1.2　材料的物理性質

1.2.1　材料與質量有關的性質

（1）材料的密度、表觀密度與堆積密度

①密度（True Density）

材料在絕對密實狀態下、單位體積干材料的質量稱為材料的密度，按照式（1.1）進行計算：

式中　ρ——材料的密度，g/cm3；

m——材料在絕對干燥狀態下的質量，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，是指不包括任何孔隙在內的體積，即構成材料的固體物質體積。土木工程中除了鋼材、瀝青、玻璃等少數接近于絕對密實的材料（直接測其外形尺寸）外，絕大多數材料都含有一定的孔隙。因此，在測定有孔隙材料的密度時，應先把材料磨成細粉（粒徑小于0.2mm），消除內部孔隙，經干燥后，用李氏密度瓶，采用排液法（與試樣不起反應的液體）測定其實體體積（即材料的固體物質體積）。材料磨的越細，測定的密度值越精確。比如磚、石等塊狀材料就是用此法測定密度的。

②表觀密度（Apparent Density）

材料在自然狀態下，單位體積材料的質量稱為材料的表觀密度（原稱容重，道路工程中稱為體積密度），按式（1.2）進行計算：

式中　ρ0——材料的表觀密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料在自然狀態下的質量，g或kg；

V0——材料在自然狀態下的體積，cm3或m3。

材料在自然狀態下的體積，是指構成材料的固體物質體積V與內部孔隙體積V孔之和（圖1.1），即V0=V+V孔，而孔隙體積又包括開口孔隙體積V開與閉口孔隙體積V閉。測量該體積時，規則形狀的體積，直接測量外形尺寸；不規則形狀的體積，采用排水法求得。

當材料的孔隙內含有水分時，質量和體積均有所變化，所以測表觀密度時，必須注明材料的含水情況。常說的材料的表觀密度，一般是指材料在氣干狀態下的測定值。而干表觀密度是指材料在烘干狀態下的測定值。

③堆積密度（Bulk Density）

散粒材料（粉狀或粒狀材料）在堆積狀態下，單位體積材料的質量稱為材料的堆積密度，按照式（1.3）進行計算：

式中　 ——散粒材料的堆積密度，kg/m3；

m——散粒材料在堆積狀態下的質量，kg；

——散粒材料在堆積狀態下的體積，m3。

散粒材料在堆積狀態下的體積（即堆積體積）包括構成材料的固體物質體積V、顆粒內部全部孔隙體積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）時的堆積密度稱松堆密度，材料在緊密堆積（如加以振實）時的堆積密度稱緊堆密度。工程上所說的堆積密度是指松堆密度而言。測定散粒材料的堆積密度時，采用一定容積的容器來測量，材料的質量是指填充在該容器內的材料質量，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計算構件的自重、材料的用量、配料以及確定材料運輸和堆放的空間，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。

續上表

（2）材料的孔隙率與密實度

①孔隙率

材料內部孔隙體積占材料自然狀態下體積的百分率稱為材料的孔隙率，按照式（1.4）進行計算：

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

②密實度

材料的固體物質體積占自然狀態下體積的百分率稱為材料的密實度，密實度反映了材料體積內被固體物質所填充的程度，按照式（1.5）進行計算：

密實度與孔隙率之間的關系為

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為材料的空隙率，按照式（1.6）進行計算：

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

②填充率

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

密實度與空隙率之間的關系為

P′+D′=1

1.2.2　材料與水有關的性質

（1）材料的親水性與憎水性

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

材料與水接觸時能被水潤濕的性質稱為親水性；而材料與水接觸時不能被水潤濕的性質稱為憎水性。

材料被水濕潤的程度可以用潤濕角θ來表示，當材料與水接觸時，在材料、水和空氣這三相體的交點處，沿水滴表面的切線與材料和水接觸面的夾角（逆時針），稱為潤濕角，如圖1.3所示。潤濕角越小，說明材料越容易被水濕潤。實驗證明，潤濕角θ≤90°的材料為親水性材料，反之，θ>90°的材料不能被水濕潤，為憎水性材料。當θ=0°時，表明材料完全被水潤濕。上述概念也適用于其他液體對固體的潤濕情況，相應稱為親液材料和憎液材料。

大多數土木工程材料，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，并且能通過毛細管作用將水吸入材料的毛細管內部。而瀝青、石蠟、油漆等屬于憎水性材料，表面不能被水潤濕。這種材料一般能阻止水分滲入毛細管內部，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，還可以對親水性材料表面進行處理，來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稱為吸濕性。材料的吸濕性大小，用含水率來表示。含水率是指材料內部所含水的質量占干材料質量的百分率，可按照式（1.8）進行計算：

式中　wh——材料的含水率，％；

mh——材料在吸濕狀態下的質量，g；

m——材料在干燥狀態下的質量，g。

材料含水率的大小，除了與材料本身的特性（比如具有微小開口的材料吸濕性強）有關外，還與周圍環境的溫、濕度有關，氣溫越低、相對濕度越大，材料的含水率也就越大。

干材料在空氣中會吸水變濕，而濕材料會放水變干；不管是吸水，還是放水，最終材料中的水分總會與外界環境的濕度達到一個平衡狀態，這時材料處于氣干狀態，此時的含水率稱為平衡含水率。即在一定的溫度和濕度條件下，材料中所含水分與周圍空氣濕度達到平衡時的含水率稱為平衡含水率。

②吸水性

材料在水中（通過毛細孔隙）吸收水分的性質稱為吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用質量吸水率表示。質量吸水率是指材料吸水飽和時，其內部吸收水分的質量占干材料質量的百分率，可按照式（1.9）進行計算：

式中　wm——材料的質量吸水率，％；

mb——材料在吸水飽和狀態下的質量，g；

m——材料在干燥狀態下的質量，g。

材料的含水率，是表明材料目前含水狀態的量，環境溫度越低、濕度越大，含水率越大，含水率的最大值就是質量吸水率。而質量吸水率是表明材料能吸水的最大能力。因此，含水率有多個值，而質量吸水率只有一個值，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。

b.材料的孔隙率和孔隙特征。具有細微連通孔隙的材料，孔隙率越大，則吸水率就越大；而對于封閉孔隙，水分不易進入，開口粗大孔隙，水分又只能潤濕孔壁表面不能存留在孔內。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％，燒結普通磚的吸水率為8％～20％，木材的吸水率可超過100％。

（3）材料的耐水性

材料長期在飽和水作用下不破壞，同時強度也不顯著降低的性質稱為耐水性。材料的耐水性好壞用軟化系數表示，材料在飽和水狀態下的抗壓強度與材料在干燥狀態下的抗壓強度的比值，就是軟化系數，按照式（1.10）計算：

式中　KR——材料的軟化系數；

fb——材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa；

f——材料在干燥狀態下的抗壓強度，MPa。

軟化系數的大小表明了材料在吸水飽和后強度降低的程度，KR值越小，說明材料吸水飽和后強度降低越多，耐水性越差。一般來說，材料吸水后，強度均有所降低。這是因為水分被材料的微粒表面吸附，形成水膜而削弱了微粒間的結合力。

材料的軟化系數在0～1之間。經常位于水中或受潮嚴重的重要結構物的材料，軟化系數不宜小于0.85；受潮較輕或次要結構物的材料，軟化系數不宜小于0.70。軟化系數大于0.85的材料，通常認為是耐水的材料，稱為耐水性材料。

（4）材料的抗凍性

材料在吸水飽和狀態下，能經受多次凍融循環而不破壞，同時強度也不嚴重降低的性質稱為抗凍性。

材料的抗凍性用抗凍等級表示。材料的抗凍等級一般是以規定的試件，在規定的試驗條件下，測得其強度降低和質量損失或動彈性模量和質量損失（混凝土快凍法）不超過規定值，此時所能經受的凍融循環次數。

材料受凍融破壞主要是因其孔隙中的水分結冰造成的。水結冰時體積膨脹約9％，若材料孔隙中充滿水，則水結冰膨脹對孔壁產生很大的凍脹應力及滲透壓力，當此應力超過材料的抗拉強度時，孔壁產生局部開裂。隨著凍融循環次數的增多，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，因為封閉孔對冰脹力具有一定的緩沖作用；極細的孔隙雖然能充水飽和，但孔壁對水的吸附力極大，水的冰點很低，在一般負溫下不會結冰；粗大孔隙一般水分不易充滿其中，對凍脹破壞可起緩沖作用；毛細孔既易充滿水分，又能結冰，所以最易產生凍脹破壞。

②材料的吸水飽和程度。吸水飽和程度越高，水結冰產生的冰脹力越大，材料越容易被凍壞。如果孔隙充水不多，遠未達到飽和，有足夠的自由空間，即使凍脹也不致產生破壞應力。

③材料抵抗凍脹應力的能力，即材料的強度。若材料的變形能力大，強度高，軟化系數大，則材料的抗凍性能好。一般認為，軟化系數小于0.80的材料，其抗凍性較差。

就外界條件來說，材料受凍破壞的程度與凍融溫度、結冰速度及凍融頻繁程度等因素有關，溫度越低、降溫越快、凍融越頻繁，則受凍破壞越嚴重。

冬季室外溫度低于-15℃的地區，其重要工程材料必須進行抗凍性試驗。

（5）材料的抗滲性

材料抵抗壓力水滲透的性質稱為抗滲性，另外，材料抵抗其他液體滲透的性質，也屬于抗滲性。

對于混凝土和砂漿材料，抗滲性常用抗滲等級表示。抗滲等級是以規定的試件，在標準試驗條件下所能承受的最大水壓力來確定。抗滲等級越高，表明材料的抗滲性越好。

材料抗滲性的好壞，與材料的孔隙率和孔隙特征有密切關系。孔隙率低而且是封閉孔隙的材料，抗滲性好；孔隙率大而且是連通孔隙的材料，抗滲性差。

對水工及地下建筑物，要求材料具有一定的抗滲性；對于防水材料，要求具有更高的抗滲性。

1.2.3　材料的熱工性質

為了節約結構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，以維持和調節室內溫度。

（1）材料的導熱性

材料傳導熱量的性質稱為導熱性。材料導熱能力的大小，用導熱系數來表示。

導熱系數的物理意義為：厚度為1m，面積為1m2的材料，當兩側溫度差為1K時，在1s內所傳遞的熱量。導熱系數越小，說明材料的導熱性能越差，即絕熱性能越好。各種土木工程材料的導熱系數差別很大，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）的材料稱為絕熱材料。

影響材料導熱系數的因素主要有以下幾個方面：

①材料的物質組成與結構。一般來說，金屬材料、無機材料、晶體材料的導熱系數分別大于非金屬材料、有機材料、非晶體材料；固體、液體、氣體的導熱系數依此減小。而宏觀結構呈纖維狀或層狀的材料，其導熱系數與纖維或層的方向有關，如木材順紋導熱系數為橫紋導熱系數的3倍。

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

對于纖維狀材料，導熱系數還與壓實程度有關。當壓實達到某一表觀密度時，其導熱系數最小，該表觀密度稱為最佳表觀密度；當小于最佳表觀密度時，材料內空隙過大，由于空氣對流作用，將會使導熱系數提高。

③含水率（濕度）。材料受潮后，導熱性能提高，保溫隔熱性能變差，這是因為水的導熱系數要比空氣大得多。特別是材料受凍后，保溫隔熱性能急劇下降，主要是由于冰的導熱系數是空氣導熱系數的近100倍。因此，保溫隔熱材料要防潮、防凍。

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

材料的導熱系數是采暖房屋的墻體和屋面熱工計算，以及確定熱表面或冷藏庫絕熱厚度時的重要參數。

（2）材料的熱容量

熱容量是指材料受熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質，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量的材料升高或降低單位溫度時吸收或放出的熱量。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，能在熱流變動或采暖設備供熱不均勻時，緩和室內的溫度波動，即調解室內小氣候，因此，材料的比熱對保持建筑物內部的溫度穩定有著很大意義。

材料的導熱系數和熱容量是設計建筑物圍護結構（墻體、屋蓋）進行熱工計算時的重要參數，設計時應選用導熱系數小而熱容量大的土木工程材料，有利于保持建筑物室內溫度的穩定性。同時，導熱系數也是工業窯爐熱工計算和確定冷藏絕熱層厚度的重要依據。幾種典型材料的熱工性能指標如表1.2所示。

（3）耐燃性

建筑物失火時，材料能經受高溫與火的作用不破壞，強度不嚴重降低的性能稱為耐燃性。根據耐燃性可將材料分為三大類：

①不燃燒類。如普通石材、混凝土、磚、石棉等。

②難燃燒類。如瀝青混凝土、經防火處理的木材等。

③燃燒類。如木材、瀝青等。

（4）耐火性

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

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

材料在溫度變化時的尺寸變化稱為熱變形性。熱變形性的大小用線膨脹系數表示。材料變形的比率如果是以兩點之間的距離進行計算的，稱線膨脹系數；如果是以物體的體積進行計算的則稱體積膨脹系數。體積膨脹系數可看作是線膨脹系數的3倍。

線膨脹系數是計算材料在溫度變化時引起的變形以及計算溫度應力等的常用參數。幾種材料的線膨脹系數如下：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/℃。