1.1.2　材料與水有關的性質

1.材料的親水性與憎水性

與水接觸時，有些材料能被水潤濕，而有些材料則不能被水潤濕，對這兩種現象來說，前者為親水性，后者為憎水性。材料具有親水性或憎水性的根本原因在于材料分子間的作用力。材料與水分子之間的分子親合力大于水分子本身之間的內聚力時，材料能夠被水潤濕，使材料具有親水性；反之，材料與水分子之間的親合力小于水分子本身之間的內聚力時，材料不能夠被水潤濕，使材料具有憎水性。

在工程實際中，材料的親水性或憎水性，通常以潤濕角的大小劃分。潤濕角為在材料、水和空氣的交點處，沿水滴表面的切線γL與水和固體接觸面γSL所成的夾角。潤濕角θ越小，表明材料越被水潤濕。當材料的潤濕角θ≤90°時，為親水性材料，水在材料表面可以鋪展開，且能通過毛細管作用自動將水吸入材料內部；當材料的潤濕角θ>90°時，為憎水性材料，水在材料表面不僅不能鋪展開，而且水分不能滲入材料的毛細管中，如圖1-3所示。

大多數工程材料，如石料、磚、混凝土、木材等都屬于親水性材料，表面都能夠被水潤濕。瀝青、石蠟等屬于憎水性材料，表面不能被水潤濕。該類材料一般能阻止水分滲入毛細管中，因而能降低材料的吸水性。憎水性材料不僅可用作防水材料，而且還可用于親水性材料的表面處理，以降低其吸水性。

2.吸水性

材料在水中吸收水分的性質稱為吸水性。吸水性的大小以吸水率表示，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

質量吸水率是指材料吸水飽和時，所吸收水的質量占材料干燥質量的百分率，可按下式計算：

式中　W質量——材料的質量吸水率，％；

m——材料在干燥狀態下的質量，g；

m1——材料吸水飽和時的質量，g。

（2）體積吸水率

體積吸水率是指材料吸水飽和時，所吸收水分體積占材料干燥體積的百分率，可按下式計算：

式中　W體積——材料的體積吸水率，％；

V0——材料在自然狀態下的體積，cm3。

材料的體積吸水率與質量吸水率之間的關系為

W體積=W質量×ρ0

式中　ρ0——材料在干燥狀態下的表觀密度，g/cm3。

材料吸水率的大小不僅取決于材料本身與水的親和能力，還與材料孔隙率、孔隙特征密切相關。一般孔隙率越大，吸水率也越大；孔隙率相同的情況下，具有細小連通孔隙的材料比具有較多粗大開口孔隙的材料吸水性強。

吸水率的增大對材料的性質有一定影響，如表觀密度增加，體積膨脹，導熱性增大，強度及抗凍性下降等。

在材料的孔隙中，不是所有孔隙都能夠被水所填充。如封閉的孔隙，水分不易滲入；而粗大的孔隙，水分又不易存留，故材料的體積吸水率常小于孔隙率。這類材料常用質量吸水率表示它的吸水性。

對于某些輕質材料，如軟木、泡沫塑料等，由于具有很多開口且微小的孔隙，所以它的質量吸水率往往超過100％，即濕質量為干質量的幾倍，在這種情況下最好用體積吸水率表示其吸水率。

3.吸濕性

材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。

含水率為材料所含水的質量占材料干燥質量的百分數，可按下式計算：

式中　W含——材料的含水率，％；

m1——材料含有水分時的質量，g；

m——材料干燥至恒重時的質量，g。

材料的吸濕性不僅與材料的組成、孔隙率、孔隙特征有關，還與周圍環境的溫度與濕度有關。一般而言，周圍環境的溫度越高，濕度越低，含水率越小。材料吸濕后，除了本身質量增加外，還會降低其絕熱性能、強度及耐久性，對工程產生不利的影響。

干燥的材料在空氣中能吸收空氣中的水分；潮濕的材料在空氣中又會失去水分，最終材料中的水分與周圍空氣的濕度達到平衡，此時，材料的含水率稱為平衡含水率。

4.耐水性

材料長期在水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質稱為耐水性。

一般材料含有水分時，由于內部微粒間結合力減弱而強度有所降低，即使致密的材料也會使材料強度有所下降。若材料中含有某些易被水軟化的物質（如黏土、石膏等），強度降低會更為嚴重。因此，對長期處于水中或潮濕環境中的工程材料，必須考慮其耐水性。

材料的耐水性以軟化系數表示，可按下式計算：

式中　K軟——軟化系數；

f飽——材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度，MPa；

f干——材料在干燥狀態下的抗壓強度，MPa。

軟化系數K軟在0～1之間。軟化系數的大小，可成為選擇材料的重要依據。工程上通常把軟化系數大于0.8的材料稱為耐水材料，對于經常與水接觸或處于潮濕環境的重要建筑物，要求材料的軟化系數大于0.85；用于受潮較輕或次要的建筑物時，材料的軟化系數也不得小于0.75。

5.抗滲性

抗滲性是指材料在壓力水作用下抵抗滲透的性質。材料的抗滲性大小通常用滲透系數和抗滲等級表示。

（1）滲透系數

根據達西定律，在一定時間內，透過材料試件的水量Q與試件斷面面積A及水位差h成正比，與試件厚度d成反比，即

式中　K——滲透系數，m/s；

Q——滲透水量，m3；

A——透水面積，m2；

d——試件厚度，m；

h——水位差，m；

t——透水時間，s。

滲透系數越小，表明材料抵抗滲透能力越強。一些防水材料（如防水卷材）的防水性常用滲透系數表示。

（2）抗滲等級

材料的抗滲等級是指用標準方法進行透水試驗時，標準試件在透水前所能承受的最大水壓力，以字母P及可承受的水壓力表示。材料的抗滲等級可按下式計算：

P=10h-1

式中　P——抗滲等級；

h——開始滲水時的最大水壓力，MPa。

如P4、P6、P8、P10表示試件能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水壓力而不滲透。可見，抗滲等級越高，抗滲性越好。

材料抗滲性大小不僅與其親水性有關，更取決于材料的孔隙率及孔隙特征。孔隙率小并且孔隙封閉的材料，具有較高的抗滲性。

地下建筑物及儲水構筑物常受到壓力水的作用，因此要求所用材料應具有一定的抗滲性。

6.抗凍性

抗凍性是指材料在吸水飽和狀態下，能經受反復凍融循環作用而不破壞，強度不顯著降低的性能。

材料吸水后，在負溫作用條件下，水在材料毛細孔內凍結成冰，因體積膨脹所產生的凍脹壓力會造成材料的內應力，使材料遭到局部損壞。隨著凍融循環的反復，材料的破壞作用逐步加劇。

材料抗凍性以抗凍等級表示。抗凍等級是將材料按規定方法進行凍融循環試驗，以質量損失不超過5％、強度下降不超過25％時所能經受的最大凍融循環次數來劃分。材料的抗凍等級可分為F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環而不發生破壞。

材料抗凍性的好壞不僅取決于材料的孔隙率及孔隙特征，并且還與材料受凍前吸水飽和程度、材料本身強度以及凍結條件（如凍結溫度、速度、凍融、循環作用的頻繁程度）等有關。

材料的強度越低，開口孔隙率越大，則材料的抗凍性越差。

抗凍等級越高，材料耐久性越好。抗凍等級的選擇應根據工程種類、結構部位、使用條件、氣候條件等因素來決定。在路橋工程中，處于水位變化范圍內的結構材料將反復受到凍融循環作用，此時材料的抗凍性大小將影響到結構物的耐久性。