1.2　材料的物理性质

1.2.1　材料与质量有关的性质

（1）材料的密度、表观密度与堆积密度

①密度（True Density）

材料在绝对密实状态下、单位体积干材料的质量称为材料的密度，按照式（1.1）进行计算：

式中　ρ——材料的密度，g/cm3；

m——材料在绝对干燥状态下的质量，g；

V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。

材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括任何孔隙在内的体积，即构成材料的固体物质体积。土木工程中除了钢材、沥青、玻璃等少数接近于绝对密实的材料（直接测其外形尺寸）外，绝大多数材料都含有一定的孔隙。因此，在测定有孔隙材料的密度时，应先把材料磨成细粉（粒径小于0.2mm），消除内部孔隙，经干燥后，用李氏密度瓶，采用排液法（与试样不起反应的液体）测定其实体体积（即材料的固体物质体积）。材料磨的越细，测定的密度值越精确。比如砖、石等块状材料就是用此法测定密度的。

②表观密度（Apparent Density）

材料在自然状态下，单位体积材料的质量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中称为体积密度），按式（1.2）进行计算：

式中　ρ0——材料的表观密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在自然状态下的质量，g或kg；

V0——材料在自然状态下的体积，cm3或m3。

材料在自然状态下的体积，是指构成材料的固体物质体积V与内部孔隙体积V孔之和（图1.1），即V0=V+V孔，而孔隙体积又包括开口孔隙体积V开与闭口孔隙体积V闭。测量该体积时，规则形状的体积，直接测量外形尺寸；不规则形状的体积，采用排水法求得。

当材料的孔隙内含有水分时，质量和体积均有所变化，所以测表观密度时，必须注明材料的含水情况。常说的材料的表观密度，一般是指材料在气干状态下的测定值。而干表观密度是指材料在烘干状态下的测定值。

③堆积密度（Bulk Density）

散粒材料（粉状或粒状材料）在堆积状态下，单位体积材料的质量称为材料的堆积密度，按照式（1.3）进行计算：

式中　 ——散粒材料的堆积密度，kg/m3；

m——散粒材料在堆积状态下的质量，kg；

——散粒材料在堆积状态下的体积，m3。

散粒材料在堆积状态下的体积（即堆积体积）包括构成材料的固体物质体积V、颗粒内部全部孔隙体积V孔以及颗粒之间全部空隙体积V空（图1.2），即=V+V孔+V空=V0+V空。堆积密度，又分为两种情况：材料在自然堆积（即松散堆积）时的堆积密度称松堆密度，材料在紧密堆积（如加以振实）时的堆积密度称紧堆密度。工程上所说的堆积密度是指松堆密度而言。测定散粒材料的堆积密度时，采用一定容积的容器来测量，材料的质量是指填充在该容器内的材料质量，堆积体积是指所用容器的容积。

在土木工程中，材料的密度、表观密度和堆积密度一般用来计算构件的自重、材料的用量、配料以及确定材料运输和堆放的空间，堆积密度显然要比同材料的密度和表观密度小得多。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1.1所示。

续上表

（2）材料的孔隙率与密实度

①孔隙率

材料内部孔隙体积占材料自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率，按照式（1.4）进行计算：

材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。但是，孔隙率相同的材料，他们的孔隙特征（即孔隙构造）可能不同。

②密实度

材料的固体物质体积占自然状态下体积的百分率称为材料的密实度，密实度反映了材料体积内被固体物质所填充的程度，按照式（1.5）进行计算：

密实度与孔隙率之间的关系为

P+D=1

（3）材料的空隙率与填充率

①空隙率

散粒材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率称为材料的空隙率，按照式（1.6）进行计算：

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的程度，在配制混凝土时，砂石的空隙率作为控制混凝土中集料级配与砂率计算的重要依据。

②填充率

材料在自然状态下的体积占堆积体积的百分率称为材料的填充率，填充率反映了材料被颗粒填充的程度，按照式（1.7）进行计算：

密实度与空隙率之间的关系为

P′+D′=1

1.2.2　材料与水有关的性质

（1）材料的亲水性与憎水性

土木工程材料与水接触时，会有两种不同的反应。有的材料能迅速被水湿润或者使水铺散于材料表面，这种材料称为亲水性材料；而另外一种材料不能被水湿润或者使水以球状存在于材料表面，这种材料称为憎水性材料。

材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性；而材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。

材料被水湿润的程度可以用润湿角θ来表示，当材料与水接触时，在材料、水和空气这三相体的交点处，沿水滴表面的切线与材料和水接触面的夹角（逆时针），称为润湿角，如图1.3所示。润湿角越小，说明材料越容易被水湿润。实验证明，润湿角θ≤90°的材料为亲水性材料，反之，θ>90°的材料不能被水湿润，为憎水性材料。当θ=0°时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。

大多数土木工程材料，如石子、砂子、砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面都能被水湿润，并且能通过毛细管作用将水吸入材料的毛细管内部。而沥青、石蜡、油漆等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。这种材料一般能阻止水分渗入毛细管内部，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，还可以对亲水性材料表面进行处理，来降低亲水性材料的吸水性。

（2）材料的吸湿性和吸水性

①吸湿性

材料在潮湿空气中吸附水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小，用含水率来表示。含水率是指材料内部所含水的质量占干材料质量的百分率，可按照式（1.8）进行计算：

式中　wh——材料的含水率，％；

mh——材料在吸湿状态下的质量，g；

m——材料在干燥状态下的质量，g。

材料含水率的大小，除了与材料本身的特性（比如具有微小开口的材料吸湿性强）有关外，还与周围环境的温、湿度有关，气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。

干材料在空气中会吸水变湿，而湿材料会放水变干；不管是吸水，还是放水，最终材料中的水分总会与外界环境的湿度达到一个平衡状态，这时材料处于气干状态，此时的含水率称为平衡含水率。即在一定的温度和湿度条件下，材料中所含水分与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。

②吸水性

材料在水中（通过毛细孔隙）吸收水分的性质称为吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用质量吸水率表示。质量吸水率是指材料吸水饱和时，其内部吸收水分的质量占干材料质量的百分率，可按照式（1.9）进行计算：

式中　wm——材料的质量吸水率，％；

mb——材料在吸水饱和状态下的质量，g；

m——材料在干燥状态下的质量，g。

材料的含水率，是表明材料目前含水状态的量，环境温度越低、湿度越大，含水率越大，含水率的最大值就是质量吸水率。而质量吸水率是表明材料能吸水的最大能力。因此，含水率有多个值，而质量吸水率只有一个值，总有wm≥wh。

影响材料吸水性（即吸水率大小）的因素有：

a.材料的亲水性和憎水性。水在憎水性材料表明会形成水滴流掉，吸水率几乎为零；而亲水性材料能吸水，但吸水率到底有多大，还与孔隙率及孔隙特征有关。

b.材料的孔隙率和孔隙特征。具有细微连通孔隙的材料，孔隙率越大，则吸水率就越大；而对于封闭孔隙，水分不易进入，开口粗大孔隙，水分又只能润湿孔壁表面不能存留在孔内。因此，具有封闭、粗大孔隙的材料，吸水率低。

各种材料的吸水率差别很大，如花岗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率为2％～3％，烧结普通砖的吸水率为8％～20％，木材的吸水率可超过100％。

（3）材料的耐水性

材料长期在饱和水作用下不破坏，同时强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性好坏用软化系数表示，材料在饱和水状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度的比值，就是软化系数，按照式（1.10）计算：

式中　KR——材料的软化系数；

fb——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；

f——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

软化系数的大小表明了材料在吸水饱和后强度降低的程度，KR值越小，说明材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差。一般来说，材料吸水后，强度均有所降低。这是因为水分被材料的微粒表面吸附，形成水膜而削弱了微粒间的结合力。

材料的软化系数在0～1之间。经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数不宜小于0.70。软化系数大于0.85的材料，通常认为是耐水的材料，称为耐水性材料。

（4）材料的抗冻性

材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性质称为抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。材料的抗冻等级一般是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和质量损失或动弹性模量和质量损失（混凝土快冻法）不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数。

材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水分结冰造成的。水结冰时体积膨胀约9％，若材料孔隙中充满水，则水结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力及渗透压力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁产生局部开裂。随着冻融循环次数的增多，材料的受冻破坏加重。

影响材料抗冻性的因素有：

①材料的孔隙率和孔隙特征。孔隙率小而且是封闭孔的材料，抗冻性好，因为封闭孔对冰胀力具有一定的缓冲作用；极细的孔隙虽然能充水饱和，但孔壁对水的吸附力极大，水的冰点很低，在一般负温下不会结冰；粗大孔隙一般水分不易充满其中，对冻胀破坏可起缓冲作用；毛细孔既易充满水分，又能结冰，所以最易产生冻胀破坏。

②材料的吸水饱和程度。吸水饱和程度越高，水结冰产生的冰胀力越大，材料越容易被冻坏。如果孔隙充水不多，远未达到饱和，有足够的自由空间，即使冻胀也不致产生破坏应力。

③材料抵抗冻胀应力的能力，即材料的强度。若材料的变形能力大，强度高，软化系数大，则材料的抗冻性能好。一般认为，软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。

就外界条件来说，材料受冻破坏的程度与冻融温度、结冰速度及冻融频繁程度等因素有关，温度越低、降温越快、冻融越频繁，则受冻破坏越严重。

冬季室外温度低于-15℃的地区，其重要工程材料必须进行抗冻性试验。

（5）材料的抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，另外，材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性。

对于混凝土和砂浆材料，抗渗性常用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级越高，表明材料的抗渗性越好。

材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。孔隙率低而且是封闭孔隙的材料，抗渗性好；孔隙率大而且是连通孔隙的材料，抗渗性差。

对水工及地下建筑物，要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，要求具有更高的抗渗性。

1.2.3　材料的热工性质

为了节约结构物的能耗以及提供适宜的生活、工作条件，常要求土木工程材料具有一定的热工性质，以维持和调节室内温度。

（1）材料的导热性

材料传导热量的性质称为导热性。材料导热能力的大小，用导热系数来表示。

导热系数的物理意义为：厚度为1m，面积为1m2的材料，当两侧温度差为1K时，在1s内所传递的热量。导热系数越小，说明材料的导热性能越差，即绝热性能越好。各种土木工程材料的导热系数差别很大，大致在0.023～3.44W/（m·K）之间变化，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）的材料称为绝热材料。

影响材料导热系数的因素主要有以下几个方面：

①材料的物质组成与结构。一般来说，金属材料、无机材料、晶体材料的导热系数分别大于非金属材料、有机材料、非晶体材料；固体、液体、气体的导热系数依此减小。而宏观结构呈纤维状或层状的材料，其导热系数与纤维或层的方向有关，如木材顺纹导热系数为横纹导热系数的3倍。

②材料的孔隙率及孔隙特征。在含孔材料中，热是通过固体骨架和孔隙中的空气传递的，空气的导热系数很小，为0.023W/（m·K），而构成固体骨架的物质均具有较大的导热系数。因此，材料的孔隙率愈大，即空气愈多，导热系数愈小，保温隔热性能愈好；粗大、连通孔隙的材料，导热性强，而细小、封闭孔隙由于减少或降低了对流传热，导热性能差，保温隔热性能好。因此，保温隔热材料要求：孔隙率大，且细小孔、封闭孔多。

对于纤维状材料，导热系数还与压实程度有关。当压实达到某一表观密度时，其导热系数最小，该表观密度称为最佳表观密度；当小于最佳表观密度时，材料内空隙过大，由于空气对流作用，将会使导热系数提高。

③含水率（湿度）。材料受潮后，导热性能提高，保温隔热性能变差，这是因为水的导热系数要比空气大得多。特别是材料受冻后，保温隔热性能急剧下降，主要是由于冰的导热系数是空气导热系数的近100倍。因此，保温隔热材料要防潮、防冻。

④导热时的温度。多数材料（金属除外）的导热系数随温度升高而增大。所以，绝热材料在低温下的使用效果更佳。

材料的导热系数是采暖房屋的墙体和屋面热工计算，以及确定热表面或冷藏库绝热厚度时的重要参数。

（2）材料的热容量

热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，可按式（1.11）表示：

Q=cm（t1-t2）　　　　（1.11）

式中　Q——材料吸收或放出的热量，kJ；

c——材料的比热，J/（g·K）；

m——材料的质量，g；

t1-t2——材料受热或冷却前后的温度差，K。

比热的物理意义是指单位质量的材料升高或降低单位温度时吸收或放出的热量。不同材料的比热不同。即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同。例如，水的比热为4.19J/（g·K），而冰的比热为2.05J/（g·K）。比热大的材料，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，即调解室内小气候，因此，材料的比热对保持建筑物内部的温度稳定有着很大意义。

材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数小而热容量大的土木工程材料，有利于保持建筑物室内温度的稳定性。同时，导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏绝热层厚度的重要依据。几种典型材料的热工性能指标如表1.2所示。

（3）耐燃性

建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重降低的性能称为耐燃性。根据耐燃性可将材料分为三大类：

①不燃烧类。如普通石材、混凝土、砖、石棉等。

②难燃烧类。如沥青混凝土、经防火处理的木材等。

③燃烧类。如木材、沥青等。

（4）耐火性

材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能称为耐火性。按耐火性高低可将材料分为3类：

①耐火材料。如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等。

②难熔材料。如难熔黏土砖、耐火混凝土等。

③易熔材料。如普通黏土砖等。

（5）材料的热变形性

材料在温度变化时的尺寸变化称为热变形性。热变形性的大小用线膨胀系数表示。材料变形的比率如果是以两点之间的距离进行计算的，称线膨胀系数；如果是以物体的体积进行计算的则称体积膨胀系数。体积膨胀系数可看作是线膨胀系数的3倍。

线膨胀系数是计算材料在温度变化时引起的变形以及计算温度应力等的常用参数。几种材料的线膨胀系数如下：钢筋为（10.0～12.0）×10-6/℃；混凝土为（5.8～12.6）×10-6/℃；花岗岩为（6.3～12.4）×10-6/℃。