2.2 材料的物理性质
2.2.1 材料与质量有关的性质
1.密度
密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的干质量。按式（2.1）计算，即
式中 ρ——材料的密度，g/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，g；
V——材料在绝对密实状态下的体积，cm3。
材料在绝对密实状态下的体积，是指不包含材料内部孔隙的实体积。除了钢材、玻璃、沥青等少数材料外，绝大多数材料在自然状态下含有一些孔隙。在测定有孔隙材料的密度时，先把材料磨成细粉，烘干至恒质量，然后用李氏瓶测得其实体积，用式（2.1）计算得到密度值。材料磨得越细，测得的体积越真实，得到的密度值也越精确。
2.表观密度
表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的干质量。按式（2.2）计算，即
式中 ρ0——材料的表观密度，kg/m3；
m——材料在干燥状态下的质量，kg；
V 0——材料在自然状态下的体积，m3。
材料在自然状态下的体积，是指包括实体积和孔隙体积在内的体积。对于形状规则的块状材料，可直接量测体积；对于形状不规则的块状材料，需先加工成规则形状，再量测体积。对于混凝土用的砂石骨料，直接用排液法量测体积，此时的体积是实体积与闭口孔隙体积之和，即不包括与外界连通的开口孔隙体积。由于砂石比较密实，孔隙很少，开口孔隙体积更少，所以用排液法测的密度也称为表观密度，过去称为视密度；对于多孔的散粒状材料，可用蜡封法封闭孔隙，然后再用排液法量测体积。
材料的含水状态变化时，其质量和体积均发生变化。通常表观密度是指材料在干燥状态下的表观密度，其他含水情况应注明。
3.堆积密度
堆积密度是指粒状或粉状材料在堆积状态下，单位体积的干质量。按式（2.3）计算，即
式中
——材料的堆积密度，kg/m3；
m——材料在干燥状态下的质量，kg；
——材料在堆积状态下的体积，m3。
堆积密度的体积
用容积升来测定。容积升的大小视颗粒的大小而定，如砂子用1L的容积升，石子用10L、20L、30L的容积升。
堆积密度是指材料在气干状态下的堆积密度，其他含水情况应注明。
常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度见表2.1。
4.材料的密实度与孔隙率
（1）密实度。密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，也就是固体体积占自然体积的百分率。用D来表示，按式（2.4）计算，即
（2）孔隙率。孔隙率是指材料体积内孔隙体积占自然体积的百分率。用P来表示，按式（2.5）计算，即
密实度与孔隙率的关系，可用下式来表示，即
D+P=1
密实度与孔隙率均反映了材料的致密程度。孔隙率的大小及孔隙特征（包括孔隙大小、是否连通、分布情况等）对材料的性质影响很大。一般而言，同一种材料，孔隙率越小，连通孔隙越少，其强度越高，吸水性越小，抗渗性和抗冻性越好，但是导热性越大。几种常用材料的孔隙率见表2.1。
表2.1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率
5.材料的填充率与空隙率
（1）填充率。填充率是指散粒材料在堆积体积中被其颗粒填充的程度，也就是散粒状材料的自然体积占堆积体积的百分率。用D′来表示，按式（2.6）计算，即
（2）空隙率。空隙率是指散粒材料在堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占堆积体积的百分率。用P′来表示，按式（2.7）计算，即
空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间相互填充的致密程度。
填充率与空隙率的关系，可用下式来表示，即
D′+P′=1
2.2.2 材料与水有关的性质
1.材料的亲水性与憎水性
材料在空气中与水接触时，根据其能否被水湿润分为亲水性和憎水性。材料与水接触时，能被水湿润的性质称为亲水性，具有亲水性的材料称为亲水性材料；材料与水接触时，不能被水湿润的性质称为憎水性，具有憎水性的材料称为憎水性材料。
当水滴在空气中与材料接触时，会出现两种情况，如图2.1所示。在材料、水和空气三相的交点处，沿水滴表面作切线，此切线与材料表面的夹角θ，称为湿润角。
图2.1 材料湿润示意图
（a）亲水性材料；（b）憎水性材料
当θ≤90°时，材料表现为亲水性，如木材、砖、混凝土、石、钢材等。材料亲水的原因是材料的分子与水分子间的吸引力大于水分子之间的内聚力，因此，材料能被水湿润。
当θ>90°时，材料表现为憎水性，如沥青、石蜡、塑料等。材料憎水的原因是材料的分子与水分子间的吸引力小于水分子之间的内聚力，因此，材料不能被水湿润。憎水材料具有较好的防水性，常用作防水材料，也可用于亲水性材料的表面处理，以减少吸水率，提高抗渗性。
2.材料的吸水性与吸湿性
（1）吸水性。吸水性是指材料在水中吸收水分的性质，吸水性的大小用吸水率表示，吸水率有两种表示方法。
1）质量吸水率。质量吸水率是指材料在吸水饱和状态下，所吸水的质量占材料干质量的百分率，即材料吸水饱和时的含水率。按式（2.8）计算，即
式中 Wm——材料的质量吸水率，%；
m b——材料吸水饱和状态下的质量，g；
m——材料在干燥状态下的质量，g。
2）体积吸水率。体积吸水率是指材料吸水饱和状态下，所吸水的体积占材料自然体积的百分率。按式（2.9）计算，即
式中 WV——材料的体积吸水率，%；
V 0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3；
ρ w——水的密度，g/cm3，在常温下ρw取1.0g/cm3；
其他符号意义与前相同。
由式（2.8）和式（2.9）可知，质量吸水率与体积吸水率的关系为式（2.10），即
材料的吸水性，不仅取决于材料是亲水性与憎水性，还与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。一般材料的孔隙率越大，吸水性越强；开口而连通的细小孔隙越多，吸水性越强；闭口孔隙，水分不易进入；开口的粗大孔隙，水分容易进入，但不能存留，故吸水性较小。各种材料的吸水率差别很大，如花岗岩等致密岩石的质量吸水率为0.2%～0.7%，普通混凝土的质量吸水率为2%～3%，烧结普通黏土砖的质量吸水率为8%～20%，木材或其他轻质材料的质量吸水率大于100%。
材料的吸水性会对其性质产生不利影响。例如，材料吸水后，使其质量增加，体积膨胀，导热性增大，强度和耐久性下降。
（2）吸湿性。吸湿性是指材料在空气中吸收水分的性质。吸湿性以含水率来表示。
含水率是指材料中所含水的质量占其干质量的百分率。用W来表示，按式（2.11）计算，即
式中 W——材料的含水率，%；
m 1——材料在含水状态下的质量，g；
m——材料在干燥状态下的质量，g。
材料的吸湿作用是可逆的，干燥的材料可吸收空气中的水分，潮湿的材料可向空气释放水分。当材料中所含水分与空气湿度达到平衡时的含水率，称为平衡含水率。
材料的吸湿性与空气的温度和湿度有关，空气的湿度大、温度低，材料的吸湿性就大；反之则小。影响材料吸湿性的因素，以及材料吸湿后对其性质的影响，均与材料的吸水性相同。
3.材料的耐水性
耐水性是指材料长期在水的作用下，保持其原有性质的能力。
不同的材料，其耐水性的表示方法不同。例如，结构材料的耐水性主要指强度的变化，用软化系数来表示，按式（2.12）计算，即
式中 Kp——材料的软化系数；
f sw——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
f d——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
材料的软化系数Kp在0（黏土）～1（钢材）之间变化。Kp的大小，说明材料吸水饱和后其强度下降的程度，Kp越大，表明材料吸水饱和后其强度下降得越少，其耐水性越强；反之则耐水性越差。一般认为Kp≥0.85的材料，称为耐水性材料。Kp是选用建筑材料的重要依据，经常位于水中或受潮严重的重要结构物，应选用Kp≥0.85的材料；受潮较轻的或次要结构物，应选用Kp≥0.75的材料。
4.材料的抗渗性
抗渗性是指材料抵抗压力水或其他液体渗透的性能。
抗渗性可用渗透系数K来表示，可按式（2.13）计算，即
式中 K——渗透系数，cm3/（cm2·s）或cm/s；
Q——渗水量，cm3；
d——试件厚度，cm；
A——渗水面积，cm2；
t——渗水时间，s；
H——水头，cm。
渗透系数K，反映水在材料中流动的速度。K越大，说明水在材料中流动的速度越快，其抗渗性越差。
有些材料（如混凝土、砂浆等）的抗渗性也可用抗渗等级Pi来表示，抗渗等级用材料抵抗最大水压力来表示，如P2、P4、P6、P8、P10、P12等，分别表示材料可抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压力而不渗水。
材料的抗渗性不仅与材料本身的亲水性和憎水性有关，还与材料的孔隙率和孔隙特征有关。材料的孔隙率越小而且闭口孔隙越多，其抗渗性越强。经常受压力水作用的地下工程及水利工程等，应选用具有一定抗渗性的材料。
5.材料的抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，其强度也不严重降低的性质。材料的抗冻性用抗冻等级来表示。
抗冻等级是以试件在吸水饱和状态下，经冻融循环作用，质量损失和强度下降均不超过规定数值的最大冻融循环次数Fi来表示，如F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分别表示材料可承受的最大冻融循环次数为25次、50次、100次、200次、250次、300次等。
材料冻结破坏的原因，是由于其内部孔隙中的水结冰产生体积膨胀（大约9%）而造成的。当材料的孔隙中充满水，水结冰后体积膨胀，而对孔壁产生很大的膨胀拉应力，如果该应力超过材料的抗拉强度时，使孔壁开裂，孔隙率增加，强度下降。冻融循环次数越多，对材料的破坏越严重，甚至造成材料的完全破坏。
影响材料抗冻性的因素有内因和外因。内因是指材料的组成、结构、构造、孔隙率的大小和孔隙特征、强度、耐水性等。外因是指材料孔隙中充水的程度、冻结温度、冻结速度、冻融频率等。
2.2.3 材料的热工性质
1.导热性
材料传递热量的性质称为材料的导热性。导热性用热导率λ来表示，可按式（2.14）计算，即
式中 λ——热导率，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——传热时间，h；
T 2 -T 1——材料两侧的温度差，K。
热导率λ越小，材料的隔热保温性能越好。
材料的导热性与材料的组成和结构、孔隙率的大小和孔隙特征、含水率及温度等有关。金属材料的热导率大于非金属材料的热导率。材料的孔隙率越大，热导率越小。细小而封闭的孔隙，热导率较小；粗大、开口且连通的孔隙，容易形成对流传热，热导率较大。因水和冰的热导率比空气大很多，故材料含水或含冰时，其热导率会急剧增加。
2.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。可按式（2.15）和式（2.16）计算，即
或
式中 Q——材料吸收或放出的热量，J；
m——材料的质量，g；
C——材料的比热容，J/（g·K）；
T 2 -T 1——材料受热或冷却前后的温度差，K。
材料的比热容，是指单位质量的材料，在温度升高或降低1K时，吸收或放出的热量。比热容越大，对保证室内温度的相对稳定越有利。
对建筑物进行热工计算时，需了解材料的热导率和比热容。几种常用材料的热导率和比热容参见表2.2。
表2.2 几种常用材料的热导率和比热容
3.热变形性
材料随温度的升降而产生热胀冷缩变形的性质，称为材料的热变形性，习惯上称为温度变形。热变形性用热胀系数α来表示，可按式（2.17）计算，即
式中 α——材料的热胀系数，1／K；
ΔL——试件的膨胀或收缩值，mm；
L——试件在升降温前的长度，mm；
Δt——温度差，K。
热胀系数α越大，表明材料的热变形性越大。
材料的热变形性，对于土木工程是不利的。例如，在大面积或大体积的混凝土工程中，当热变形产生的膨胀拉应力，超过混凝土的抗拉强度时，可引起温度裂缝；对于大体积的土木工程，为防止热变形引起裂缝，应设置伸缩缝；对于石油沥青，当温度降低到一定程度，易产生脆裂等。
4.耐燃性
材料在空气中遇火不燃烧的性能，称为材料的耐燃性。按照遇火时的反应将材料分为非燃烧材料（A）、难燃烧材料（B1）、可燃烧材料（B2）和易燃烧材料（B3）四级。
（1）非燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不碳化、不微烧的材料，称为非燃烧材料，如砖、天然石材、混凝土、砂浆、金属材料等。
（2）难燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，难燃烧、难碳化，离开火源后燃烧或微烧立即停止的材料，成为难燃烧材料，如石膏板、水泥石棉板、板条抹灰等。
（3）可燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，立即起火或微烧，且离开火源后仍继续燃烧或微烧的材料，称为可燃烧材料，如胶合板、纤维板、木材、苇箔等。
（4）易燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，立即起火，并迅速燃烧，且离开火源后仍继续迅速燃烧的材料，称为易燃烧材料，如纤维织物等。
在建筑工程中，应根据建筑物的耐火等级和材料的使用部位，选用非燃烧材料或难燃烧材料。当采用燃烧材料时，应进行防火处理。
5.耐火性
耐火性是指材料在火焰或高温作用下保持其不破坏、性能不明显下降的能力。用耐火极限来表示。
耐火极限：按规定方法，从材料受到火的作用起，直到材料失去支持能力、完整性被破坏或失去隔火作用止用的时间，用h来表示。例如：钢材的耐火极限0.25h。
耐燃性和耐火性的区别是耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如金属材料、玻璃等虽属于耐燃性材料，但在高温或火的作用下在短时间内就会变形、熔融，因而不属于耐火材料。