項目二　材料的物理性質

【知識導學】 材料的物理性質是指材料分子結構不發生變化的情況下而具有的性質。這一性質主要有：密度、密實度、空隙率、親水性和憎水性、吸水性和吸濕性、耐水性和抗滲性、耐久性和抗凍性、導熱性和熱容量等。

一、密度

根據體積的表現形式不一樣，有密度、表觀密度和堆積密度三種概念。

1.實際密度

密度也稱實際密度，是材料在絕對密實狀態下單位體積的質量。其計算公式為

材料的絕對密實體積是指不包括空隙內的體積。對于鋼材、玻璃等密實材料，其體積可根據其外形尺寸求得，稱出其干燥時候的質量，然后按照上式計算出其密度值。對于多孔的固體材料，一般使用磨細干燥法（材料磨的越細，測得的密度值越準確）或者排水法來求得其絕對體積，再按上述公式計算出其密度值。

材料的密度大小取決于材料的組成與微觀結構。

注意：干燥狀態的材料可以通過烘干（烘箱）或干燥（干燥器）求取。

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。計算公式如下：

材料在自然狀態下的體積是指包括孔隙在內的體積。外形規則的材料可根據其外形尺寸計算出其體積，外形不規則的材料可使用排水法測得其體積。

表觀密度是反映整體材料在自然狀態下的物理參數。

3.堆積密度

堆積密度是指疏松狀（小塊、顆粒、纖維）材料在自然堆積狀態下單位體積的質量。計算公式如下：

堆積密度的堆積體積中，既包括了材料顆粒內部的孔隙，也包括了顆粒間的空隙。松散體積用容量筒測定。材料的堆積密度不僅與其顆粒的宏觀結構、含水狀態等有關，而且還與其顆粒間空隙或顆粒間被擠壓實的程度等因素有關。因此，材料的堆積密度變化范圍更大。

實際密度、表觀密度、堆積密度常用來計算材料的密實度、空隙率和孔隙率，或用來計算材料的用量、自重、運輸量及堆積空間等。并且，材料的表觀密度大小直接影響材料的強度、保溫、隔熱等性能。常用材料的實際密度、表觀密度及堆積密度值見表1-1。

4.孔隙率

孔隙率是指材料內部孔隙的體積占材料總體積的百分率。計算公式如下：

從式（1-4）可以看出，材料的孔隙率不但可以表明材料體內孔隙大小的程度，也反映了材料的緊密程度。一般來說，材料的孔隙率越大，緊密度越小，強度越小；材料的孔隙率越小，緊密度越大，強度越大。孔隙的大小及其分布對材料的性能影響較大。

材料孔隙往往分為開口孔隙和閉口孔隙，開口孔隙是指與外界相通的孔隙，閉口孔隙是指不僅彼此互不連通且與外界相隔絕的孔隙。

5.空隙率

空隙率是指散粒狀材料堆積體積中，顆粒間空隙體積所占的百分率。其計算公式如下：

空隙率反映了堆積材料中顆粒間空隙的多少，對于研究堆積材料的結構穩定性、填充程度及顆粒間相互接觸連接的狀態具有實際意義。

二、材料與水有關的性質

材料在正常工作中，常常會吸收水或大氣中的水分，根據材料吸附水分的情況，將材料的含水狀況分為干燥狀態、氣干狀態、飽和面干狀態及濕潤狀態4種，材料吸水后某些性能會發生變化而影響材料的使用功能，因此，了解材料與水有關的性質是很有必要的。

1.親水性與憎水性

材料在空氣中與水接觸，根據其能否被水潤濕，可將材料分為親水性材料和憎水性材料。

潤濕就是水被材料表面吸附的過程。當材料在空氣中與水接觸時，在材料、空氣、水三相交界處，沿水滴表面所引切線，切線與材料表面（水滴一側）所得夾角θ，稱為潤濕角。θ越小，說明潤濕程度越大，當θ為零時，表示材料完全被水潤濕。當θ≤90°時，水分子之間的內聚力小于水分子與材料分子之間的吸引力，這種材料稱為親水性材料，例如普通燒結黏土磚。當θ＞90°時，水分子之間的內聚力大于水分子與材料分子之間的吸引力，材料表面不易被水潤濕，此種材料稱為憎水性材料，例如玻璃。潤濕角如圖1-1所示。

大多數建筑材料都屬于親水性材料，如磚、混凝土、木材等。有些材料（如瀝青、石蠟等）屬于憎水性材料。憎水性材料不僅可作防水防潮材料，而且還可應用于處理親水性材料的表面，以降低其吸水率，提高材料的防水、防潮性能，提高其抗滲性。

2.吸水性（浸水狀態下）

吸水性是材料在水中吸收水分的性能。并以吸水率表示此能力。材料的吸水率的表達方式有兩種：一是質量吸水率，另一個是體積吸水率。

（1）質量吸水率。質量吸水率是指材料在吸水飽和時，其內部所吸收水分的質量占材料干質量的百分率，并以ω質（%）表示。其計算公式如下：

（2）體積吸水率。體積吸水率是指材料在浸水飽和狀態下所吸收水分的體積與材料在自然狀態下的體積之比，并以ω體（%）表示。其計算公式如下：

質量吸水率與體積吸水率存在如下關系：

在多數情況下都是按質量計算吸水率，有時也按體積計算吸水率。材料吸水率主要與材料的孔隙率有關，更與其孔特征有關。材料開口孔隙率越大，吸水性越大，而封閉孔隙則吸水少，對于粗大孔隙，水分雖然容易滲入，但僅能潤濕孔壁表面而不易在孔內存留，故封閉孔隙和粗大孔隙材料，其吸水率是較低的。

3.吸濕性

吸濕性是指材料在潮濕空氣中吸收水分的性能。材料在水中能吸收水分，在空氣中也吸收水汽，并隨著空氣濕度大小而變化。空氣中的水汽在濕度較大時被材料所吸收，在濕度較小時向材料外擴散（此性質也稱為材料的還濕性），最后使材料與空氣濕度達到平衡。吸濕性大小用含水率進行表示。其計算公式如下：

材料的吸濕性主要與材料的組成、孔隙含量，特別是毛細孔的含量有關。細微并連通孔隙的材料吸水率大，而具有封閉孔隙的材料吸水率小。材料的吸濕性還與周圍環境的濕度、溫度有關。當空氣中濕度在較長時間內穩定時，材料的吸濕和干燥過程處于平衡狀態。當吸水達到飽和狀態時，含水率即為材料的吸水率。

材料吸水或吸濕后，除了本身質量增加外，可削弱材料內部質點間的結合力或吸引力，導致材料強度的降低、體積膨脹、保溫隔熱性能降低和導熱性能增加。由此可見，在多數情況下，材料的吸水性和吸濕性對材料的使用是不利的，這會對工程帶來不利的影響。

4.耐水性

材料耐水性指材料長期在水的作用下不破壞、強度不明顯下降的性質。用軟化系數KR表示。計算公式如下：

軟化系數反映了材料飽水后強度降低的程度，它是材料吸水后性質變化的重要特征之一。在同一條件下，吸水后的材料強度比干燥時材料強度低。軟化系數越小，意味著強度降低越多。

材料的軟化系數為0～1，不同材料的值相差頗大，如黏土軟化系數幾乎為0，而金屬軟化系數幾乎為1。一般認為，KR值大于0.85的材料是耐水性的，它可用于水中或潮濕環境中的重要結構，用于受潮較輕或次要結構時，材料的KR值也不得小于0.75，以保證其材料的強度。

耐水性與材料的親水性、可溶性、孔隙率、孔特征等有關，工程中常從這幾個方面改善材料的耐水性。

5.抗滲性

抗滲性是指材料抵抗壓力水（或其他液體）滲透的性質，也叫不透水性。材料的抗滲性通常用滲透系數和抗滲等級表示。

滲透系數的意義是：一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時間內透過單位面積的水量。其計算公式如下：K值越大，表示滲透材料的水量越多，即抗滲性越差。抗滲性的好壞，主要與材料的孔隙率及孔隙特征有關，并與材料的親水性和憎水性有關。開口孔隙率越大、大孔含量越多，抗滲性越差；而材料越密實或具有封閉孔隙的，水分不易滲透，抗滲性越好。

6.抗凍性

抗凍性是指材料在水飽和狀態下，抵抗多次凍融循環而不破壞，同時強度也不嚴重降低的性質。

材料的抗凍性用抗凍等級表示。抗凍等級是以規定的試件，在規定的試驗條件下，測得其強度降低和質量損失不超過規定值，此時所能經受的凍融循環次數，用符號“Fn”表示，其中n即為最大凍融循環次數。如F150，表示在標準試驗條件下，材料強度下降不大于25%，質量損失不大于5%，所能經受的凍融循環次數最多為150次。

材料受凍融破壞主要是因其孔隙中的水結冰所致。若材料孔隙中充滿水，由于材料內部毛細孔中的水結冰時體積膨脹（水結冰時體積增大約9%），結冰膨脹對孔壁產生很大的凍脹應力，當此應力超過材料的抗拉強度時，使材料內部產生微裂縫。當溫度回升，冰被融化時，不僅孔隙還會充滿水，而且某些被凍脹的裂縫中還可能再滲入水分；再次受凍結冰時，材料受到更大的凍脹和裂縫擴張。隨著凍融循環次數的增多，材料破壞加重，以致強度下降，所以材料的抗凍性取決于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料對結冰膨脹所產生的凍脹應力的抵抗能力。

另外，從外界條件來看，材料受凍融破壞的程度，與凍融溫度、結冰速度、凍融頻繁程度等因素有關。環境溫度越低、降溫越快、凍融越頻繁，則材料受凍融破壞越嚴重。材料的凍融破壞作用是從外表面開始產生剝落，逐漸向內部深入發展。

若材料的變形能力大、強度高、軟化系數大，則其抗凍性較高。一般認為軟化系數小于0.80的材料，其抗凍性較差。材料的抗凍性，在寒冷地區更有實際意義，應選擇一些抗凍性能較好的材料使用，以經受氣候溫度變化對材料帶來的影響。

三、材料的熱工性質

1.材料導熱性

導熱性指當材料兩側有溫度差時熱量由高溫側向低溫側傳遞的能力。導熱性是材料的一種非常重要的熱學物理指標。材料的導熱性用導熱系數λ來表示。

導熱系數的物理意義是：當材料兩側的溫差為1K時，在單位時間內通過單位面積，并透過單位厚度的材料所傳導的熱量。計算公式如下：

材料的導熱系數值越小，則材料的保溫隔熱性能越好，導熱性能越差。通常把導熱系數值小于0.23的建筑材料稱為隔熱材料。

材料的導熱性與材料的成分、組織結構、孔隙率、孔隙特征、含水量等因素有關。材料越密實，導熱性越高，導熱系數越大，保溫隔熱性能越差。孔隙率越大，且具有封閉孔隙構造，其導熱系數就越小，導熱性低，保溫隔熱性越好。材料受潮后，在材料的孔隙中有水分（包括蒸汽水和液態水），使材料的導熱系數增大。如果孔隙中的水分凍結成冰，冰的導熱系數約是水的四倍，材料的導熱系數就更大。故通常所說的導熱系數是指干燥狀態下的導熱系數，以利于發揮材料的絕熱效能。

2.材料的熱容量與比熱容

材料的熱容量是指材料受熱時吸收熱量或冷卻時放出熱量的性質。其計算公式如下：

用符號C表示材料的比熱容，其表達式為

比熱容是反映材料的吸收或放熱能力大小的物理量，指質量為1g的材料，在溫度改變1K時所吸收或放出熱量的大小。不同的材料比熱不同，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），而結冰后比熱則是2.05J/（g·K）。

材料的比熱值大小與其組成和結構有關。比熱值大的材料可以在熱流變動或采暖不均勻時緩和室內溫度的波動，對保持建筑物內部的溫度穩定有較好的作用，故工程中多優先選擇熱容量大的材料。因為水的比熱值最大，當材料含水率高時，比熱值變大。通常所說材料的比熱值是指其干燥狀態下的比熱值。

3.材料的溫度變形性

材料的溫度變形性是指溫度升高或降低時材料體積變化的特性。除了個別材料（如277K以下的水）以外，多數材料在溫度升高時體積膨脹，溫度降低時體積收縮。這種變化表現在單向尺寸時，為線膨脹或線收縮，相應的表征參數為線膨脹系數（α）。材料溫度變化時的單向線膨脹量或線收縮量的計算公式如下：

在土木工程中，對材料的溫度變形大多數關心其某一單向尺寸的變化，所以，研究其平均線膨脹系數具有實際意義。材料的線膨脹系數與材料的組成和結構有關，常通過選擇合適的材料來滿足工程對溫度變形的要求。

4.材料的耐火性

材料的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。用其耐受的時間來表示，稱為耐火極限。

根據不同材料的耐火度（耐火能力），可將材料劃分為以下三類：

（1）耐火材料。在1580℃以上的高溫下不破壞、不變形的材料。如耐火磚。（2）難熔材料。能經得住1350～1580℃高溫的材料。如難熔黏土磚。（3）易熔材料。熔化溫度在1350℃以下的材料，如普通的黏土磚。

材料的耐火性是影響建筑物防火和耐火等級的重要因素。一般建筑物選用的材料，都應具有較好的耐火性能。

5.材料的耐燃性

材料的耐燃性是指材料在火焰或高溫作用下可否燃燒的性質。根據耐燃性可分為以下三大類材料：

（1）不燃燒類（A級）：遇到火焰或高溫不易起火，不燃燒并且不碳化的材料。如磚、石、混凝土、金屬等各種無機類材料。

（2）難燃燒類（B1級）：遇到火焰或高溫不易燃燒、不碳化，只有火源持續存在時才能繼續燃燒，火焰熄滅燃燒即停止的材料。如瀝青混凝土、經防火處理的木材、木絲板、某些塑料等有機-無機復合材料。

（3）燃燒類（B2、B3級）：遇到火焰或高溫容易起火，在火源移去后，仍能繼續燃燒的材料。如木材、瀝青、油漆、合成高分子黏結劑等有機類材料。

四、材料的力學性質

（一）靜力強度

材料抵抗靜荷載作用而不破壞的能力，稱為靜力強度。靜力強度以材料試件按規定的試驗方法，在靜荷載作用下達到破壞時的極限應力值表示。

材料的強度按外力作用方式的不同，分為抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。

不同種類的材料具有不同的強度特點，如磚、石材、混凝土和鑄鐵等材料具有較高的抗壓強度，而抗拉、抗彎強度均較低；鋼材的抗拉及抗壓強度大致相同，而且都很高；木材的抗拉強度大于抗壓強度。應根據材料在工程中的受力特點合理選用。

幾種強度計算公式見表1-2。

（二）強度等級及比強度

為生產及使用的方便，對于以力學性質為主要性能指標的材料常按材料強度的大小分為不同的強度等級。強度等級越高的材料，所能承受的荷載越大。對于混凝土、砌筑砂漿、普通磚、石材等脆性材料，由于主要用于抗壓，因此以其抗壓強度來劃分等級，而建筑鋼材主要用于抗拉，故以其抗拉強度來劃分等級。

材料的比強度是指材料強度與體積密度的比值（f/ρ0）。比強度是衡量材料輕質高強性能的重要指標。比強度高的材料具有輕質高強的特性，可用做高層、大跨度工程的結構材料。輕質高強是材料的發展方向。

（三）影響材料強度的因素

影響材料強度的因素很多，內在因素如結晶體材料中質點的晶型結構、晶粒的排列方式、晶格中存在的缺陷情況等；非結晶體材料中的質點分布情況等。外在因素如材料的表觀密度、孔隙率、含水率、環境溫度等。

試件強度還與試件形狀、大小和試驗條件密切相關。受試件與承壓板表面摩擦的影響，棱柱體形狀等長試件的抗壓強度較立方體等短試件的抗壓強度低；大試件由于材料內部缺陷出現機會的增多，強度比小試件低一些；表面凹凸不平的試件受力面受力不均勻，強度也會降低；試件含水率的增大，環境濕度的升高，都會使材料強度降低；由于材料的破壞是其變形達到極限變形的破壞，而應變發展總是滯后于應力發展的，故加荷速度越快，所測強度值也越高。為了使試驗結果具有可比性，材料試驗應嚴格按國家有關試驗規程的規定進行。

（四）材料的彈性與塑性

1.材料的彈性與彈性變形

材料的彈性是指材料在外力作用下產生變形，當外力消除后，能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性，這種變形稱為彈性變形。

彈性變形的大小與其所受外力的大小成正比，其比例系數對某些彈性材料來說在一定范圍內為一常數，這個常數被稱為材料的彈性模量，并以符號“E”表示，其計算公式如下：

材料的彈性模量是衡量材料在彈性范圍內抵抗變形能力的指標，E越大，材料受力變形越小，也就是其剛度越好。彈性模量是結構設計的重要參數。

2.材料的塑性與塑性變形

材料的塑性是指材料在外力作用下產生變形，當外力去除后，有一部分變形不能恢復，這種性質稱為材料的塑性，這種不可恢復的變形稱為塑性變形。

一般認為，材料的塑性變形是因為內部的剪應力作用致使某些質點間相對滑移的結果。實際上，純彈性變形的材料是沒有的，通常一些材料在受力不大時，表現為彈性變形，當外力的大小足以使材料內質點間的剪應力超過其相對滑移所需要的應力時，則呈現塑性變形，如低碳鋼就是典型的這種材料。另外許多材料在受力時，彈性變形和塑性變形同時產生，這種材料當外力取消后，彈性變形即可恢復，而塑性變形不能消失，混凝土就是這類材料的代表。

許多材料的塑性往往受溫度的影響較明顯，通常較高溫度下更容易產生塑性變形。有時，工程實際中也可利用材料的這一特性來獲得某種塑性變形。例如，在工程材料的加工或施工過程中，經常利用塑性變形而使材料獲得所需要的形狀或使用性能。

（五）材料的韌性與脆性

1.材料的韌性

材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產生較大的變形而不破壞，這種性質稱為韌性。其韌性材料的特點是變形大，特別是塑性變形大。如建筑鋼材、木材和塑料等。材料韌性對材料在使用中受沖擊振動荷載力時有很重要的作用。如吊車梁、橋梁所有受沖擊振動荷載作用的地方，所用材料均需較高的韌性，以在受力后不被破壞。

2.材料的脆性

材料受外力作用，當外力達一定值時，材料發生突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質稱為脆性。一般脆性材料的抗靜壓強度較高，但抗沖擊能力、抗振動能力、抗拉及抗折強度很差。如磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土和鑄鐵等。

（六）材料的其他力學性質

1.材料的硬度

材料的硬度是指材料表面抵抗其他物體壓入或刻劃的能力。材料的硬度與強度有密切的關系，對于不能直接測得強度的材料，往往采用硬度推出強度的近似值。

工程中用于表示材料硬度的指標有很多種，對金屬、木材等材料常以壓入法檢測其硬度，其方法有：洛氏硬度、布氏硬度等。天然礦物材料的硬度常用莫氏硬度表示，它是以兩種礦物相互對刻的方法確定礦物的相對硬度，并非材料絕對硬度的等級。混凝土等材料的硬度常用肖氏硬度檢測（以重錘下落回彈高度計算求得的硬度值）。

2.材料的耐磨性

材料的耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性與材料的組成結構及強度、硬度有關。在工程中，路面、工業地面等受磨損的部位，選擇材料需考慮其耐磨性。一般說，強度較高且密實的材料，其硬度較大，耐磨性較好。

3.材料的疲勞極限

在交替荷載作用下，應力也隨時間作交替變化，這種應力超過某一限度而長期反復會造成材料的破壞，這個限度叫做疲勞極限。

五、材料的耐久性

材料的耐久性是指材料在使用過程中，能長期抵抗各種環境因素而不破壞，且能保持原有性質的性能。它是一種復雜的、綜合的性質，包括材料的抗滲性、抗凍性、大氣穩定性和耐腐蝕性等。

1.影響材料耐久性的因素

影響材料的耐久性的因素主要有內因和外因兩個方面。影響材料耐久性的內在因素主要有材料的組成與結構、強度、孔隙率、孔特征、表面狀態等因素。外在因素可分為四類：①物理作用，包括光、熱、電、濕度變化、溫度變化、凍融循環、干濕變化等，這些作用可使材料結構發生變化，體積脹縮、內部產生裂紋等，致使材料逐漸破壞；②化學作用，包括大氣和環境水中的酸、堿、鹽等溶液或其他有害物質對材料的侵蝕作用，以及日光等對材料的作用，使材料產生本質的變化而導致材料的破壞；③生物作用，包括菌類、昆蟲等的侵害作用，導致材料發生腐朽、蛀蝕等，致使材料破壞；④機械作用，包括荷載的持續作用或交變作用引起材料的疲勞、沖擊、磨損等破壞。

2.材料耐久性的測定

對材料耐久性最可靠的判斷，是對其在使用條件下進行長期的觀察和測定，但這需要很長時間。近年來多采用快速檢驗法。

快速檢驗法是模擬實際使用條件，將材料在實驗室進行有關的快速試驗，根據試驗結果對材料的耐久性作出判定，主要項目有：干濕循環、凍融循環、碳化、加濕與紫外線干燥循環、鹽溶液浸漬與干燥循環、化學介質浸漬等。

3.改善材料耐久性的措施

根據使用環境選擇材料的品種，采取各種方法控制材料的孔隙率與孔特征；改善材料的表面狀態，增強抵抗環境作用的能力。

4.提高材料耐久性的意義

在設計選用土木工程材料時，必須考慮材料的耐久性問題。采用耐久性良好的土木工程材料，對節約材料、保證建筑物長期正常使用、減少維修費用、延長建筑物使用壽命等，均具有十分重要的意義。