建筑材料：物理性质简介-建筑材料

2023-12-02 理论教育版权反馈

【摘要】：表观密度表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。当材料内部空隙含水时，其质量和体积均将发生变化，故测定材料表观密度时，应注明其含水率。图1-3材料润湿示意图材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。2）材料的吸水性与吸湿性吸水性材料在水中吸收并保持水分的性质称为吸水性。

1.2.1　材料的孔隙特征与密度

图1-1　材料内部的孔隙构造
1—材料本身；2—闭口孔隙；
3—开口孔隙

材料内部大多含有气相，气相以各种尺寸和形态的孔隙存在于材料中，因此这些孔隙具有一定的结构，称之为孔结构。根据孔径尺寸的大小，可将孔隙分为大孔（毫米级）、细孔(微米级)和微孔（纳米级）。根据孔隙的特征，可将孔隙分为联通孔和封闭孔。与外界相通的孔称为联通孔；与外界不连通且外界介质进不去的孔称为封闭孔。不同孔隙对材料性能有不同的影响，由于孔隙的尺寸和构造不同，使得不同材料表现出不同的性能特点。材料内部的孔隙构造如图11所示。

1）材料的密度、表观密度、体积密度与堆积密度

（1) 密度

密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。按下式计算：

ρ=

（11）

式中：ρ——材料的密度（g/cm3）；

m——材料的质量（干燥至恒重）（g）；

V——材料在绝对密实状态下的体积（cm3）。

绝对密实状态下的体积，是指不包括材料内部孔隙在内的固体物质的实体体积(V)，如图12所示。因此，对近于绝对密实的材料，如果是有规则几何外形的，可量测并计算其几何体积；如果是无规则的外形，可采用排液法测得其体积，再代入公式中进行密度计算。而对于内部有空隙的材料（如水泥等），测定其密度时，可将材料磨成细粉，烘干后用李氏瓶测定其体积，然后代入公式中进行计算。

　图1-2　材料体积示意图

土木工程中，砂、石等材料内部虽然含有与外部不联通的孔隙，在密度测定时，通常也采用排液法获得其体积(V′)，近似看作其绝对密实状态的体积，此时计算所得的密度称为视密度。

（2) 表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。按下式计算：

ρ0=

（12）

式中：ρ0——材料的表观密度（kg/m3或g/cm3）；

m——材料的质量（kg或g）；

V0——材料在自然状态下的体积，也称为表观体积（m3或cm3）。

材料的表观体积是指包含内部闭口孔隙和开口孔隙在内的所有体积（V0），如图12所示。对于具有规则形状材料的体积，可用量具测量并计算其体积；对于不规则形状的材料，应将材料表面先用蜡密封好，再采用排液法测定体积，然后代入公式中计算。

当材料内部空隙含水时，其质量和体积均将发生变化，故测定材料表观密度时，应注明其含水率。通常表观密度是指气干状态下的表观密度；而烘干至恒定状态下测得的表观密度，称为干表观密度。

（3) 堆积密度

堆积密度是指散粒材料在堆积状态下，单位体积的质量。按下式计算：

（13）

式中:——堆积密度（kg/m3）；

m——材料的质量（kg）；

——材料的堆积体积（m3）。

测定散粒材料的堆积密度时，材料的堆积体积是指填充在一定容器内的材料所占容器的体积，因此材料的堆积体积包括材料的绝对密实体积、内部所有孔隙的体积以及颗粒之间空隙的体积。

在土木工程中，计算材料的用量、构件的自重、配料计算以及材料的堆放空间时，经常需用到材料的密度、表观密度和堆积密度等数据。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表11。

表11　常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度

续表11

2）材料的密实度与孔隙率

（1）密实度

密实度是指材料的体积内被固体物质充实的程度。按下式计算：

D=×100%=×100%

（14）

（2) 孔隙率

孔隙率是指材料中孔隙体积所占自然状态下总体积的比例。按下式计算：

P=×100％＝×100％

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝×100％

（15）

孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，它对材料的物理、力学性质均有影响。这些性质不仅与材料的孔隙率有关，而且与材料的孔隙特征有关。孔隙特征是指孔的种类（开口孔和闭口孔）、孔径的大小及孔的分布是否均匀等。

3）材料的填充率与空隙率

（1) 填充率

填充率是指散粒材料在自然堆积状态下，颗粒体积占自然堆积体积的百分率。按下式计算：

D′=×100%=×100%

（16）

（2) 空隙率

空隙率是散粒材料的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。按下式计算：

P′=×100%=×100%=×100％

（17）

空隙率是用来评定散粒材料在堆积体积内疏密程度的参数，可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。

1.2.2　材料与水有关的性质

1）材料的亲水性与憎水性

当水与材料表面接触时，将表现出两种不同的现象，如图13所示。

图1-3　材料润湿示意图

材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性。材料被水润湿的情况，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，沿水滴表面的切线与材料和水接触面的夹角θ，称为“润湿边角”。θ愈小,表明材料愈易被水润湿。一般认为，当θ≤90°时，材料与水之间的吸引力大于分子间的内聚力，材料表面对水有较强的吸附能力，因而表现出亲水性（如图13(a)所示），具备这种性质的材料称为亲水性材料，如混凝土、砖、瓦、陶瓷、玻璃等；当θ＞90°时，水分子的内聚力大于材料与水之间的吸引力，材料不易被水润湿，表现出憎水性（如图13(b)所示），具备这种性质的材料称为憎水性材料，如沥青等；当θ=0°时，表明材料完全被水润湿。

2）材料的吸水性与吸湿性

（1) 吸水性

材料在水中吸收并保持水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料吸水饱和时的含水率称为吸水率，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。

质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分率。按下式计算：

Wm=×100%

（18）

式中：Wm——材料质量吸水率（%）；

m1——饱水状态下材料质量（g）；

m——干燥状态下材料质量（g）。

体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸入水的体积占干燥材料自然状态体积的百分率：

WV=×100%=×100%

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=×100%×=Wm×ρ0

（19）

式中：WV——材料质量吸水率（%）；

m1——饱水状态下材料质量（g）；

m——干燥状态下材料质量（g）；

V水——材料吸收的水的体积（cm3）；(www.chuimin.cn)

V0——材料干燥状态下的体积（cm3）；

ρ0——材料表观密度（g/cm3）；

ρ水——水的密度（g/cm3）。

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。

材料吸水后，不但可使材料的质量增加，而且会使强度降低、保温性能下降、抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀。可见，材料中含水对材料的性能往往是不利的。

（2) 吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。按下式计算：

W含=×100%

（110）

式中：W含——材料含水率（%）；

m含——含水状态下材料质量（g）；

m——干燥状态下材料质量（g）。

吸湿性主要取决于材料的组成与结构状态。某些具有微小开口孔隙的材料吸湿性特别强，其含水率的变化将引起材料性能的显著变化。材料的含水率还受到环境条件的影响，它随环境温度和温度的变换而改变。材料的吸湿作用一般是可逆的，材料的含水率（吸湿性）随着空气温度、湿度的变化而变化。即材料既能从空气中吸收水分，也能向空气中释放水分。在一定温湿度环境条件下，材料吸收和释放的水分达到相等即平衡时，材料的含水率称为平衡含水率。此时的状态称为气干状态。

3）材料的耐水性

材料长期在水环境中抵抗水破坏作用的性质称为耐水性。水对材料的破坏是多方面的，对材料的力学性质、光学性质、装饰性等都会产生破坏作用。材料的耐水性用软化系数表示，即

Kp=

（111）

式中：Kp——材料的软化系数；

fb——材料在吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；

fg——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。

材料的软化系数范围介于0～1之间。用于水中、潮湿环境中的重要结构材料，必须选用软化系数不低于0.85的材料；用于受潮湿较轻或次要结构的材料，则不宜小于0.70～0.85。通常软化系数≥0.85的材料称为耐水材料。处于干燥环境中的材料可以不考虑软化系数。

4）材料的抗冻性与抗渗性

（1) 抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，常用渗透系数表示。材料在水压力H的作用下，在一定时间t内，透过材料试件的水量Q，与试件的渗水面积A及水头差成正比，与渗透距离(试件的厚度)d成反比，即

（112）

式中：K——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）。

渗透系数K值愈大，抗渗性愈差。

建筑工程中，砂浆、混凝土等材料常用抗渗等级来评价其抗渗性。抗渗等级是指材料在标准试验方法下进行透水试验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定。以符号“P”和材料透水前的最大水压力表示。用公式表示：

P=10H-1

（113）

式中：P——抗渗等级；

H——试件开始渗水时的压力（MPa）。

材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。闭口孔和极微小的孔隙实际上是不透水的，具有较大的孔隙率，且孔径较大、孔连通的材料抗渗性较差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。

（2) 抗冻性

材料在使用环境中，经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也无显著降低的性质，称为抗冻性。

材料受冻融破坏主要原因是其孔隙中的水结冰所致。水在材料毛细孔内结冰，体积增大约9％，对孔壁产生内应力，冰融化时压力又骤然消失，造成孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，这种破坏作用加剧，致使材料表面出现裂纹、剥落，造成质量损失、强度降低，这种破坏称为冻融循环。

材料的抗冻性用抗冻等级来表示。材料吸水饱和后在一定条件下，经过规定的冻融循环次数，其试件的质量损失或相对动弹性模量下降符合规定值即为抗冻性合格，此时所能承受的冻融循环次数即为抗冻等级，用符号“F”和冻融循环次数的数值来表示。

材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。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察材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境的建筑物时，必须考虑材料的抗冻性。

1.2.3　材料与热有关的性质

1）导热性

当材料两侧出现了温度差时，热量就会自动的由高温一侧向低温一侧传导。材料传导热量的能力，称为导热性。用导热系数表示：

λ=

（114）

式中：λ——导热系数［W/（m·K）］；

Q——传导的热量（J）；

d——材料的厚度（m）；

A——材料的传热面积（m2）；

t——热传导的时间（s）；

T1-T2——材料两侧的温度差（K）。

导热系数是评定材料保温隔热性能的重要指标。导热系数愈小，材料的保温隔热性能愈好。

首先取决于材料的组成及结构状态。一般来说，金属材料导热系数最大，无机非金属材料次之，有机材料最小。材料的组成相同时，晶态比非晶态导热系数大些；孔隙率较大的材料，导热系数小些；在孔隙率相同时，具有较大孔径或连通孔的材料，其导热系数偏大。此外，导热系数还受温度和含水状态的影响，大多数材料在高温下的导热系数比常温下大些；材料含水后，其导热系数会明显增大。

2）比热与热容量

材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质称为热容量。材料吸收或放出的热量用下式计算：

Q=Cm