中 ρ——材料的密度，g/cm³；

m——材料在干燥狀態下的質量，g；

V——材料在絕對密實狀態下的體積，cm³。

材料在絕對密實狀態下的體積，是指不包含材料內部孔隙的實體積。除了鋼材、玻璃、瀝青等少數材料外，絕大多數材料在自然狀態下含有一些孔隙。在測定有孔隙材料的密度時，先把材料磨成細粉，烘干至恒質量，然后用李氏瓶測得其實體積，用式（2.1）計算得到密度值。材料磨得越細，測得的體積越真實，得到的密度值也越精確。

2.表觀密度

表觀密度是指材料在自然狀態下，單位體積的干質量。按式（2.2）計算，即

式中 ρ₀——材料的表觀密度，kg/m³；

m——材料在干燥狀態下的質量，kg；

V ₀——材料在自然狀態下的體積，m³。

材料在自然狀態下的體積，是指包括實體積和孔隙體積在內的體積。對于形狀規則的塊狀材料，可直接量測體積；對于形狀不規則的塊狀材料，需先加工成規則形狀，再量測體積。對于混凝土用的砂石骨料，直接用排液法量測體積，此時的體積是實體積與閉口孔隙體積之和，即不包括與外界連通的開口孔隙體積。由于砂石比較密實，孔隙很少，開口孔隙體積更少，所以用排液法測的密度也稱為表觀密度，過去稱為視密度；對于多孔的散粒狀材料，可用蠟封法封閉孔隙，然后再用排液法量測體積。

材料的含水狀態變化時，其質量和體積均發生變化。通常表觀密度是指材料在干燥狀態下的表觀密度，其他含水情況應注明。

3.堆積密度

堆積密度是指粒狀或粉狀材料在堆積狀態下，單位體積的干質量。按式（2.3）計算，即

式中——材料的堆積密度，kg/m³；

m——材料在干燥狀態下的質量，kg；

——材料在堆積狀態下的體積，m³。

堆積密度的體積用容積升來測定。容積升的大小視顆粒的大小而定，如砂子用1L的容積升，石子用10L、20L、30L的容積升。

堆積密度是指材料在氣干狀態下的堆積密度，其他含水情況應注明。

常用建筑材料的密度、表觀密度和堆積密度見表2.1。

4.材料的密實度與孔隙率

（1）密實度。密實度是指材料體積內被固體物質充實的程度，也就是固體體積占自然體積的百分率。用D來表示，按式（2.4）計算，即

（2）孔隙率。孔隙率是指材料體積內孔隙體積占自然體積的百分率。用P來表示，按式（2.5）計算，即

密實度與孔隙率的關系，可用下式來表示，即

D+P=1

密實度與孔隙率均反映了材料的致密程度。孔隙率的大小及孔隙特征（包括孔隙大小、是否連通、分布情況等）對材料的性質影響很大。一般而言，同一種材料，孔隙率越小，連通孔隙越少，其強度越高，吸水性越小，抗滲性和抗凍性越好，但是導熱性越大。幾種常用材料的孔隙率見表2.1。

5.材料的填充率與空隙率

（1）填充率。填充率是指散粒材料在堆積體積中被其顆粒填充的程度，也就是散粒狀材料的自然體積占堆積體積的百分率。用D′來表示，按式（2.6）計算，即

（2）空隙率。空隙率是指散粒材料在堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占堆積體積的百分率。用P′來表示，按式（2.7）計算，即

空隙率的大小反映了散粒材料的顆粒之間相互填充的致密程度。

填充率與空隙率的關系，可用下式來表示，即

D′+P′=1

2.2.2 材料與水有關的性質

1.材料的親水性與憎水性

材料在空氣中與水接觸時，根據其能否被水濕潤分為親水性和憎水性。材料與水接觸時，能被水濕潤的性質稱為親水性，具有親水性的材料稱為親水性材料；材料與水接觸時，不能被水濕潤的性質稱為憎水性，具有憎水性的材料稱為憎水性材料。

當水滴在空氣中與材料接觸時，會出現兩種情況，如圖2.1所示。在材料、水和空氣三相的交點處，沿水滴表面作切線，此切線與材料表面的夾角θ，稱為濕潤角。

圖2.1 材料濕潤示意圖

（a）親水性材料；（b）憎水性材料

當θ≤90°時，材料表現為親水性，如木材、磚、混凝土、石、鋼材等。材料親水的原因是材料的分子與水分子間的吸引力大于水分子之間的內聚力，因此，材料能被水濕潤。

當θ>90°時，材料表現為憎水性，如瀝青、石蠟、塑料等。材料憎水的原因是材料的分子與水分子間的吸引力小于水分子之間的內聚力，因此，材料不能被水濕潤。憎水材料具有較好的防水性，常用作防水材料，也可用于親水性材料的表面處理，以減少吸水率，提高抗滲性。

2.材料的吸水性與吸濕性

（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，吸水率有兩種表示方法。

1）質量吸水率。質量吸水率是指材料在吸水飽和狀態下，所吸水的質量占材料干質量的百分率，即材料吸水飽和時的含水率。按式（2.8）計算，即

式中 W_m——材料的質量吸水率，%；

m _b——材料吸水飽和狀態下的質量，g；

m——材料在干燥狀態下的質量，g。

2）體積吸水率。體積吸水率是指材料吸水飽和狀態下，所吸水的體積占材料自然體積的百分率。按式（2.9）計算，即

式中 W_V——材料的體積吸水率，%；

V ₀——干燥材料在自然狀態下的體積，cm³；

ρ _w——水的密度，g/cm³，在常溫下ρ_w取1.0g/cm³；

其他符號意義與前相同。

由式（2.8）和式（2.9）可知，質量吸水率與體積吸水率的關系為式（2.10），即

材料的吸水性，不僅取決于材料是親水性與憎水性，還與其孔隙率的大小及孔隙特征有關。一般材料的孔隙率越大，吸水性越強；開口而連通的細小孔隙越多，吸水性越強；閉口孔隙，水分不易進入；開口的粗大孔隙，水分容易進入，但不能存留，故吸水性較小。各種材料的吸水率差別很大，如花崗巖等致密巖石的質量吸水率為0.2%～0.7%，普通混凝土的質量吸水率為2%～3%，燒結普通黏土磚的質量吸水率為8%～20%，木材或其他輕質材料的質量吸水率大于100%。

材料的吸水性會對其性質產生不利影響。例如，材料吸水后，使其質量增加，體積膨脹，導熱性增大，強度和耐久性下降。

（2）吸濕性。吸濕性是指材料在空氣中吸收水分的性質。吸濕性以含水率來表示。

含水率是指材料中所含水的質量占其干質量的百分率。用W來表示，按式（2.11）計算，即

式中 W——材料的含水率，%；

m ₁——材料在含水狀態下的質量，g；

m——材料在干燥狀態下的質量，g。

材料的吸濕作用是可逆的，干燥的材料可吸收空氣中的水分，潮濕的材料可向空氣釋放水分。當材料中所含水分與空氣濕度達到平衡時的含水率，稱為平衡含水率。

材料的吸濕性與空氣的溫度和濕度有關，空氣的濕度大、溫度低，材料的吸濕性就大；反之則小。影響材料吸濕性的因素，以及材料吸濕后對其性質的影響，均與材料的吸水性相同。

3.材料的耐水性

耐水性是指材料長期在水的作用下，保持其原有性質的能力。

不同的材料，其耐水性的表示方法不同。例如，結構材料的耐水性主要指強度的變化，用軟化系數來表示，按式（2.12）計算，即

式中 K_p——材料的軟化系數；

f _sw——材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa；

f _d——材料在干燥狀態下的抗壓強度，MPa。

材料的軟化系數K_p在0（黏土）～1（鋼材）之間變化。K_p的大小，說明材料吸水飽和后其強度下降的程度，K_p越大，表明材料吸水飽和后其強度下降得越少，其耐水性越強；反之則耐水性越差。一般認為K_p≥0.85的材料，稱為耐水性材料。K_p是選用建筑材料的重要依據，經常位于水中或受潮嚴重的重要結構物，應選用K_p≥0.85的材料；受潮較輕的或次要結構物，應選用K_p≥0.75的材料。

4.材料的抗滲性

抗滲性是指材料抵抗壓力水或其他液體滲透的性能。

抗滲性可用滲透系數K來表示，可按式（2.13）計算，即

式中 K——滲透系數，cm³/（cm²·s）或cm/s；

Q——滲水量，cm³；

d——試件厚度，cm；

A——滲水面積，cm²；

t——滲水時間，s；

H——水頭，cm。

滲透系數K，反映水在材料中流動的速度。K越大，說明水在材料中流動的速度越快，其抗滲性越差。

有些材料（如混凝土、砂漿等）的抗滲性也可用抗滲等級Pi來表示，抗滲等級用材料抵抗最大水壓力來表示，如P2、P4、P6、P8、P10、P12等，分別表示材料可抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水壓力而不滲水。

材料的抗滲性不僅與材料本身的親水性和憎水性有關，還與材料的孔隙率和孔隙特征有關。材料的孔隙率越小而且閉口孔隙越多，其抗滲性越強。經常受壓力水作用的地下工程及水利工程等，應選用具有一定抗滲性的材料。

5.材料的抗凍性

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被破壞，其強度也不嚴重降低的性質。材料的抗凍性用抗凍等級來表示。

抗凍等級是以試件在吸水飽和狀態下，經凍融循環作用，質量損失和強度下降均不超過規定數值的最大凍融循環次數Fi來表示，如F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分別表示材料可承受的最大凍融循環次數為25次、50次、100次、200次、250次、300次等。

材料凍結破壞的原因，是由于其內部孔隙中的水結冰產生體積膨脹（大約9%）而造成的。當材料的孔隙中充滿水，水結冰后體積膨脹，而對孔壁產生很大的膨脹拉應力，如果該應力超過材料的抗拉強度時，使孔壁開裂，孔隙率增加，強度下降。凍融循環次數越多，對材料的破壞越嚴重，甚至造成材料的完全破壞。

影響材料抗凍性的因素有內因和外因。內因是指材料的組成、結構、構造、孔隙率的大小和孔隙特征、強度、耐水性等。外因是指材料孔隙中充水的程度、凍結溫度、凍結速度、凍融頻率等。

2.2.3 材料的熱工性質

1.導熱性

材料傳遞熱量的性質稱為材料的導熱性。導熱性用熱導率λ來表示，可按式（2.14）計算，即

式中 λ——熱導率，W/（m·K）；

Q——傳導的熱量，J；

d——材料的厚度，m；

A——材料的傳熱面積，m²；

t——傳熱時間，h；

T ₂ -T ₁——材料兩側的溫度差，K。

熱導率λ越小，材料的隔熱保溫性能越好。

材料的導熱性與材料的組成和結構、孔隙率的大小和孔隙特征、含水率及溫度等有關。金屬材料的熱導率大于非金屬材料的熱導率。材料的孔隙率越大，熱導率越小。細小而封閉的孔隙，熱導率較小；粗大、開口且連通的孔隙，容易形成對流傳熱，熱導率較大。因水和冰的熱導率比空氣大很多，故材料含水或含冰時，其熱導率會急劇增加。

2.熱容量

材料受熱時吸收熱量、冷卻時放出熱量的性質，稱為熱容量。可按式（2.15）和式（2.16）計算，即

或

式中 Q——材料吸收或放出的熱量，J；

m——材料的質量，g；

C——材料的比熱容，J/（g·K）；

T ₂ -T ₁——材料受熱或冷卻前后的溫度差，K。

材料的比熱容，是指單位質量的材料，在溫度升高或降低1K時，吸收或放出的熱量。比熱容越大，對保證室內溫度的相對穩定越有利。

對建筑物進行熱工計算時，需了解材料的熱導率和比熱容。幾種常用材料的熱導率和比熱容參見表2.2。

3.熱變形性

材料隨溫度的升降而產生熱脹冷縮變形的性質，稱為材料的熱變形性，習慣上稱為溫度變形。熱變形性用熱脹系數α來表示，可按式（2.17）計算，即

式中 α——材料的熱脹系數，1／K；

ΔL——試件的膨脹或收縮值，mm；

L——試件在升降溫前的長度，mm；

Δt——溫度差，K。

熱脹系數α越大，表明材料的熱變形性越大。

材料的熱變形性，對于土木工程是不利的。例如，在大面積或大體積的混凝土工程中，當熱變形產生的膨脹拉應力，超過混凝土的抗拉強度時，可引起溫度裂縫；對于大體積的土木工程，為防止熱變形引起裂縫，應設置伸縮縫；對于石油瀝青，當溫度降低到一定程度，易產生脆裂等。

4.耐燃性

材料在空氣中遇火不燃燒的性能，稱為材料的耐燃性。按照遇火時的反應將材料分為非燃燒材料（A）、難燃燒材料（B1）、可燃燒材料（B2）和易燃燒材料（B3）四級。

（1）非燃燒材料。在空氣中受到火燒或高溫作用時，不起火、不碳化、不微燒的材料，稱為非燃燒材料，如磚、天然石材、混凝土、砂漿、金屬材料等。

（2）難燃燒材料。在空氣中受到火燒或高溫作用時，難燃燒、難碳化，離開火源后燃燒或微燒立即停止的材料，成為難燃燒材料，如石膏板、水泥石棉板、板條抹灰等。

（3）可燃燒材料。在空氣中受到火燒或高溫作用時，立即起火或微燒，且離開火源后仍繼續燃燒或微燒的材料，稱為可燃燒材料，如膠合板、纖維板、木材、葦箔等。

（4）易燃燒材料。在空氣中受到火燒或高溫作用時，立即起火，并迅速燃燒，且離開火源后仍繼續迅速燃燒的材料，稱為易燃燒材料，如纖維織物等。

在建筑工程中，應根據建筑物的耐火等級和材料的使用部位，選用非燃燒材料或難燃燒材料。當采用燃燒材料時，應進行防火處理。

5.耐火性

耐火性是指材料在火焰或高溫作用下保持其不破壞、性能不明顯下降的能力。用耐火極限來表示。

耐火極限：按規定方法，從材料受到火的作用起，直到材料失去支持能力、完整性被破壞或失去隔火作用止用的時間，用h來表示。例如：鋼材的耐火極限0.25h。

耐燃性和耐火性的區別是耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如金屬材料、玻璃等雖屬于耐燃性材料，但在高溫或火的作用下在短時間內就會變形、熔融，因而不屬于耐火材料。