项目二　材料的物理性质

【知识导学】 材料的物理性质是指材料分子结构不发生变化的情况下而具有的性质。这一性质主要有：密度、密实度、空隙率、亲水性和憎水性、吸水性和吸湿性、耐水性和抗渗性、耐久性和抗冻性、导热性和热容量等。

一、密度

根据体积的表现形式不一样，有密度、表观密度和堆积密度三种概念。

1.实际密度

密度也称实际密度，是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。其计算公式为

材料的绝对密实体积是指不包括空隙内的体积。对于钢材、玻璃等密实材料，其体积可根据其外形尺寸求得，称出其干燥时候的质量，然后按照上式计算出其密度值。对于多孔的固体材料，一般使用磨细干燥法（材料磨的越细，测得的密度值越准确）或者排水法来求得其绝对体积，再按上述公式计算出其密度值。

材料的密度大小取决于材料的组成与微观结构。

注意：干燥状态的材料可以通过烘干（烘箱）或干燥（干燥器）求取。

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。计算公式如下：

材料在自然状态下的体积是指包括孔隙在内的体积。外形规则的材料可根据其外形尺寸计算出其体积，外形不规则的材料可使用排水法测得其体积。

表观密度是反映整体材料在自然状态下的物理参数。

3.堆积密度

堆积密度是指疏松状（小块、颗粒、纤维）材料在自然堆积状态下单位体积的质量。计算公式如下：

堆积密度的堆积体积中，既包括了材料颗粒内部的孔隙，也包括了颗粒间的空隙。松散体积用容量筒测定。材料的堆积密度不仅与其颗粒的宏观结构、含水状态等有关，而且还与其颗粒间空隙或颗粒间被挤压实的程度等因素有关。因此，材料的堆积密度变化范围更大。

实际密度、表观密度、堆积密度常用来计算材料的密实度、空隙率和孔隙率，或用来计算材料的用量、自重、运输量及堆积空间等。并且，材料的表观密度大小直接影响材料的强度、保温、隔热等性能。常用材料的实际密度、表观密度及堆积密度值见表1-1。

4.孔隙率

孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。计算公式如下：

从式（1-4）可以看出，材料的孔隙率不但可以表明材料体内孔隙大小的程度，也反映了材料的紧密程度。一般来说，材料的孔隙率越大，紧密度越小，强度越小；材料的孔隙率越小，紧密度越大，强度越大。孔隙的大小及其分布对材料的性能影响较大。

材料孔隙往往分为开口孔隙和闭口孔隙，开口孔隙是指与外界相通的孔隙，闭口孔隙是指不仅彼此互不连通且与外界相隔绝的孔隙。

5.空隙率

空隙率是指散粒状材料堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率。其计算公式如下：

空隙率反映了堆积材料中颗粒间空隙的多少，对于研究堆积材料的结构稳定性、填充程度及颗粒间相互接触连接的状态具有实际意义。

二、材料与水有关的性质

材料在正常工作中，常常会吸收水或大气中的水分，根据材料吸附水分的情况，将材料的含水状况分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态及湿润状态4种，材料吸水后某些性能会发生变化而影响材料的使用功能，因此，了解材料与水有关的性质是很有必要的。

1.亲水性与憎水性

材料在空气中与水接触，根据其能否被水润湿，可将材料分为亲水性材料和憎水性材料。

润湿就是水被材料表面吸附的过程。当材料在空气中与水接触时，在材料、空气、水三相交界处，沿水滴表面所引切线，切线与材料表面（水滴一侧）所得夹角θ，称为润湿角。θ越小，说明润湿程度越大，当θ为零时，表示材料完全被水润湿。当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的吸引力，这种材料称为亲水性材料，例如普通烧结黏土砖。当θ＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的吸引力，材料表面不易被水润湿，此种材料称为憎水性材料，例如玻璃。润湿角如图1-1所示。

大多数建筑材料都属于亲水性材料，如砖、混凝土、木材等。有些材料（如沥青、石蜡等）属于憎水性材料。憎水性材料不仅可作防水防潮材料，而且还可应用于处理亲水性材料的表面，以降低其吸水率，提高材料的防水、防潮性能，提高其抗渗性。

2.吸水性（浸水状态下）

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。材料的吸水率的表达方式有两种：一是质量吸水率，另一个是体积吸水率。

（1）质量吸水率。质量吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的质量占材料干质量的百分率，并以ω质（%）表示。其计算公式如下：

（2）体积吸水率。体积吸水率是指材料在浸水饱和状态下所吸收水分的体积与材料在自然状态下的体积之比，并以ω体（%）表示。其计算公式如下：

质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：

在多数情况下都是按质量计算吸水率，有时也按体积计算吸水率。材料吸水率主要与材料的孔隙率有关，更与其孔特征有关。材料开口孔隙率越大，吸水性越大，而封闭孔隙则吸水少，对于粗大孔隙，水分虽然容易渗入，但仅能润湿孔壁表面而不易在孔内存留，故封闭孔隙和粗大孔隙材料，其吸水率是较低的。

3.吸湿性

吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性能。材料在水中能吸收水分，在空气中也吸收水汽，并随着空气湿度大小而变化。空气中的水汽在湿度较大时被材料所吸收，在湿度较小时向材料外扩散（此性质也称为材料的还湿性），最后使材料与空气湿度达到平衡。吸湿性大小用含水率进行表示。其计算公式如下：

材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙含量，特别是毛细孔的含量有关。细微并连通孔隙的材料吸水率大，而具有封闭孔隙的材料吸水率小。材料的吸湿性还与周围环境的湿度、温度有关。当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态。当吸水达到饱和状态时，含水率即为材料的吸水率。

材料吸水或吸湿后，除了本身质量增加外，可削弱材料内部质点间的结合力或吸引力，导致材料强度的降低、体积膨胀、保温隔热性能降低和导热性能增加。由此可见，在多数情况下，材料的吸水性和吸湿性对材料的使用是不利的，这会对工程带来不利的影响。

4.耐水性

材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质。用软化系数KR表示。计算公式如下：

软化系数反映了材料饱水后强度降低的程度，它是材料吸水后性质变化的重要特征之一。在同一条件下，吸水后的材料强度比干燥时材料强度低。软化系数越小，意味着强度降低越多。

材料的软化系数为0～1，不同材料的值相差颇大，如黏土软化系数几乎为0，而金属软化系数几乎为1。一般认为，KR值大于0.85的材料是耐水性的，它可用于水中或潮湿环境中的重要结构，用于受潮较轻或次要结构时，材料的KR值也不得小于0.75，以保证其材料的强度。

耐水性与材料的亲水性、可溶性、孔隙率、孔特征等有关，工程中常从这几个方面改善材料的耐水性。

5.抗渗性

抗渗性是指材料抵抗压力水（或其他液体）渗透的性质，也叫不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数和抗渗等级表示。

渗透系数的意义是：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。其计算公式如下：K值越大，表示渗透材料的水量越多，即抗渗性越差。抗渗性的好坏，主要与材料的孔隙率及孔隙特征有关，并与材料的亲水性和憎水性有关。开口孔隙率越大、大孔含量越多，抗渗性越差；而材料越密实或具有封闭孔隙的，水分不易渗透，抗渗性越好。

6.抗冻性

抗冻性是指材料在水饱和状态下，抵抗多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性质。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定的试验条件下，测得其强度降低和质量损失不超过规定值，此时所能经受的冻融循环次数，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数。如F150，表示在标准试验条件下，材料强度下降不大于25%，质量损失不大于5%，所能经受的冻融循环次数最多为150次。

材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。若材料孔隙中充满水，由于材料内部毛细孔中的水结冰时体积膨胀（水结冰时体积增大约9%），结冰膨胀对孔壁产生很大的冻胀应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，使材料内部产生微裂缝。当温度回升，冰被融化时，不仅孔隙还会充满水，而且某些被冻胀的裂缝中还可能再渗入水分；再次受冻结冰时，材料受到更大的冻胀和裂缝扩张。随着冻融循环次数的增多，材料破坏加重，以致强度下降，所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度和材料对结冰膨胀所产生的冻胀应力的抵抗能力。

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。环境温度越低、降温越快、冻融越频繁，则材料受冻融破坏越严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。

若材料的变形能力大、强度高、软化系数大，则其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。材料的抗冻性，在寒冷地区更有实际意义，应选择一些抗冻性能较好的材料使用，以经受气候温度变化对材料带来的影响。

三、材料的热工性质

1.材料导热性

导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力。导热性是材料的一种非常重要的热学物理指标。材料的导热性用导热系数λ来表示。

导热系数的物理意义是：当材料两侧的温差为1K时，在单位时间内通过单位面积，并透过单位厚度的材料所传导的热量。计算公式如下：

材料的导热系数值越小，则材料的保温隔热性能越好，导热性能越差。通常把导热系数值小于0.23的建筑材料称为隔热材料。

材料的导热性与材料的成分、组织结构、孔隙率、孔隙特征、含水量等因素有关。材料越密实，导热性越高，导热系数越大，保温隔热性能越差。孔隙率越大，且具有封闭孔隙构造，其导热系数就越小，导热性低，保温隔热性越好。材料受潮后，在材料的孔隙中有水分（包括蒸汽水和液态水），使材料的导热系数增大。如果孔隙中的水分冻结成冰，冰的导热系数约是水的四倍，材料的导热系数就更大。故通常所说的导热系数是指干燥状态下的导热系数，以利于发挥材料的绝热效能。

2.材料的热容量与比热容

材料的热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的性质。其计算公式如下：

用符号C表示材料的比热容，其表达式为

比热容是反映材料的吸收或放热能力大小的物理量，指质量为1g的材料，在温度改变1K时所吸收或放出热量的大小。不同的材料比热不同，即使是同一种材料，由于所处物态不同，比热也不同，例如，水的比热为4.19J/（g·K），而结冰后比热则是2.05J/（g·K）。

材料的比热值大小与其组成和结构有关。比热值大的材料可以在热流变动或采暖不均匀时缓和室内温度的波动，对保持建筑物内部的温度稳定有较好的作用，故工程中多优先选择热容量大的材料。因为水的比热值最大，当材料含水率高时，比热值变大。通常所说材料的比热值是指其干燥状态下的比热值。

3.材料的温度变形性

材料的温度变形性是指温度升高或降低时材料体积变化的特性。除了个别材料（如277K以下的水）以外，多数材料在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩。这种变化表现在单向尺寸时，为线膨胀或线收缩，相应的表征参数为线膨胀系数（α）。材料温度变化时的单向线膨胀量或线收缩量的计算公式如下：

在土木工程中，对材料的温度变形大多数关心其某一单向尺寸的变化，所以，研究其平均线膨胀系数具有实际意义。材料的线膨胀系数与材料的组成和结构有关，常通过选择合适的材料来满足工程对温度变形的要求。

4.材料的耐火性

材料的耐火性是指材料在火焰或高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。用其耐受的时间来表示，称为耐火极限。

根据不同材料的耐火度（耐火能力），可将材料划分为以下三类：

（1）耐火材料。在1580℃以上的高温下不破坏、不变形的材料。如耐火砖。（2）难熔材料。能经得住1350～1580℃高温的材料。如难熔黏土砖。（3）易熔材料。熔化温度在1350℃以下的材料，如普通的黏土砖。

材料的耐火性是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。一般建筑物选用的材料，都应具有较好的耐火性能。

5.材料的耐燃性

材料的耐燃性是指材料在火焰或高温作用下可否燃烧的性质。根据耐燃性可分为以下三大类材料：

（1）不燃烧类（A级）：遇到火焰或高温不易起火，不燃烧并且不碳化的材料。如砖、石、混凝土、金属等各种无机类材料。

（2）难燃烧类（B1级）：遇到火焰或高温不易燃烧、不碳化，只有火源持续存在时才能继续燃烧，火焰熄灭燃烧即停止的材料。如沥青混凝土、经防火处理的木材、木丝板、某些塑料等有机-无机复合材料。

（3）燃烧类（B2、B3级）：遇到火焰或高温容易起火，在火源移去后，仍能继续燃烧的材料。如木材、沥青、油漆、合成高分子黏结剂等有机类材料。

四、材料的力学性质

（一）静力强度

材料抵抗静荷载作用而不破坏的能力，称为静力强度。静力强度以材料试件按规定的试验方法，在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值表示。

材料的强度按外力作用方式的不同，分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。

不同种类的材料具有不同的强度特点，如砖、石材、混凝土和铸铁等材料具有较高的抗压强度，而抗拉、抗弯强度均较低；钢材的抗拉及抗压强度大致相同，而且都很高；木材的抗拉强度大于抗压强度。应根据材料在工程中的受力特点合理选用。

几种强度计算公式见表1-2。

（二）强度等级及比强度

为生产及使用的方便，对于以力学性质为主要性能指标的材料常按材料强度的大小分为不同的强度等级。强度等级越高的材料，所能承受的荷载越大。对于混凝土、砌筑砂浆、普通砖、石材等脆性材料，由于主要用于抗压，因此以其抗压强度来划分等级，而建筑钢材主要用于抗拉，故以其抗拉强度来划分等级。

材料的比强度是指材料强度与体积密度的比值（f/ρ0）。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。比强度高的材料具有轻质高强的特性，可用做高层、大跨度工程的结构材料。轻质高强是材料的发展方向。

（三）影响材料强度的因素

影响材料强度的因素很多，内在因素如结晶体材料中质点的晶型结构、晶粒的排列方式、晶格中存在的缺陷情况等；非结晶体材料中的质点分布情况等。外在因素如材料的表观密度、孔隙率、含水率、环境温度等。

试件强度还与试件形状、大小和试验条件密切相关。受试件与承压板表面摩擦的影响，棱柱体形状等长试件的抗压强度较立方体等短试件的抗压强度低；大试件由于材料内部缺陷出现机会的增多，强度比小试件低一些；表面凹凸不平的试件受力面受力不均匀，强度也会降低；试件含水率的增大，环境湿度的升高，都会使材料强度降低；由于材料的破坏是其变形达到极限变形的破坏，而应变发展总是滞后于应力发展的，故加荷速度越快，所测强度值也越高。为了使试验结果具有可比性，材料试验应严格按国家有关试验规程的规定进行。

（四）材料的弹性与塑性

1.材料的弹性与弹性变形

材料的弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力消除后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。

弹性变形的大小与其所受外力的大小成正比，其比例系数对某些弹性材料来说在一定范围内为一常数，这个常数被称为材料的弹性模量，并以符号“E”表示，其计算公式如下：

材料的弹性模量是衡量材料在弹性范围内抵抗变形能力的指标，E越大，材料受力变形越小，也就是其刚度越好。弹性模量是结构设计的重要参数。

2.材料的塑性与塑性变形

材料的塑性是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形。

一般认为，材料的塑性变形是因为内部的剪应力作用致使某些质点间相对滑移的结果。实际上，纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，当外力的大小足以使材料内质点间的剪应力超过其相对滑移所需要的应力时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失，混凝土就是这类材料的代表。

许多材料的塑性往往受温度的影响较明显，通常较高温度下更容易产生塑性变形。有时，工程实际中也可利用材料的这一特性来获得某种塑性变形。例如，在工程材料的加工或施工过程中，经常利用塑性变形而使材料获得所需要的形状或使用性能。

（五）材料的韧性与脆性

1.材料的韧性

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。其韧性材料的特点是变形大，特别是塑性变形大。如建筑钢材、木材和塑料等。材料韧性对材料在使用中受冲击振动荷载力时有很重要的作用。如吊车梁、桥梁所有受冲击振动荷载作用的地方，所用材料均需较高的韧性，以在受力后不被破坏。

2.材料的脆性

材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。一般脆性材料的抗静压强度较高，但抗冲击能力、抗振动能力、抗拉及抗折强度很差。如砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土和铸铁等。

（六）材料的其他力学性质

1.材料的硬度

材料的硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。材料的硬度与强度有密切的关系，对于不能直接测得强度的材料，往往采用硬度推出强度的近似值。

工程中用于表示材料硬度的指标有很多种，对金属、木材等材料常以压入法检测其硬度，其方法有：洛氏硬度、布氏硬度等。天然矿物材料的硬度常用莫氏硬度表示，它是以两种矿物相互对刻的方法确定矿物的相对硬度，并非材料绝对硬度的等级。混凝土等材料的硬度常用肖氏硬度检测（以重锤下落回弹高度计算求得的硬度值）。

2.材料的耐磨性

材料的耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性与材料的组成结构及强度、硬度有关。在工程中，路面、工业地面等受磨损的部位，选择材料需考虑其耐磨性。一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。

3.材料的疲劳极限

在交替荷载作用下，应力也随时间作交替变化，这种应力超过某一限度而长期反复会造成材料的破坏，这个限度叫做疲劳极限。

五、材料的耐久性

材料的耐久性是指材料在使用过程中，能长期抵抗各种环境因素而不破坏，且能保持原有性质的性能。它是一种复杂的、综合的性质，包括材料的抗渗性、抗冻性、大气稳定性和耐腐蚀性等。

1.影响材料耐久性的因素

影响材料的耐久性的因素主要有内因和外因两个方面。影响材料耐久性的内在因素主要有材料的组成与结构、强度、孔隙率、孔特征、表面状态等因素。外在因素可分为四类：①物理作用，包括光、热、电、湿度变化、温度变化、冻融循环、干湿变化等，这些作用可使材料结构发生变化，体积胀缩、内部产生裂纹等，致使材料逐渐破坏；②化学作用，包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或其他有害物质对材料的侵蚀作用，以及日光等对材料的作用，使材料产生本质的变化而导致材料的破坏；③生物作用，包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、蛀蚀等，致使材料破坏；④机械作用，包括荷载的持续作用或交变作用引起材料的疲劳、冲击、磨损等破坏。

2.材料耐久性的测定

对材料耐久性最可靠的判断，是对其在使用条件下进行长期的观察和测定，但这需要很长时间。近年来多采用快速检验法。

快速检验法是模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有关的快速试验，根据试验结果对材料的耐久性作出判定，主要项目有：干湿循环、冻融循环、碳化、加湿与紫外线干燥循环、盐溶液浸渍与干燥循环、化学介质浸渍等。

3.改善材料耐久性的措施

根据使用环境选择材料的品种，采取各种方法控制材料的孔隙率与孔特征；改善材料的表面状态，增强抵抗环境作用的能力。

4.提高材料耐久性的意义

在设计选用土木工程材料时，必须考虑材料的耐久性问题。采用耐久性良好的土木工程材料，对节约材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等，均具有十分重要的意义。