材料的物理性质

时间：2024-10-25 百科知识版权反馈

【摘要】：材料在烘干状态下的表观密度称干表观密度。土木工程中对需要保温隔热的建筑物或部位，要求其所用材料的孔隙率要较大。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。　KR的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。土木工程中将KR＞0.85的材料，称为耐水的材料。材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。

第一节　材料的物理性质

一、材料的密度、表观密度和堆积密度

（一）材料的密度

材料在绝对密实状态下单位体积的质量（俗称重量）称为材料的密度（又称质量密度）。可用公式表示如下：

式中　ρ——材料的密度（kg／m³）；

　m——材料在干燥状态下的质量（kg）；

　V——干燥材料在绝对密实状态下的体积（m³）。材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积，亦称实体积。建筑材料中除钢材、玻璃、沥青等外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定含孔材料的密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.20 mm），经干燥后用李氏瓶测得其实体积。材料磨得愈细，测得的密度值愈精确。

（二）材料的表观密度

材料在自然状态下单位体积的质量称为材料的表观密度（原称容重），亦称体积密度。用公式表示为

式中　ρ₀——材料的表观密度（kg／m³）；

　m——材料的质量（kg）；

　V₀——材料在自然状态下的体积（m³）。

材料在自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。对于外形规则的材料，其表观密度测定很简便，只要测得材料的质量和体积（用尺量测），即可算得。不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗入材料内部而使测值不准。土木工程中常用的砂、石材料，其颗粒内部孔隙极少，用排水法测出的颗粒体积与其实体积基本相同，所以，砂、石的表观密度可近似地视作其密度，常称视密度。

材料表观密度的大小与其含水情况有关。当材料含水时，其质量增大，体积也会发生不同程度的变化。因此测定材料表观密度时，须同时测定其含水率，并予以注明。通常材料的表观密度是指气干状态下的表观密度。材料在烘干状态下的表观密度称干表观密度。

（三）材料的堆积密度

散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度（或称容装密度）。可用下式表示为

式中　——散粒材料的堆积密度（kg／m³）；

　m——散粒材料的质量（kg）；

　——散粒材料在自然堆积状态下的体积（m³）。

散粒材料在自然堆积状态下的体积，是指其既含颗粒内部的孔隙又含颗粒之间空隙在内的总体积。测定散粒材料的体积可通过已标定容积的容器计量而得。测定砂子、石子的堆积密度即用此法求得。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。

由于大多数材料或多或少均含有一些孔隙，故一般材料的表观密度总是小于其密度，即ρ₀＜ρ。

土建工程中在计算材料用量、构件自重、配料、材料堆场体积或面积，以及计算运输材料的车辆时，均需要用到材料的上述状态参数。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表1－1所示。

表1－1　常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度

二、材料的孔隙率与空隙率

（一）孔隙率

材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率，称为材料的孔隙率（P₀）。可用下式表示：

材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。孔隙率相同的材料，它们的孔隙特征（即孔隙构造与孔径）可以不同。按孔隙构造，材料的孔隙可分为开口孔和闭口孔两种，两者孔隙率之和等于材料的总孔隙率。按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。不同的孔隙对材料的性能影响各不相同。

土木工程中对需要保温隔热的建筑物或部位，要求其所用材料的孔隙率要较大。相反，对要求高强或不透水的建筑物或部位，则其所用的材料孔隙率应很小。

（二）空隙率

散粒材料（如砂、石子）堆积体积）中，颗粒间空隙体积所占的百分率称为空隙率（）。可用下式表示为

在配制混凝土时，砂、石子的空隙率是作为控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。

三、材料与水有关的性质

（一）亲水性与憎水性

当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。

材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水之间的分子亲和力大于水本身分子间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水之间的分子亲和力小于水本身分子间的内聚力时，则材料表现为憎水性。

图1－1　材料润湿示意图

材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，如图1－1所示。θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当θ≤90°时，如图1－1（a），材料表面容易吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性。当θ＞90°时，如图1－1（b），材料表面不易吸附水，此称憎水性材料。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。

亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。憎水性材料常被用作防水材料，或用作亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。土木工程材料大多为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料如沥青、石蜡及某些塑料等为憎水性材料。

（二）材料的吸水性与吸湿性

1.吸水性

材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有以下两种表示方法：

（1）质量（重量）吸水率

质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干质量的百分率。用公式表示如下：

式中　W_m——材料的质量吸水率（%）；

　m_b——材料在吸水饱和状态下的质量（kg）；

　m_g——材料在干燥状态下的质量（kg）。

（2）体积吸水率

体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用公式表示如下：

式中　W_V——材料的体积吸水率（%）；

　V₀——干燥材料在自然状态下的体积（m³）；

　ρ^w——水的密度（kg／m³），在常温下取ρ^w＝1000 kg／m³。

土木工程用材料一般均采用质量吸水率。质量吸水率与体积吸水率存在下列关系：

式中　ρ⁰——材料在干燥状态下的表观密度（g／cm³）。

材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，开口孔隙率愈大，材料的吸水量愈多。由此可知，材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。

材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，烧结黏土砖的吸水率达8%～20%，而木材的吸水率可超过100%。

2.吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率。用公式表示为

式中　W_h——材料的含水率（%）；

　m_s——材料在吸湿状态下的质量（g）；

　m_g——材料在干燥状态下的质量（g）。

材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。具有微小开口孔隙的材料，吸湿性特别强，如木材及某些绝热材料，在潮湿空气中能吸收很多水分，这是由于这类材料的内表面积大，吸附水分的能力强所致。

材料的吸水性和吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后会导致其自重增大、绝热性降低、强度和耐久性将产生不同程度的下降。材料吸湿和还湿还会引起其体积变形，影响使用。不过，利用材料的吸湿可起除湿作用，常用于保持环境的干燥。

（三）材料的耐水性

材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：

式中　K_R——材料的软化系数；

　f_b——材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；

　f_g——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。

　K_R的大小表明材料在浸水饱和后强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力所致。K_R值愈小，表示材料吸水饱和后强度下降愈大，即耐水性愈差。材料的软化系数K_R在0～1之间。不同材料的K_R值相差颇大，如黏土K_R＝0，而金属K_R＝1。土木工程中将K_R＞0.85的材料，称为耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用K_R＞0.85的土木工程材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其K_R值不宜小于0.75。

（四）材料的抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为

式中　K_S——材料的渗透系数（cm／h）；

　Q——渗透水量（cm³）；

　d——材料的厚度（cm）；

　A——渗水面积（cm²）；

　t——渗水时间（h）；

　H——静水压力水头（cm）。

　K_S值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。

材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件、在规定的条件和标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号“P n”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力MPa数的10倍值，如P4、P6、P8等分别表示材料最大能承受0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa的水压力而不渗水。

材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。细微连通的孔隙水易渗入，故这种孔隙愈多，材料的抗渗性愈差。闭口孔水不能渗入，因此闭口孔隙率大的材料，其抗渗性仍然良好。开口大孔水最易渗入，故其抗渗性最差。

抗渗性是决定土木工程材料耐久性的重要因素。在设计地下建筑、压力管道、容器等结构时，均要求其所用材料必须具有良好的抗渗性能。抗渗性也是检验防水材料产品质量的重要指标。

（五）材料的抗冻性

材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件、在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数来确定，用符号“F n”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。

材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻骨料混凝土等墙体材料，一般要求其抗冻等级为F15或F25；用于桥梁和道路的混凝土应为F50、F100、F200或更高，而水工混凝土要求高达F500。

材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9%，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远未达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在很大负温下才会结冰。粗大孔隙当水分不充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用。闭口孔隙水分不能渗入，而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰，故其对材料的冰冻破坏作用最大。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。

另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻破坏愈严重。材料受冻融破坏作用后，将由表及里产生剥落现象。

抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项重要指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的工程建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。处于温暖地区的土木工程，虽无冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保建筑物的耐久性，也常对材料提出一定的抗冻性要求。

四、材料的热工性质

为了保证建筑物具有良好的室内气候，同时能降低建筑物的使用能耗，必须要求土木工程材料具有一定的热工性能。土木工程材料常用的热工性质有导热性、热容量、比热等。

（一）导热性

当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性。

材料的导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度为1 m的材料，当温度改变1 K（热力学温度单位开尔文）时，在1 s时间内通过1 m²面积的热量。用公式表示为